「紅背蜘蛛」系統是一種特殊的脈衝雙星系統。它有什麼有趣的特徵，能告訴我們什麼呢？最近，中國科學院國家天文臺的天文工作者使用FAST在球狀星團M92中也發現了一個這樣的系統。該研究工作被評為美國天文學會(AAS)2020年4月17日的研究亮點。本文將以此為例，介紹「紅背蜘蛛」系統。
脈衝星是宇宙中最精確的時鐘。因為這個原因，脈衝星是天文學的重要研究對象之一。脈衝星是向地球發出周期信號的中子星，直徑大約二十千米，質量和太陽差不多，非常緻密，是大質量恆星死亡的產物，在銀河系中主要分布在銀道面上和球狀星團（分布在銀河系各處，及呈球狀或橢球狀的星團）中；在近鄰的大小麥哲倫星系中也有發現。年輕的脈衝星具有較快的自轉速度，比如蟹狀星雲中的脈衝星每秒鐘會旋轉約30圈。脈衝星通過旋轉將自身動能轉化成其它形式的能量，比如電磁波，向宇宙空間釋放，並因此越轉越慢，並在數千萬年後由於自轉太慢而不能發射電磁波。如果脈衝星存在物質吸積，如存在於雙星系統中，伴星的物質可能就會受到脈衝星吸引而落向脈衝星。物質吸積同時給脈衝星帶來了外界的能量，使得脈衝星自轉速度的減慢率下降，甚至可以加速脈衝星的自轉。毫秒脈衝星是自轉周期30毫秒(也有定義為20毫秒)以下的脈衝星，就是物質吸積產生的。這樣的外界能量注入可以使得脈衝星，尤其是毫秒脈衝星，能在甚至誕生百億年後依然發射出電磁波並被探測到。
圖1: 中間是脈衝星，圍繞脈衝星運動的是它的伴星，一個小質量恆星。，可以看到恆星物質受脈衝星影響正在脫離，隨後被脈衝星吸積或者向宇宙空間布散。圖片來源：NASA。https://svs.gsfc.nasa.gov/11215
球狀星團分布在銀河系的銀暈上，有著高達到百億年的演化歷史；這使得在其中找到的脈衝星絕大多數也都是非常年老的毫秒脈衝星。銀河系有一百多個球狀星團，這些球狀星團的恆星密度、年齡等特徵不盡相同，各個球狀星團中發現的脈衝星數量也有很大差別。迄今，已經在30個球狀星團中發現了157顆脈衝星。其中名為Terzan 5和47 Tuc (NGC104)的兩個球狀星團位列第一第二，分別有38顆和25顆脈衝星；而更普遍的情況是，每個球狀星團中只找到了不超過5顆脈衝星。導致這種情況的原因，有觀測時長和靈敏度的不同，但更為重要的可能是球狀星團內稟性質有區別。
在球狀星團脈衝星中，有很多極端的例子。比如，人類發現的自轉最快的脈衝星，自轉周期1.39毫秒，是球狀星團中發現的。球狀星團脈衝星往往存在一個小質量的伴星；脈衝星和伴星構成雙星系統，互相繞轉。有的脈衝星雙星系統的軌道周期特別短，例如脈衝星J0024-7204R，其軌道周期只有1.58小時。有些脈衝星雙星系統的伴星質量非常小，不足太陽質量的百分之十。有的脈衝雙星系統還存在掩食的現象。
脈衝雙星系統有多種類型，所謂「紅背蜘蛛」系統（redback system），是一種特殊的脈衝雙星系統。它的軌道周期往往短於1天，軌道偏心率非常接近0，伴星是一個只有太陽三分之一甚至更小質量的恆星。最重要的特徵是，伴星物質正在被脈衝星吸積。這個系統的名字也是由這種吸積現象而來的。紅背蜘蛛屬於球蛛，身體是個大球，頭是個小球。
圖2. 紅背蜘蛛（圖片來源於網絡）
紅背蜘蛛和用來命名另外一種脈衝星雙星系統的黑寡婦蜘蛛(black widow)蜘蛛一樣，都傾向於把自己的伴侶吃掉，就像這兩種脈衝雙星系統中，脈衝星正在把伴星物質吞噬掉一樣。圖1是表示這樣演化的動畫,圖2是紅背蜘蛛的圖片。長達百億年的演化使得球狀星團脈衝星有著非常高的毫秒脈衝星比例，也意味著其中的雙星比例也遠高於我們在銀河系銀盤上發現的脈衝星。這些球狀星團的脈衝雙星系統中就有超過10個「紅背蜘蛛」系統。球狀星團中「紅背蜘蛛」系統中的伴星往往已經演化成為了亞巨星，且處於軌道周期較短的雙星系統中，因此在真實的觀測數據中可以看到由於伴星物質被脈衝星吸積而產生的各種現象，包括脈衝到達時間延遲，脈衝星信號長達軌道周期40%甚至更長的掩食，甚至在一個軌道周期中出現不止一次的掩食。這樣的物質吸積，會使得脈衝星的自轉被很快加速，如上文提到的自轉最快的脈衝星，也是「紅背蜘蛛」系統。
我國自主設計建造的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）是目前世界上靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡。自2016年落成以來，FAST一直在進行調試，並在2020年1月完成了國家驗收，開始開放運行。
在調試過程中，FAST團隊對一些球狀星團進行了脈衝星觀測，嘗試搜尋其中的脈衝星。我們在2017年10月9日的數據中發現了一顆毫秒脈衝雙星，稱為M92A（或PSR J1717+4308A）；圖3展示了我們發現這個脈衝星時看到的脈衝星信號的樣子。在接下來幾年中，後隨的計時觀測（timing）也完成了。這是FAST最早發現的球狀星團中的脈衝星之一，也是球狀星團M92中的首個脈衝星發現。在後續的觀測中，我們有著更多的發現，並且直到現在一直在對其密切監測。
圖3，M92A發現時的圖片。其中左上角的波形表示的是脈衝星的信號形狀，左下的灰度圖顯示了在觀測的1800秒內都能觀測到M92A的信號。中間的灰度圖和下方的波形表現了信號的色散特徵，是判斷信號是否可能是脈衝星的重要依據。右側表示了信號周期的變化情況。
觀測表明，M92A自轉周期為3.16毫秒，色散量（等價於以單位面積為底，源到地球距離為高的一個長方體中的電子數量）為 35.45 pc cm-3處於一個典型的「紅背蜘蛛」系統中。M92A雙星系統的軌道非常接近圓形，軌道周期約0.2天，軌道半徑大約12萬千米，伴星質量大約是0.18倍太陽質量，處於主序星向巨星演化階段。觀測數據中看到了長達軌道周期40%的掩食，並且偶爾在掩食開始前或者結束後的約1000秒時間內還會發生第二次掩食。較短的軌道周期和軌道半徑及掩食特徵表明，伴星物質正在被脈衝星吸積。圖4作為示意圖展示了這樣一種「紅背蜘蛛」系統。
圖4，藍色的是脈衝星，紅色的是一個小質量恆星。可以看到恆星的物質被脈衝星吸積。而在雙星軌道運動過程中，存在恆星遮擋脈衝星的情況，即有掩食發生。圖片來源：NASA。https://svs.gsfc.nasa.gov/10625
這一研究使得我們可以通過脈衝星來研究球狀星團M92的演化，也為「紅背蜘蛛」系統增加了新的樣本。目前，這個脈衝星雙星系統仍然有一些問題有待探索，例如，物質吸積速率是多少？這樣的吸積是什麼時候開始的？還能持續多久？這些問題的解答將為我們帶來關於M92A演化的更多細節和故事。
不久的將來，隨著基於FAST的觀測和巡天的深入展開，我們很可能發現更多如「紅背蜘蛛」系統這樣的特殊的脈衝星和脈衝雙星。
論文連結：
https://aasnova.org/2020/04/17/pulsar-discovery-from-an-enormous-telescope/
參考文獻
[1] Pan et al. 2020, arXiv:2002.10337
錢磊，中國科學院國家天文臺副研究員。主要研究方向為射電天文，撰寫過多篇科普文章。
潘之辰，中國科學院國家天文臺助理研究員。主要研究方向為脈衝星搜索和恆星形成。
主編：石碩
輪值主編：李菂（國家天文臺研究員）
編輯：黃京一、趙宇豪、柒柒