第三顆恆星解開脈衝星時鐘的異常之謎
一顆每秒自轉約 312 次的脈衝星、一顆每八天繞行它一周的白矮星，以及一顆質量約與太陽相當、軌道週期長達 73.5 年的恆星，組成極其罕見的三星系統。中國與歐洲的天文學家各自確認 PSR J0435+3233 周圍的這套系統，發現脈衝星自轉看似異常的變化，主要是遠方伴星重力作用的表現。
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中國科學院國家天文台於 2026 年 10 月 9 日公布這項發現，相關研究同日刊登於《天文物理期刊快報》（The Astrophysical Journal Letters）。國家天文台的發現公告指出，這是第二個獲確認擁有兩顆恆星伴星的脈衝星系統，也是首個獲確認、伴星仍處於一般恆星演化階段的原始三星系統。
這項區別很重要。先前已知的類似系統 PSR J0337+1715，由一顆脈衝星和兩顆白矮星組成。J0435+3233 的外側伴星則尚未演化成緻密星骸。研究人員確認它是一顆 G 型次巨星，表面溫度與太陽相近，且已開始脫離主要的氫燃燒階段。
這項發現也改變了天文學家解讀脈衝星計時訊號的方式。測得的自轉週期每年增加約一奈秒，變化幅度約為類似毫秒脈衝星的 100 倍。新分析指出，這種異常的觀測變化是由外側恆星帶動的運動造成，而不應直接視為中子星本身自轉減慢速度的測量結果。
從 2020 年的偵測到三星系統解答
中國五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST）於 2020 年 6 月 8 日，在「FAST 多科學目標巡天」（Commensal Radio Astronomy FAST Survey）期間，首次偵測到 J0435+3233。後續監測確認這顆脈衝星有一個近距離伴星，其計時特性需要更完整的解釋。
這項研究歷時數年，研究團隊運用射電觀測和公開天文資料庫，將脈衝星與其他波段可見的天體連結起來：
- 2020 年 6 月 8 日：FAST 首次偵測到 PSR J0435+3233。
- 約五年間：FAST 監測涵蓋 179 次觀測，取得 192 筆脈衝抵達時間測量。
- 2026 年 4 月：辨識出內側雙星及其異常計時特性的研究成果刊登於《自然天文學》（Nature Astronomy）。
- 2026 年 10 月 9 日：國家天文台公布三星系統的研究發現；相關論文刊登於《天文物理期刊快報》。
179 次觀測與 192 筆測量之間的差異，反映的是研究論文對資料集的描述方式不同，並非對同一數據有兩種互相矛盾的計數。射電計時分析涵蓋約 4.9 年。
中國研究團隊由楊宗霖、金漢霖及來自多個機構的同事組成。另一支由德國、荷蘭、法國和英國科學家組成的歐洲團隊，也獨立得出有第三顆恆星的相同基本結論。
截然不同的兩種軌道
J0435+3233 是一個階層式三星系統，意指其中兩個天體形成相對緊密的雙星，第三個天體則在遠得多的距離外繞行這對雙星。在這個系統中，內側兩個天體分別是脈衝星，也就是大質量恆星塌縮後留下的中子星，以及一顆氦白矮星，也就是低質量恆星留下的緻密星骸。
這顆脈衝星每 3.20 毫秒自轉一周。它的內側軌道週期為 8.0 天，離心率為 0.00016，幾乎呈正圓形。離心率描述軌道被拉長的程度：數值為零代表圓形，接近一則表示軌道愈來愈細長。
外側恆星的軌道截然不同，離心率為 0.598，在國家天文台公告中約記為 0.6，週期則為 73.5 年。根據公布的兩個軌道週期，外側恆星完成一周的時間，大約相當於內側雙星繞行 3,350 周。
兩個軌道平面彼此也有傾角。分析結果允許兩種幾何構型，互相傾角分別約為 85 度和 54 度。前者意味著兩個軌道幾乎互成直角。研究人員認為，儘管三個天體持續彼此施加重力作用，這種相距遙遠的排列仍可長期保持穩定。
為何看似減速其實具有誤導性
脈衝星發出的光束會隨著自轉掃過地球，產生間隔規律的脈衝。天文學家測量脈衝抵達時間，追蹤脈衝星的自轉和運動。脈衝間隔的變化可能反映恆星自轉確實改變，也可能是脈衝星朝向地球或遠離地球加速移動所致。
在這個系統中，遠方恆星會隨著天體繞共同質心運行，對內側雙星施加拉力。這種運動會改變觀測到的脈衝間隔。同樣的加速度也應影響內側軌道的表觀計時特性。
研究人員發現，脈衝星自轉頻率和內側雙星軌道頻率的相對變化，兩者一致程度約達 99%。這種高度吻合支持兩者受到共同重力效應影響，而非脈衝星異常快速地自行損失旋轉能量。
先前對表觀減速的解讀，曾推測脈衝星具有強磁場，或經歷了不尋常的形成過程。三星系統分析則顯示，單憑這項觀測能得出的結論有限：論文指出，脈衝星本身的減速無法直接測量，因為其效應與外側軌道運動糾纏在一起。因此，觀測到週期每年增加一奈秒，並不等於已證實脈衝星本身以相同幅度減速。
可見的伴星與稀疏的伽瑪射線
研究團隊結合 FAST 觀測資料、Gaia、Pan-STARRS 和 2MASS 的光學與紅外線資料，以及費米伽瑪射線太空望遠鏡的觀測。這些測量讓研究人員得以將看不見的射電時鐘，與可見的恆星伴星和伽瑪射線源連結起來。
對應的光學天體為 Gaia DR3 171833395176138240。它在天空中的位置和運動，與脈衝星測得的位置和運動相符。Gaia 的視差測量顯示，這個系統距離約 2.1 千秒差距，誤差為 0.4 千秒差距，相當於約 6,850 光年。
這顆恆星的估計溫度為 5,854 開爾文，光度約為太陽的 2.1 倍。根據其恆星特性推算，質量為 0.98 個太陽質量，誤差為 0.12。這些測量結果支持伴星的質量和溫度與太陽相近，但演化階段更後期的判定。
費米星表中的伽瑪射線源 4FGL J0435.5+3232 距離脈衝星僅 0.8 角分。研究人員利用 FAST 計時模型為光子指定自轉相位，確認其中存在伽瑪射線脈衝。實際上，他們檢查的是數量稀少的高能量偵測訊號，是否與脈衝星規律重複的自轉週期吻合。
國家天文台公告指出，費米望遠鏡 18 年的歷史觀測資料中，有 160 個可用光子，平均每月約偵測到一個。論文則指出，聯合分析採用的伽瑪射線計時資料涵蓋 16.7 年。這兩個數字分別代表資料庫中的觀測資料範圍，以及擬合計時模型所用的時間區間。即使偵測訊號如此稀疏，只要自轉模型夠準確，仍能將觀測基線延伸到遠超射電觀測的時間範圍。
精密測量仍容許兩種幾何構型
中國團隊的三星系統論文結合射電與伽瑪射線計時、內側軌道變化、Gaia 測量，以及外側恆星的限制條件。研究也納入 Shapiro 延遲，也就是光線穿過伴星重力場時增加的傳播時間。
國家天文台表示，中國團隊分析所得的軌道參數，精度約為歐洲獨立分析的十倍。官方將精度提升歸因於研究模型納入三顆恆星之間的重力作用，以及多種相對論效應。兩個團隊的結果一致，支持這個系統的判定；但仍存在兩種幾何構型，顯示其完整結構尚未能唯一確定。
若互相傾角約為 85 度，擬合所得的質量如下：
- 脈衝星：1.16 個太陽質量，誤差為 0.05。
- 內側白矮星：0.273 個太陽質量，誤差為 0.008。
- 外側恆星：0.91 個太陽質量，誤差為 0.05。
若採用互相傾角約為 54 度的另一種構型，脈衝星、白矮星和外側恆星的估計質量分別為 1.34、0.305 和 1.13 個太陽質量，誤差則依序為 0.15、0.023 和 0.07。這些是不同模型的解，不代表任何恆星的質量發生變化。
共同誕生，歷經艱難才得以存續
研究人員較傾向認為，三顆恆星來自同一團氣體雲，並在同一時期形成。這個系統位於銀河系場星區，而非恆星密集的星團，因此較不可能是透過後來的近距離交會組成。其原始形成過程仍是根據演化情境推論，而非直接觀察到的事件。
根據研究提出的演化歷史，最初質量最大的恆星約為太陽的 20 倍。它快速耗盡燃料後爆炸，留下如今觀測到的中子星，也就是這顆脈衝星。內側白矮星的前身質量起初是太陽的數倍。外側恆星初始質量則約為一個太陽質量，演化速度較慢。
能否在中子星誕生後存活下來，並非必然。超新星會使系統失去質量，也可能讓新生中子星獲得速度踢力。這兩種效應都可能使多星系統瓦解。演化分析估計，即使在沒有速度踢力的情境下，系統仍能維持束縛狀態的機率也只有約 35%，凸顯其存續條件相當嚴苛。
外側恆星距離較遠，得以與近距離雙星的演化過程相對分離；但超新星改變重力平衡時，距離本身並不能保證系統安然存續。因此，現今的系統結構既記錄了可能的共同起源，也見證它成功度過一場足以造成破壞的恆星死亡事件。
預測中的最終狀態則較平淡。楊宗霖及共同作者在摘要中描述了演化結果：
最終將演化成由一顆中子星和兩顆白矮星組成的系統。
研究沒有給出轉變時間。這是以恆星演化時間尺度為基礎的預測，不是目前觀測期間預期會發生的事件。
這個系統能揭示重力的哪些特性
擁有兩顆恆星伴星的脈衝星，提供了一種測量重力如何作用於內部結構迥異天體的方法。中子星將大量質量壓縮在極小的體積中，白矮星和次巨星則沒那麼緻密。
國家天文台指出，這個系統可望成為檢驗強等效原理的實驗室。簡單來說，這項原理探討的是：即使天體本身的重力束縛差異極大，它們在外部重力場中的下落方式是否仍然相同。外側伴星對內側雙星提供了這樣的重力場。
反覆測量脈衝訊號，可協助研究人員尋找理論預測與實際觀測運動之間的細微差異。不過，這次發現並未公布新的檢驗結果，也不代表有證據推翻廣義相對論。它確立了一個可測量天體交互作用、供未來檢驗使用的系統。
至於罕見程度，也需要界定範圍。J0435+3233 被描述為第二個獲確認擁有兩顆恆星伴星的脈衝星三星系統。擁有行星或低質量外側天體的脈衝星系統，則屬於不同類別。先前的恆星三星系統 J0337+1715 已用於重力檢驗；而仍在演化的次巨星，讓 J0435+3233 成為一個不同的研究案例。
尚待解答的問題
研究人員只觀測到 73.5 年外側軌道的一部分。伽瑪射線計時涵蓋約 23% 的軌道週期，射電計時則涵蓋約 7%。這些比例說明長期歷史資料的價值，也凸顯持續觀測仍然重要。
Gaia 與脈衝星計時資料顯示，兩者在天空平面上的投影距離約為 11,000 光秒，誤差為 2,000 光秒。相對運動顯示，這個投影距離正在縮小。這是投影測量，不代表恆星與內側雙星之間的完整距離。
論文也提醒，軌道運動可能使 Gaia 視差測量出現系統性誤差。若能延長監測時間，並明確考量外側軌道，便可能改善距離估計，並協助分辨目前容許的兩種幾何構型。
目前沒有公布解決這些歧異的期限，也未排定新的重力檢驗時間。已確立的是一種罕見的系統結構：一顆快速自轉的中子星、一顆近距離氦白矮星，以及一顆遠方次巨星；後者的重力解釋了令人困惑的計時變化。
重點整理
- FAST 於 2020 年 6 月 8 日發現 PSR J0435+3233；三星系統的研究發現於 2026 年 10 月 9 日公布。
- 脈衝星每 3.2 毫秒自轉一周，並與一顆白矮星共享近乎正圓、週期為 8 天的軌道。
- 一顆質量約與太陽相當的次巨星，沿著細長的外側軌道運行，週期為 73.5 年。
- 外側伴星可解釋觀測到的脈衝間隔異常增幅；脈衝星本身的減速幅度尚未直接確定。
- 中國與歐洲團隊各自確認這組三星系統，但仍有兩種可能的軌道構型。
- 這個系統可望用於未來的重力檢驗；預測它最終將由一顆中子星和兩顆白矮星組成。
