近日，中国科学院上海天文台联合贵州大学、国家天文台、云南天文台等机构的科研人员利用500米口径球面射电望远镜FAST的高质量数据，在球状星团脉冲星的搜寻、高精度计时、辐射特性等方面研究取得一系列新进展。该系列研究已形成四篇论文，分别发表于天文学学术期刊《天体物理学杂志》（the Astrophysical Journal）与《天文与天体物理研究》（Research in Astronomy and Astrophysics）。

球状星团是由大量恒星在引力束缚下形成的高密度天体系统，其中心密度可达太阳周围恒星密度的数万倍。球状星团中密集的天体分布和星体间频繁的相互作用，为脉冲星的形成和演化提供了便利条件，因此我们称球状星团为毫秒脉冲星的“生产工厂”。通过对球状星团中的毫秒脉冲星进行长期监测，可以研究脉冲星自身的辐射特性、测量其双星轨道参数甚至脉冲星质量、研究双星演化规律。此外还可以将脉冲星作为探针，研究星团本身的物理性质，包括引力势、磁场以及星际介质的分布等。

球状星团M2中的脉冲星搜寻与高精度计时

研究团队利用FAST对M2长达五年的观测时间进行了深入的脉冲星搜寻和计时检测研究。这项研究在该星团中发现了两颗新的毫秒脉冲星，即M2F与M2G，并首次获得了在该星团方向和距离上的法拉第自旋量测量。

研究团队首次建立了M2星团中脉冲星的“相干相位”（phase-coherent）计时模型，并通过贝叶斯计时分析，以高精度测量出了M2中脉冲星双星系统的开普勒轨道参数。在M2A与M2E脉冲星双星系统中，测量出了广义相对论框架下的轨道近日点进动，并由此计算出了双星系统的总质量，分别为1.75与1.80个太阳质量。通过哈勃望远镜数据库，研究团队搜寻到了M2C脉冲星伴星的光学对应体，并确认其为一颗白矮星。通过结合光学与射电观测结果，重构出了该系统的双星演化路径，并以此定出了伴星的冷却年龄（cooling age），约为1千万年。这使得M2C的白矮星伴星成为已知的球状星团脉冲星双星系统中最年轻的白矮星。

此外，利用M2脉冲星所测量的自转周期导数，研究团队对该星团中的引力势分布进行了限定，结果有力地支持了该星团星体速度弥散（central stellar velocity dispersion）的最新测量成果。

图1 M2C脉冲星白矮星伴星的颜色—亮度图。左为F275W与F336W滤波频段所得结果，右为F275W与F438滤波频段相应结果。图中红色加号为测量值，误差棒标准为1σ。彩色曲线为不同质量下氦白矮星的演化曲线。其中不同的符号对应着不同的冷却年龄。

使用快速折叠算法(FFA)搜寻脉冲星

研究团队利用FAST观测数据，采用快速折叠算法（FFA）对30个球状星团（含16个已知脉冲星星团和14个未探测星团）开展系统性搜寻，在93颗已知脉冲星中，成功探测到87颗，未探测到的5颗已知脉冲星包括一颗暗弱孤立脉冲星和4颗表现出明显轨道运动的双星系统。

研究团队在M13星团中发现一颗新毫秒脉冲双星M13I（PSR J1641+3627I），该脉冲星系统轨道周期18.2天、0.06偏心率，伴星质量0.54M⊙，符合氦白矮星模型。基于M13I搜寻的对比研究表明，FFA算法探测率（17.9%）较传统FFT方法（10.3%）提升75%；针对更暗弱的信号，FFA算法表现出更高的信噪比（SNR，如图2）。表明FFA算法在未来球状星团暗
弱脉冲星搜寻具有极大潜力。

图2，M13I的FFA与FFT探测信噪比对比图。

在球状星团M13中发现两颗闪烁增强脉冲星

研究团队利用改进的FFT+jerk算法对2018年至2025年FAST球状星团84次计时观测数据进行搜寻，在球状星团M13中发现两颗暗弱脉冲双星M13G和M13H（PSR J1641+3627G/H）。这两颗星均在被星际闪烁点亮阶段探测到，相较于M13中其他脉冲星表现出比较低的探测率。

研究团队成功得到了M13G的“相干相位”计时模型，确认了该系统为典型黑寡妇系统（自转周期4.32ms，轨道周期0.12天，伴星质量<0.01太阳质量，见图3），该系统是M13中距离星团中心投影角距离最大的脉冲星，距离星团中心1.8角分，且该系统处于圆形轨道中，这一观测事实，为“脉冲星轨道偏心率会随着与星团中心距离的增加而减小”的动力学理论提供了有力的观测支持。

M13H自转周期11.21ms，由于信号暗弱，仅在84次观测中探测到两次，目前无法获得其“相干相位”计时模型。

图3，M13G的平均脉冲轮廓（左）和计时残差结果（右）。

球状星团脉冲星偏振轮廓研究

研究团队利用FAST对分布于8个球状星团中的25颗毫秒脉冲星进行了偏振轮廓测量。结果显示球状星团星团脉冲星的‘脉冲宽度-自转周期’关系与场脉冲星一致，但仅20%球状星团脉冲星具有S型偏振位置角曲线，这一比例显著低于普通脉冲星。

法拉第旋转量分布（RM distribution）证实靠近银盘面的球状星团，脉冲星的旋转量RM值更高，这一分布特征与银河系磁场分布模型的预测相符。25颗球状星团脉冲星整体偏振度分布与银河系脉冲星相似（图4），表明球状星团环境未显著改变其中脉冲星的偏振辐射性质。

图4，25颗球状星团脉冲星的偏振度分布与银盘脉冲星对比图，银盘脉冲星数据引自Wanget al. (2023)。

论文链接：

【1】Millisecond Pulsars in M2: New Discoveries and a Detailed Timing Analysis - IOPscience

【2】Searching for Pulsars in Globular Clusters with the Fast-folding Algorithm and a New Pulsar Discovered in M13 - IOPscience

【3】Illuminating Hidden Pulsars: Scintillation-enhanced Discovery of Two Binary Millisecond Pulsars in M13 with FAST - IOPscience

【4】Polarization Profiles of Globular Cluster Pulsars from FAST. I. 25 Profiles from Previously Known Pulsars - IOPscience

科学联系人：

刘阔，中国科学院上海天文台，liukuo@shao.ac.cn

王琳，中国科学院上海天文台，wanglin@shao.ac.cn