高能天体物理学的几项重要新成果

高能天体物理以观测天体的X射线和伽马射线辐射为主要研究手段,由于天体高能物理过程的辐射多集中在X射线和伽马射线能段,同时X射线和伽马射线具有大大高于可见光的穿透能力,它们携带的是天体中心最活跃区域     

硬X射线调制望远镜——中国第一颗X射线天文卫星

问： 硬X 射线调制望远镜(The Hard X-ray Modulation Telescope,简称HXMT)是我国自主研制的第一颗X射线天文卫星。目前卫星的研制工作已经完成,将于近期择机发射。张教授,您能不能简单介绍一下为什么要发射这颗卫星？&;amp;lt;br&;amp;lt;张双南：天体发出的辐射往往覆盖了从无线电到高能伽马射线的整个电磁波谱段。为了更好地研究天体的物理性质,或者借助于天体提供的极端物理环境研究一些基本的物理过程,就需要尽可能从各个波段对天体进行观测。但是,由于地球大气的吸收,在天体发出的辐射中,只有部分无线电波和可见光能够到达地面,因此,红外线、紫外线、X射线、伽马射线的天文观测必须在大气层之上进行,它们也是空间天文观测的主要波段。&;amp;lt;br&;amp;lt;天体的X射线辐射和高温、高能粒子、强磁场和强引力场等极端物理环境和性质有关,是研究天体上各种剧烈活动的主要探针之一。X射线天文学是空间天文中起步最早,也是最主要的学科之一。在高空气球和探空火箭观测的基础之上,美国于1970 年发射第一个X 射线天文卫星“自由号”,实现X射线巡天,发现了300 多个X射线天体,打开了人类观测宇宙的新窗口,“自由号”的负责人里卡尔多·贾科尼也因此获得了2002 年的诺贝尔物理学奖。发射X 射线天文卫星,是研究天体高能辐射性质和高能物理过程的主流方法。     

空间硬X射线调制望远镜

用宇宙作为物理实验室,探索在地球上无法企及的条件下,例如极早期宇宙或黑洞视界附近强引力场中的物理规律,已成为新世纪物理学和天文学共同的前沿课题;空间天文观测是其中一个最重要的研究途径.自主研制和发放空间硬X射线调制望远镜(HXMT),实现中国空间天文卫星零的突破,是中国《“十一·五”空间科学发展规划》的目标之一. HXMT 将实现宽波段X射线 (1—250 keV) 巡天,其中在硬X射线波段具有世界最高灵敏度和空间分辨率,发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体,探测宇宙硬X射线背景辐射;HXMT还将通过对黑洞和其他高能天体宽波段X射线时变和能谱的观测,研究致密天体极端物理条件下的动力学和辐射过程. 基于成像技术创新提出HXMT项目迄今已有15年,能不能抓住技术创新所提供的科学机遇仍然是一个严重的挑战.     

空间硬X射线调制望远镜

用宇宙作为物理实验室,探索在地球上无法企及的条件下,例如极早期宇宙或黑洞视界附近强引力场中的物理规律,已成为新世纪物理学和天文学共同的前沿课题;空间天文观测是其中一个最重要的研究途径.自主研制和发放空间硬X射线调制望远镜(HXMT),实现中国空间天文卫星零的突破,是中国<"十一·五"空间科学发展规划>的目标之一.HXMT将实现宽波段X射线(1-250 keV)巡天,其中在硬X射线波段具有世界最高灵敏度和空间分辨率,发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体,探测宇宙硬X射线背景辐射;HXMT还将通过对黑洞和其他高能天体宽波段X射线时变和能谱的观测,研究致密天体极端物理条件下的动力学和辐射过程.基于成像技术创新提出HXMT项目迄今已有15年,能不能抓住技术创新所提供的科学机遇仍然是一个严重的挑战.     

HXMT卫星低能X射线望远镜

软X射线是天体物理研究的重要能段之一,很多天体的X射线辐射都在这一能段有辐射,如热辐射、同步辐射和X射线荧光等。     

γ噪Blazar天体的γ射线和近红外光辐射研究

收集了29个有γ噪的Blazar天体(其中有16个BL Lac天体和13个平谱射电类星体)的近红外流量密度和γ射线流量密度,获得以下主要结果:1)23个天体中的γ射线流量密度和近红外流量密度在低态时存在较强的相关性而在高态时有弱的相关性.2)在29个天体中,有6个天体只有一个观测数据点,将其认为是高态时,γ射线流量密度与近红外光流量密度之间有弱相关性,而认为是低态时有强相关性.3)29个源的γ射线流量密度与X射线流量密度在低态时有相关性,但是γ射线流量与光学流量密度,γ射线流量与射电流量密度均没有相关性.4)在16个BL Lac天体中γ射线流量与近红外光流量不论在高态还是低态都有相关性,而13个平谱射电类星体没有相关性.讨论了γ噪Blazar天体的γ射线辐射机制,认为γ射线的辐射机制主要是同步自康普顿散射.而逆康普顿散射来自绕中心核且温度约为2000K的尘埃,这些尘埃的区域大约有r=3pc,聚束的相对论电子也可能是这种尘埃模型辐射机制的一个重要补充.平谱射电类星体和BL Lac天体的γ辐射机制可能有些不同. 关键词： Blazar天体 星系γ射线观测辐射机制 非热辐射     

微类星体发出极高能伽马射线喷流

 微类星体是具有两股相似射电喷流的双星系统,它们与类星体的射电喷流类似,只是规模要小一些。喷流的射线来源于强磁场中以相对论速度运动的粒子,不过目前对这些喷流的成分却知之甚少。西班牙、德国、意大利、阿根廷、芬兰、瑞典、英国和亚美尼亚的几位科学家在《科学》杂志上介绍,他们用MAGIC望远镜(MajorAtmosphericGammarayImagingCherenkovtelescope)观察了从微类星体发出的高能伽马射线(大于100GeV)每月变化情况。对比伽马射线与无线电波、X射线的变化状态表明,伽马射线峰值的出现时间不是在两颗星距离最近的时候,这说明喷发过程中两颗星的轨道被巨大作用力所调节。     

高能X射线光谱分析工具—SasalPy

等离子体模型是天文学家解析高能天体观测数据的重要工具,发展精确便利的等离子体模型有助于研究者高效的进行高能X射线光谱分析工作.在现有的SASAL等离子体模型的基础上进一步提出一种新的基于Python语言的高能X射线光谱分析工具包SasalPy,并从理论框架、功能性和差异性方面阐述SasalPy的可靠性和精确性.线辐射和连续辐射计算结果表明,原子参数如跃迁速率、碰撞强度等会对合成光谱产生明显地影响.以Capella星冕的体微分发射度为基础开展了三个温度的光谱合成应用,并通过与其他等离子体模型辐射损失结果的对比,说明SasalPy在X射线能段比较精确可靠.     

90年代天体物理对物理学的挑战（续）

９０年代天体物理对物理学的挑战（续）杨祥（高等教育出版社物理室，北京１００００９）２．３高能天体物理观测项目１）康普顿（γ射线）空间天文台（ＣＧＲＯ）ＣＧＲＯ由美国戈达德（Ｇｏｄｄａｒｄ）空间飞行中心高能天体物理实验室负责研制，于１９７９年开始设计，...     

热辐射主导的脉冲星

通常脉冲星的辐射以非热辐射为主,比如说：射电脉冲星(参见本期卢吉光的文章《射电脉冲星》)和伽马射线脉冲星(参见本期葛明玉的文章《高能脉冲星》)。XDINS (X射线暗孤立中子星)与CCO (超新星遗迹中心致密天体)都是特殊品种的脉冲星。它们的辐射是热辐射主导,主要集中在软X射线波段。如果我们认为脉冲星为转动的中子星,在中子星的壳层、大气和磁层中会有各种复杂的物理过程,此时要产生一个简单的热辐射主导的能谱,反而是一件困难的事情,这就是“简单”带来的挑战。让我们首先从热辐射谈起。     

超新星遗迹与LHAASO

宇宙线的起源作为科学难题已经长达一个世纪。近年随着GeV、TeV伽马射线天文望远镜的发展,探测到了一批高能和甚高能伽马射线超新星遗迹（Supernovae Remnant,SNR）,表明超新星遗迹的电磁辐射,不仅从低频射电波段跨越到X射线波段,而且延伸至伽马射线波段,是宇宙中重要的伽马射线源。频率跨度如此之大的电磁辐射,科学家们用以研究各种天文物理过程,如恒星晚期演化与核合成,激波动力学,相对论性粒子高能辐射,高能粒子加速、传播等等。特别是,超新星遗迹被普遍推测为银河系内主要的宇宙线加速源。为了确证对超新星遗迹或其他高能天体这样的推测,深入探索宇宙线的有关机理,必须建造下一代更灵敏的伽马射线望远镜,在更高的能段投入观测。超新星遗迹也因此成为LHAASO项目的重要探测目标。     

真空紫外和软X线波段成像探测器

一、引 言 随着科学技术的发展,人类的观测范围从可见光扩展到红外、紫外和软X射线波段.例如,宇宙空间在在着大量紫外、X射线辐射源——恒星、河外星系、类星体等.通过对这些天体的研究,有助于了解天体的演化过程.由于地球大气的的吸收,这些紫外、X射线达不到地面,限制了人类对这些天体的了解.随着空间技术的发展,可以在地球大气层外探测来自天体的辐射,这就把人类的认识延伸到距离远达80亿光年的地方.而对紫外、软X射线敏感的高性能探测器,是实现这种观测的关键.又如在研究核聚变时,高温等离子体辐射的真空紫外和软X射线,能给出等离子体…     

基于Logistic回归模型的Blazar天体的分类

从文献中收集了205个Blazar天体,包括142个BL Lac天体和63个平谱射电类星体(FSRQs).对这些天体的类别与它们的红移、射电5 GHz辐射流量、光学V波段流量、1 keV处X射线流量、X射线光子谱指数进行了相关性和Logistic回归分析.结果表明,对Blazar天体分类产生主要影响的因素是红移、射电5 GHz辐射流量和X射线光子谱指数,综合应用这三个物理量判别Blazar天体的分类的准确率可达到91.2%,得到的分类方程具有良好的预测效果,可以作为Blazar天体分类的一个重要的判据.而光学V波段流量和1 keV处X射线流量不能区分开BL Lac天体和FSRQs,它们与Blazar天体分类没有相关性.本文结果支持将BL Lac天体和FSRQs归为Blazar天体,不同类别的Blazar天体之间能通过一种演化序列相联系. 关键词： Logistic 分类 Blazar天体     

超新星遗迹与LHAASO

 宇宙线的起源作为科学难题已经长达一个世纪。近年随着GeV、TeV伽马射线天文望远镜的发展，探测到了一批高能和甚高能伽马射线超新星遗迹（Supernovae Remnant，SNR），表明超新星遗迹的电磁辐射，不仅从低频射电波段跨越到X射线波段，而且延伸至伽马射线波段，是宇宙中重要的伽马射线源。频率跨度如此之大的电磁辐射，科学家们用以研究各种天文物理过程，如恒星晚期演化与核合成，激波动力学，相对论性粒子高能辐射，高能粒子加速、传播等等。特别是，超新星遗迹被普遍推测为银河系内主要的宇宙线加速源。为了确证对超新星遗迹或其他高能天体这样的推测，深入探索宇宙线的有关机理，必须建造下一代更灵敏的伽马射线望远镜，在更高的能段投入观测。超新星遗迹也因此成为LHAASO项目的重要探测目标。     

强激光驱动高能极化正负电子束与偏振伽马射线的研究进展

高能自旋极化正负电子束与偏振伽马射线在高能物理、实验室天体物理与核物理等领域有十分重要的应用.近年来随着超短超强激光脉冲技术的快速发展,利用强激光与物质相互作用的非线性康普顿散射和多光子Breit-Wheeler过程为制备高极化度、高束流密度的高能极化粒子束提供了新的可能.本文对基于强激光产生高能极化正负电子束与偏振伽马射线的研究成果进行简要回顾,并介绍了这些方法的基本物理原理和主要结果.     

中国散裂中子源反角白光中子源束内伽马射线研究

在基于白光中子源的中子核反应测量中,伴随中子束的伽马射线是重要的实验本底之一.本文对中国散裂中子源反角白光中子源的束内伽马射线进行了研究.通过蒙特卡罗模拟,得到了伽马射线的能量分布和时间结构.通过直接测量和间接测量两种方法测得低能中子区的束内伽马射线的时间结构.直接测量实验中,将载6Li的ZnS(Ag)闪烁体探测器置于束流线上,通过飞行时间法直接测量束内的中子和伽马射线的时间结构,并利用波形甄别技术进行粒子鉴别.间接测量法是将铅样品置于束流线上,利用C6D6闪烁体探测器测量样品上的散射伽马射线,从而得到入射伽马射线的时间结构.实验测量结果与模拟结果在12μs—2.0 ms的时间区间内具有较好的一致性.     

作为宇宙信使的X射线

60年前,里卡多·贾科尼团队用探空火箭首次探测到了来自太阳系以外的X射线辐射,从此打开了人类探索宇宙的一个全新的窗口。与我们所熟悉的可见光天空不同,在“看不见”的X射线宇宙,明亮的发光天体涵盖了黑洞、中子星、白矮星等致密天体,星系团和星系中弥漫的大量不可见的高温气体,以及各种剧烈的灾变事件。它们代表着宇宙中最为奇特的天体和极端的物理条件,如极强引力场、极强磁场和极高温。文章重点介绍最有代表性的X射线源,包括中子星和黑洞X射线双星、超大质量黑洞和活动星系核、星系团,以及伽马暴、超新星和潮汐瓦解恒星事件等爆发天体。     

发展中的γ射线天文学

 现代天文学的知识有很多是通过分析天体的电磁辐射得到的,天体的电磁辐射的范围是相当宽阔的,它从无线电波、红外光、可见光、紫外光-直延伸到X射线、γ射线.对天体辐射观测越广,就越能较全面地认识宇宙.所以天文学家总希望把研究领域扩展到所有波段.     

GRB 200122A中心引擎再活动

有1/3的X射线耀发在Swift卫星样本中被观测到,其物理起源目前仍存在一些争论。GRB 200122A被Swift/BAT触发并持续观测,T₉₀为191秒,在早期X射线波段有一明亮X射线耀发。时域分析结果显示X射线耀发可由双幂律函数拟合,其中上升斜率α₁～6.00、下降斜率α₂～-8.24。在计数光变曲线中,我们发现X射线与γ射线有相似的光变特征,例如:光变呈现不规则、多峰的复杂结构以及多脉冲叠加的特征。谱域分析结果显示,10个时间分辨谱都符合PL函数的能谱特征。光子谱指数Γ分布在1.16～2.41之间,联合谱拟合结果还显示X射线与γ射线为同一PL成分起源。从时域行为以及谱域特征提示GRB 200122A的X射线耀起源于中心引擎再活动,且与瞬时辐射有同样的物理起源。     

闪电中存在反物质

NASA去年发射了费米伽马射线太空望远镜,目的是探测数光年之外的伽马射线爆。但最近它却从地球的闪电中探测到了反物质信号。