星系中心大质量黑洞及潮汐瓦解恒星事件

黑洞潮汐瓦解恒星事件(Tidal Disruption Events,TDE)是星系中心黑洞瓦解进入其潮汐瓦解半径内的恒星并吸积恒星碎片物质而产生的一种剧烈辐射耀发现象.TDE的能谱和光变特征中蕴含了中心黑洞和被瓦解的恒星的信息,为我们证实和普查宁静星系中的黑洞,研究其参数、吸积过程和喷流产生、以及核区星际介质等提供了可能.TDE还可能提供中等质量黑洞和双黑洞存在的证据.TDE的观测和理论已成为一个新开辟的天体物理研究领域,但目前的进展受制于探测到事件太少(尤其是在X射线波段),且观测数据普遍质量不高.TDE的发生率很低,要探测大样本的事例需要监测足够大的空间体积.爱因斯坦探针卫星(Einstein Probe,EP)覆盖了0.5–4 keV的软X射线波段(接近TDE耀发时的辐射峰值能段),具有大视场以及高灵敏度,非常利于对TDE的探测.预期爱因斯坦探针卫星每年可以发现约几十至上百例TDE,其中有约10例或更多具有相对论性喷流特征.这将使我们可以获得较为完备、具有统计意义的TDE的样本,为进一步研究黑洞的存在和统计性质、增长和演化、发现中等质量黑洞和大质量双黑洞等提供了新的途径.     

特殊伽玛暴及伽玛暴的特殊辐射成分

伽玛射线暴(伽玛暴)的探测从其被发现以来,已经获得了大量的伽玛射线观测结果以及多波段的余辉观测结果,但是X射线能区的爆发阶段的瞬时辐射还比较缺乏观测数据.爱因斯坦探针(EP)是软X射线能区(0.5–4 keV)的大视场(1.1 sr)望远镜,为伽玛暴的X射线瞬时辐射的观测带来全新的时间窗口.本文讨论了EP对富X射线辐射的特殊伽玛暴或伽玛暴的特殊辐射成分进行了预期研究,特别是研究了X射线闪、低光度伽玛暴、超长伽玛暴和伽玛暴的先兆辐射.我们发现,EP预期能每年探测到约810个伽玛暴类爆发事件,其中95%为能谱较软的X射线闪,将近1%为典型伽玛暴;EP预期能每年探测到0.2–8个低光度伽玛暴,具体探测率依赖于低光度暴能谱硬度的分布;EP预期每年至少能探测到20–200个超长伽玛暴;EP有望探测到大量的、目前人们非常缺乏了解的伽玛暴先兆辐射,至少每年80个事件.综合这些情况,预计EP将对伽玛暴的分类、前身星特性、爆发机制和喷流特性等方面的研究具有重要意义.     

高红移爆发源作为早期宇宙和第一代天体的探针

伽玛暴是宇宙中最为明亮的爆发现象,由于它们的高光度,人们可探测到发生在极早期宇宙处的伽玛暴.高红移伽玛暴可作为宇宙深处的灯塔,它们是探索早期宇宙性质的理想工具.利用高红移伽玛暴可以限制暗能量和宇宙学参数,测量高红移的恒星形成率,揭示第一代天体的性质,研究宇宙再电离和金属增丰历史.因此,高红移伽玛暴的观测具有重要的科学意义.相比目前的探测卫星,爱因斯坦探针(EP)拥有更高的灵敏度和更宽的观测视场,且主要观测能段为软X射线波段(0.5–4 keV),非常适合高红移伽玛暴的观测.考虑EP的能力和观测模式,并且借助能够很好解释目前Swift卫星的伽玛暴观测样本的理论模型,详细计算了未来EP对高红移伽玛暴的可能探测率.我们预测EP对z6伽玛暴的探测率约为20 events yr~(-1) sr~(-1),对z8伽玛暴的探测率约为6 events yr~(-1) sr~(-1),对z12伽玛暴的探测率约为1 events yr~(-1) sr~(-1).估计在3年的运行时间内,EP将能探测到约65个z6的伽玛暴,其中包括~20个z8的伽玛暴和~3个z12的伽玛暴.总之,EP有望显著提高高红移伽玛暴的观测能力,这些丰富的观测信息将很有可能揭开早期宇宙的部分科学谜团.     

爱因斯坦探针在活动星系核研究领域的科学机遇

活动星系核(AGN)是指那些具有强烈电磁辐射的星系核心,其巨大能量是由中心超大质量黑洞(SMBH)吸积周围物质,将其释放的引力能转化为热能、辐射能而产生的.各种时标的多波段光变是AGN的典型观测特征,其中尤以X射线光变最为引人注意,因为其光变剧烈、时标短、携带着AGN吸积盘最内区的丰富物理信息,长期以来一直被用作研究星系中心SMBH的探针.但是,目前对AGN的X射线光变还没有很根本的认识,对其来源和产生机制仍不甚清楚.爱因斯坦探针(Einstein Probe,EP)卫星具有空前的软X射线巡天能力,其grasp(即探测器有效面积与视场的乘积)比起之前同类卫星提高了一到两个量级,这使得EP能在从百秒到年的采样频率上对全天数百个亮AGN进行监测,获得前所未有的大样本、宽采样频率覆盖的光变数据.我们拟据此重点开展以下4个方面的研究:对大样本亮AGN的软X射线功率谱进行完整测量;系统监测和研究AGN中罕见的大幅度X射线光变和耀发现象;研究大样本AGN的长期光谱变化以及开展其爆发监测;开展AGN/类星体巡天.这些数据将促进对AGN X射线辐射的剧烈光变与爆发现象及其产生机制,SMBH的吸积盘、喷流及冕区的物理条件、结构、动力学与辐射过程,以及AGN的宇宙学演化等科学问题的进一步认识.另外,鉴于EP能够探索一个全新的发现空间(大天区、长时标软X射线的系统监测),将有可能发现前所未见的黑洞吸积现象——宇宙的复杂多样性总是超乎人类的想象.     

爱因斯坦探针探测keV能段暗物质信号的展望

探索暗物质的物理本质是当前天体物理学与粒子物理学的共同核心任务之一.质量落在keV能区的惰性中微子是热门的暗物质候选粒子之一,在粒子物理、天体物理和宇宙学中均扮演重要的角色.通过辐射衰变,keV惰性中微子释放出一个单色光子,其能量恰为惰性中微子能量的1/2,这一性质对惰性中微子的探测提供了可行的途径.2014年,一个国际合作团队利用XMM-Newton卫星数据在近邻星系团中探测到了峰值能量为3.5 keV的弱发射线信号,并提出这是惰性中微子暗物质的衰变信号.然而,对此发现的后续研究由于现有X射线数据信噪比的限制无法得到一致的结论.爱因斯坦探针卫星独特的大视场巡天将覆盖若干近邻大质量星系、星系团,对3.5 keV信号获得高置信度的探测或有效排除,并可对暗物质在keV能段的可能信号开展高灵敏度搜寻.     

2.5 m大视场高分辨率望远镜

为了显著提升我国太阳物理研究水平、满足国家对空间天气监测和预报的重大战略需求,同时兼顾夜间时域天文学观测的需要,我们建议研制一架2.5 m大视场高分辨率望远镜(WeHiT).它将是世界上首架既做白天高分辨率太阳观测又做夜间大视场巡天观测、具有重大创新设计的特殊望远镜.它的科学目标覆盖了太阳物理、时域天文学、星系物理和太阳系外行星物理等天文领域的前沿热门课题,可为我国、特别是高校的天文学家提供一流的观测资料.特别是,作为全世界最大的轴对称太阳望远镜,具有比所有大型太阳望远镜更大的视场,可提供前所未有的太阳活动区高分辨率资料,在太阳活动区和太阳爆发现象(特别是耀斑和日冕物质抛射)的研究中有望取得突破性成果,并为我国空间天气学研究提供宝贵资料;作为中国时区的大口径、大视场望远镜,对于持续严密监控超新星、伽玛暴和大质量双黑洞等时变天文现象十分重要,将填补国际上的空白,提供在中国时区的第一手观测资料;同时在窄波段星系巡天、临近星系研究及系外行星搜索等许多领域提供宝贵的高质量资料.     

大型全可动射电望远镜关键技术研究专辑·编者按

<正>射电天文学诞生的近一百年来在天文领域取得了诸多载入科学史册的成就,突出代表是现代天文学"四大发现"——类星体、脉冲星、星际分子、宇宙微波背景辐射. 21世纪,暗物质、暗能量、黑洞、宇宙起源、天体起源、生命起源等前沿研究方面仍存在着亟待解决的重大科学问题.天文学已经进入全电磁波观测时代.随着引力波观测窗口的打开,射电天文在引力波探测、引力波天体物理等方面扮演着至关重要的角色,国内外对建设大型射电天文望远镜充满期待.为了展示并总结我国110 m口径全向可动射电望远镜(QTT)的最新成果,我们特别组织"大型全可动射电望远     

我国首颗X射线空间天文卫星“慧眼”成功发射

<正>6月15日,我国在酒泉卫星发射中心成功发射首颗X射线空间天文卫星"慧眼"。这是继中欧合作地球空间探测双星、"悟空"号暗物质粒子探测卫星之后,我国又一颗重要的空间科学卫星。一、"重装"出击造就我国首个空间天文台"慧眼"卫星主要有效载荷包括高能X射线望远镜、中能X射线望远镜、低能X射线望远镜和空间环境监测器,共有单机设备111台,重量981千克。被有关专家称为我国真正意义上第一个空间天文望远镜、第一个空间天文台。"慧眼"卫星有三大优势:具有大天区、大有效面积的宽波段X射线扫描巡天观测能力;具有大面积、宽波段、高时间分辨率、高能量分辨率的定点观测能     

2013十大太空故事

正美国《天文学》杂志评选出2013年十大太空故事(发刊时"嫦娥三号"尚未发射),我们不会忘记在这一年出现了两颗明亮的彗星以及百年一遇的流星爆炸——对于空间科学而言,2013年无疑是一个丰收年2013年大部分的天文头条都涉及到了宇宙中最极端的天体和事件,例如黑洞、高能宇宙线以及宇宙的开端。不过,行星科学也不甘示弱。近期,美国《天文学》杂志评选出2013年十大太空故事。     

探测磁星的爆发

磁星作为高能天体物理研究热点源之一,是一类具有超强磁场、并且在X射线和软伽玛射线能段较活跃的中子星.使用爱因斯坦探针卫星(Einstein Probe,EP)全天监测,我们预期能通过探测磁星的X射线爆发现象而至少在EP运行3年期间发现3颗新磁星,并同时监测已知23颗磁星的可能活动.EP的全天监测结果将帮助估算磁星的数目、理解恒星演化和超新星爆发.根据EP的监测,还可以及时开展多波段观测,研究磁星的辐射机制和背后的物理特性与过程.另外,EP也能监测其他类中子星可能的突变活动,帮助理解此类现象的物理本质.     

引力波爆发事件的电磁对应体的探测

双黑洞并合产生的引力波信号由第二代地面激光干涉仪引力波探测器Advanced LIGO第一次直接探测到,开启了探索宇宙的一个崭新的窗口.伴随着Advanced LIGO科学运行期的继续运行,以及未来几年其他第二代探测器,例如Advanced Virgo,LIGO-India的陆续建设和投入使用,将有越来越多的引力波信号被探测到.最新的双中子星并合引力波事件的电磁对应体被探测到,极大地丰富了引力波天文学的科学内容,人类进入全新的多信使天文时代,例如:提高引力波源及其宿主星系空间位置精度估计,确定引力波源的红移、破除引力波模型中的简并参数,确定引力波事件前身天体的物理环境以及其产生的物理机制、测量宇宙学参数等等.由于引力波探测器的定位能力较差(Advanced LIGO~十至几百平方度),探测引力波事件电磁对应体对大视场高能观测设备提出了迫切需求.爱因斯坦探针具有大视场、高灵敏度、全天观测、快速指向能力和数据下传等方面的优势,特别是其大视场和高灵敏度,为引力波事件电磁对应体的探测提供了一个理想的观测平台.爱因斯坦探针的成功运行,将促进引力波天文学和引力波宇宙学的发展,并且使我国在引力波源的电磁波对应体研究方面处于国际领先的地位.     

空间引力波探测——天文学的一个新窗口

本文内容分为两部分.第一部分通过外尔曲率来阐述引力波这个物理概念,为天体源引力波探测(地面或空间)建立一个基本的理论框架.第二部分中,在中国科学院二期先导研究的基础上,我们进一步地说明空间引力波探测的天文学意义,特别是在探索早期宇宙中星系结构的形成,星系-黑洞共同演化结构等重大天文问题中提供一种全新的观察窗口.简要介绍中国科学院空间引力波探测计划(太极计划)的任务设计,并进一步阐明其科学目标以及与(e)LISA项目的区别所在,最后给出空间任务中关键载荷的初步分析.     

高能中微子天文观测进展

高能宇宙线在宇宙加速器中的产生和在宇宙空间的传播通常会伴随高能中微子的产生.高能中微子天文学是了解高能天体物理现象的独特的窗口.最近,位于南极的立方公里级的中微子探测器IceCube探测到了一批高能(Te V)事例,在5.7σ的置信度之上排除了大气背景的起源.这是人类第一次探测到的来自地外的高能中微子事例,开启了人类探索宇宙的一个新的窗口,标志着高能中微子天文学的诞生.本文简要介绍了高能中微子的探测历史,高能中微子探测器(特别是IceCube)的探测原理及现状,IceCube中微子探测结果,中微子起源的理论探讨以及高能中微子天文的未来展望.     

110m口径全可动射电望远镜专辑·编者按

<正>射电天文学诞生并发展于20世纪30年代初,为人类认识宇宙打开了一个全新的探测窗口.二次世界大战后,军用雷达被广泛用于民用天文观测,同时,一大批专用于天文研究的射电望远镜也相继建成和运行,使射电天文进入蓬勃发展的黄金期,直接促成了60年代的现代天文学"四大发现"——类星体、脉冲星、星际分子、宇宙微波背景辐射,使得射电天文成为现代天文学最活跃、最前沿的分支.     

中国空间站大规模多色测光与无缝光谱巡天的设想及其在暗能量研究领域的应用

大型巡天是今后数十年内国际天文学研究的重点方向,高精度大样本的巡天观测将极大地推动暗物质、暗能量、天体起源与演化等天文学和物理学的根本问题的研究.空间站的建设为我国空间天文的发展带来了不可多得的机遇.巡天观测与空间站运行模式相当匹配,而国际上尚未有大型的高分辨率光学与近紫外深度巡天计划,中国空间站正可以在此方向上实现突破,使我国在国际天文界的下一代大规模巡天工作中处于领先地位.本文阐述在空间站上开展大天区面积、高角分辨率、覆盖近紫外-光学-近红外波段的多色测光与无缝光谱巡天的设想,并讨论这个巡天在暗能量研究领域中的应用.     

基于SVM的X射线天文图像点源探测算法

宇宙中多数天体在天文图像中呈现点状结构,使得针对天文图像点源探测和提取算法的研究成为热点.提出了一种X射线天文图像点源提取算法.首先,利用阈值分割分离部分背景噪声;然后利用峰值检测的方法获得潜在点源的位置和中心亮度;而后,根据X射线图像光谱的特点,提取点源和背景的光谱特征,利用支持向量机(SVM)进行有监督训练获得分类模型;最后,利用该模型筛除潜在点源中的错误探测.设计实验,应用该算法到NGC 4552星系的X射线天文图像的点源探测.相较于参考算法wavdetect,本算法能够达到相同的误差率(约5%),但具有更高的处理效率.     

Y射线尽收眼底

宇宙中电磁辐射无处不在，我们通过观察和分析宇宙中各波段的电磁波才能全面了解宇宙，从无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线到X射线已经进行了较深入的研究，而对最高能量的Y射线了解不多。这次美国新一代Y射线天文卫星——“Y射线大面积太空望远镜”升空入轨，它将通过更高频的电磁波波段观察深空高能天体，有望揭开暗物质和其他神秘现象背后的真相。     

爱因斯坦探针卫星的核塌缩超新星激波暴探测

在核塌缩超新星爆发过程中,当辐射主导的爆炸激波传播到前身星表面附近时,高温辐射逃逸形成激波暴,是超新星最早的电磁信号.激波暴热辐射以紫外和软X射线光子为主,持续时间短暂(~10–1000 s),仅有几个疑似观测事例.爱因斯坦探针卫星开展的大视场、高灵敏度的软X射线快速全天巡天,预期每年将获得几十颗II-P型超新星的激波暴光变曲线,对蓝超巨星爆发和Ib/Ic型超新星的激波暴合计也可能有一到数颗的年探测率,有望用于限制前身星类型、爆前物质损失、超新星爆发机制等.     

爱因斯坦探针:探索变幻多姿的X射线宇宙专题·编者按

正每当我们仰望夜空,头顶灿烂而静谧的星空总能给人一种安宁、祥和的心灵抚慰.事实上,除了绝大多数看似永恒不变、周而复始的恒星之外,宇宙中还充满了另一类出没无常、忽隐忽现、来去匆匆的所谓的暂现天体,只是人眼一般难以察觉.这类天象在我国古代被称为"客星".我国是最早观测和记录暂现天体的国家,其中最著名的是对公元1054年的"天关客星"的观测记录.这是一次壮观的银河系超新星爆发,其残骸形成了现在的蟹状星云(NGC1952);宋代天文学家的观测为现代天文学研究超新星遗迹和超新星提供了关键信息.作为时域天文学的     

关于新一代旗舰型科学卫星WFIRST发展的分析

 中国是航天大国，但尚无重大科学目标牵引的大型战略性空间科学任务的经验。以美国新一代旗舰型空间天文学任务宽视场红外巡天望远镜（Wide Field Infrared Survey Tele-scope，WFISRT）为样本，介绍了其科学目标和有效载荷，梳理了任务剖面的数次更改和曲折的研发历程。将其与中国科学卫星系列的研制流程进行了比较分析，以期为中国“十四五”乃至更长远的空间科学任务布局提供参考。