双中子星系统（Double neutron star，DNS）是研究强场引力、引力波辐射及大质量双星演化的重要天体实验室。PSR J1913+1102是由一颗自转周期为27.3毫秒的脉冲星和另一颗中子星组成的轨道周期约为4.95小时，轨道偏心率约为0.09的双中子星系统，预计将在约4.7亿年后并合。该系统两颗中子星的质量差异显著，是目前已知可并合双中子星系统中质量最不对称的系统之一，因此既是检验引力理论的独特实验室，也可能是双中子星并合事件GW170817的前身星系统类似系统。

    中国科学院国家天文台脉冲星和引力物理研究团组缪雪丽及其合作者，结合阿雷西博305米射电望远镜的历史观测数据和“中国天眼”FAST的最新观测数据，对PSR J1913+1102开展了跨度近13年的高精度脉冲星计时分析。由于该脉冲星方向上的星际介质较为复杂，色散量随时间存在显著变化，研究团队采用高斯过程对其进行建模，并使用14阶色散量多项式进行了独立验证。两种方法得到的结果相互一致，表明计时分析具有良好的稳健性。

    研究团队利用与具体引力理论无关的DDFWHE模型和基于广义相对论的DDGR模型，对系统的自转、位置、自行和双星轨道参数进行了测量，获得了近心点进动率, 爱因斯坦延迟、轨道周期变化率和Shapiro延迟正交振幅等四个后开普勒参数。

图1： PSR J1913+1102的脉冲到达时间计时残差。不同颜色分别表示阿雷西博望远镜和FAST的观测数据，残差中未发现明显的未建模趋势。

    本工作显著提高了PSR J1913+1102的质量测量精度。基于DDFWHE模型，通过脉冲星计时得到系统总质量为2.88948(20) M⊙，其中脉冲星质量为1.599(8) M⊙，伴星质量为1.290(8) M⊙，质量比为0.807(8)。与此前结果相比，系统总质量的测量精度提高约3倍，两颗中子星质量及质量比的测量精度提高近4倍，进一步确认了该系统显著的质量不对称性。 

图2： PSR J1913+1102的质量-质量图。不同曲线和阴影区域分别表示四个后开普勒参数给出的质量约束。各参数在测量误差范围内相互一致，表明广义相对论通过了该系统的检验。

    研究团队还将系统总自行的测量精度提高至7.71(25) mas/yr，从而能够更加准确地扣除Shklovskii效应和银河系差异加速度对轨道周期变化的影响。经过修正后，系统的内禀轨道周期变化率与广义相对论预言的高度一致，两者之比为0.996(13)。这一结果以1.3%的相对精度验证了广义相对论的四极引力辐射公式，是目前利用双星脉冲星获得的最精确检验之一。

    PSR J1913+1102显著的质量不对称性还使其对标量-张量引力理论中可能存在的偶极引力波辐射尤为敏感。新的质量和轨道衰减测量显著加强了对约 1.6 M⊙ 中子星有效标量耦合强度的限制，进一步压缩了Damour-Esposito-Farèse引力理论中自发标量化现象可能存在的参数空间。PSR J1913+1102 与 PSR J0737-3039A 和 PSR J2222-0137 共同构成了目前限制该自发标量化窗口最重要的脉冲星系统。

图3： 由6个脉冲双星系统联合给出的有效标量耦合强度限制。不同颜色曲线表示在不同中子星状态方程下获得的联合限制；新的PSR J1913+1102计时结果显著改善了约1.6 M⊙质量区间的约束。

    此外，改进后的自行和质量测量也为研究该双中子星系统的形成历史提供了新的信息。研究团队通过3亿次超新星爆发蒙特卡洛模拟，对第二颗中子星形成前的氦星质量、爆发前轨道周期以及新生中子星所受踢速度的大小和方向进行了限制。结果显示，较低质量的氦星前身和较小的超新星踢速度在统计上更受偏好，但现有观测仍不足以唯一确定该系统的超新星爆发过程和形成路径。

    由于PSR J1913+1102在低频射电波段受到明显的星际散射和色散量变化影响，未来 FAST 及SKA 在更高频段开展长期计时观测，有望进一步提高其后开普勒参数和轨道衰减率的测量精度，从而对广义相对论、标量-张量引力理论以及双中子星形成机制给出更加严格的检验和限制。

    本工作已发表于《Astronomy & Astrophysics》，论文题目为“Improved proper motion and gravity tests with PSR J1913+1102”，论文链接为：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202659575。