中国科学报在10月12日刊出一篇深度报道,把一个三天前公布的发现讲透了。10月9日,中国科学院国家天文台发布消息,中国天眼确认了一个由三颗天体组成的系统,它是人类第一次发现的、仍在演化阶段的原生三体,也是迄今第二例被确认的脉冲星三体系统。
先把这三颗说清楚,一颗脉冲星,编号J0435+3233,转得极快,3.2毫秒转一圈,换算下来每秒三百多圈。一颗白矮星,和它互相绕着转,绕完一圈大约8天。还有一颗恒星,质量和太阳几乎一样,沿着一条很扁的椭圆慢慢走,绕前两颗的公共质心转一圈,要73.5年。
科幻作家刘慈欣在《三体》里写过三星世界,那里的人被三颗太阳反复碾碎,文明一次次归零。真实宇宙里这个三体不是那个样子,但它的来历,残酷程度并不逊色。这说明,真实的三体不是想象里那种失控的混乱,而是一套有章可循、可以被算清楚的秩序。
为什么一颗星的转速变化,值得全世界盯着看。脉冲星是自然界最准的钟,它是大质量恒星爆炸后留下的残骸,体积小,密度极高,方糖那么大一块就重达上亿吨;转得又快又稳,能像灯塔一样规律地发出脉冲。按系统中的天体数量,脉冲星可以分成三类,单星的最多,双星在毫秒脉冲星里比例不低,三体系统最罕见,形成和存活的条件都极其苛刻。
事情的起点在2020年6月8日。国家天文台漂移扫描巡天团队用天眼抓到了这颗脉冲星,当时它只是一段规律的微弱脉冲;后随观测团队随后接手,用同一台望远镜盯了五年多,攒下192次测量结果。
盯着盯着,出了件怪事。这颗脉冲星的转速在慢慢变慢,每年慢出1纳秒。1纳秒非常短,短到光只能走三十厘米;可对脉冲星这种自然界最准的钟来说,这个变化幅度比同类高出两个量级。韩金林打了个比方,一块本该极准的表,突然越走越慢,而且慢得离谱。
团队先在《自然·天文》上交出第一层解释,时间是2026年4月。它身边有一颗白矮星,两者8天互相绕一圈,轨道接近正圆;双星系统里,脉冲星被伴星的引力拉扯,转速有所变化,这是常规物理,算得通。可把这颗白矮星的引力全算进去,那1纳秒还是补不平,差出来的那一部分,得由第三个东西来填;这一异常也让全球同行感到疑惑,如果只有一星一伴,究竟是什么在拖慢它。
于是有了第二阶段的追查。韩金林联合国内五家科研单位,把能拿到的数据全摊在桌上;天眼的射电观测是一路,欧洲空间局盖亚卫星、2MASS和泛星计划的红外与光学档案是第二路。
最费劲的一路来自费米卫星,它十八年积累的档案里,这个方向上只留下160个有效伽马光子,摊到每个月,还不到一个。用这么稀的信号去定位一颗暗淡的伴星,等于靠几粒沙子的位置,去推整条河床的形状。
能把这些信号从噪声里挑出来,靠的是天眼本身。这台架在贵州洼地里的中国天眼,口径五百米,是当前全球灵敏度最高的单口径射电望远镜,专门接收来自百亿光年外的微弱射电波。
就是在这样的信号里,团队锁定了那颗光学伴星:一颗类太阳恒星,沿一条偏心率0.6的椭圆轨道,73.5年绕一圈。正是它的引力拉扯,把脉冲星那1纳秒的异常补上了,到这一步,两颗星变成了三颗星。
真实的三体为什么不会乱。这套系统的层级分得很清楚,内层脉冲星和白矮星组成的双星,引力占绝对主导;外层那颗恒星离得足够远,受到的扰动很微弱,三层各走各的轨道,所以稳。许多人熟悉的半人马座α三星系统,也就是比邻星所在的那一组,几乎是同样的分层方式,它正是《三体》小说的灵感原型。
同一道题,不止一家在做。由德国、荷兰、法国、英国科学家组成的欧洲团队,用类似的公开档案独立跑了一遍,得出同样结论;两边背靠背,答案对上了,这个三体系统也就此坐实。
但在细处,两边分出了高下。中国团队把三颗星之间的引力交互作用和相对论效应一并写进模型,算出的轨道几何构型与参数,精度比欧洲团队高一个量级,还精确称出了三颗天体的质量。
高一个量级是什么概念。如果欧洲团队给出的位置误差在百米级,中国团队落到的就是十米级,同一个天体系统,两套答案,一套更细。
这三颗星的来历,按恒星演化理论往回倒推,是同一片云团里出生的三胞胎。老大出生时最猛,质量约二十倍太阳质量,烧得太快,早早爆炸,塌缩成现在这颗脉冲星;老二初始质量是太阳的几倍,也走完了全程,变成那颗白矮星。
老三出生时只有一倍太阳质量,个头小,烧得慢,又离两个哥哥足够远,没有被它们早期的超新星爆炸掀翻,一直稳稳烧到现在,所以它还活着。
这一点才是这次发现真正稀罕的地方。此前人类确认过的脉冲星三星系统只有一例,是美国团队2014年用绿岸射电望远镜巡天时发现的,一颗脉冲星加两颗白矮星,三颗星全部走到了演化终点。
这次不一样。第三天体是一颗正在演化的恒星,等于给三星系统的完整生命过程留了一个活口;天文学家可以拿它当样本,顺着看一遍三星怎么出生,怎么互相拖拽,怎么一个个走向终点。按韩金林的说法,这个系统三体之间的引力交互清晰而显著,还是检验强等效原理这类基础引力理论的天然观测平台。
未来也写好了,老三还要烧很久,可它终究会熄灭;到那时,这个系统会变成一颗脉冲星加两颗白矮星,和人类此前发现的那一例,长成同一个样子。
把这件事放回它该在的位置看。中欧两支队伍同时破案,用的是同一批公开数据,中国天眼的射电观测是其中关键的一路;真正拉开差距的,不是谁的望远镜口径更大,而是同一道题摆在面前,谁把三颗星之间的引力算得更细。
中国天眼建成以来已经发现超过一千颗脉冲星,总数超过同期全球其他射电望远镜发现量的总和;这一次,它给出的不只是一颗新星,还有一道题的标准答案。