伽马射线暴

正伽马射线暴(简称伽马暴)是起源于大质量恒星坍缩(长伽马暴)或者致密双星并合(短伽马暴)等短时标极端剧烈的高能灾变天体,是宇宙大爆炸之后最猛烈的爆发现象,也是宇宙宏观速度最快的天体。伽马暴本身辐射及其余辉辐射来自新生黑洞或者磁星所驱动的极端相对论喷流,并且理论上预期其还伴随强引力波、高能中微子和高能宇宙线辐射。因此,伽马暴是研究黑洞     

伽玛射线暴的高能辐射

伽玛暴是宇宙中最剧烈的恒星级高能爆发现象,一般被认为产生于大质量恒星死亡(一些爆发时标长于2 s的伽玛暴在观测上被证实与一类特殊的超新星成协)或者双致密星(比如双中子星系统)并合(这类并合时标很短,可产生时标短于2 s的伽玛暴).工作在8 ke V–300 Ge V能段的Fermi伽玛射线空间望远镜自2008年升空工作之后,伽玛暴瞬时辐射和高能辐射研究取得了重要进展.本综述将介绍Fermi卫星在过去几年内关于伽玛暴领域的一些重要观测结果,并着重介绍这些观测对探索伽玛暴物理(伽玛暴外流体的光球辐射、磁化、Ge V高能辐射起源),特别是Fermi卫星大面积望远镜(LAT)的高能(100 Me V)辐射观测对限制伽玛暴初始速度/洛伦兹因子,限制宇宙河外背景光模型以及检验光速不变原理等方面的主要研究进展.     

引力波事件GW170817的电磁对应体

2017年8月17日,激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到来自双中子星合并的引力波GW170817.伴随GW170817的短伽玛射线暴与千新星也分别在1.74 s后和10.9 h后被伽玛射线卫星和光学望远镜探测到.对这些电磁对应体的观测与研究首次证实双中子星并合会产生大量重元素并形成千新星.通过相关理论与观测的比较,人们对于双中子星并合的中心引擎、短伽玛暴喷流的特性以及并合产生的抛射物性质等一系列重要的天体物理学问题进行了空前深入的研究.本文介绍伴随GW170817的各类电磁波对应体的性质,并探讨这些电磁波对应体的物理起源.     

超新星诞生率和Ⅰ型超新星

超新星(简称 SN)是恒星世界中最激烈的爆发现象.它爆发时的光度约为10~7-10~(10)太阳光度,释放能量为10~(47)—10~(52)尔格,光变幅超过17个星等,即突然增亮千万倍至上亿倍.爆发结果或是将恒星物质全部抛散成为星云遗迹;或是抛射掉大部分质量,遗留下的物质塌缩为白矮星、中子星或黑洞.历史文献表明,银河系不断有超新星爆发,从1885年至今已观测到五百多颗河外星系超新星.超新星按其特性分为两类,称为Ⅰ型超新星和Ⅱ     

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.     

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.     

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.     

"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).     

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.     

中子星向夸克星发生相变的可能性

本文对中子星及 MIT 袋模型的夸克星的每一强子能量进行了探讨,从而得出中子星向夸克里发生相变的可能性,并提出相变时放出的能量是超新星再爆发的一种可能的能源机制.     

特殊Ⅰ型超新星

超新星(Supernova,简称SN)是恒星演化晚期所发生的剧烈爆发现象.自从1931年Baade和Zwick提出超新星概念以来,人们在各种星系中已经发现的超新星有六百多颗.通过对观测资料的分析、研究,人们对超新星的前身星爆发的物理机制等一系列问题的认识取得了可喜的进展.     

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。     

重复快速射电暴FRB 121102白矮星和中子星双星模型的再研究

快速射电暴(FRB)是宇宙中忽然出现的短暂而明亮的射电爆发现象,它的物理起源至今还是一个谜.重复快速射电暴可能源于一个具有强偶极磁场的中子星和磁化的白矮星组成的致密双星系统.当白矮星充满它的洛希瓣时,物质将会通过拉格朗日点从白矮星转移到中子星.一次爆发之后,白矮星可能被踢开.对于唯一已知的重复暴源FRB 121102,总共探测到41次重复爆发.用已知的红移数据,根据41次重复爆发的数据,我们再次研究了白矮星-中子星的双星模型,肯定了这样一个间歇的洛希瓣外流机制可能可以解释FRB 121102的重复爆发行为,并且相邻爆发的时间间隔和其后的暴的流量之间不存在相关性,这也与我们的洛希瓣外流机制相符.     

从磁绳的日面足迹揭示日冕物质抛射内部磁通量的演化特征

作为太阳大气中最剧烈的大尺度爆发性磁活动,日冕物质抛射是引发近地灾害性空间天气的首要驱动源.时至今日,在爆发过程中,日冕物质抛射内部轴向磁通量的详细演化特征尚不明确.近期,国内太阳物理学者提出了一种优化的识别方法,成功提取并研究了日冕物质抛射主体磁绳结构在太阳表面的足迹及其完整变化信息,发现爆发磁绳的轴向磁通具有先快速增大,随后逐渐减小的演化特征,且与伴生耀斑的能量释放过程具有很好的时间对应性.这一研究定量地给出了日冕物质抛射爆发过程中内部磁场参量的变化规律,对理解日冕物质抛射的三维爆发过程有着重要的意义.     

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.     

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.     

分赫兹引力波探测助推双中子星并合的多信使研究

作为目前唯一一例人类明确探测到引力波信号及成协电磁对应体的双中子星并合事件, GW170817的发现提供了诸多天体物理过程与现象的关键信息,标志着多信使天文学新时代的开启.但地基引力波探测设备的探测灵敏频段较高,为双中子星并合事件提供引力波预警信号的能力有限.因此,我们考虑利用空间分赫兹引力波探测器为人们提供足够长时标的引力波信号预警,以实现后随电磁搜寻设备对并合事件的及时响应.在假定四年任务运行周期的条件下,本文重点展示了两类空间分赫兹引力波探测器(B-DECIGO和DO-Conservative)定位双中子星并合事件天区及并合时间的能力.对于在探测器开始运行后1–4年内并合的事件,探测器提供的空间、时间定位的预期结果最好,分别可达ΔΩ～10^–2deg²和Δt_c～0.2 s.围绕因双中子星并合而产生的各类电磁暂现事件,我们针对高能辐射、紫外-光学-近红外辐射、射电辐射等举例讨论了可能的天体物理过程,以及利用空间分赫兹引力波探测器实现多信使预警探测的独特优势与未来展望.     

高能天体物理学的“爆发”

这一时期有两篇理论高能天体物理学的论文表现出了突出的影响力:一篇是排在第5的关于伽马射线暴的论文,另一篇是关于活动星系核(AGN)的论文#6。这两篇文章都与爆发现象有关,但研究的时间尺度大不相同。伽马射线暴(GRBs)是自大爆炸以来宇宙中最充满活力的现象,它们在宇宙中有可能随时随地发生。典型的爆发一般持续1秒至数百秒的时间。大多数伽马射线暴是在巨大的恒星燃尽了核燃料时发生的。恒星的核心     

贝叶斯引力波多信使天文学

对于双黑洞、双中子星并合引力波及其电磁对应体、宿主星系的观测开启了引力波多信使天文学时代.本文简要介绍引力波、电磁对应体、宿主星系联合观测在提高信号探测效率、增加对波源物理性质的理解、挖掘波源群族性质等方面的基本概念,重点介绍一个贝叶斯引力波天文学框架处理上述问题的方法和此框架在引力波-宿主星系、引力波-短伽玛暴联合观测方面的应用.     

2013-09 科技要闻

Ia型超新星研究获新进展Ia型超新星的爆发以及它们的前身星的物理机制仍然是个谜题。幸运的是,近几年来观测到的Ia型超新星的数据显著增长,天文学家能够探测超新星统计学上的性质,并建立起它们与宿主星系的联系。清华大学物理系天体物理中心副教授王晓锋等对一类超新星(源于1.4个太阳质量的致密星,也就是"白矮星"热核爆炸产生的,简称Ia型超新星)的光谱特征和它们宿主星系的性质进行了最新的研究,发现了低膨胀速度与高膨胀速度的两类Ia型超新星有着本质的区别,