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The FAST Globular Cluster Pulsar Survey (GC FANS)

FAST 球状星团脉冲星巡天（GC FANS）报告了在 14 个球状星团中发现了 60 颗脉冲星，其中包括创纪录的联星系统和一例罕见的双中子星候选天体，同时揭示了由于恒星密度较低，这些星团中的大多数都拥有与银河系盘面相似的毫秒脉冲星族群。

原作者： Yujie Lian, Zhichen Pan, Haiyan Zhang, Shuo Cao, P. C. C. Freire, Lei Qian, Ralph P. Eatough, Lijing Shao, Scott M. Ransom, Duncan R. Lorimer, Dejiang Yin, Yinfeng Dai, Kuo Liu, Lin Wang, Yujie Wang

发布于 2026-08-20

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CC BY 4.0

原作者： Yujie Lian, Zhichen Pan, Haiyan Zhang, Shuo Cao, P. C. C. Freire, Lei Qian, Ralph P. Eatough, Lijing Shao, Scott M. Ransom, Duncan R. Lorimer, Dejiang Yin, Yinfeng Dai, Kuo Liu, Lin Wang, Yujie Wang, Zhongli Zhang, Zhonghua Feng, Baoda Li, Minghui Li, Tong Liu, Yaowei Li, Bo Peng, Yu Pan, Yuxiao Wu, Liyun Zhang, Xingnan Zhang, Peng Jiang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在球状星团——这些绕银河系运行了数十亿年的、由数十万颗恒星组成的球形集合体——那古老而拥挤的核心深处，隐藏着一群被称为“宇宙灯塔”的群体。它们是脉冲星，是质量巨大的恒星在爆炸后留下的密度极高、旋转极快的残骸。虽然这些星团中的大多数恒星已经变得古老且沉寂，但星团核心强大的引力迫使恒星之间发生相互作用，经常将彼此捕获进入双星系统。在这些紧密的舞动中，一颗死去的恒星可以从其活着的伴星身上吸取物质，从而使自身的旋转速度提升至每秒数百转。这些被称为“回收”脉冲星的毫秒脉冲星，是宇宙中最精确的时钟。天文学家长期以来一直怀疑这些星团中应该充满了这类天体，但几十年来，我们的望远镜由于灵敏度不足，无法观测到那些最遥远或最暗淡脉冲星发出的微弱信号。

现在，一支天文学家团队利用位于中国的五百米口径球面射电望远镜（简称 FAST）改变了这一现状。这一巨大的仪器——世界上最大的单口径射电望远镜——对位于其观测范围内的41个球状星团进行了深入且彻底的搜索。研究结果极大地扩展了我们的认知：这项名为 GC FANS 的巡天项目在14个不同的星团中发现了60颗新脉冲星。仅此一项工作就使北天已知脉冲星的数量增加了一倍多，并揭示出这些古老的恒星星团比此前认为的更加多样化且活跃，其中既有旋转速度最快的脉冲星，也有此类密集环境中发现的最宽双星系统。

该巡天设计的初衷是寻找以往望远镜错过的信号。由于球状星团通常距离非常遥远，其脉冲星发出的射电信号极其微弱。通过将 FAST 对准这些星团的核心并持续观测数小时，研究团队得以探测到此前无法观测到的信号。他们发现，虽然许多新发现的脉冲星确实是预期的毫秒脉冲星类型（旋转周期小于三十毫秒），但该群体也包含了一些真正奇特的离群值。在被称为 M71 的星团中（该星团与其它星团相比显得异常稀疏），团队发现了一颗自转周期为101毫秒的脉冲星。该天体在一个高度椭圆的轨道上绕着一颗大质量伴星运行，整个系统的总质量表明它是一对双中子星系统。这是一个罕见的发现；在球状星团中，大多数此类双星系统被认为是通过恒星之间混乱、随机的碰撞而形成的。然而，这个特定系统的特性表明，它是从星团早期阶段的一个大质量双星系统自然演化而来的，就像在银河系较安静区域发现的类似双星一样，而非通过剧烈的遭遇战形成。

M71 中的发现还带来了另外两个卓越的系统：M71B 和 M71C。这两个脉冲星绕其伴星进行着极其宽阔的环绕运动，完成一次公转分别需要近 466 天和 378 天。这些是已知在球状星团中最宽的双星脉冲系统。在这些球状星团通常存在的密集环境中，如此宽阔的轨道很容易被经过的恒星的引力拉扯而破碎。它们的生存事实表明，M71 是一个低密度的星团，其中的破坏性遭遇较为罕见，从而允许这些脆弱的长周期系统得以持久存在。这一发现挑战了“星团中脉冲星的数量仅取决于恒星拥挤程度”的简单观点；即使是在稀疏的星团中，合适的条件也能保存下那些在其他地方会被摧毁的奇异系统。

除了这些奇异的离群值外，此次巡天还证实了一个更广泛的趋势：在这些星团中发现的脉冲星往往与银河系宁静盘面中的毫秒脉冲星相似，而非在最密集的星团中所见的那些混乱且被破坏的系统。这表明，在许多星团中，这些双星系统是在和平状态下演化的，它们在回收脉冲星的同时并未被邻近的天体撕裂。团队还更新了包括 M92 和 NGC 6712 星团中几颗已知脉冲星的精确计时测量数据。这些测量对于测试引力定律至关重要，因为这些宇宙时钟精确的滴答声可以揭示爱因斯坦广义相对论中的细微偏差。虽然目前尚未发现此类偏差，但新数据为未来的测试提供了更锐利的工具。

这次巡天的成功凸显了天文观测中灵敏度的力量。通过能够观测到更暗、更远的天体，FAST 揭示了球状星团中的脉冲星种群远比我们此前使用灵敏度较低的仪器所能看到的要丰富且多样。这 60 颗新脉冲星的发现——包括最宽的双星系统和可能通过自然演化形成的双中子星系统——迫使天文学家重新思考这些系统的形成与生存方式。这表明，即使在最古老、最拥挤的恒星环境中，自然界也能产生各种各样的宇宙时钟，其中一些甚至在近乎整个宇宙的年龄里都在不受干扰地滴答作响。随着团队继续分析数据并完善观测，这些脉冲星很可能会成为理解星团动力学和基本物理定律的更强有力的探测器。

技术摘要：FAST 球状星团脉冲星巡天 (GC FANS)

问题与动机
球状星团（GCs）拥有极高的恒星密度，这促进了频繁的动力学相互作用，从而导致双星系统（如低质量 X 射线双星 LMXBs 及其演化后代——毫秒脉冲星 MSPs）的形成。虽然此前使用 Arecibo、GBT 和 Parkes 等望远镜的巡天已发现了数百颗脉冲星，但由于灵敏度限制，大部分种群可能仍未被探测到，特别是在遥远或低密度的星团中。五百米口径球面射电望远镜（FAST）凭借其卓越的灵敏度，有望对其天区范围内（ $-14^\circ < \delta < 65^\circ$ ）的球状星团种群进行深度、无偏见的巡天，这可能使已知的球状星团脉冲星数量翻倍，并揭示挑战当前形成模型的极端系统。

方法论
GC FANS 巡天针对距离太阳 83 kpc 以内的 41 个球状星团进行观测，这些星团是从 FAST 可见的 45 个星团中筛选出的。该巡天利用 19 束 L 波段接收机（1.05–1.45 GHz），其系统温度为 24 K，天线增益为 16 K Jy $^{-1}$ 。观测始于 2018 年 5 月，并在 2017 年使用超宽带接收机对 M92 进行了试点巡天。

观测策略： 大多数目标在天顶角为 $26.5^\circ$ 的条件下进行了预测的全积分时间观测，以最大化灵敏度。虽然中心波束（ $\sim3'$ ）覆盖了大多数星团的核心，但出于计算效率的考虑，巡天优先考虑中心指向，同时也承认在某些星团（如 Pal 5, NGC 6366）中，扩展的核心半径可能导致部分脉冲星落在波束之外。
数据处理： 数据使用 PRESTO 软件包进行处理。搜索策略包括：
- 傅里叶域： 使用 accelsearch 进行加速搜索（结合谐波叠加），以探测孤立脉冲星和具有轻微轨道加速度的双星系统。对于已知的双星系统，应用了“加加速度搜索”（jerk searches）以探测高加速度的双星。
- 时域： 通过 Riptide-FFA 使用快速折叠算法（FFA）来探测慢速脉冲星（ $P > 50$ ms）以及具有长轨道周期的脉冲星。
- 堆叠搜索（Stack Search）： 利用多个观测的功率谱进行非相干组合，以探测特定星团（NGC 6517, M15）中的微弱周期信号。
计时分析： 对于新发现的双星，使用 fitorb.py 进行初始轨道参数拟合。使用 TEMPO 进行相位连接计时解的求解，对“蜘蛛”脉冲星（M92A, NGC 6712A, M71A, M71E）采用 BTX 模型，对偏心系统 M71D 采用 DD 模型。

关键结果
截至 2025 年 1 月，GC FANS 已在 14 个星团中发现了 60 颗脉冲星，使 FAST 天区内已知的球状星团脉冲星数量从 35 颗增加到 95 颗，实现了翻倍。

种群统计： 在 60 颗新发现的脉冲星中，55 颗是毫秒脉冲星（ $P < 30$ ms），35 颗处于双星系统中。自转周期范围从 1.98 ms（M14A）到 3960.72 ms（M15L）不等。该巡天首次发现了 M2、M10、M12、M14、M92 和 NGC 6712 中的脉冲星。
M71 中的极端系统： 低密度星团 M71 拥有多样化的种群，包括：
- M71B 和 M71C： 已知最宽的球状星团双星，其轨道周期分别为 $\sim466$ 天和 $\sim378$ 天。它们的性质（低偏心率，伴星质量 $\sim0.4 M_\odot$ ）类似于银河系盘中的普通宽轨道 MSP-He WD 双星系统。
- M11D： 一颗具有高度偏心轨道（ $e \approx 0.63$ ）和重质量伴星的 100.7 ms 脉冲星。该系统的总质量为 $2.63 \pm 0.08 M_\odot$ 。作者认为，这很可能是一个通过早期星团历史中的大质量双星演化形成的双中子星（DNS）系统，而非通过典型的动力学交换遭遇形成的通道。
- M71E： 一颗“黑寡妇”脉冲星，拥有已知最短的脉冲星双星轨道周期（ $P_b \approx 53$ 分钟）。
更新的计时解： 文中给出了 M92A、NGC 6712A、M71A 和 M71E 的更新计时解，以及 M71B、C 和 D 的新解。
加速分析： 对自转周期导数（ $\dot{P}$ ）的分析表明，对于 M92 和 M71 中的大多数脉冲星，观测到的 $\dot{P}$ 主要由内在自转减慢引起。相比之下，NGC 6712A 表现出负的 $\dot{P}$ ，这与由于星团引力势导致的向星团中心加速是一致的。
恒星遭遇率： 该巡天挑战了高恒星遭遇率（ $\Gamma$ ）与脉冲星丰度之间的严格相关性。虽然高- $\Gamma$ 星团（如 NGC 6517, M15）由于双星破坏而拥有许多孤立脉冲星，但巡天发现低- $\Gamma$ 星团（如 M53, M71）中也存在显著种群。这表明低密度环境可以保留在稠密星团中会被破坏的宽双星和共生系统。

意义与主张
本文声称 GC FANS 为低密度球状星团的脉冲星种群提供了前所未有的视角，证明了 FAST 的灵敏度能够探测到此前被灵敏度较低的仪器所遗漏的系统。

形成通道： M71D 的发现表明，DNS 系统可以通过球状星团中的标准恒星演化通道形成，这与通常用于描述稠密星团中此类系统的动力学形成机制不同。
双星存续： M71 中宽双星（M71B, C）的存在支持了以下假设：低恒星相互作用率允许这些系统在数十亿年尺度上生存，而在更稠密的星团中它们很可能会被破坏。
引力测试： 文中强调 M71B 和 M71C 由于其长轨道周期和低偏心率，是测试强等效原理（SEP）和局部洛伦兹不变性（LLI）的潜在目标，尽管作者指出目前的计时精度尚属初步，需要长期的后续观测才能得出有意义的约束。
伽马射线前景： 虽然作者尝试使用 Fermi-LAT 数据检测了几个高自转减慢能量候选者（包括 M92A）的伽马射线脉冲信号，但并未发现显著信号，这可能是由于束流几何形状或通量阈值所致。

作者总结道，该巡天强调了进行深度、无偏见搜索的必要性，以全面表征球状星团脉冲星种群的多样性，揭示了低密度星团可能比仅凭遭遇率模型预测的拥有更多奇特的系统。

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