爱因斯坦探针:探索变幻多姿的X射线宇宙

爱因斯坦探针(Einstein Probe,EP)是一颗面向时域天文学的、发现型的X射线天文探测卫星,是中国科学院空间科学战略性先导专项十三五规划的空间科学卫星系列任务之一.展望未来十年,时域天文学将进入一个前所未有的、多波段和多信使的大视场监测的黄金时代.在软X射线窗口,灵敏且快速的全天监测为我们提供了一个难得的科学机遇.EP卫星将在这一能段窗口开展时域巡天监测,旨在发现和探索宇宙中的X射线暂现源和爆发天体,并发布预警以引导其他天文设备进行后随跟踪观测.EP的科学载荷包括一台宽视场软X射线监视器(3600平方度,0.5–4 keV)和一台后随观测X射线望远镜(0.3–8 keV).卫星具有快速机动反应能力以及暂现源警报的快速下传功能.由于采用了新颖的微孔龙虾眼X射线聚焦成像技术,其探测灵敏度和空间分辨率比目前在轨运行设备提高了1个数量级,将能监测更远、更大的宇宙空间范围.预期EP将在以下三方面做出贡献:高能暂现天体的系统性巡天监测,发现隐身的沉寂黑洞并测绘宇宙黑洞的分布、研究其形成演化和物质吸积过程,搜寻来自引力波事件的X射线信号并精确定位等.此外,EP的探测目标还将包括从中子星、白矮星、超新星、宇宙早期伽玛暴、X射线闪到恒星耀发等众多的天体和现象,涉及广泛的天体物理学分支.卫星计划于2022年底左右发射.运行寿命为3年,目标5年.     

快速旋转磁陀星驱动的类超新星现象研究概述

一颗快速旋转的高度磁化中子星(磁陀星)可能诞生于极端的恒星爆发或双致密星并合等过程.这一理论设想在近二十余年的伽马射线暴研究中常被提及且已受到诸多观测尤其是余辉观测的支持.因此,该新生磁陀星与这些爆发或并合产生的抛射物之间的相互作用及其产生的观测特征引起了人们的广泛关注.与此同时,近十余年来,随着宽视场高频次暂现源巡天项目的大量开展,人们陆续发现了为数不少的具有和普通超新星相似特征但又存在明显差异的光学暂现源现象,其典型代表有以高光度为主要特征的超亮超新星和以快速演化为主要特征的快变蓝色暂现源.这些现象为研究新生磁陀星驱动的类超新星爆发和辐射过程提供了现实途径.本文一方面概述了中子星的能量输出、中子星风和抛射物的相互作用及相应的辐射效应,主要包括抛射物热辐射主峰的增亮、主峰前由中子星风驱动的激波突破以及主峰后星风云非热辐射的泄漏等.另一方面,简要介绍了超亮超新星、伽马射线暴及其成协超新星或并合新星、快变蓝色暂现源等现象的主要观测特征,着重讨论了这些观测现象和中子星能源模型之间的相容性,以及模型和观测相结合所给出的参数限制.据此,可以更进一步地了解在相同的物理机制下产生不同观测现象的关键...     

"中子星"研究的挑战

脉冲星(PSRs)被发现之后,很快地就被证认为中子星(NSs),关于它们的研究极大地丰富了人们对于自然的认识.由于第一颗射电脉冲星的发现以及对强引力场下广义相对论的检验,脉冲星研究者已经两次获得了诺贝尔物理学奖.最近,"中子星"家族中的一些新种类被发现了,它们是:所谓的软伽马射线重复爆(SGRs),反常X射线脉冲星(AXPs),超新星遗迹(SNRs)中的致密中心天体(CCOs)和暗弱热中子星(DTNs).这对理论家们提出了如下的挑战:是否部分或者全部的所谓"中子星"的本质实际上是"奇异星(SSs)"?是否存在所谓的"磁星"(一种具有超强磁场的中子星)?本文论述了"中子星"的观测特性,为理解它们本质所作的理论努力以及不同模型间的争论(尤其是关于SGRs和AXPs).     

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.     

爱因斯坦探针在激变变星探测中的应用

激变变星为一颗白矮星和一颗正常恒星组成的双星系统,是银河系重要的X射线辐射源.对激变变星的研究一直受限于低X射线光度(Lx1.0×10~(32) erg s~(-1))样本的不完备性.爱因斯坦探针是搜寻太阳系近邻激变变星的有力武器.预计EP可以在一年之中得到全天距离在300 pc之内,光度在5.0×10~(30) erg s~(-1)以上的激变变星的完备样本,总数目可达1000颗.此样本可以构建一个比较完备和准确的激变变星的光度函数,并可以进一步研究星系X射线弥散辐射、Ia型超新星的前身星等重要问题.     

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.     

天文学家首次直接测量死亡恒星磁场

欧洲一组天文学家利用非常灵敏的XMM—Newton X射线太空望远镜完成了对一颗中子星磁场的首次直接测量，这项研究结果不仅能深入探察中子星非常极端的物理学，而且能揭开恒星“生命”最后阶段的奥秘。     

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.     

极亮X射线源NGC 5907 ULX-1的磁场研究

极亮X射线脉冲星的证认表明,极亮X射线源中可能存在一定数量的中子星,其拥有超爱丁顿极限光度和较高的自转周期变化率,这些特性可能与星体的磁场密切相关.NGC 5907 ULX-1是第三颗证认的极亮X射线脉冲星,其峰值光度约为爱丁顿极限的1000倍.本文计算了NGC 5907 ULX-1目前的偶极磁场强度,并模拟了其随时间...     

吸积致密双星

本书是1989年10月在美国新墨西哥州三塔菲举办的“第11次北美灾变和低质量X射线双星的会议”的报告文集。内容丰富，覆盖了低质量中子星和黑洞、双星的观测和理论、磁和非磁白矮星双星、瞬时X射线源、新星和双脉冲星。     

对低质量X射线双星4U 1636-53中mHz QPO中子星表面热辐射的研究

毫赫兹频率上的准周期震荡(mHz QPO)起源于中子星表面一种特殊模式的核燃烧,现阶段观测上对mHz QPO出现时中子星表面物理环境的研究仍非常有限.本文基于XMM-Newton望远镜对中子星X射线双星4U 1636-53的观测数据,通过能谱分析研究mHz QPO出现前后黑体热辐射成分的性质.研究显示,mHz QPO出现时中子星表面黑体辐射成分的温度降低了0.05 keV,热辐射流量降低了0.31×10^-10erg·cm^-2·s^-1.结果表明此次观测中,mHz QPO出现前燃烧区域的局部吸积率可能高于理论模型中选用的值.另外,mHz QPO发生时中子星表面热辐射流量的降低可能导致表面热辐射区域温度的降低.     

X射线和射电的暂现源

X射线和射电的暂现源可能是一个密近双星体系,子星A具有弱磁场,子星B为中子星。当子星A的物质抛射率大大增强时,子星B的吸积率也相应地大大增强而引起X射线耀;如果子星A同时抛出相对论性电子,它们在子星A的磁场中将产生同步加速辐射,因而同时出现射电耀。     

脉冲星与夸克星

简要地回顾了脉冲星、中子星和夸克星的研究历史;总结了当前(特别是笔者所在研究小组)对于夸克星研究的进展并指出所面临的主要问题,特别讨论了区分普通中子星和夸克星的可能途径;给出了一些夸克星候选体以及未来可能的观测检验。     

较差转动中子星放大磁场的数值计算与分析

存在较大较差转动角速度的中子星会由于磁冻结效应扭曲内部的径向磁场线,放大出一个超过1013T的环向磁场.这个环向磁场的磁浮力大于与其耦合的粒子的重力,能够携带物质冲出中子星外壳,形成喷发.基于此效应提出了较差转动中子星作为伽马射线暴(GRB)和伽马射线暴早期余辉中X射线耀发能源的两个模型,在不同的初始条件下做了数值计算和分析.根据计算得到的环向磁场的放大速度以及初始条件,指出了这两个模型存在的缺陷,最后提出较差转动中子星可作为快速射电暴(FRB)的能量来源.     

X射线双星系统的探测

搜寻X射线双星并建立大规模样本是解决众多科学问题(如"银河系中有多少黑洞X射线双星?黑洞和中子星之间有无质量间隙?球状星团中有无黑洞?"等)的基础.爱因斯坦探针卫星拥有更灵敏的探测能力,将在运行的几年之中,预计可以发现一批新的中子星和黑洞X射线双星,研究其空间和动力学质量分布成为解决上述问题的关键.     

中子星辐射引力红移的量子真空极化修正

测量中子星表面辐射谱的引力红移被认为是探究这类致密天体基本物理特性最为直接有效的手段. 但是,脉冲星、磁星这些强磁化中子星表面的辐射红移不仅源于引力的作用, 还需要考虑星体表面的磁化等离子体以及由超强磁场所诱导的量子电动力学(quantum electrodynamics, QED) 真空极化效应对辐射的电磁作用. 运用Gordon有效度规理论研究磁化等离子体以及QED真空极化效应对星体辐射的影响. 计算结果表明, 一般情况下对辐射引力红移的修正起主要作用的是星体表面的磁化等离子体, 但在某些特定情况下, 还必须考虑QED真空极化效应的作用.     

美国《科学》展望2007年世界科研8大热点

新一期美国《科学》杂志预测说,以下8个领域或课题可能成为2007年世界科研热点:1.禽流感研究。禽流感疫苗和药物研发工作将会增加,围绕禽流感的分子生物学、病毒进化、流行病学甚至流感史研究也有可能产生大量数据。2.观测中子星碰撞。经过多年完善,名为L I G O的宇宙引力波观测计划第一阶段工作已达到预期目标。L I G O观测装置将在2007年对太空展开监测,有望探测到距地球不到5000万光年范围内发生的两颗中子星碰撞现象。3.RNA干扰治疗技术人体试验。R N A(核糖核酸)干扰治疗技术正在快速进入人体试验阶段,这种被寄予厚望的技术效果…     

核子耦合参数对中子星中超子相的影响

中子星中超子的出现以及超子的比例对中子星的性质具有重要影响,不同的核子相互作用模型如何影响中子星中的超子是一个重要物理问题.从相对论平均场理论出发,选取不同核子耦合参数,计算了中子星中超子的数密度,发现不同类核子耦合参数对中子星中超子出现和中子星向超子星转变的转变密度有不同影响,而且核子相互作用的σ介子势和ω介子势影响显著,而ρ介子势影响较小.这些结果对大质量中子星性质的理论研究具有重要参考价值.     

磁星中直接乌卡过程对其超高磁感应强度的影响

介绍了磁星形成超高磁感应强度的可能机制及磁星中直接乌卡过程对其超高磁感应强度的影响.磁星的超高磁感应强度可能是由3P2库伯对在外磁场作用下的磁矩排列引起的,在3P2库伯对被电子俘获反应中产生的高能中子破坏而消失. 已经发现某些磁星与超新星残骸有关联,磁星的超高磁感应强度也可能来源于爆炸前的超新星.     

顺磁绝缘/铁磁金属相复合材料La1.4Sr1.6Mn2O7/La0.67Sr0.33MnO3的磁特性研究

采用溶胶-凝胶法一次性制备了顺磁绝缘／铁磁金属相复合材料La1.1Srt.6Mn2O7/La0.67Sr0.33MnO3系列样品.用X射线衍射仪分析了样品的晶体结构,通过多功能物理测试系统测量了样品的磁特性.研究发现,复合样品从高温到低温明显经历了2次磁相变过程,在Tc1与Tc3D之间磁化强度的数值随温度基本保持不变,...