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.     

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.     

射电宁静的活动星系核的光变研究进展

一部分星系的核区存在剧烈的非恒星活动起源的多波段电磁辐射,这类星系被称为活动星系,其核心称为活动星系核.一般认为,超大质量黑洞(其质量是数百万倍乃至数百亿倍太阳质量)通过其强大的引力吸积周围气体形成的吸积盘是活动星系核的中心引擎.理解这一物理过程和测量超大质量黑洞的物理参数,对认识强引力场下的磁流体物理、超大质量黑洞的宇宙增长历史和活动星系核的反馈以及宇宙大尺度结构形成有重要的意义.多波段连续谱的光变(即光度随时间的变化行为)是活动星系核的鲜明特征,可以被用来从时域的角度测量宇宙学距离上的活动星系核的中心引擎的结构、尺寸和超大质量黑洞的质量以及自旋.本文介绍了活动星系核光变行为的基本概念,概述利用光变研究活动星系核物理过程和测量超大质量黑洞质量等方面的主要进展,并对活动星系核的光变研究领域进行展望.     

核心坍缩超新星中心黑洞超吸积在星系尺度上的贡献

核心坍缩超新星(Core-Collapse Supernova,CCSN)是大质量恒星演化末期的爆发现象,产生了宇宙中大多数的中子星和恒星级黑洞等致密天体.爆发可能伴随着强磁场中子星或黑洞超吸积引发的剧烈长时标伽马射线暴.CCSN还被认为是宇宙重元素的主要来源之一.本综述介绍了我们近期对CCSN中心黑洞超吸积过程的系列研究成果,主要包括研究了大质量星系中心附近伽马射线暴余辉阶段,因大量暗物质粒子湮灭电子注入而引发的光变和能谱的形态变化,探讨了其作为暗物质探测手段的可能性;研究了坍缩星框架下,中微子主导吸积流外流对核合成的贡献,及对太阳临近空间、(活动)星系等化学组分和演化的影响;最后,从数值模拟角度讨论了CCSN起源的致密天体质量分布,给出了低质量间隙可能起源于CCSN爆发能量分布的结论.     

MCG-6-30-15的铁Ka线的研究

活动星系核的X射线性质是近几十年X射线天文学研究的一大热点。铁Ka线位于X波段的6-7keY能区,是来自活动星系核中的冷物质的荧光辐射。随着XMM-Newton和Chandra等高性能X射线望远镜投入使用,铁Ka线的研究也更加深入。通常,宽的铁Ka线被认为是研究AGN中心黑洞最好的探针,一个最著名的例子就是MCG-6-30-15。ASCA和XMM-Newton卫星已经对MCG-6-30-15进行了多次观测和研究,发现有明显的宽的铁Ka线存在。研究铁Kn线的轮廓能给出黑洞自旋的一些信息,这些信息对了解黑洞的吸积、演化有重要意义。文章选取XMM-Newton卫星已对MC@6-30-15的一次观测来研究MC@6-30-15铁Ka线性质。     

史瓦西黑洞外中微子主导吸积盘的质量

选取2005年1月—2016年12月期间具有X射线余辉观测的16个γ射线暴的短暴数据样本,估算史瓦西黑洞外中微子主导吸积盘的质量,发现大部分盘的质量远大于模拟的最大值。这个结果表明,短暴要求更大质量的吸积盘,即史瓦西黑洞的吸积不足以提供多数短暴能量,短暴爆发所需要的能量可能需要黑洞的自旋或其他的电磁动力学过程来提供。     

星系中心大黑洞的宇宙学演化

在冷暗物质晕等级成团宇宙学模型中,伴随着暗物质晕并合,星系中心黑洞也断地并合和增长.于展Press-Schechter公式（EPS）我们编写了一自适应时间长Monte Carlo程序,重构了表征暗物质晕等级成团并合树.在成功地建立了黑洞和暗物质晕宇宙学演化模型后,我们通过引入直接吸积（包标准薄盘吸积和磁流体力学吸积）和随吸积两类黑洞吸积模式,论了黑洞自旋和质量宇宙学演化.通过与观测到AGN光度函数比较,我们发现黑洞通过磁流体力学吸积模式增长,与观测符合最好.于以上理论框架,我们还研究了双大质量黑洞演化,发现双黑洞通过共转气体吸积盘吸积对双黑洞质量比分存在显著影响.     

M87的TeV辐射光变

2005年第一次在M87中观测到TeV辐射爆发,分析表明TeV爆发的光变时标非常短且相对孤立.M87的喷流的视向倾角较大(～30?),是银河系外观测到的第一个非blazar类TeV源,这暗示着新的产生TeV辐射过程.考虑到TeV源有可能是产生于黑洞吸积盘上的等离子体云团,刚诞生的时候可能围绕中心黑洞作开普勒运动,本文在完全广义相对论框架下计算了这种情况下TeV辐射的光变.模型中不仅考虑了TeV源作开普勒运动的效应,还计算了轨道上不同点发出的TeV光子在到达无穷远处观测者的过程中被来自吸积盘上的软光子吸收的光深差异.计算表明TeV源的光变主要由不同轨道上的TeV光子的光深变化主导,TeV源作开普勒运动的效应基本可以忽略.在TeV源距离黑洞比较近的时候,随着黑洞自旋的增大光深显著减小,在黑洞自旋为零时,光深变化曲线明显不对称,TeV源越靠近黑洞这些效应越显著.     

短暴对应中微子主导吸积盘的盘质量

短暴最有可能起源于双致密星并合.因为这种情形产生的吸积盘较小,持续时间可以和短暴的持续时标相当.模拟结果显示,双星并合产生的吸积盘质量远低于双星质量的总和.本文利用现有的观测数据,估算了恒星级黑洞周围中微子主导吸积盘的质量.结果显示,短暴吸积盘质量的估算主要取决于它的喷流能量和张角及黑洞的质量和自旋.一些短暴要求具有很大质量的吸积盘,这个数值已经达到甚至超过了模拟的最大值.我们认为,可能存在其他的电磁动力学过程或者其他的机制可以提高中微子辐射效率,从而提供短暴爆发所需要的能量.     

类星体PKS1510—089的X波段光变周期特性研究

我们从Swift卫星上得到了2005年2月到2008年5月X波段的观测数据,通过对这些数据进行剔除粗差的处理,得到了PKS 1510-089的光变曲线.用Jurkevich方法计算分析PKS 1510-089 X波段的光变周期特性,结果表明其光变周期约为1.84±0.10年.针对这样的光变周期,我们用薄吸积盘理论进行了讨论,并估算了PKS 1510-089的黑洞质量.     

黑洞的吸积过程

正黑洞在宇宙中是普遍存在的。观测表明,宇宙中大部分星系中心都存在一个质量在几十万到几十亿倍的太阳质量的超大质量黑洞,而每个星系中都存在几千万个恒星级质量的黑洞。黑洞吸积是指黑洞周围的气体在黑洞引力的作用下向黑洞下落的物理过程。这一过程会释放出很强的辐射,并伴随着物质外流。现代天体物理的许多重要分支都是以黑洞吸积作为其理论基础的,包括活动星系核、伽玛射线暴、黑洞X     

黑洞磁化薄吸积盘的热稳定性

首先回顾了吸积盘理论产生的背景和研究概况.自从1991年Balbus和Hawley揭示了磁转动不稳定性(MRI)在较差转动流体系统中的重要性之后,磁场逐渐成为吸积盘理论研究所不可回避的成分.因此在标准薄盘模型的框架下,引入了环向磁场.假设在热扰动发生的时标内局部环向磁通量守恒,具体分析了当环向磁场参与到吸积盘垂向流体静力学平衡以及粘滞产热等过程之后,对盘的热稳定性所产生的影响.结果显示:当磁压在总压强中所占比例高于24%时,对任意的吸积率吸积盘都将呈现出热稳定性.这一结果有别于传统薄盘在辐射压主导情况下是热不稳定的结论,可以用于解释部分高光度X射线双星系统中缺少相应光变的观测事实,以及有助于理解近年来磁化吸积盘数值模拟中的一些结果.     

两类Seyfert星系的黑洞质量与吸积率

收集了89个Seyfert星系样本,利用反响映射法和恒星弥散速度法计算了Seyfert星系的黑洞质量,分别研究了Seyfert 1和Seyfert 2星系的黑洞质量与吸积率、热光度和红移之间的相关性,结果发现Seyfert 1星系的黑洞质量与吸积率、热光度和红移之间具有强相关性,Seyfert 2星系的黑洞质量与吸积率之间具有弱的负相关性,与热光度和红移之间具有弱相关性.两类Seyfert星系的区别除了源于吸积盘倾角不同外,还可能与星系的环境、演化和星系核的活动有关.     

活动星系核喷流进动的物理机制分析

为了研究活动星系核喷流进动的物理机制,从文献中收集到23个有喷流进动周期(P)、B波段绝对星等(Mabs)和黑洞质量(Mbh)数据的活动星系核组成样本.用样本检验吸积盘驱动中心黑洞和喷流进动的盘致进动模型,观测到数据整体上符合理论预期的P、Mabs和Mbh之间的关系,但数据的弥散度较大,吸积盘的黏滞参数需取较大范围才能使理论范围覆盖所有的样本源.喷流进动也可能是由于星系核中心存在超大质量双黑洞.在此双黑洞模型下估算了样本源中双黑洞的距离,并将10个样本源的双黑洞距离和从文献中得到的星系核宽线区尺度对比,显示喷流进动周期大于106年的样本源的双黑洞距离可能大于星系核宽线区尺度.因此通过喷流进动的观测结果可以搜寻超大质量双黑洞候选体和限制双黑洞的参数.高质量的反响映射监测等进一步观测有望检验超大质量双黑洞系统的存在,帮助揭示喷流进动的物理机制.     

Blazars光变和喷流效应研究进展

活动星系核是当代天体物理研究中最活跃的领域之一.它们对人们探讨星系的形成和演化、宇宙常数的确定、大尺度结构,甚至宇宙各种背景辐射的起源等方面具有非常重要的意义.耀变体是活动星系核的特殊子类,具有极端的观测性质,包括高光度、高而变化的偏振、大幅度激烈光变、视超光速运动和高能伽玛射线辐射.文章将主要介绍光变和喷流效应的研究进展.密集采样捕捉到很短时标,如OJ 287,3C 273,0716+714在光学波段都获得历史最短的光变时标,200 s的快速光变短时标光变发现在PKS 2155-304的Te V波段,而光变周期的分析,多方法加去除伪周期使得结果更加可靠.光变时标在伽玛波段的Doppler因子估算方面取得进展.     

星系紫外深场巡天观测进展

紫外波段是星系能谱分布中的重要部分.其包含大量原子、离子和分子的共振线以及研究重要物理过程的连续辐射,提供了理论研究重要的观测限制.在星系研究中,紫外辐射追踪大质量恒星,是测量和理解宇宙中恒星形成历史的重要工具.紫外辐射也可追踪大质量黑洞吸积盘,是理解吸积物理过程的重要手段.其涉及的关键科学问题包括宇宙正午时期的恒星形成历史与星系演化、宇宙重子物质缺失、宇宙再电离能量来源以及星系吸积和外流反馈等.本文重点阐述了紫外深场巡天观测的发展现状及其在星系科学研究中发挥的作用.主要介绍了深场仪器的基本参数、深场观测的目的和任务,以及数据及科学产出,并对国内外正在计划中的未来紫外观测进行了总结和展望.     

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.     

灾变星

通过灾变研究，我们可以获得一些信息，如相互作用的双星可以包涵一个白矮星从一个轨道伴星吸积，在所有波段观测，都可以看到其经受一次激动人心的再造。灾变过程允许直接和仔细地研究平衡和不平衡吸积盘。反过来这也帮助我们了解X射线双星、黑洞和活动星系核。本书是第一次报导灾变星全面研究的专著，结合理论和观测，也是一本单纯的综合课本。     

电子对对CygX-1能谱的影响

一、引言CygX—1是目前人们最关心的天体之一,因为它是黑洞的一个主要候选者。利用黑洞吸积盘模型,可以说明CygX—1的X射线发射的一般性质。但是,按通常的冷盘模型,在解释它的硬X射线能谱时,遇到了一些困难。CygX—1的X射线发射谱有以下的特点:(1)有较强的硬X射线发射,谱的高能端一直延伸到300KeV左右,(2)当软X射线部分强度有明显变化时,硬X射线谱常     

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.