空间硬X射线望远镜HAPI-1及其对蟹状星云脉冲星的观测

HAPI-1是我国第一个用于空间高能天文观测的硬X射线望远镜系统,由面积145cm~2厚0.5cm的CsI(T1)主探测晶体及其下部厚5cm的NaI(T1)反符合晶体构成复合晶体探测器,采用脉冲形状甄别技术区分两种晶体的输出信号,多种物质构成的夹层式屏蔽筒和准直器使望远镜具有约4°视场角(HWHM),电子学、姿态控制和数据获取系统使望远镜具有对20—200keV能区高能光子到达时刻和能量进行空间定向观测的能力。本文介绍HAPI-1的构成和主要性能,以及1984年5月利用该望远镜在我国高空科学气球上对蟹状星云脉冲星的观测结果。     

Crab脉冲星X射线计时观测数据处理与分析

对我国公开发布的空间试验卫星X射线探测器观测Crab脉冲星的数据进行了处理与分析,描述了利用X射线脉冲星观测数据与卫星轨道数据建立积分脉冲轮廓与标准脉冲轮廓的方法,给出了在频域测量脉冲星脉冲到达时刻(toa)的原理方法与算法.利用每组观测数据,计算得到Crab脉冲星脉冲toa,通过与Crab脉冲星星历预报脉冲toa的比较,分析得到卫星载荷X射线探测器观测Crab脉冲星,在消除掉系统误差后,50 min积分时间的观测精度约14μs.     

我国首次对蟹状星云及其脉冲星硬X射线观测成功

1984年5月23日,我们用自己研制的HAPI-1硬X射线望远镜,在高空气球上对蟹状星云及其脉冲星辐射的高能X射线进行了观测。 HAPI-1望远镜的主体部分是一个由碘化钠和碘化铯组成的复合晶体探测器。直径15cm,主晶体CsI(T1)厚0.5cm,下置5cm厚的NaI(T1),用来屏蔽大气反照γ射线背景和抑制康普顿散射成分。两个晶体中的信号进入同一个光电倍增管,经脉冲形状甄别电路后被分开。再经数据获取电路,便可得一组CsI·NaI     

脉冲星PSR 1951 32的γ辐射

对欧洲γ天文卫星COS-B数据的分析表明,从PSR 1951 32方向来的30—5000MeVγ光子到达时间具有显著的周期位相结构。我们用相关分析方法研究了该脉冲星附近天区γ光子强度的空间分布,求出100MeV和300MeV能量处脉冲星γ射线的积分流强:F(E>100MeV)=4.1×10~(-7)ph·cm~( 2)·s~(-1),F(E>300MeV)=8×10~(-8)·ph·cm~(-2)·s~(-1)。PSR1951 32方向的γ光子大部分为周期性成分,并且集中在一个相当窄的相位区域内。     

毫秒脉冲星

毫秒脉冲星PSR1937 214的发现是近几年天体物理学中的一次重要事件。本文介绍了该星的发现史和主要观测事实。该星自转周期为1.557806449023毫秒,是转动最快的脉冲星。周期变率为1.24×10~(-19)秒/秒。在它的周围没有明亮的超新星遗迹。这颗脉冲星的引人注目的特征是磁场低和在P—P图上位置独特。文中还评述了解释这颗脉冲星的四种模型;(1)起源于吸积X射线双星的中子星,通过从伴星吸积物质而加速到毫秒周期;(2)Michel和Dessler提出的盘模型脉冲星中的普通一员;(3)双中子星并合体;(4)辐射年龄小的脉冲星。最后一种可能性是本文作者提出的。根据具有相似特征的脉冲星倾向于分布在同一条PP~(-5)等值线及可按等值线排成演化序列的事实,作者按光速圆柱磁能衰减来定义脉冲星辐射年龄t:B/8π∝PP~(-5)=C_0exp(-2t/τ)(τ为磁能衰减时标),井据此认为PSR1937 214和蟹状星云脉冲星、船帆座脉冲星都是辐射年轻的。     

脉冲星钟模型精度分析

毫秒脉冲星具有很高的自转稳定性,利用脉冲星自转极其稳定的特性可以开展许多应用研究,如:脉冲星时间标准的建立、宇宙背景引力波的探测、X射线脉冲星导航应用等等.利用国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)中J0437-4715和J1713+0743 2颗源的实测数据开展脉冲星钟模型参数精度分析和脉冲到达时间(Time Of Arrival,TOA)预报精度研究.通过研究得知,目前脉冲星自转频率测量精度为10-15Hz,频率1阶导数测量精度为10~(-23)s~(-2),且自转参数测量精度随观测时间跨度每4–5 yr提高1个量级.另外,利用J0437-4715 10 yr观测数据建立的钟模型,其脉冲到达时间预报偏差4.8 yr之内可保持在1μs之内.因此,利用该脉冲星建立时间标准用于校准原子时,可以使原子时相对于地球时(Terrestrial Time,TT)的偏差在4.8 yr之内小于1μs.     

天宫2号POLAR探测器的低能X射线在轨定标

伽马暴偏振探测仪(POLAR)是天宫2号实验室上搭载的一个γ射线偏振仪,于2016年9月15日搭载在天宫2号进入低轨运行,主要用于探测在50-500 keV能区的硬X射线辐射的线偏振.POLAR由25个模块组成,每个模块有64个塑料闪烁体棒,总计有1600个塑料闪烁体棒,具有较大的有效探测面积和视场.在轨运行期间探测到多个小耀斑,它们的硬X射线光子能量通常小于50 keV,无法直接使用在轨和地面的高能定标结果来进行能谱分析.结合拉马第太阳高能光谱成像探测器(RHESSI)对耀斑SOL2016112907能谱的观测和蒙特卡洛模拟,对耀斑期间被激活的闪烁体棒进行能量低于50 keV的低能相对定标.虽然定标得到的能量阈值(～10 keV)和转换因子相对稳定,但是和高能定标给出的结果相比有显著差异,并且不同闪烁体棒显示出的差异没有明显的规律性.     

基于PSP观测的行星际Ⅲ型射电爆发的研究进展

与太阳射电爆发相比,通常认为频率较低的行星际射电爆发产生于远离低日冕的行星际空间.地球电离层的截止导致地基设备无法对其进行观测.美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)发射的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe, PSP)是迄今为止距离太阳最近的空间探测器.其搭载的射电频谱仪能够对10 k Hz–19.17 MHz频段范围内的射电辐射进行观测. PSP能够靠近甚至可能穿越行星际III型射电爆发的辐射源区,因此使用PSP对行星际射电爆发进行观测具有前所未有的优势.简要介绍了目前为止使用PSP的射电观测数据对行星际III型射电爆发的多方面研究,包括爆发的发生率、偏振、散射、截止频率、可能的辐射机制和相关的辐射源区等方面的研究进展,并讨论了其未来的研究前景.     

基于泊松模型的X射线脉冲星信号的最大似然TOA估计

讨论了X射线脉冲星光子到达的周期平稳Poisson模型和到达时刻(Time of arrival,TOA)估计问题.在此基础上,得到了脉冲到达时刻的最大似然估计和克拉美-罗限(Cramer-Rao boundary,CRB),并推导了低信噪比情况下的似然函数近似表达和克拉美-罗限.利用解析的脉冲轮廓,对PSR B1821-24的TOA估计进行了Monte Carlo仿真,讨论了不同观测时间和信噪比下的估计误差,给出了相应的信噪比门限.研究表明:该分析方法能够有效估计X射线脉冲星的TOA定时精度,有利于评估其在各种应用中的性能.     

X射线毫秒脉冲星J0437-4715的多波段观测研究

基于澳大利亚PARKES天文台射电数据和RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer)中ASM (All Sky Monitor)的X射线数据对毫秒脉冲星J0437-4715进行两个波段的研究.对J0437-4715在射电波段的观测运用TEMP02软件对不同终端系统的计时数据进行校准,提高了计时模型精度.用结构函数法,利用RXTE全天候扫描ASM的观测数据,对J0437-4715在X射线波段的光变进行中长期研究,发现它在X射线波段存在一个620 d的光变周期.     

我国4300 m高度上的高能宇宙线研究

随着γ射线天文学的兴起，10年前在西藏高原海拔4300m的羊八井谷地，出现并成长着一个国际知名的宇宙线实验站。其中日合作的ASγ阵列在国际同类实验中，首先观测到了蟹状星云的Multi-TeV稳定γ射线发射及活动星系核Mrk 501在1997年、Mrk 421在2000年的Multi-TeVγ射线强爆发，独家测出了反映太阳和行星际磁场状态的宇宙线太阳阴影的偏移并将之用于太阳活动变化的监测，利用高海拔优势及乳胶室和Burst，探测器与阵列的联合实验进行了超高能宇宙线能谱和成分的研究。以高阻板探测器(RPC)地毯式阵列迈入≈100GeV空白能区的中意合作ARGO(Astroparticle physics Researchat Ground-based Observatory)计划，已进入大规模安装调试阶段。欲牢固占领Multi-GeV-TeV能区和满足对高可变、大峰流、短时标河外γ源的观测所需的高海拔巨型大气契仑可夫光成像望远镜计划5@YorG，也正在酝酿之中。     

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.     

类星体SDSS J2220+0109中特殊吸收线系统的发现与研究

斯隆数字巡天光谱数据中发现,类星体SDSS J2220+0109光谱中同时出现如下极为罕见的吸收线:氢巴尔末线Hα和Hβ,亚稳态He I* λλ3889、3189tt,CaⅡH、K,以及来自FeⅡ*能级的波数分别为7 955 cm~(-1)、13 474 cm~(-1)和13 673 cm~(-1)的众多吸收线.上述吸收线具有相似的速度结构,线宽达1 500 km·s~(-1),相对于发射线表现出蓝移.研究结果表明,这些吸收线很可能来自部分电离区,密度n_E≈10~6cm~(-3),柱密度N_(H I)≈10~(21) cm~(-2),Lyα共振散射对氢原子的激发起重要作用.SDSS J2220+0109斯隆r星等为16.56 mag,是探索活动星系核中特殊吸收线起源的理想实验室.将来的紫外光谱观测可以更加准确决定吸收气体的密度、柱密度、电离参数等物理性质;光学光谱监测有助于限定吸收线的产生机制.此外还发现,SDSS J2220+0109中的FeⅡ发射线显著区别于典型的窄线赛弗特Ⅰ型星系ⅠZw 1,很可能来自低密度气体,进一步研究有助于理解类星体中FeⅡ发射线的起源.     

Jet-dominated quiescent state in black hole X-ray binaries: the cases of A0620–00 and XTE J1118+480

The radiative mechanism of black hole X-ray transients(BHXTs) in their quiescent states(defined as the 2–10 ke V X-ray luminosity 10~(34) erg s~(-1)) remains unclear. In this work, we investigate the quasi-simultaneous quiescent state spectrum(including radio, infrared, optical, ultraviolet and X-ray)of two BHXTs, A0620–00 and XTE J1118+480. We find that these two sources can be well described by a coupled accretion – jet model. More specifically, most of the emission(radio up to infrared, and the X-ray waveband) comes from the collimated relativistic jet. Emission from hot accretion flow is totally insignificant, and it can only be observed in mid-infrared(the synchrotron peak). Emission from the outer cold disk is only evident in the UV band. These results are consistent with our previous investigation on the quiescent state of V404 Cyg and confirm that the quiescent state is jet-dominated.     

甚高能γ射线的地面观测设备和分析方法

甚高能γ射线(E≥100 GeV)是全波段天文学的重要组成部分,是研究宇宙射线高能粒子的重要窗口.由于甚高能γ射线光子本身携带着重要的物理信息,对它进行研究将极大地拓展人们对宇宙演化、宇宙高能粒子、高能粒子源、高能粒子产生机制、产生环境和发射区几何形状、高能粒子之间以及高能粒子与星际介质间相互作用的认识.随着大有效面积、宽视场、较低能量阈值、较高角分辨率切仑柯夫望远镜的问世,甚高能γ射线天文学的研究取得了极大的成功,目前发现的甚高能γ射线源已经超过90个,证认了一些甚高能γ射线源的类型,包括活动星系核(AGNs)、Wolf-Rayet星、巨型分子云(GMcs)、壳层超新星遗迹(SNRs)、脉冲星风星云(PWNe)、双星系统等.介绍了甚高能γ射线的地面观测设备,并对分析方法进行评述.     

光锥中强引力透镜的数值模拟

根据高精度宇宙学N体数值模拟输出的星系团以及星系团X射线光度和质量的经验关系:L-M,在红移区间(0.14,0.3)内构建了一个X射线波段流量限为3×10~(-19)J·s~(-1)·cm~(-2)(如Local Cluster Substructure Survey,缩写为LoCuSS )的大质量星系团样本。利用高分辨率的Ray-tracing数值模拟对包含真实观测信息(即红移、大小和形状)的COSMOS背景星系源进行单个透镜的成像模拟,并统计星系团不同投影方向的巨弧(即L/W10)产生效率。依据数值模拟立方体的尺度建立观测光锥,再根据光锥内不同红移区间所占立方体的体积比例用对应数量、红移的透镜对光锥进行随机填充,通过平均它们的透镜效率,最终计算得到光锥内的平均强引力透镜效率为3.22_(-1.47)~(+2.73)×10~(-2)。     

3颗脉冲星自转性质的研究

正常脉冲星和亳秒脉冲星都表现出计时噪声.脉冲星的自转变化是造成计时噪声的重要原因之一.通过联合新疆天文台南山25m射电望远镜和澳大利亚Parkes64m射电望远镜的脉冲到达时间数据,使用脉冲星计时的方法对PSRJ1539--5626、J1832- -0827和J1847- -0402的自转进行分析研究,它们在到达时间残差上均表现出很强的计时噪声,低频噪声的功率谱分别符合谱指数为-6、-6、 -4.5的幂律,功率谱强度分别为1.77 x 10^-17 yr³、4.43x 10^-18 yr³和2.09x 10^-18yr3.这3颗脉冲星在自转频率1阶导数的变化上都表现出较为明显的振荡,振荡幅度分别为0.61(3)x 10^-15s^-2、0.54(5) x 10^-16s^-2和0.11(2) x 10^-15s^-2 (其中括号内数字代表末位数字的有效误差,下同),自转频率1阶导数振荡变化的相对大小分别是0.75(5)%、0.035(9)%、 0.076(2)%.利用Parkes 64 m射电望远镜的观测数据,分别获得了这3颗脉冲星积分脉冲轮廓及其半高全宽,发现3颗脉冲星的脉冲轮廓的宽度均有一定 的变化,变化幅度分别为0.0028(6)、0.00059(3)和0.00011(4)个相位.没有探测到自转减慢率的变化与辐射变化之间存在明显的相关性.     

耀斑日冕硬X射线源观测研究

对于足点被日面边缘遮挡住的耀斑的观测研究是诊断日冕硬X射线辐射的一个重要方法.通过统计分析RHESSI (Reuven Ramaty High-Energy Solar Spectroscopic Imager)卫星观测到的71个此类耀斑硬X射线源发现,前人提出的两类源,即日冕X射线辐射中热辐射与非热辐射源区空间分离较小的源和分离较大的源,在能谱、成像、光变曲线以及GOES持续时间等方面都没有显著的区别,其中辐射区的面积、耀斑总热能以及GOES持续时间与分离距离之间有很好的相关性.这些结果支持近年来提出的一些耀斑统一模型.同时也表明Masuda耀斑只是一类非常特殊的事件,不具有日冕硬X射线辐射的一般特征.     

强磁场中相对论电子系集体的共振逆康普顿散射谱

强磁场中相对论电子的共振逆康普顿散射(RICS)是产生伽玛射线的有效机制.以前的工作曾论证,伽玛暴(GRB)的早期伽玛射线辐射可能主要由该机制产生.利用此辐射机制,伽玛暴研究中的一些困惑有可能得到较好的解释.例如,观测统计给出的"Amati关系"的起源,两段式(折断式)幂律谱的形成,特别是其中"死线问题"的解决方案,还有偏振的存在等.这里将重点讨论折断幂律谱形成问题.基于单个电子的RICS谱功率公式,导出了强磁场中大量相对论电子穿过周边低频辐射场时产生的集体RICS辐射谱(RICS谱光度)的简化解析公式,并将它应用于中子星周边几种典型的低频场(如黑体辐射场、幂律辐射场以及热轫致辐射场),以便与实际观测谱形比较.计算表明:在满足匹配条件(即近似共振条件)下,RICS辐射效率很高,其谱形普遍为两段式的幂律谱形式,与周边低频场性质无关.还论证RICS机制可能是伽玛暴、软伽玛重复暴和伽玛射线脉冲星在高能射线波段(硬X射线和伽玛射线)的一个理想的高效辐射机制.     

空间太阳硬X射线成像仪量能器读出电子学设计

先进天基太阳天文台(ASO-S)是中国科学院空间科学先导专项2期规划的太阳观测卫星,其针对第25个太阳活动峰年,同时观测太阳磁场、日冕物质抛射和太阳耀斑爆发.硬X射线成像仪(HXI)作为该卫星3个科学载荷之一,实现了高时间分辨率和空间分辨率的太阳硬X射线成像观测,其量能器由99套溴化镧闪烁晶体-光电倍增管探测单元和读出电子学板构成,实现了30–200 keV的硬X射线光子能谱测量.针对HXI量能器的观测需求,设计了一套空间高事例率读出电子学系统,并通过实验室测试,证明了该系统单事例读出死时间小于2μs,同时验证了该系统电子学噪声小于120 fC,积分非线性小于2%,满足HXI仪器要求.