第三颗恒星揭示脉冲星时钟异常之谜
一颗每秒自转约312次的脉冲星、一颗每八天绕其运行一周的白矮星，以及一颗质量大致相当于太阳、轨道周期为73.5年的恒星，组成了一个极其罕见的三星系统。中国和欧洲天文学家分别确认了PSR J0435+3233周围的这一系统，揭示出脉冲星自转出现的异常变化，主要是遥远伴星引力作用的表征。
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中国科学院国家天文台于2026年10月9日公布了这一发现，相关研究同时发表于《天体物理学杂志快报》。国家天文台的发现公告称，该天体是第二个得到确认、拥有两颗恒星伴星的脉冲星系统，也是首个得到确认、拥有一颗仍在正常恒星演化阶段伴星的原生系统。
这一差异很重要。此前已知的类似系统PSR J0337+1715由一颗脉冲星和两颗白矮星组成。而在J0435+3233中，外层伴星尚未演化为致密遗迹。研究人员将其确定为一颗G型次巨星，温度与太阳相近，已开始走出氢燃烧的主序阶段。
这一发现也改变了天文学家对脉冲星计时数据的解读。测得的自转周期每年增加约1纳秒，变化率约为类似毫秒脉冲星的100倍。新分析认为，这种异常的观测变化是由外层恒星驱动的运动造成，而不应被视为对中子星自身减速速度的直接测量。
从2020年探测到三星系统解
中国500米口径球面射电望远镜（FAST）于2020年6月8日在“FAST多科学目标巡天”中首次探测到J0435+3233。后续监测确认，这颗脉冲星有一颗近距离伴星，其计时行为需要更完整的解释。
这项研究历时数年。研究团队利用射电观测和公开天文档案，将脉冲星与其他波段可见的天体联系起来：
- 2020年6月8日：FAST首次探测到PSR J0435+3233。
- 约五年间：FAST监测在179次观测中获得192次脉冲到达时间测量。
- 2026年4月：识别出内双星及其异常计时特征的研究结果发表于《自然·天文学》。
- 2026年10月9日：中国科学院国家天文台公布了发表于《天体物理学杂志快报》的三星系统研究结果。
179次观测和192次测量之间的差异，反映的是研究论文对数据集的描述方式不同，并非对同一事项存在两个相互矛盾的计数。射电计时分析跨度约为4.9年。
中国研究由杨宗霖、金荫林及来自多个机构的同事共同开展。另一支由德国、荷兰、法国和英国科学家组成的欧洲团队也独立得出了有关第三颗恒星的相同基本结论。
截然不同的两种轨道
J0435+3233是一个层级三星系统，意指两个天体组成较紧密的双星，第三个天体则在远得多的距离绕这对双星运行。在这个系统中，内侧天体是一颗脉冲星，即大质量恒星坍缩后留下的中子星，以及一颗氦白矮星，即一颗质量较小的恒星留下的致密遗迹。
脉冲星每3.20毫秒自转一周。其内轨道周期为8.0天，偏心率为0.00016，几乎呈圆形。偏心率用于描述轨道的拉长程度：零代表圆形，数值越接近1，轨道就越狭长。
外层恒星的轨道则大不相同，偏心率为0.598，国家天文台公告中四舍五入为0.6，周期为73.5年。根据公布的两个周期，外层恒星每完成一周，内侧双星大约已绕行3,350周。
两者的轨道平面也彼此倾斜。分析结果允许两种几何构型：相互倾角约为85度，或约为54度。前者意味着两条轨道几乎相互垂直。研究人员认为，尽管三个天体之间持续存在引力作用，这种彼此间隔较远的排列仍能长期保持稳定。
为何表面上的减速具有误导性
脉冲星发出的辐射束会随着自转扫过地球，形成间隔规律的脉冲。天文学家通过测量脉冲到达时间来追踪其自转和运动。脉冲间隔的变化可能反映恒星自转确实发生变化，也可能是脉冲星朝向或远离地球加速运动所致。
在这个系统中，遥远的恒星会在天体绕共同质心运行时对内侧双星施加引力。这种运动会改变观测到的脉冲间隔。同样的加速度也应影响内轨道的表观计时。
研究人员发现，脉冲星自转频率和内双星轨道频率的相对变化幅度约有99%吻合。这种高度吻合支持两者由同一引力效应造成，而非脉冲星自身旋转能量异常快速地损失。
此前对表面减速现象的解读曾提出，脉冲星可能拥有强磁场，或通过不同寻常的路径形成。三星系统分析限定了仅凭这一观测可以得出的结论：论文指出，由于脉冲星的内禀减速效应与外层轨道运动交织在一起，无法直接测量。因而，测得的每年1纳秒增长，并不等同于已证实脉冲星自身以同样幅度减速。
可见的伴星与稀疏的伽马射线
研究团队结合了FAST观测、盖亚（Gaia）、Pan-STARRS和2MASS的光学与红外数据，以及费米伽马射线空间望远镜的观测。这些测量帮助研究人员将一颗不可见的射电脉冲星与一颗可见的恒星伴星和一个伽马射线源联系起来。
其光学对应体为Gaia DR3 171833395176138240。该天体的位置和天球运动与脉冲星测得的位置和运动相符。盖亚视差测量显示，该系统距离约为2.1千秒差距，误差为0.4千秒差距，相当于约6,850光年。
这颗恒星的估计温度为5,854开尔文，光度约为太阳的2.1倍。根据其恒星性质估算，其质量为0.98个太阳质量，误差为0.12。上述测量支持这样的判断：伴星的质量和温度与太阳相近，但演化阶段更靠后。
费米星表中的源4FGL J0435.5+3232距离脉冲星仅0.8角分。研究人员利用FAST计时模型为光子赋予旋转相位，确认了伽马射线脉动。实际操作中，他们检验了稀疏的高能探测信号是否与脉冲星的周期性自转相吻合。
国家天文台公告称，费米18年的档案观测中有160个可用光子，平均每月探测到约一个光子。论文则指出，其联合分析所用伽马射线计时跨度为16.7年。这两个数字分别描述档案数据的收集范围和拟合的计时区间。只要自转模型足够精确，即使探测信号如此稀疏，也能将观测基线延伸到远超射电观测的时间范围。
精确测量仍允许两种几何构型
中国团队的三星系统论文结合了射电和伽马射线计时、内轨道变化、盖亚测量数据，以及对外层恒星的约束。研究还纳入了夏皮罗时延，即光穿过伴星引力场时额外经历的传播时间。
国家天文台表示，中国团队分析得出的轨道参数精度约为欧洲独立分析的10倍。该提升得益于对三星之间引力相互作用以及若干相对论效应的建模。两个团队的结论一致，支持了对这一系统的确认；但仍存在两种几何构型，说明其完整构型尚未得到唯一确定。
在相互倾角约为85度的构型中，拟合得到的质量为：
- 脉冲星：1.16个太阳质量，误差为0.05。
- 内侧白矮星：0.273个太阳质量，误差为0.008。
- 外层恒星：0.91个太阳质量，误差为0.05。
在相互倾角约为54度的另一种构型中，相应的估计质量分别为：脉冲星1.34个太阳质量、白矮星0.305个太阳质量、外层恒星1.13个太阳质量，误差依次为0.15、0.023和0.07。这些是不同模型的解，并不意味着任何一颗恒星的质量发生了变化。
共同诞生与艰难存续
研究人员倾向于认为，三颗恒星起初由同一片云气共同形成。该系统位于银河系场星区域，而非致密星团中，因此通过后期近距离相遇组装成系统并不是那么自然的解释。其原生起源仍是基于演化过程的推断，并非直接观测到的事件。
根据提出的演化史，最初质量最大的恒星约为太阳的20倍。它很快耗尽燃料并发生爆炸，留下如今被观测到的中子星脉冲星。内侧白矮星的前身星最初质量为数个太阳质量。外层恒星起初质量约为一个太阳质量，演化速度较慢。
这个系统能否在中子星诞生后存续，并无保证。超新星爆发会使系统失去质量，还可能给新生中子星一个速度踢击。这两种效应都可能使多星系统解体。演化分析估计，即使在没有踢击的情形下，系统仍有约35%的概率保持束缚状态，说明其存续条件之苛刻。
外层恒星距离较远，使其免受近距离双星演化过程的直接影响；但当超新星改变引力平衡时，距离本身并不能保证系统存续。因此，现今的构型既记录了三颗恒星可能共同起源，也记录了它们成功经历了一场破坏性恒星死亡过程。
研究人员预测，最终状态不会那么剧烈。杨宗霖及其合著者在摘要中描述了这一结果：
它最终将演化为一个由一颗中子星和两颗白矮星组成的系统。
研究未给出这一转变的具体时间。这是对恒星演化时间尺度的预测，并非预计会在当前观测计划期间发生的事件。
该系统能揭示什么引力奥秘
拥有两颗恒星伴星的脉冲星，为测量引力如何作用于内部结构截然不同的天体提供了途径。中子星将大量质量压缩在极小体积内，而白矮星和次巨星的致密程度则低得多。
国家天文台指出，该系统有望成为检验强等效原理的实验室。通俗地说，这一原理探讨的是：即使天体自身的引力束缚差异很大，它们在外部引力场中是否仍会以相同方式下落。外层伴星为内侧双星提供了这样一个外部引力场。
持续测量脉冲有助于研究人员寻找理论预测与观测运动之间的细微差异。不过，此次发现并未宣布一项新的检验结果，也不是反对广义相对论的证据。它确认了一个可测量相互作用的系统，为未来开展检验提供了条件。
关于其稀有程度的说法也有适用范围。J0435+3233被称为第二个得到确认、拥有两颗恒星伴星的脉冲星三星系统。包含行星或低质量外层天体的脉冲星系统则属于另一类。此前的恒星三星系统J0337+1715已用于引力检验；仍在演化的次巨星则使J0435+3233成为一个有对比意义的案例。
仍待解答的问题
研究人员目前只观测到了73.5年外轨道的一部分。伽马射线计时跨度覆盖该周期约23%，射电观测跨度则覆盖约7%。这说明长期档案记录为何有价值，也表明持续观测仍然重要。
盖亚数据和脉冲星计时结果显示，两者在天球投影上的间距约为11,000光秒，误差为2,000光秒。两者的相对运动表明，这一天球投影间距正在缩小。这是投影测量，并非恒星与内侧双星之间的完整距离。
论文还提醒，轨道运动可能给盖亚视差测量带来系统误差。若能在后续长期监测中明确纳入外轨道的影响，就有望提高距离估算的精度，并帮助区分两种可能的几何构型。
目前尚未公布解决这些分歧的最后期限，也没有安排新的引力检验。已确认的是一种罕见构型：一颗快速自转的中子星、一颗近距离氦白矮星，以及一颗遥远的次巨星；后者的引力作用解释了令人困惑的计时变化。
要点
- FAST于2020年6月8日发现PSR J0435+3233；三星系统研究结果于2026年10月9日公布。
- 脉冲星每3.2毫秒自转一周，与一颗白矮星共同运行在近乎圆形、周期为8天的轨道上。
- 一颗质量大致相当于太阳的次巨星沿一条狭长轨道运行，外轨道周期为73.5年。
- 外层伴星解释了脉冲间隔异常显著的观测变化；脉冲星自身的减速尚无法直接确定。
- 中国和欧洲团队分别确认了这个三星系统，但仍有两种可能的轨道几何构型。
- 该系统有望用于未来的引力检验，预计最终将由一颗中子星和两颗白矮星组成。
