“黑寡妇”脉冲星研究新进展：宇宙中的灯塔？还是嗜血的杀手？

你可能知道电影中美艳、冷酷的“黑寡妇”，也或许了解生活在丛林中，闻名世界的剧毒蜘蛛之一的“黑寡妇”。可你知道在我们头顶的星空之上也有“黑寡妇”的存在吗？它们不是星座，也不是什么外星怪兽，而是天文学家在宇宙中发现的一类特殊的天体。

1988年，Fruchter和他的同事们利用著名的阿雷西博（Arecibo）射电望远镜发现了一颗诡异的毫秒脉冲星PSR B1957+20，它从两极喷出的辐射和高能粒子风正在加热并蒸发着它的伴星，不断把伴星的物质从其表面剥离出去，使它们的质量逐渐降低。充满想象力的天文学家们发现这个行为就好像黑寡妇蜘蛛在肢解与它们交尾后的伴侣，便以“黑寡妇”来为这种脉冲星命名。

黑寡妇脉冲星示意图

（图片来源：NASA）

“黑寡妇”脉冲星究竟有多“黑”呢？以PSR J1719-1438为例，它的伴星质量仅仅是太阳质量的千分之一，和太阳系中的木星相当。这表明这只“黑寡妇”把它的伴星从一颗恒星硬生生地吹成了一颗行星，直接下降了一个级别！

是谁创造了这么凶残、嗜血的“黑寡妇”呢？下面就来翻看恒星的族谱，找一找它的历史。

这里补充一句，宇宙中还有黑寡妇蜘蛛脉冲星的表亲——红背蜘蛛脉冲星（red back pulsars）。红背蜘蛛也是一种带有剧毒的蜘蛛。这两类脉冲星的轨道周期都在1天以内，其差别在于伴星的质量。黑寡妇脉冲星的伴星有着小于百分之五倍太阳的质量，而红背脉冲星的伴星则有着十分之一到一倍太阳的质量。

生于孰地？

我们知道，如果一颗恒星有着超过10倍于太阳的质量，那么就会在演化的最后阶段经历超新星爆炸，形成一颗半径为15公里，且有着超强磁场的中子星。一般来说，此时的恒星即将走完它绚丽的一生，因为它再也没有核燃料来供自身散发光芒了。等待它的是逐渐在宇宙中归于寂灭。

超新星示意图

（图片来源：NASA）

然而，处于双星系统中的中子星很懂得“拿来主义”，能够逆天改命。它依靠强大的引力将其伴星身上的物质剥夺过来，为自身增加质量（称为吸积过程）。在剥夺来的物质落向中子星表面时，会辐射出X射线。这样，中子星便会重新焕发新生，以X射线源的面貌在宇宙中继续着它的舞台。在此期间，中子星通过吸积伴星物质获得角动量，来提高自身的转速，最终成为自转周期仅为几毫秒的毫秒脉冲星。在脉冲星高速自转和强磁场的共同作用下，表面的带电粒子会被加速，并产生电磁辐射和高能粒子风。如果它的伴星运气不佳，不幸被这些辐射扫过，那么就会形成黑寡妇双星系统。

这里也再补充下，脉冲星是一类快速自转的中子星。当脉冲星的辐射束扫过地球时，我们就可以利用望远镜记录下这颗脉冲星的脉冲信号。由于脉冲星的稳定转动，脉冲信号会有着类似于人类“脉搏”的周期，时明时灭，像为处于黑夜之中的人们指明方向的灯塔，因此脉冲星也有着“宇宙灯塔”之称。

脉冲星示意图

（图片来源：https://outreach.atnf.csiro.au/）

归去何方？

那么，黑寡妇脉冲星的伴星受到脉冲辐射的长期蒸发后，会不会完全消失掉，使这个双星系统只留下一颗孤立的毫秒脉冲星呢？很有可能！事实上，天文学家已经发现了几百颗孤立的毫秒脉冲星，约占毫秒脉冲星总数的三分之一。
以往的研究表明黑寡妇脉冲星需要相当长的时间才能将其伴星完全摧毁掉，这个时间甚至超过了宇宙的年龄。如此看来，传统的黑寡妇模型似乎不能形成孤立的毫秒脉冲星。

最近，云南天文台的研究人员利用脉冲星蒸发氦星的模型构建了一类黑寡妇脉冲星系统。他们的计算结果表明伴星能够在较短的时间内降低到一个极低的质量，即千分之一倍甚至十万分之一倍的太阳质量。这个时候，黑寡妇的伴星会被脉冲星的引力撕碎。而黑寡妇脉冲星最后会落个孤家寡人的下场，成为一颗孤立毫秒脉冲星。然而，是否所有的黑寡妇脉冲星都会将它们的伴星完全摧毁掉？这个问题有待进一步的研究。

结语

这就是黑寡妇脉冲星，它的伴侣在它的摧残下渐渐虚弱，甚至于消失在这个世界中。而在遥远的我们看来，它却是在黑暗宇宙中的灯塔。如果未来的人类计划搬离地球，寻找新的宜居带，那一定要与这些“灯塔”保持相当的距离，因为它们施行的是“远交近攻”的策略。倘若离得近了，会发现这些“灯塔”原来是黑寡妇蜘蛛扮演的，要撕碎一切“枕边人”。

中国天眼

（图片来源：中国政府网）

自2016年以来，位于我国贵州的中国天眼FAST已经发现了660余颗脉冲星，成绩卓著，其中不乏一些黑寡妇脉冲星。或许我们也应该像FAST大锅那样，不时地抬头望望天，说不定会发现什么新的“物种”！

参考文献：

[1] Bhattacharyya S., Papitto A., Bhattacharya D., 2022, ASSL, 465, 319

[2] Guo Y., Wang B., Han Z., 2022, MNRAS, 515, 2725

出品：科普中国

作者：郭云浪（中国科学院云南天文台）

监制：中国科普博览