中国天眼FAST寻获两颗球状星团长周期脉冲星

《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版2024年第6期以封面文章发表之江实验室周登科和国家天文台王培、李菂等人的突破性发现。

球状星团是一种受自引力束缚的高密度恒星集群，其演化年龄一般超过百亿年，是宇宙中最古老的天体系统之一。球状星团中的恒星经过数十亿年的演化，存在着大量脉冲星，通过了解其性质，可获取球状星团的动力学演化过程、星族合成路径等信息。中国天眼FAST是世界最大的单口径射电望远镜，其历史性高灵敏度可对球状星团开展最深的射电脉冲星搜寻和观测研究。

目前在银河系内41个球状星团中已发现的317颗脉冲星中，大多都是自转周期在数十毫秒范围内的毫秒脉冲星，其中179颗处于双星系统。一个可能的物理图像是，由于球状星团恒星密度大，碰撞率高，脉冲星很容易捕获到伴星，并从双星吸积过程中加速转动，通过“再循环”过程，最终形成观测到的大量毫秒脉冲星。在观测上，之前在球状星团中仅发现了两例周期在秒量级的脉冲星，因此在球状星团中是否存在另外的脉冲星演化路径在观测上一直是个悬而未决的问题。

为了弄清这个问题，之江实验室天文计算研究中心的周登科博士、国家天文台王培副研究员和中国天眼 FAST首席科学家李菂研究员等人通过发展快速折叠搜索方案，系统分析了FAST公开观测数据，在球状星团M15中发现了两颗长周期脉冲星，分别是自转周期约为1.9秒的M15K和自转周期约为3.9秒的M15L。其中M15L刷新了球状星团脉冲星的周期记录，成为目前球状星团中已知周期最长的脉冲星。

团队发现这两颗脉冲星在周期－周期导数图上的位置仍位于自旋加速线（spin－up line）的下方，这条线是脉冲星通过吸积所能加速的上限。这两颗脉冲星位于自旋加速线的下方，说明它们在早期也可能处于双星系统中，并经历了短暂的吸积过程，随后就与其他天体相遇并被破坏了双星系统，从而导致失去伴星后的脉冲星逐渐演化成了长周期脉冲星。另一条证据是它们相对强的磁场，脉冲星在吸积过程中可能会弱化其磁场，所以新发现的两颗长周期脉冲星的强磁场也进一步佐证了它们仅仅经历了短暂的吸积过程。论文通讯作者、FAST首席科学家李菂表示：“这一发现揭示了球状星团脉冲星的一种新的演化路径。FAST正在系统性的改变我们对于球状星团脉冲星的认识。”

脉冲星领域权威Richard Manchester教授评价“这篇重要论文彰显了FAST高灵敏度。毫无疑问，我们可期待进一步重要探测，不仅仅是球状星团脉冲星，还有银河系或其他星系中其他有趣脉冲星”(This important paper highlights the great sensitivity of the FAST. We can no doubt expect further important detections, not only of globular-cluster pulsars, but also of other interesting pulsars in our Galaxy or even in other galaxies)。中国科学院云南天文台韩占文院士评价“由该成果可期望更多类似发现，最终填补球状星团中脉冲星族群的空白，对于理解球状星团中脉冲星形成过程和相互作用至关重要”(If they are harbingers of more such discoveries, we may finally fill in the missing pieces of the pulsar population in globular clusters. This is crucial for understanding the formation process and dynamic interactions of pulsars in globular clusters)。

这一突破性发现近日在线发表于《中国科学：物理学 力学 天文学》（SCIENCE CHINA Physics,Mechanics & Astronomy）。这项工作由之江实验室和国家天文台合作共同完成，王培和李菂为论文通讯作者。

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D. Zhou, P. Wang, D. Li, J. Fang, C. Miao, P. C. C. Freire, L. Zhang, D. Zhang, H. Chen, Y. Feng, Y. Xiao, J. Xie, X. Zhang, C. Jin, H. Wang, Y. Ke, X. Guo, R. Zhao, C. Niu, W. Zhu, M. Xue, Y. Wang, J. Wu, Z. Gan, Z. Sun, C. Wang, J. Zhang, J. Zhang, J. Cao, and W. Lu, A discovery of two slow pulsars with FAST: “Ronin” from the globular cluster M15, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 67, 269512 (2024), https://doi.org/10.1007/s11433-023-2362-x