西部 211，迎 2 篇 Nature！

蜘蛛脉冲星是在近距离轨道上有伴星的中子星。伴星将物质脱落到中子星上，使其旋转到毫秒的自转周期，而轨道缩短到数小时。伴星最终被脉冲星风和辐射 " 烧蚀 " 并毁灭。它们是研究吸积 X 射线脉冲星与孤立的毫秒脉冲星、脉冲星辐照效应和大质量中子星诞生之间的演化联系的关键。

2023 年 6 月 20 日，贵州大学 / 中国科学院国家天文台姜鹏、中国科学院国家天文台韩金林及美国内华达大学 B. Zhang 共同通讯在Nature 在线发表题为 "A Binary Pulsar in a 53-minute Orbit" 的研究论文，该研究报告了对双毫秒脉冲星 PSR J1953+1844 ( M71E ) 的射电观测。

(相关资料图)

据悉，此前的 3 月 8 日，云南大学张喜光及英国杜伦大学 Martin R. Smith（云南大学杨杰及贵州大学兰天为文章的共同第一作者）在Nature 在线发表题为"Protomelission is an early dasyclad alga and not a Cambrian bryozoan"的研究论文，该研究表明 Protomelission 是一种早期的绒枝藻，而不是寒武纪苔藓虫。

PSR J1953+1844 ( M71E ) 是在 2021 年使用 500 米口径球面射电望远镜 ( FAST ) 发现的，由 FAST 银河平面脉冲星快照调查发现，并确定为双星。利用 FAST 球状星团脉冲星调查的存档数据，确定了其轨道参数。后续观测于 2021 年 9 月开始。通过脉冲星定时测量了它的自旋、天文测量和轨道参数。它的轨道周期为 53.3 分钟，而之前记录的双星脉冲星轨道周期是来自 J1653-0158 的 75 分钟，来自光源 ZTF J1406+1222 的 62 分钟。该脉冲星的色散测量值为 113.1 pc cm 3，接近但低于 M71。

它的计时位置 ( J2000 19:53:37.95 +18:44:54.3 ) 距离 M71 的中心大约 2.5 弧分 ( J2000 19:53:46.49 +18:46:45.1 ) 。钱德拉 X 射线几乎在定时位置被识别出来，而没有光学 ( SDSS ) 、红外 ( 2MASS ) 或伽马射线 ( 费米卫星 ) 在档案数据的定时位置周围被识别出来。钱德拉数据的细节可以在方法中找到。M71 的核心半径、投射半光半径和半质量半径 ( 3D ) 分别为 1.07、3.32 和 4.81 pc。假设到脉冲星和球状星团的距离相同，这颗脉冲星不在 M71 的核心区域，而仍在 M71 的外围。因此，这颗脉冲星是否是这个球状星团的成员是有争议的。作者把它命名为 M71E，因为它离 M71 很近，很可能是 M71 中的双星。假设脉冲星的质量为 1.4 M ⊙ ( 中子星的典型质量 ) ，并根据时间解，得到最小伴星质量为 0.008 M ⊙。

由于毫秒脉冲星的质量分布可能是双峰的，而蜘蛛中的脉冲星质量往往更重，为了进一步分析，作者假设 M71E 中子星的可能质量为 1.0、1.4 或 2.0 M ⊙。紧凑的轨道消除了主序伴星的可能性，只有白矮星或褐矮星的密度足够达到这样的周期。根据 M71E 计时得到的质量函数，研究人员对轨道倾角与伴星质量的关系给出了一个一般性约束。

M71E 在伴星质量 - 轨道周期平面上的位置及其与双星演化模型的比较（图源自 Nature ）

研究人员首先考虑白矮星伴星。分离双星系统中白矮星质量的观测下限为 ~ 0.16M ⊙，理论质量下限为 ~ 0.14 M ⊙，低于此下限的白矮星很难从双星演化中形成。在假定脉冲星质量的大范围内，为了使伴星质量大于或等于 0.16 M ⊙，允许的倾角应该非常接近，即 i < 3.6 o。对于轨道倾角的随机分布，即使脉冲星质量为 2.0 M ⊙，出现如此小的轨道倾角的概率也小于 0.3%。此外，没有直接的双星演化通道来形成如此紧密轨道的分离白矮星 - 中子星双星。因此，作者不赞成 M71E 的伴星是白矮星。

蜘蛛脉冲星的形成通道仍有争议。考虑到这个系统可能位于球状星团中，原则上可能是交换相互作用的产物。然而，由于缺乏对该通道的自洽计算，目前尚不清楚 M71E 的具体参数是否可以用动态通道来解释。此外，不能排除该系统是由中子星 - He/CO 白矮星系统演化而来，具有稳定的传质过程。这样的中子星 - He/CO 白矮星双星的轨道周期可以达到 53.3 分钟，此时 He/CO 白矮星的质量点应该在 0.01 M ⊙左右。此外，这类中子星 - He/CO 白矮星双星的轨道周期预计在 6.80 9.64 min 左右，明显小于 M71E 的轨道周期，因为 He/CO 白矮星的质量降低到 0.05 0.10 M ⊙。然而，在这种情况下，作者没有考虑脉冲星发射蒸发的影响，这可能会扩大双星分离并有助于解释 M71E 的性质。

综上，该研究表明双毫秒脉冲星 PSR J1953+1844 ( M71E ) 的轨道周期为 53.3 分钟，伴星质量为 0.07 M ⊙。它是一个微弱的 X 射线源，距离球状星团 M71 的中心 2.5 角分。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06308-w