Li-Paczynski新星的研究进展(I):理论

致密星并合(中子星-中子星并合与中子星-黑洞并合)后抛射出的富中子(neutron rich)物质是合成r过程元素(r-process elements)的重要场所之一,近17年来的理论研究认为,这些r过程元素衰变产生的能量在热化后将形成光学-近红外(Optical-NIR)辐射,这种光学-近红外暂现现象被称为"Li-Paczynski新星(Li-Paczynski novae)",简称为"LP新星",由于它们的典型峰值亮度约为典型的新星(novae)亮度的1000倍,因此又被称为"千新星(Kilonovae)"。此外,理论与观测都直接或间接地表明致密星并合在一定条件下会形成持续时间较短(T_(90)(?)2 s)的伽玛射线暴(简称短暴,SGRBs),且大部分短暴可能源自致密星并合。在短暴的余辉被确定后,人们就致力于搜寻伴随短暴的LP新星。介绍近17年来LP新星的理论进展。     

GRB 170817A的洛伦兹因子和观测角

伴随着引力波事件GW170817的短暴GRB (Gamma-Ray Burst) 170817A首次提供了双中子星并合与短暴相联系的直接证据.但是短暴GRB 170817A具有非常弱的光度,意味着观测的视线方向可能偏离喷流轴方向.根据短暴静止系的峰值能量E_(p,i)和各向同性光度L_(iso)。之间的关系以及洛伦兹因子Γ和L_(iso)。之间的关系估算了短暴GRB 170817A以及长短暴GRB 060614观测角与喷流边缘的夹角θ'_(obs)和洛伦兹因子Γ,结果表明GRB 170817A的Γ=45±27,θ'_(obs)=2.2±0.5°,而GRB 060614的Γ=214±93,θ'_(obs)=0.5±0.1°.这个结果相当于GRB 170817A的正轴各向同性光度L_(iso,on)=(2.1±0.7)×10~(49) erg·s~(-1),比典型的短暴少2-3个数量级.GRB 060614的L_(iso,on)=(5.12±1.91)×10~(51) erg·s~(-1)与典型短暴相当.这意味着GRB 060614可能属于短暴类型,而GRB 170817A可能本质上就是一个弱暴.     

千新星(并合新星)研究回顾

中子星-中子星或中子星-黑洞的并合可以导致强烈的高频引力波辐射,同时它们也可以通过向外抛射物质发出多种类型的电磁辐射信号,因而是当前多信使天文学研究的主要对象之一.在各种电磁辐射信号中,由抛射物所发出的热暂现源辐射被称为千新星,或可更广义地称为并合新星,其辐射能量来源主要是抛射物中放射性重元素的衰变和中心并合产物的持续能量输出(如自转能损).这种现象最早由Li和Paczynski在1998年从理论上预言提出,并最终在2017年的引力波事件GW170817中被观测证实.千新星(并合新星)观测在GW170817事件中发挥了关键性的电磁对应体作用,帮助人们精确定位引力波信号、证认其天体物理起源乃至限制并合产物的性质.从宇宙中重元素的起源这一研究背景出发,循着历史发展的脉络,分别对千新星(并合新星)模型的提出、发展、并合产物的性质、相关候选体的发现以及GW170817引力波事件等不同的研究阶段和研究专题进行简要的回顾,以梳理这一方向上研究思路的历史变迁,展现理论和观测的相互作用及其对研究进程的影响和促进.     

GRB 130427A/SN 2013cq与伽玛射线暴-超新星成协

从1998年4月初步确认GRB 980425/SN 1998bw成协,至2013年9月确认GRB130831A/SN 2013fu成协,共有11对伽玛暴与超新星成协事件通过光谱学方法得到确认。对伽玛暴-超新星成协的详细研究大大深化了人们对伽玛暴与Ic型超新星的认识,并推进了人们对大质量恒星演化、死亡以及爆发机制的研究:对它们的多波段余辉的性质以及超新星光谱的观测与分析间接地揭示出伽玛暴-超新星中心引擎的性质。这些事件中,GRB 130427A/SN 2013cq具有特殊的重要性:它是近距离宇宙中唯一的高能、高亮度的伽玛暴,它的GeV辐射挑战了当前的伽玛暴辐射机制,伴随它的明亮光学闪提供了爆炸本性的有用线索,伴随它的SN 2013cq是伽玛暴成协的超新星中动能最大的超新星之一,对伴随它的中微子探测的零结果也对伽玛暴的瞬时辐射模型给出了有用的限制。总结了GRB 130427A/SN 2013cq的重要观测结果,这对于探索伽玛暴-超新星成协的本质及伽玛暴瞬时辐射和余辉的细节性质有非常重要的研究价值。     

快速射电暴光学对应体在中国未来大视场望远镜中的可探测性分析

快速射电暴是近年来发展最快的天文学科之一. 理论上, 快速射电暴可能存在毫秒到小时时标的光学\lk对应体. 快速射电暴光学对应体有可能在中国未来大视场望远镜中探测到, 例如: 中国空间站工程巡天望远\lk镜(China Space Station Telescope, CSST)、中国科学技术大学和紫金山天文台合作的2.5m大视场巡天望远镜(Wide Field Survey Telescope, WFST)和地球2.0 (Earth 2.0, ET)等. 快速射电暴光学对应体通常分为毫秒时标光学对应体、小时时标光学对应体和光学余辉. 前两者可产生于快速射电暴的高能外延或是快速射电暴的射电辐射与高能电子的逆康普顿散射, 探测率与光学-射电流量比$\eta_\nu$关系密切. 对于毫秒时标光学对应体, 最理想情况下WFST、CSST和ET的探测率可以达到每年上百个. 当$\eta_\nu$~10^-3时, WFST、CSST的年探测率仅 为1个的量级, ET的年探测率为19.5个. 对于小时时标光学对应体, 最理想情况下超新星遗迹的年龄为5年且$\eta_\nu$约为10^-6时, 年探测率可到100以上. FRB 200428的X射线对应体表明, 快速射电暴可能产生相对论性外流并且与星际介质相互作用产生光学余辉. 结合快速射电暴的能量、在宇宙中的分布以及标准余辉模型, 可以对快速射电暴余辉的可探测性进行研究. 当总能量-射电能量比与FRB 200428类似(ζ = 10⁵)时, CSST、WFST和ET的 年探测率分别为1.3、1.0和67个.     

脉冲星参数的取值对γ暴火球余辉的影响

用中心有脉冲星的γ射线暴的火球模型计算出GRB970228和GRB000301c两个γ射线暴的余辉辐射流，计算结果与观测结果相比较，符合的很好，解释了GRB970228和GRB000301c光学R波段余辉的光变曲线带‘拐折’的特征，讨论了中心脉冲星参数的取值对余辉的光曲线起的重要作用。     

稳定物质转移通道形成双黑洞

由于缺乏足够的观测数据,大质量恒星的研究进展缓慢,到目前为止大质量恒星演化和黑洞详细的形成过程还存在较大争议。LIGO首次探测到恒星级双黑洞并合产生的引力波信号,这不但验证了爱因斯坦20世纪的预言,而且还证实了大质量双黑洞的存在。研究工作采用恒星演化程序MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics)计算孤立双星的演化,主星初始质量为20 M⊙～80 M⊙,金属丰度为0.000 1～0.002,初始双星质量比为0.7～0.9。双星系统通过稳定物质转移通道,形成总质量(15～110) M⊙范围内的双黑洞。形成双黑洞的并合时标强烈依赖于初始轨道周期,只有初始轨道周期不大于5 d的双星系统演化形成的双黑洞,通过引力波辐射损失角动量,最终可能在哈勃时标内并合。研究工作得到的结果可以解释部分现阶段已经探测到的引力波事件。     

两颗光学厚的碳星:RAFGL 595和RAFGL 954

本文根据对RAFGL595和RAFGL 954的近红外光谱观测,确定了它们的中心星也是富碳的。考虑到它们的光学对应体极弱,CO观测具有高的质量流失率.因此它们是光学厚的碳星.     

γ暴研究的重大突破：余辉的发现与观测研究

由于BeppoSAX卫星的独特贡献,最近观测到了若于Υ暴在X射线、光学甚至射电波段上的对应体,一度陷入困境的Υ暴研究再次取得了突破性的进展。目前已经观测到了Υ暴GRB970228持续六个月以上的光学余辉,发现它可能位于一个暗弱的宿主星系中;GRB970508的光学余辉有较为复杂的表现,并测出其红移范围0．85＜z＜2．1。在该暴发生约五、六天之后,还观测到了射电耀发现象。观测上的重大突破比较有力地支持了Υ暴的宇宙学起源及火球模型。     

极亮红外星系和活动星系核(英文)

介绍了我们对极亮红外星系研究的系列工作。这些工作包括对星系并合激发星暴和星系核活动并最终形成椭球星系的演化过程。特别介绍了星系多重并合的观测证据和IRQSO与窄线Seyfert 1(NLS1)、低电离宽吸收线类星体之间可能的演化关系     

人工智能在脉冲星候选体筛选中的应用

脉冲星搜寻是对脉冲星、引力波,以及对快速射电暴(Fast Radio Burst,简称FRB)等暂现源进行研究的基础。搜寻不仅可以扩大脉冲星样本,还可以发现极端性质的致密星。这有助于研究致密天体状态方程、星际介质、脉冲星导航、引力波探测等课题。目前,射电望远镜的单次巡天就可以产生百万数量级的脉冲星候选体。面对这些海量数据,仅仅依赖人工识别筛选,已不能满足数据的时效需求,更不能实现数据的实时处理。机器学习、计算机视觉应用等人工智能技术自诞生以来,其理论和技术已日益发展成熟,并已成功运用到脉冲星候选体筛选等射电天文研究领域。首先将介绍现有脉冲星搜寻的人工智能方法,再统计和分析已有脉冲星候选体筛选方法的性能,最后对FAST脉冲星候选体筛选工作进行展望。     

毫秒磁星作为伽玛射线暴中心引擎的研究

正伽玛暴是一种短时标的高能光子爆发现象.通常把持续时间短于～2 s的暴称为短暴,长于～2 s的暴称为长暴.大量观测已经证实,长暴起源于大质量恒星的塌缩,因而与超新星成协.短暴最可能的起源是致密双星并合.目前,伽玛暴研究的一个核心问题是确定其中心引擎究竟为黑洞还是中子星.本文第1章详细阐述了相关进展.数值模拟发现黑洞可产生相对论喷流,因而可作为伽玛暴的中心引擎.然而,有一些观测特征似乎     

高能辐射机制与伽玛射线暴瞬时辐射的研究

<正>伽玛射线暴(简称伽玛暴)是宇宙中最为猛烈的高能爆发,它是一种随机出现的短时标脉冲式现象,自20世纪60年代被Vela卫星发现以来,一直都是天体物理学家所关注的研究热点.1997年Beppo SAX卫星首先发现了伽玛暴的余辉,后来又帮助测定了伽玛暴的红移,因而确定伽玛暴是起源于宇宙学距离上的现象.现在通常认为,持续时标长于2 s的长暴起源于大质量恒星的坍缩,而时标短于2 s的短暴来自双致密星的并合.对伽玛暴的研究可以帮助人们了解极端相对论、极端高能条件下的物     

不同仪器GRB观测数据的一致性分析

BATSE(Compton Gamma-Ray Observatory/Bursts and Transient SourceExperiment)、Swift(Swift Gamma-ray Burst Explorer)和Fermi卫星(Fermi GammaraySpace Telescope)提供了大量的GRB样本.研究比较3种仪器观测的暴的特征,发现虽然有红移暴的数目、所有暴中长暴的比例以及光子流量分布(lgN-lgP分布)等有显著差异,但是暴的持续时间、伽玛辐射总流量、谱硬度比等均没有显著差异.考虑Swift和Fermi暴的观测能段不同,进行修正以后,发现lgN-lgP分布的差异也基本消除.有红移暴的数目、长暴占总暴数的比例是由仪器本身的灵敏度决定的,即不同仪器决定不同GRB的观测特征,但是它们的本质是一致的.     

ALMA探秘伽玛暴

宇宙中最剧烈的爆炸当属伽玛暴（Gamma—Ray Burst,简称为GRB）。我们知道光本质上就是电磁波。而电磁波具有一个宽泛的波长范围,不同的波长对应不同类型的电磁辐射。不同波长的辐射对应的能量也大不相同（图1）。波长越短的电磁波携带的能量越强。在实际的研究中,天文学家也主要是依靠遥远的天体发出的各种波长的电磁波来研究它们。图1中最右端、波长最短的电磁波即为伽玛射线。     

引力波与引力波源

引力波爆发事件GW150914的发现,标志着引力波天文学时代的到来,它为人类打开了全新的窗口来研究强引力场、极致密天体、极高能过程、极早期宇宙等极端物理过程和现象。介绍广义相对论中引力波的基本性质、观测效应以及主要的产生机制。并着重介绍宇宙中的几类比较重要的引力波源的主要性质、探测方法,以及探测现状和未来展望。具体包括:旋转的中子星、稳定的双星系统等连续的引力波源,超新星爆发、双星并合等爆发式的引力波源,以及天体物理过程和宇宙暴胀产生的随机引力波背景。     

FAST漂移扫描观测:快速射电暴信号模拟与模拟样本

快速射电暴(fast radio burst, FRB)是一种发生在毫秒时标的射电爆发现象。观测发现,它们很可能来自银河系外,对研究致密天体并合、星际介质、宇宙大尺度结构等有着重要意义。中国新近建成的500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, FAST)是世界上最大的单天线射电望远镜,其多波束漂移扫描观测有望在快速射电暴观测方面作出贡献。针对FAST的漂移扫描观测模式,开展了多种参数和分布下的快速射电暴模拟,构建了下述快速射电暴的样本:一个是对快速射电暴在射电观测参数空间进行模拟获得的样本;一个是根据快速射电暴本身距离(红移)与色散之间可能存在的关系,进行物理参数空间模拟获得的样本。每个样本均有50 000个模拟的快速射电暴信号,它们不仅可用来检验应用于FAST巡天扫描观测的快速射电暴搜寻算法的探测效率,还可以用来研究FAST漂移扫描观测和各类快速射电暴搜寻算法的选择效应,从而有可能从实际快速射电暴探测结果反推快速射电暴的内禀物理性质和分布。获得的快速射电暴样本对重复快速射电暴观测和数据分析具有借鉴意义。     

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)。     

基于GRB 051117A的能谱延迟及耀发特性的研究

研究表明,耀发的能谱延迟与耀发特性参数(峰值时间、宽度、上升时间和衰减时间)有较强的相关性,随着时间的推移,耀发变宽,能谱延迟变大。使用离散相关函数(Discrete Correlation Function, DCF)对一个具有10个耀发的多耀发伽马暴(GRB 051117A)进行能谱延迟研究发现,在GRB 051117A内,能谱延迟与耀发的峰值时间、宽度、上升时间、衰减时间存在较强的相关性,即lag∝t_(peak),w,t_(rise),t_(decay)。在伽马暴内部耀发也随时间演化,即随着时间的推移,耀发的宽度越宽,能谱延迟越大。将伽马暴之间存在的能谱延迟与耀发特性参数的关系拓展到伽马暴内部,可以帮助我们对多耀发伽马暴有更深的理解。GRB 051117A内部的耀发特性参数之间存在的相关关系与多个伽马暴之间甚至是瞬时辐射脉冲高度相似,这也为X射线耀发与瞬时辐射脉冲可能是同一物理起源提供支持。     

奇异星周围的中微子主导吸积流

为统一解释伽玛射线暴(简称伽玛暴)与暴后再活动,提出了一个新的伽玛暴中心引擎模型一“奇异星-NDAF”模型(NDAF:Neutrino Dominated Accretion Flow,中微子主导吸积流),并计算了奇异星周围NDAF的结构.与其他中心致密天体不同的是,奇异星会向吸积流反馈以中微子为载体的奇异化相变能量.不考虑NDAF与奇异星的摩擦,结果表明:奇异星周围NDAF的结构对吸积率非常敏感;当吸积率大于0.18 Mo.S-1时,“奇异星-NDAF”模型能统一解释伽玛暴与暴后再活动,这个范围大于无摩擦的“中子星-NDAF”模型能统一解释的范围;在统一解释的情形下, “奇异星-NDAF”模型湮灭总能量的分布非常宽阔,当吸积率大于0.3 M0.S--1时,湮灭总能量大于1051 erg;最后,当吸积率大于0.3 M0.S-1时,“奇异星-NDAF”模型的湮灭光度超过同等吸积率下“黑洞-NDAF”模型一个多量级,有利于解释某些光度极大的伽玛暴.