离开星团，走向银河：一颗脉冲星的“灵魂三问”

人有灵魂三问：“你是谁？你从哪里来？你要到哪里去？”这三个问题，法国哲学家茹弗鲁瓦在书里问过，印象派画家高更在画布上问过，学校门口的保安也拦住人问过。天文学家也把同样的问题，问向了脉冲星。

在浩瀚的银河系盘面上，散布着数以千计的已知脉冲星。作为大质量恒星死亡后留下的中子星，它们直径小得可以塞进一个小城市，却拥有接近太阳的质量。其中一些高速自转的中子星，将射电辐射束一次次扫过地球，在望远镜中留下规律的“宇宙脉搏”。

然而，与清晰的脉搏相比，它们的身世却常常像隐藏在迷雾中。我们已经知道“它是谁”，却往往不知道“它从哪里来”，更看不到“它要到哪里去”。对于今天散布在银河系中的许多中子星，它们所属的出生恒星群体早已难以指认，中子星怎样从出生环境进入银河系场的过程，也一直缺少直接的观测证据。

图1. 南京云锦风格的AI想象图，展示了位于星团潮汐尾上的脉冲星PSR J1921+3745，以及接力观测的三组望远镜。

2026年，由中国科学院紫金山天文台符晓婷副研究员和清华大学李菂教授领衔的国际研究团队，为银河系中的一颗脉冲星PSR J1921+3745的“灵魂三问”找到了一个难得的完整案例。多波段观测和数值模拟表明，这颗周期约1.9秒的脉冲星很可能来自年龄约80亿年的古老疏散星团NGC 6791，如今正位于星团外围的潮汐尾中，处在从出生星团逐渐进入银河系场的途中。

/ 第一问：你是谁？

要回答这颗脉冲星的第一问，我们得把时间的指针拨回近一个世纪以前。

1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克发现了中子。这个质量与质子相近的不带电粒子刚刚进入物理学的世界，仅仅两年后，天文学家就开始设想一个近乎不可思议的可能。1934年，两位驻扎在威尔逊山天文台的欧洲天文学家，沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基提出：超新星爆发可能伴随着普通恒星向一种极端致密的“中子星”转变。 彼时，中子本身才刚被发现两年，中子星更是一个纯粹存在于理论推演中的天体。

这样的天体究竟存不存在？又该怎样找到它？答案直到30多年后才开始浮出水面。

1967年，24岁的研究生约瑟琳·贝尔在英国剑桥逐卷检查射电望远镜留下的纸带记录时，发现了一个反复出现的异常信号。它极其规律，大约每1.3秒出现一次。因为信号规律得出奇，研究人员还曾半开玩笑地给它标上“小绿人”的名字，听起来就像那个年代流行的外星人形象一样。

可惜的是，答案不是外星文明。

1968年，奥地利天文学家托马斯·戈尔德提出，这些神秘的脉冲源是高速旋转的中子星：随着中子星自转，辐射束如同灯塔光柱般一次次扫过地球，这就是我们看到的规律射电脉冲。随后，Vela和蟹状星云脉冲星等观测迅速为这一图景提供了关键支持。

从1930年代纸面上的大胆设想，到1960年代射电望远镜中真实跳动的“宇宙脉搏”，人类终于逐渐认出了这种天体，回答了第一问：你是谁？——一颗高速自转的中子星。

但认出“它是谁”，并不意味着我们知道它的身世。眼前的脉冲星PSR J1921+3745从哪里来？

/ 第二问：你从哪里来？

中子星来自恒星的死亡，绝大多数恒星都扎堆诞生在星团的环境中。理论上，如果能够找到一颗中子星曾经所属的星团，就有机会沿着它的“家族关系”，追溯恒星从诞生、死亡到成为致密天体的完整历史。

可现实远没有这么简单。

大多数中子星是通过核心坍缩型超新星这种方式形成，这种爆炸的内部结构往往极不对称，动量守恒会给中心的中子星一个很高的速度，就像狠狠踢了一脚，所以天文学家管这个速度叫“初生踢速”（natal kick）。这个速度常常高达每秒数百公里，远远超过疏散星团本身顶多几十公里每秒的逃逸速度。于是，对许多中子星来说，诞生的那一刻也几乎就是离开出生地的那一刻。等到我们后来发现它时，它早已孤零零地游荡在银河系中，甚至逃出了银河系之外再也看不见，很难再沿途追回自己的“来路”。

图2. 核心坍缩型超新星爆发示意图

PSR J1921+3745之所以特别，首先就在于它出现的位置。

被称为“中国天眼”的 FAST 在古老疏散星团NGC 6791方向探测到这颗自转周期约1.9秒的脉冲星。NGC 6791已经存在约80亿年，是银河系中最古老、质量最大的疏散星团之一，并且在星团外围呈现出明显的潮汐结构。研究团队随即申请了南非的“狐獴”射电望远镜MeerKAT的观测，进一步把脉冲星的位置确定到角秒尺度。位于夏威夷山上的加拿大-法国-夏威夷望远镜CFHT的深度光学观测，则描绘出了星团外围大量成员恒星的分布，画出了星团的模样。

当射电和光学观测叠加在一起时，一个耐人寻味的位置关系出现了：这颗脉冲星恰好落在星团东侧明显的潮汐尾中。

潮汐尾并不是星团旁边随意聚集的一群恒星。一个星团在银河系中运行数十亿年，成员会在内部动力学和银河系潮汐作用下逐渐被剥离，在外围形成延伸的恒星结构。换句话说，潮汐尾中是一些正在离开星团的原有成员。

当然，天空中的“碰巧重合”并不能直接证明血缘关系。研究团队因此继续追问：这会不会只是一颗无关的场脉冲星，恰巧投影到了星团的潮汐尾上？

几条相互独立的证据让这种可能性变得很低。首先，根据色散量估算出的脉冲星距离与NGC 6791的距离相符；其次，按照已知脉冲星的统计，无关脉冲星随机落入这一片区域的概率很低；同时，在它周围也没有年轻星族或近期恒星形成活动的迹象，难以解释为一颗刚刚在附近独立产生的年轻中子星。

这些线索最终把第二问的答案指向了同一个地方：你从哪里来？——很可能来自80亿岁的古老星团 NGC 6791。

可是，一个新的疑问马上出现了。如果这颗中子星真的出生在NGC 6791，为什么别的中子星往往在超新星爆发后迅速逃走，它却能够在这个星团附近停留数十亿年？然后恰好出现在潮汐尾里？

这就要追问第三个问题了。

/ 第三问：你要到哪里去？

答案藏在中子星不同的出生方式里。

刚才提到的核心坍缩型超新星形成中子星时，中子星获得的“初生踢速”远远超过星团的逃逸速度。这样的中子星几乎一出生就会远走高飞。但并不是所有中子星都会经历这样的命运。一些中子星也可以通过低踢速通道形成。比如质量没有那么大的恒星，可以通过一种称为“电子俘获型超新星”的形式结束生命，因为爆炸对称，形成的中子星的初生速度只有每秒数公里。对它们来说，星团的引力足以把它们继续留下来。

于是，中子星的“离开”其实有两种完全不同的节奏：有的在出生瞬间被高速抛出，有的却可以在星团中等待数十亿年，直到星团被银河系的引力一点点扯散。

为了看看后一种道路是否真的能够走通，研究团队利用直接多体动力学模拟，重现了一个类似NGC 6791的星团长达约80亿年的演化。模拟显示，由普通核心坍缩型超新星产生、获得较大初生踢速的中子星，几乎都会在星团早期演化阶段迅速逃离；而低踢速形成的中子星则可以被星团长期保留下来。

但“留下来”并不意味着永远不会离开。在此后的数十亿年中，星团里的恒星不断发生两体引力相互作用，成员轨道一点点改变；与此同时，整个星团还持续受到银河系潮汐力的拉扯。随着星团不断损失成员、逐渐瓦解，那些曾经被留下来的中子星，也能慢慢迁移到星团外围，进入潮汐尾，最终彻底脱离星团。

图3. 论文中的动力学模拟重现了中子星在类似NGC 6791的星团里80亿年的演化。图中蓝色、红色、灰色背景分别代表了星团的密集部分、受潮汐影响的外围、以及脱离星团引力范围的银河系星场。白色线代表了星团中形成的中子星在星团中的轨道，它们随着星团的演化逐渐离开星团。

论文中动力学模拟的负责人、中山大学王龙教授这样概括观测与模拟的分工：“望远镜告诉我们这颗脉冲星如今身在何处，数值模拟则把时间向前追溯，回答它为什么能够在星团中留存到今天，又是怎样一步步离开星团、走向银河系。”

这颗脉冲星今天所在的位置，恰好对应这段漫长旅程中的一个瞬间：它已经离开星团拥挤的主体，进入外围潮汐尾，却还没有完全融入银河系的星河里。

第三问也因此有了答案：你要到哪里去？——离开孕育它的星团，最终成为银河系中孤立中子星群体的一员。

/ 新的窗口和机遇

一个更有意思的隐藏问题此时也显现出来。PSR J1921+3745是一颗脉冲星，而它的本质是“中子星”。只有当中子星快速自转、辐射束恰好扫过地球，并且这一射电辐射足够强、能被我们探测到时，它才会作为脉冲星进入我们的视野。因此，PSR J1921+3745或许只是一个更庞大却大多沉默的中子星群体中，恰好朝我们“亮起灯塔”的那一颗。

而这颗脉冲星自己也还有秘密。论文第一作者、国家天文台张蕾博士介绍，PSR J1921+3745表现出一些在其他脉冲星中并不常见的射电脉冲特征。“接下来我们希望弄清楚，这些特征是否与它特殊的形成和长期演化经历有关，并把对单颗脉冲星的研究放到银河系星族演化的背景中去理解。”

在类似NGC 6791这样的古老星团中，是否还隐藏着更多低踢速形成、已经生活了数十亿年的中子星？今天散布在银河系中的中子星，又有多少曾经历过同样漫长的旅程？

回过头看，从1932年中子第一次进入人类的知识版图到现在，人类对中子星的认识，本身也是一场持续了近百年的接力。PSR J1921+3745的“灵魂三问”有了阶段性的答案。这颗中子星用了近80亿年走到今天，而人类用了将近一个世纪，才学会读懂它旅程中的这一小段。我们对宇宙的认识，正是在这样的接力中不断推进：每一代人站在前人的肩膀上，又把新的问题留给后人继续追问和解答。

作者简介

符晓婷，中国科学院紫金山天文台副研究员，主要从理论和观测两个方面从事恒星相关的工作，包括 PARSEC 恒星模型计算、恒星元素丰度测量及运动学分析、不同金属丰度的恒星星团的演化，以及利用恒星进行银河系化学演化的研究。

本文转载自：中国科学院紫金山天文台

编辑 / 王科超 怀尘

审核 / 苟利军 缓缓