中国天眼发现首个“活着的”脉冲星三体世界丨封面头条

封面新闻记者 张峥 海报设计 王思祺

在刘慈欣的《三体》中，三体人生活在有三颗太阳的混沌世界里。如今，科幻照进现实：一个距离地球约6500光年的“三体”系统被确认。不过，它并非小说里三颗恒星混乱互绕的宇宙，而是一个层级分明、长期稳定的真实天体系统。相关研究成果于10月9日发表于国际学术期刊《天体物理学杂志快报》上。

杨宗霖 供图

中国科学院国家天文台韩金林团队利用中国天眼FAST，结合美国国家航空航天局费米卫星、欧洲航天局盖亚卫星等数据，首次确认了这个“活着的”脉冲星三体系统。10月13日，团队成员、国家天文台博士后杨宗霖接受封面新闻采访时表示，这个发现来自一个异常：2020年，FAST发现了一颗自转周期3.2毫秒的毫秒脉冲星，后续观测却发现它的自转周期变慢的速度“快得离谱”。经过精密计时计算，研究人员意识到，距离这颗脉冲星约30亿公里外，还有一颗正在演化的类太阳恒星，正用引力“拉扯”着它。

于是，一个真实的“三体之家”被科学家算了出来。

原生三口之家：

两颗已“死亡”，一颗尚在演化

脉冲星是大质量恒星演化到末期发生超新星爆发后留下的致密残骸，自转极快，能像灯塔一样规律地发出脉冲信号，是自然界最精准的“宇宙时钟”之一。

这套真实系统由FAST发现的脉冲星PSR J0435+3233、一颗白矮星伴星，以及一颗远处的类太阳恒星组成。内侧的脉冲星和白矮星彼此绕行一圈约需8天；更远处的类太阳恒星则以73.5年为周期，绕着这对“内层双星”运转。

第三颗星的光学图像 杨宗霖 供图

但它和《三体》小说里的“三颗太阳”有两点明显不同。小说中的三颗太阳都还在燃烧，而这里的中子星和白矮星，是恒星走完一生后留下的残骸；小说中的三体运动十分混沌，而这套系统的外侧恒星距离内侧双星较远，研究者认为这种相伴方式可以长期稳定维持。

“活着的”三体世界

被科学家算了出来

发现这个“三口之家”，有一个长达6年的故事。

2020年，毫秒脉冲星PSR J0435+3233由国家天文台漂移扫描巡天团队利用FAST发现，其自转周期仅3.2毫秒。此后，新疆天文台团队对它开展长期观测，发现它的自转周期变慢速度比同类脉冲星高出约两个数量级。这颗脉冲星的自转周期每年只增加1纳秒，也就是十亿分之一秒。然而，对毫秒脉冲星这种“宇宙原子钟”来说，这点变化已经异常明显，相当于一块本该分秒不差的表，突然开始以远超同类天体的速度变慢。

“周期变长并不一定意味着脉冲星自身转慢。如果附近还有第三颗星，它的引力就可能带动内侧双星相对地球运动，使脉冲信号到达地球的时间间隔发生变化。就像警车驶过时，警笛声会因运动而改变音调，双星系统的运动，也会改变脉冲信号的‘节奏’。”杨宗霖解释。新疆天文台的观测结果发表后，国家天文台韩金林团队意识到，异常可能并非来自脉冲星自身。于是团队把脉冲星自转周期和它与白矮星绕转周期这两个天然“时钟”放在一起比较，发现两者变化几乎同步。

杨宗霖 供图

顺着这条线索，研究人员怀疑远处还有第三颗星。为了确认它的身份，团队查阅光学观测档案，并在盖亚卫星数据中找到一颗与脉冲星位置相近的恒星。结合位置、运动和不同波段观测，最终确认它就是第三个成员——一颗质量与太阳几乎相同的类太阳恒星。

“最难忘的就是找到这颗恒星。它不仅补上了第三个成员，也已有丰富的观测记录，为我们研究这个系统提供了更多线索。”杨宗霖有些激动。

值得一提的是，这种“先发现异常，再用引力推算未知天体”的思路，在天文学史上并不陌生。十八、十九世纪，天文学家发现天王星轨道总是偏离理论预测，好像被外面一颗未知行星“拽”了一下。英国数学家亚当斯和法国天文学家勒维耶各自独立计算，推测出这颗行星可能所在的位置。德国柏林天文台的伽勒收到勒维耶的预测后，当晚就在预测位置附近发现了一颗星图上没有的天体——海王星。

这一次，科学家同样没有先“看见”第三颗星，而是先通过脉冲星这颗宇宙时钟的异常，算出了它的存在。

三个伙伴的合作

发现银河系中的脉冲星“三口之家”，离不开三个伙伴的共同合作：中国天眼FAST、美国国家航空航天局费米卫星，以及欧洲航天局盖亚（Gaia）卫星。

杨宗霖介绍，FAST记录的是中子星发出的脉冲信号，对脉冲星自转周期和它与白矮星的绕转周期进行精确测量，帮助确定脉冲星位置，并约束第三个成员的性质。盖亚卫星帮助确定这颗恒星与脉冲星在天空中的间距，以及整个系统到地球的距离。多台光学望远镜在不同波段的观测，则帮助判断它的类型和质量。费米卫星的测量精度不如FAST，但观测时间跨度更长，把更长时间的记录与FAST数据结合，有助于进一步推算外侧恒星的轨道。

“老三”不会“吃掉”老大和老二

这套真实的“三体”系统，未来会变成什么样？

杨宗霖介绍，外侧恒星到内侧双星的距离约30亿公里，相当于光在真空中走约1万秒的距离，接近太阳到天王星的距离。即使它演化到末期膨胀，也不会超出洛希瓣，因此几乎不会对另外两颗天体造成影响。“由于内外轨道周期相差很大，外侧恒星对内侧双星的影响只是微小扰动，系统能够长期保持稳定。”

未来，外侧恒星燃料耗尽、演化成白矮星时会损失质量，绕转周期也会进一步增加。到那时，它将变成一个由一颗脉冲星和两颗白矮星组成的长期稳定系统。

那么，继续研究这个脉冲星三体系统，还能帮助我们检验什么？

杨宗霖解释，光学观测发现过不少三星系统，但如果没有脉冲星作为“时钟”来测量运动，就很难用于引力理论研究。人类发现的第一个脉冲星三体系统PSR J0337+1715，提供了目前强场条件下强等效原理精度最高的检验。而这个新系统可以做类似工作。

“PSR J0337的内外轨道共面，外轨道接近圆形；而J0435的内外轨道不共面，外轨道是椭圆。外侧星提供的引力场强度和方向会随时间变化，这使得这个系统可以在更多维度检验等效原理的正确性。”杨宗霖说。