“千眼天珠”和“中国天眼”，联手有了大发现！|中国天眼|中子星|千眼天珠|宇宙|射电|白矮星|系外行星|脉冲星

来源：滚动播报

（来源：科普中国）

四川稻城，在海拔 3800 多米的高原上，空气稀薄，人迹罕至。就在寂静的群山之间，313 面直径 6 米的抛物面天线，沿着直径1公里的圆周依次铺开，中央矗立着一座 100 米高的定标塔。从空中俯瞰，它就像一枚巨大的银色戒指，镶嵌在高原之中。

这就是圆环阵太阳射电成像望远镜（DART，又被称为“千眼天珠”）。作为国家重大科技基础设施空间环境地基综合监测网（子午工程二期）的标志性设备，DART 目前是全球规模最大的综合孔径射电望远镜之一。

圆环阵太阳射电成像望远镜丨中国科学院国家空间科学中心

2024 年，DART 探测到一个神秘的长周期闪烁信号，信号周期达到 44.27 分钟，远远超过普通脉冲星的脉冲周期。这个射电源被命名为 DART J1832−0911，属于近年来才逐渐被发现的一类神秘天体——长周期射电暂现源（LPT）。

随后，另一大科学装置——五百米口径球面射电望远镜（FAST，“中国天眼”）又对它进行了后续观测。综合各项观测结果，中国科学家发现，DART J1832−0911 很可能是一颗年轻的中子星。这一发现为揭开长周期射电暂现源的起源之谜提供了关键线索，也为理解这类神秘天体背后的物理机制打开了新的窗口。中国科学院国家空间科学中心研究员、DART 首席科学家阎敬业研究员是本次发现论文的通讯作者。

宇宙的“灯塔”——脉冲星

宇宙中，有一类周期性发射脉冲信号的天体——脉冲星。脉冲星会在磁场的两极附近产生方向集中的辐射束，随着脉冲星自转，这些辐射束也会随之转动，就像宇宙中的“灯塔”在向四周射出光束。当脉冲星的辐射束周期性扫过地球时，我们便会接收到规律性的脉冲信号。迄今为止，人类已经探测到数千颗脉冲星。

脉冲星的“灯塔效应”示意图。

黄色锥形表示辐射束，它会随着脉冲星自转而转动；每当辐射束扫过一次地球，我们就会探测到一次脉冲。下方曲线表示观测到的单个脉冲。丨Wikipedia

目前，已探测脉冲星的脉冲周期通常在毫秒到数秒量级。普通天体难以发出周期如此短的稳定辐射，因此长期以来，脉冲星被认为是一类快速自转、具有强磁场的中子星。

中子星是大质量恒星死亡、发生超新星爆发后留下的致密天体，直径一般只有二十公里，质量却可以接近甚至超过太阳，能够以极高速度自转而不被轻易撕裂，符合产生快速而稳定的周期性脉冲的条件。

同时，旋转磁化中子星模型也能解释脉冲星周期随时间演化的特点。模型认为，中子星通过磁场和粒子作用制动旋转，损失旋转能和角动量，因此自转会逐渐变慢，脉冲周期也会随之变长，这一趋势与大多数脉冲星的长期观测结果相符。

具有极强偶极磁场的中子星，辐射束随着自转扫过地球上的射电望远镜，形成具有周期性的脉冲信号。丨DOI：10.7693/wl20251001

脉冲星可以在多个电磁波段产生周期性脉冲，其中最经典的是射电波段（波长通常在厘米到米量级）的射电脉冲。按照传统的旋转磁化中子星模型，射电脉冲的周期范围是有限的。普通中子星诞生时的脉冲周期，一般认为主要在几十到几百毫秒量级。在标准偶极辐射框架下，这一周期从亚秒级演化到小时级，所需时标可超过 1014 年，远超宇宙年龄；即便对于磁场更强的磁星类中子星，磁场自身也会随着演化显著衰减，使长期自转制动逐渐减弱。因此，在传统模型中，很难自然产生分钟级甚至小时级周期的脉冲星。

传统模型还预言，脉冲星存在一条“射电辐射死亡线”。随着中子星的自转周期不断变长，尤其进入数十秒甚至更长的范围后，磁层中的粒子加速和正负电子对级联将难以继续维持，射电脉冲也将难以继续产生。因此，在自转周期-周期变化率的图像上，可以画出射电脉冲预计难以继续存在的区域边界，这就是所谓的“死亡线”。目前人类发现的绝大多数射电脉冲星，都分布在传统“死亡线”所界定的射电活跃区域。

脉冲星/LPT的“自转周期—自转损耗功率”图。图中左侧族群是普通脉冲星，右侧是近些年探测的LPT（DART J1832-0911用五角星标注）。两个族群被理论预言的射电辐射死亡线隔开。

长周期之谜：

中子星还是白矮星？

几乎所有关于脉冲星的研究都表明，它们无法在周期减慢到几十秒甚至更长之后，仍然维持稳定的可探测射电辐射。不过，人类还发现了 AR Scorpii，这是一个白矮星双星系统，白矮星通过与伴星相互作用产生射电辐射，周期达到了百秒量级。这也是人类发现的首颗白矮星脉冲星。

AR Scorpii双星系统的艺术效果图丨Wikipedia

然而，随着探测技术的发展，人类逐渐发现了更多周期异常的射电源。2022 年，位于澳大利亚的默奇森宽场阵列（MWA）探测到了一颗周期约 18 分钟、射电辐射极强的暂现源。随后几年，世界各大阵列陆续探测到多个类似天体，周期最长已接近 7 小时。人们开始意识到，存在一类“长周期射电暂现源”（LPT），其辐射周期远超普通中子星。

这一发现颠覆了传统认知——LPT 是中子星吗？如果是的话，如此长的周期又应该如何解释？有学者提出，LPT 或许是一种特殊的白矮星双星系统，类似 AR Scorpii，似乎能够合理解释漫长的周期。后续探测中，也确实发现其中几个案例是白矮星与主序星或矮星组成的双星系统。

然而，白矮星模型并非完美无缺。首先是“伴星去哪儿了”的问题。白矮星模型的核心前提是有一颗伴星——要么向白矮星输送物质，要么通过潮汐和磁场相互作用提供能量。但在不少 LPT 的深度搜寻中，即使动用十米级大型望远镜，也找不到任何伴星的踪迹。

更棘手的是辐射本身的特征：许多 LPT 发出的射电脉冲展现出接近 100% 的线偏振，这是相干辐射机制留下的“指纹”，通常意味着辐射区具有极强、极有序的磁场结构，其观测性质更接近脉冲星式磁层辐射。自然而然，又有部分研究者认为，非双星系统的 LPT 应该是中子星。

而就在最近，来自中国射电望远镜的探测发现，带来了全新的线索。

来自稻城的新发现

在 DART 完成太阳监测的核心任务的同时，国家空间科学中心委托前中国天眼首席科学家、清华大学李菂教授（本次发现论文的主笔人）组织了系统性的夜天文观测尝试。

2024 年，中国科学院国家空间科学中心特别研究助理袁懋在 DART 的巡天图像中发现了罕见的长周期闪烁信号。这一信号来自一颗周期为 44 分钟的 LPT，命名为 DART J1832-0911。

不同于以往的 LPT 探测，这是来自超新星遗迹内的长周期射电脉冲信号。这一发现为解决孤立 LPT 的“身份之谜”带来了曙光。

DART J1832-0911 的观测概念图，展现了位于超新星遗迹内的新探测 LPT。左图是脉冲指向地球（左）时的射电信号，右图是该天体辐射束偏离地球后的样子。

判断 LPT 是中子星还是白矮星，一个重要判据是看它是否处于超新星遗迹中。中子星和白矮星演化的一个重要分叉口是超新星爆发。恒星演化到末期，如果核心发生引力坍缩，会引发超新星爆发，并在超新星遗迹内留下一颗直径约 20 公里的中子星，而白矮星则是恒星死亡后温和抛射外壳留下的、地球尺寸大小的遗物。如果能够证实某一个 LPT 确实被包裹在一颗超新星遗迹内，那就将强烈支持它是一颗中子星，而非白矮星。

孤立 LPT（左侧）和白矮星 LPT（右侧）的形成路线示意图。超新星遗迹环境是支持 DART J1832-0911 这类孤立 LPT 起源于中子星的关键判据。

而在 DART J1832-0911 周围，恰好探测到一处超新星遗迹——SNR G22.7-0.2。如何确认两者在物理上存在关联？最根本的方法是分别测量 LPT 和超新星遗迹与地球的距离——如果二者距离吻合，那么它们大概率处在同一物理空间中，而非碰巧出现在同一视线方向上。

对 DART J1832-0911 的距离测量利用了射电天文中的经典方法：色散量（DM）估计。星际介质中的自由电子会让射电信号在低频处比高频处稍晚到达，这种延迟与路径上的电子总量成正比。通过测量脉冲在不同频率到达时间的差异，可以推断从地球到天体之间的电子柱密度，再结合银河系电子密度模型反推出距离。

通过色散量估计的方法测算，DART J1832-0911 的距离约为 4.5—6.4 千秒差距（kpc，1kpc≈3260光年），恰好覆盖了 SNR G22.7-0.2 独立估计的距离范围。除此之外，沿着同一视线方向探测到的 CO 分子云速度和 HI 吸收线也显示，二者处于同一片大尺度星际介质结构之中。多条独立证据相互印证，构成了二者物理关联的有力支撑。

除了距离估算吻合外，中国科学家还动用了我国另一大天文重器——五百米口径球面射电望远镜（FAST，又称“中国天眼”）。FAST 观测到近 100% 的线偏振射电辐射，这种高度偏振的相干辐射进一步支持 DART J1832-0911 处于类似中子星磁层的辐射环境中。

DART J1832-0911 的短促脉冲辐射丨FAST 观测

基于 DART、FAST、光学、X 射线和星际气体证据的共同约束，清华大学李菂教授提出，该源很可能是一颗年轻中子星，自转被超新星爆发后的回落物质减慢。这是独立于双星起源机制的新起源机制，有助于解释一个诞生时快速自转的致密天体，为何如今每 44 分钟才产生一次明亮的射电闪光。

DART J1832-0911 的观测成果，为这类新近发现的慢速射电脉冲与超新星爆发后留下的致密天体之间的物理联系，提供了目前最有力的证据之一。相关成果近期发表于《科学通报》（Science Bulletin）。

不过，DART J1832-0911 和超新星遗迹的关联仍存在不确定性。最大的问题是距离测量本身的精度——色散量估计测量距离严重依赖银河系电子密度模型，约有 30% 量级的误差；而 SNR G22.7-0.2 自身的距离估计也并不精确。在这种情况下，纯粹的视线方向投影巧合只能是概率排除。因此，暂时不能绝对地敲定 DART J1832-0911 就是一颗中子星。

新设备、新方法、新现象、新物理

DART J1832-0911 的意义，不只是为 LPT 家族增加了一个新成员。它把一个周期长达 44 分钟的相干射电源，与超新星遗迹这一恒星死亡现场联系在了一起，为中国科学家提出的部分孤立 LPT 起源于中子星的假说提供了重要的环境线索。如果未来进一步确认这类天体是超长周期的中子星，那么传统的“射电辐射死亡线”模型、中子星的自转演化理论，以及如此缓慢旋转的中子星如何继续维持射电辐射，都可能需要重新审视。

而像 DART J1832-0911 这一类的天体，直到近些年才开始陆续被发现，也与观测方式的变化有关。过去传统的射电巡天和搜索方法，主要依靠单口径射电望远镜，能够非常精细地记录射电信号随时间和频率的变化，因此更擅长发现周期为毫秒到秒级脉冲星，以及强爆发源或持续射电源这类短时爆发信号。然而，对于周期长达几十分钟甚至数小时的 LPT，传统观测方法可能只能看到少数几个脉冲，无法通过简单的周期搜索和折叠加强信号进行识别。

DART 是一座由 313 面天线组成的大型综合孔径射电干涉阵列，整个阵列直径约 1 公里，是目前全球规模最大的综合孔径射电望远镜之一。这种干涉阵列可以在大视场中连续生成天空图像，直接寻找分钟到数小时尺度上缓慢变亮、变暗的射电源，同时确定它们在天空中的位置和环境信息。

从动态频谱到快速成像：慢射电暂现源的新发现空间。单口径动态频谱擅长捕捉周期性色散脉冲、普通脉冲星和短时单脉冲爆发信号；干涉阵列快速成像则能在宽视场图像序列中发现分钟到数小时尺度的慢变化源，并提供精确定位和环境关联。

阵列还可以和 FAST 这样的高灵敏度单口径望远镜进行合作，进一步跟踪目标的脉冲结构、偏振和色散等性质。两类设备并不是互相替代：阵列成像更擅长回答“源在哪里、处在什么环境中”，单口径追踪则进一步帮助回答“脉冲如何变化、目标如何发出这些脉冲”。

此次发现既是 DART 建成以来收获的首个夜间天文观测成果，也是世界首次发现超新星遗迹中的长周期射电暂现源，为我国科学家提出的孤立 LPT 年轻中子星起源假说提供了关键证据。“千眼天珠”联动“中国天眼”的跨设备协同观测成果，充分展现中国自主设计建造大科学装置的复合科研潜力，也为全球低频射电天文领域的全方位研究打开了全新的探索窗口。