恒星级双黑洞自旋研究进展

自2015年以来,人们已经探测到93例恒星级双黑洞并合引力波事件,测量了双黑洞质量、自旋和距离等参数,并获得了其统计分布。不同双黑洞起源机制产生的双黑洞性质分布,特别是自旋分布,会显著不同,其可用来限制双黑洞起源。简单回顾了双星演化和动力学相互作用等双黑洞形成机制及自旋来源;综述了利用自旋限制双黑洞起源的一般方法和常见模型,以及利用LIGO/Virgo引力波数据取得的相关进展,并对未来发展前景进行了展望。     

双黑洞系统的不同起源及其参数分布

双黑洞组成的近密双星系统并合是激光干涉仪引力波天文台等地基引力波探测器的主要探测对象。随着探测器灵敏度的提高,大量该类信号的探测将成为进一步研究黑洞物理的有效工具。但是目前对双黑洞系统的起源机制和内禀参数分布等物理问题的研究还不够深入,例如由引力波探测得到的黑洞质量分布与X射线双星观测的结果存在较大差异,还未有很好的理论模型可解释该结果。目前普遍认为双黑洞系统主要有两种起源:大质量双星演化机制和动力学起源机制。基于这两类起源的双黑洞系统在质量、自旋分布等方面存在差异。因此可在贝叶斯理论框架下,利用引力波信号携带的波源质量和自旋等信息,推断波源起源,计算不同起源的双黑洞系统所占比例,以及检验质量自旋等参数分布的差异。     

空间激光干涉引力波探测与早期宇宙结构形成

空间引力波探测是研究宇宙早期恒星演化和星系形成、黑洞和星系的共同成长等天文学和宇宙学重大问题的一条重要可能途径。经过两期科学院先导科技专项空间科学预研究课题的开展,通过权衡技术的可行性与科学的前瞻性,选择以高红移开始的中至大质量双黑洞并合系统、星团等稠密动力学环境中涉及中等质量黑洞的双黑洞引力波波源为主要科学目标,给出了我国毫赫兹至赫兹频段空间引力波探测任务计划的初步设计。以该任务设计建议为依据,简要介绍空间引力波探测及其作为一种新的天文观测手段的科学内涵,以及我国空间引力波探测任务设计的科学目标和探测潜力。     

稳定物质转移通道形成的极小质量白矮星

极小质量白矮星双星对于双星演化、公共包层、AM CVn双星、星震学研究都十分重要。考虑到它们的周期比较短,它们还是重要的引力波源,然而它们的形成和演化仍然不清楚。通过利用最新的一种磁滞模型,建立了极小质量白矮星双星的形成和演化模型。研究给出它们形成的初始参数空间,并发现通过稳定物质转移形成的极小质量白矮星的质量范围为(0.11～0.21) M_⊙。此外,研究发现部分极小质量白矮星双星能在宇宙年龄内演化成为AM CVn双星,这些极小质量白矮星的质量范围为0.14～0.16 M_⊙。研究还发现它们的引力波信号能被LISA、天琴、太极探测器探测到。最后还讨论了不同的物质积累效率对于同一双星系统演化结果的影响,发现它除了明显影响主星最终质量外,对于伴星和双星演化过程并无太大影响。     

半相接双星室女座UW轨道周期变化的物理机制研究

对大陵五型半相接双星室女座UW的轨道周期变化进行了分析.结果表明该星的轨道周期在长期快速增加(dP/dt=+1.37×10-6天/年)的同时也含有周期为62.3年的周期性变化.利用Brancewicz和Dworak在1980年给出的基本物理参量,对引起轨道周期变化的物理机制进行了分析研究.分析表明一个质量为Ms>0.94M⊙的第三天体的光时轨道效应能对轨道周期的周期性变化成份作出解释.由于在观测上没有发现这个第三天体存在的信息,它有可能是一个致密天体(如白矮星等).轨道周期的长期增加成份可解释为由次星到主星的物质交流引起(dM2/dt=1.43×10-7M⊙/年),这与该系统次星充满的半接几何结构是相一致的.但是,根据双星演化理沦,大陵五型半相接双星应该处于以次星的核反应时标进行物质交换的慢速物质交流演化阶段,而分析发现该星的轨道周期变化时标远小于次星的核反应时标,但接近于次星的热力学时标,揭示了(1)这颗双星处于以次星热力学时标进行物质交换的快速物质交流演化阶段;或(2)系统的星周物质要通过角动量交换对轨道周期的快速增加做贡献.     

蓝离散星研究现状(Ⅰ):形成机制

大量研究表明,蓝离散星的形成可能有多种机制,目前比较流行的形成机制可以概括为以下几类:密近双星系统的质量传输及双星并合、密集星场的恒星碰撞,以及包含双星系统的恒星间 (双星-单星、双星-双星)相互作用导致的恒星并合。与此同时,蓝离散星在各类恒星系统中的普遍存在,也使得研究这类恒星的形成及演化成为追踪恒星系统动力学演化、化学演化及积分光谱性质变化的有效指针。     

OJ 287的引力波辐射研究

类星体OJ 287的研究已经有100多年的历史,它呈现周期性双峰爆发现象,爆发周期为12 yr,比较好地解释观测的模型是双黑洞模型,即次黑洞绕主黑洞运动,并撞击主黑洞吸积盘从而引起爆发.此模型合理地解释了OJ 287的光变曲线并正确预言了未来爆发时间,这间接证明了广义相对论进动效应以及引力波的存在.星系中心大质量黑洞是一类重要的引力波源,而精确确定了其内部组分运动学方程的星系非常少,由于双黑洞模型提供了精确的黑洞运动轨道,故可以在这个运动轨道基础上研究其引力波辐射.在已有工作基础上,采用后牛顿近似方法首次得到了引力波辐射功率和波形随时间的演化关系,根据目前引力波探测设备IPTA(International Pulsar Timing Array)的进展情况,未来十几年内对OJ 287的引力波直接探测将成为可能.     

相对论自旋动力学系统的数值研究

<正>自旋致密双星是宇宙中的重要研究对象.其中,由恒星级致密天体绕转超大质量黑洞构成的极端质量比旋进系统(EMRIs)是美国宇航局LISA引力波探测计划的首选目标源之一,对其研究和观测不仅可以直接检验广义相对论的引力波预言,测量中央黑洞的质量和自旋,还可以揭示黑洞视界附近的基本物理性质,具有重要的物理和天体物理意义.     

黑洞双星的形成

目前,观测证认的黑洞双星在黑洞质量分布上存在一峰值,但是还没有比较完备的理论可以解释,试图对该分布规律给出较合理的解释．鉴于恒星的氦(He)核在黑洞形成中所扮演角色的重要性,将He核质量与黑洞初始质量联系起来．根据Fryer等人的二维核塌缩模拟的结果,找到了一拟合关系,从而根据He核大小可以估算黑洞的初始质量．采用PPE恒星演化程序计算确定He核质量．最后得到星族Ⅱ和星族Ⅰ黑洞双星的黑洞初始质量的分布,并结合观测给出了相应的解释．     

盘星系并合的数值模拟

使用一系列的模拟,包括了不同的轨道参数、主并合与小并合,以及不同的恒星盘自旋角动量与轨道角动量的耦合方式,来研究盘星系的并合过程中,顺行交会和逆行交会对并合过程会产生怎样的影响.这些影响包括并合时标、轨道形态、星系的恒星及暗物质成分剥离效率、星系的形态变化,以及形成的潮汐结构等.研究发现,由于在并合过程的前期,逆行并合的恒星剥离效率要明显小于顺行并合,因此会形成小得多的潮汐结构.但与通常认为的相反的是,与顺行并合相比,逆行并合并没有显著改变轨道形态和增大并合时标,对恒星成分的剥离效率也没有显著的影响.与顺行与否相比,潮汐半径在小并合时,卫星星系恒星成分被潮汐剥离的过程中扮演着更重要的角色,潮汐半径与恒星盘标长相等的时刻可以被认为是卫星星系恒星盘瓦解的时刻.     

外赋AGB星星风吸积的角动量守恒模型

用整个系统的角动量守恒条件代替切向动量守恒条件,推导出星风质量吸积及轨道参量变化方程．在新的轨道参量变化方程的基础上,计算了外赋AGB星系统的星风质量吸积及轨道参量的变化．将星风吸积模型同内禀AGB星核合成模型结合起来,通过逐次脉冲吸积质量和混合,自洽地计算外赋AGB星的重元素超丰,并给出计算结果与观测值的比较．对初始质量较大的Ba星（M2．0＝2．5M⊙）,当系统轨道周期大于1300天时,属于星风吸积,小于600天成为共同包层双星或灾变双星．对初始质量较小的Ba星（M2．0＝13M⊙）,当系统轨道周期大于1600天时,属于星风吸积,小于600天时成为灾变双星,由此可以解释Ba星的重元素超丰和轨道参量的观测事实,并有利于解释观测到的外赋S星轨道周期的600天下限．随着星风吸积过程的进行,轨道偏心率逐渐增大,这对解释Ba星轨道偏心率平均值大于外赋S星和CH星平均值的观测事实有利．     

自旋致密双星后牛顿哈密顿系统轨道动力学数值研究

由中子星或黑洞构成的旋转致密双星后牛顿哈密顿系统属于相对论二体问题,该系统不但含有丰富的共振和混沌等动力学现象,而且成为探测引力波的理想天然波源.引力体的轨道动力学性质会在引力波中得到反映.因此,实际天体的混沌性既可能是对引力波探测的挑战,又可望是获得观测效应的机遇.本学位论文正是在这样的国际学术氛围下数值研究旋转致密双星后牛顿保守哈密顿动力学问题.基于最小二乘法原理我们构造了单和双标度因子等几种流形改正方法,分别对旋转致密双星后牛     

中子星中心致密天体的双星起源

探讨了认为中心致密天体(CCO)起源于双星的可能性.首先, CCO与正常遗迹脉冲星有着相似的平均自旋周期,但CCO的平均表面磁场强度(B～5.4×10~(10)Gs)低于正常遗迹脉冲星(B～7.7×10~(12)Gs)～2个量级.同时,几乎所有的正常遗迹脉冲星均分布在爱丁顿吸积加速线以上,而CCO全部分布在自旋加速线以下.因此怀疑CCO可能起源于双星吸积加速过程.其次,基于中子星再加速理论,分析了CCO可能的双星演化过程:双星系统中, CCO以M～1017g·s~(-1)的吸积率,经过～106yr的时间共吸积△M～10~(-2)M⊙的物质,其自旋周期将会从P～10 s降低至P～0.1 s,表面磁场强度将会从B～10~(12)Gs降低至B～1010Gs.考虑到～106yr的演化时标远大于CCO遗迹的年龄(～0.3–7 kyr),猜想CCO可能是双星系统中第1颗恒星超新星爆发的产物,而第2颗恒星超新星爆发后双星解体,留下CCO和第2颗恒星的超新星遗迹.该模型预言在CCO附近可能存在一颗年轻的正常脉冲星(P～0.02 s, B～1012Gs),并期望未来的射电望远镜和高能探测器能够进行搜寻.     

时空的圆舞曲引力波

2015年9月14日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)捕捉到了距离地球13亿光年外的一对双黑洞并合产生的引力波信号(GW150914)。经过长达数月的数据分析,LIGO团队确证了激光干涉仪在该引力波信号穿过时产生的大约是一亿亿分之一厘米尺度的振荡变化,并于2016年2月11日对外公布了这项惊人发现。这是人类首次直接探测到爱因斯坦广义相对论预言的引力波信号,并证实了双黑洞的存在。引力波探测器为探测宇宙提供了不同于电磁波(光)的全新方法,现在我们不仅能用望远镜“看”缤纷多彩的宇宙,还能用引力波探测器“听”波澜壮阔的宇宙。2017年的诺贝尔物理学奖也因此颁给了对引力波探测作出杰出贡献的三位物理学家:雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)和巴里·巴里什(Barry Clark Barish)。     

嵌埋星团质量分层的数值模拟研究

目前,对大质量恒星形成的初始条件不很清楚,特别是大质量恒星是否形成于星团中心仍有争议.有人从时标上考虑,认为嵌埋星团的质量分层现象意味着大质量恒星只能在星团中心诞生.利用Monte Carlo方法对嵌埋星团的动力学演化进行了数值模拟,并与观测进行了比较.假设初始时刻大质量恒星随机分布,一定比例的嵌埋星团因为大质量恒星的随机运动,在演化的某个时刻会呈现暂态质量分层,其中一部分相当明显.这说明,大质量恒星在中心形成并非嵌埋星团质量分层现象的唯一解释.此外,气体的动力学摩擦能有效地减小动力学质量分层的时标,从而增大暂态质量分层的概率.     

双星系统中大质量比致密天体质量四极矩对轨道频率的影响分析

极端质量比旋进系统是空间引力波探测器最重要的波源之一。对引力波的探测需要高精度波形模版。当前主流的极端质量比旋进系统引力波计算模型中,人们一般将小质量天体当作试验粒子进行计算,而忽略了其结构及自身引力对背景引力场的影响。利用Mathisson-Papapetrou-Dixon方程研究延展体在弯曲时空中的运动,以及小天体自旋和质量多极矩对引力波信号识别产生的影响。结果表明,质量比在10?6-10?4范围的旋进系统,其自旋达到很大时,自旋对延展体的轨道运动有不可忽略的影响;在质量比10?4-10?2区间内,需要考虑中心黑洞潮汐作用导致的白矮星形变;在质量比大于10?4,且白矮星自旋很大时,其自旋产生的形变会对小天体轨道运动产生不可忽略的影响。大质量黑洞潮汐作用导致的恒星级黑洞或中子星产生的形变可以忽略,中子星和黑洞的自旋会对轨道运动产生不可忽略的影响,而自旋产生的四极矩对轨道运动不产生影响。     

2.8M⊙碳AGB星的形成和演化

在混合程对流理论基础上建立了湍流压的恒星结构与演化理论,以及在对流外壳中出现动力学非稳定性的判据。在此基础上研究了初始质量为2.8M⊙的星族I恒星从主序星到碳AGB星的质量非守恒演化。结果表明,在RGB星和AGB星阶段,靠近恒星表面区域内湍流压可以达到总压强的30％。且湍流压效应可能是导致RGB星和AGB星靠近表面区域产生了动力学非稳定性,从而造成物质向外逃逸的原因,我们认为湍流压效应可能就是造成有效温度低因而辐射压也低的RGB星产生强星风,以及AGB星产生超星风的物理原因,还发现当氦燃烧层源厚度与层源质量的比值小于0.04R⊙／M⊙时,层源内会出现热核反应的非稳定现象,即出现热脉动,且2.8M⊙AGB星经过6次热脉动后,恒星表面的C／O超过1,恒星演化成碳AGB星。     

双黑洞并合与黑洞逆向吸积

黑洞是广义相对论理论预言的天体,也是很多天文现象,如类星体、活动星系核、喷流、吸积盘的中心引擎。根据广义相对论,宇宙中的黑洞可以由质量和自旋两个参数来描述。对比黑洞质量的测定,自旋的测量较为困难。但自旋的方向与很多天文现象密切相关。如果黑洞自旋方向与吸积盘的转动方向一致,将形成正向吸积的天文现象;反之,如果黑洞自旋的与吸积盘的转动方向相反,将形成逆向吸积的天文现象。利用宽线区尺度与光学光度之间的关系,最近的研究发现了逆向吸积盘的可能候选体。利用双黑洞并合的物理图像提出了一种逆向吸积盘的物理形成机制,并定量计算了相关的逆向吸积盘形成率。发现了超大质量双黑洞系统的质量比分布与类星体逆向吸积盘的形成率之间存在定量关系,该定量关系可以通过未来的空间引力波探测以及逆向吸积盘的探测进行检验。     

有碰撞星风激波存在的大质量双星系统的演化

本文研究了有碰撞星风激波存在的大质量双星系统的演化．碰撞星风激波存在的重要效应之一是产生Ｘ射线辐射，使有星风激波存在的大质量双星系统成为Ｘ射线双星系统的又一类新成员．碰撞星风激波存在的另一重要效应，是可以阻止双星系统中两子星之间的物质交换，因而对大质量双星系统的演化产生重要影响．对于一个由４０Ｍ⊙和３０Ｍ⊙组成的双星系统在情况Ｂ演化下，有星风激波存在与无星风激波存在两种情况相比较，前者的周期大大变短，系统的总质量大大减小．     

恒星级黑洞的观测证认研究进展

具有不同质量的恒星在耗尽其热核能源后,最终可能会坍缩成为性质完全不同的致密天体,如白矮星、中子星或者黑洞。从20世纪30年代起,黑洞的观测及其证认一直是天体物理学的研究热点之一。首先简要地回顾了恒星级黑洞的形成及其候选天体的研究历史;然后介绍了如何从观测上证认恒星级黑洞:接着详细讨论了恒星级黑洞的质量和自转参数的测量方法;最后介绍恒星级黑洞观测及其证认的最新研究进展,并做出结论:目前已经有充分的证据宣告在部分吸积X射线双星中存在恒星级黑洞。