重子物质对暗物质晕形状和角动量的影响

利用高精度大样本的冷暗物质($\Lambda$ cold dark matter, $\Lambda$CDM)宇宙学数值模拟的数据, 对重子物质如何影响暗物质晕的形状和角动量进行了研究.使用了3种数值模拟数据, 纯暗物质模拟、含辐射冷却、恒星形成和动力学超新星反馈的模拟, 包含活动星系核反馈效应的恒星形成模拟. 对这3种模拟, 还进行了不同红移处的比较. 主要结果如下.重子物理过程会改变暗物质晕的质量分布, 特别是有活动星系核反馈机制的情况下.比如, 活动星系核反馈会减少大质量暗物质晕的形成.随着宇宙的演化, 暗物质晕的空间形态逐渐由扁变圆. 重子物质的存在会加速暗物质晕形状的变化过程, 而且会使暗物质晕形状变得更圆. 但是活动星系核的反馈会对这一加速效应产生抑制.重子物质对暗物质晕的影响与暗物质晕的质量和半径都存在一定的依赖性.暗物质晕的质量越大, 它会呈现更扁的形态. 同时, 重子物质对任意质量的暗物质晕或暗物质晕在任意半径处的变圆均有一定的促进作用,尽管活动星系核反馈会抑制这一促进作用.特别是对于暗物质晕在0.2--0.6倍维里半径处的形状, 重子物质的影响尤为明显.此外, 重子物质的存在会对暗物质晕的角动量产生显著影响, 它会增大暗物质的角动量. 暗物质晕的自旋参数与质量无相关性, 但是与暗物质晕的半径存在一定的相关性.     

暗晕次结构的演化

在主流的冷暗物质(cold dark matter,CDM)模型中,暗物质由于引力不稳定性塌缩成位力化的结构,形成所谓的暗物质晕(dark matter halo),然后重子气体由于辐射消耗能量而落入这些暗晕的中心,最终形成星系.暗晕一般是通过等级成团的方式形成,即小质量暗晕先塌缩形成,进而通过并合形成更大尺度的暗晕.并合后的小质量暗晕不会立即消失,而形成暗晕(主暗晕,host halo)的次结构(dark matter halo substructure或subhalo).在次结构中形成的星系是在主暗晕中形成的中心星系的伴星系(satellite galaxy,亦称卫星星系).伴星系因为质量小、光度低而成为观测中的矮星系.     

类星体光度和暗物质晕的统计关系

活动星系核的能量反馈是星系形成理论模型中的一个重要物理过程,与星系所处的暗物质晕质量、星系中央大质量黑洞吸积率等因素有关。当前的半解析模型预测活动星系核反馈机制主要有两种模式:射电模式和类星体模式,前者主要发生在大质量暗晕中央的大质量星系中,后者主要由较小质量星系并合导致。利用斯隆数字化巡天(SDSS)提供的目前最大的类星体光谱观测样本,结合基于SDSS构建的星系群(团)表,从统计上分析了类星体的热光度和暗晕质量的分布情况。初步分析结果显示,在大质量暗晕中,类星体的热光度和所在暗晕的质量没有相关性,类星体所在暗晕的质量分布很广,进一步证实了高光度的类星体并不存在于大质量的暗晕中。     

WIMP暗暗物质模型的研究进展

带有暗能量、具有标度不变的绝热原初扰动功率谱的冷暗物质宇宙学模型被视为标准冷暗物质宇宙学模型(ΛCDM模型)。弱相互作用重粒子(WIMPs)成为暗物质的强劲候选者。很多标准模型的扩展模型可以很自然地构造出弱相互作用的大质量粒子。暗物质剩余丰度的标准计算表明,WIMP粒子自然满足?_(DM)h~2≈0.11的天文观测。WIMP粒子的质量较大,运动速度相对缓慢,容易聚集成团,基于WIMPs暗物质模型的数值模拟结果符合对宇宙大尺度结构的观测结果。就实验而言,目前关于暗物质的加速器或非加速器的直接/间接探测,很多都是针对WIMP粒子设计的。因此,基于WIMPs的冷暗物质模型受到了广泛重视。但ΛCDM宇宙学模型描述Mpc以下的小尺度结构时,遇到了比较严重的问题。为了缓解小尺度上出现的问题,提出不同的暗物质模型,但目前并没有确切证据足以排除冷暗物质模型。介绍了基于WIMPs的暗物质模型的研究进展,如WIMPs奇迹、数值模拟、小尺度问题、直接/间接探测,并分析了关于暗物质"冷"、"热"、"温"的区分依据,以及阐述了该领域未来的研究方向。     

暗晕的并合

系统介绍暗晕-暗晕并合在理论方面的形成与发展,并简要介绍了其在数值模拟检验(冷暗物质模型)及拟合方面的进展。暗晕-暗晕并合率问题可与星系-星系并合率联系,正确地定义暗晕-暗晕并合率很重要,影响并合率的因素却很多,从数值模拟所得到的拟合公式往往存在较大差异,这些差异主要来自于定义:对并合的定义(并合树的建立),对暗晕质量的定义以及并合暗晕前身质量比的定义。数值模拟输出的时间步长也会对此有所影响,此外暗晕并合率也与环境强烈相关。对这些因素所导致的差异做了简单比较。此外,对于暗晕并合率的统计可分为对不同红移处的拟合和对z=0时刻对其并合历史的拟合,其中后者对不同质量的暗晕往往能给出一个较统一的拟合公式。     

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.     

IRAS 02232+6138的13CO、C18O、HCO+和N2H+的观测研究

利用中国科学院紫金山天文台德令哈观测站13．7米望远镜在IRAS 02232 6138方向进行了13CO,C18O,HCO 和N2H 的观测．随着探针分子的激发密度从13CO到N2H 逐渐增加, IRAS02232 6138云核的尺度从13CO的2．40 pc减小到N2H 的0．54pc,云核的维里质量从13CO的2．2×103M⊙减小到N2H 的5．1×102M⊙．研究发现,该方向区域内存在双极分子外流．对云核的空间密度结构用幂函数n(r)αr-α的形式进行拟合分析,得到α=2．3-1．2;随着探测密度的增加,该指数逐渐变平．分析得到, 13CO／C18O分子丰度比值为12．4±6．9,与暗云的11．8±5．9及大质量核的9．0-15．6值一致;N2H 丰度是3．5±2．5×10-10,与暗云核的1．0-5．0×10-10和大质量核的1．2-12．8×10-10值一致;HCO 丰度为0．9±0．5×10-9,接近大质量核的1．6-2．4×10-9值,没有发现HCO 丰度增长．结合IRAS数据,得到云核的光度质量比范围为37-163(L／M)⊙,由IRAS光度估计, IRAS 02232 6138方向云核内嵌埋的大约是一颗主序O7．5星．     

河外星系动力学质量的多途径测定

利用伴天体(含伴星系、球状星团、晕族天体等)的运动学观测资料,可通过多种方法估测主星系的质量(动力学质量),如自转质量、位力质量、轨道质量、投影质量、示踪质量以及星流法质量等。在诸多已测得动力学质量的河外星系中,以仙女星系(M31)的相关工作为最多,对此做了简要的介绍和讨论。     

高银纬区域HSVMT 27的CO同位素分子谱线研究

对Ursa Major区域的高银纬分子云HSVMT 27的~(12)CO、~(13)CO和C~(18)O进行了观测研究,发现这块分子云~(12)CO的激发温度较低,并探测到一定的C~(18)O辐射,但由于其发射较弱故未能成图.在0.17 km·s~(-1)的速度分辨率和0.08 pc的空间分辨率下,认证了26个~(13)CO分子云核,它们的本地热平衡(Local Thermodynamic Equilibrium,LTE)质量在0.5–10 M_⊙,均小于其维里质量,且并未发现有红外点源与云核成协.总之,数据显示在这块分子云中并没有恒星形成的活动.     

中子星质量分布与诞生方式的研究

统计研究了63对双星系统中的72颗中子星(NS)的测量质量,其中包括18对X射线双星(XB)、9对双中子星(DNS)、4对中子星主序星系统(NSMS)、32对中子星白矮星系统(NSWD).运用Monte-Carlo随机抽样的方法,模拟出NS的质量分布,然后基于模拟结果进行统计分析.通过质量的统计研究,发现其质量呈双峰分布,分别集中在(1.328±0.220)M_⊙和(1.773±0.416)M_⊙.值得注意的是,在不考虑DNS的情况下,发现其质量分布仍然是双峰分布,质量集中在(1.360±0.337)M_⊙和(1.854±0.322)M_⊙.18颗DNS质量为单峰分布,平均质量为(1.330±0.0089)M_⊙.NS质量的双峰结构显示出,其可能有两种诞生方式.认为可能是铁核塌缩超新星爆发和电子俘获超新星爆发.DNS质量的单峰结构意味着DNS诞生演化机制可能与其他双星系统不同.为了进一步研究中子星质量分布的特性,将53颗测量到自旋周期的NS在20 ms处分为两组,分别为毫秒中子星(MSP,Ps≤20 ms)和正常中子星(PSR,Ps20 ms),发现这两类NS质量也都呈现出双峰分布,而且MSP的平均质量要比PSR的平均质量大～0.22 M_⊙.这表明NS在诞生后吸积约0.22 M_⊙的物质时,将可能成为MSP.根据NS质量与周期在M-Ps图上的分布,拟合出质量与周期之间的关系为:M=1.4+(Ps/ms)~(-3/2)M_⊙.     

双中子星质量分布的统计研究

通过对12对双中子星(DNS)系统进行质量分布统计,得到其质量加权平均值为(1.339±0.042)M_⊙,其中主星和伴星的质量加权平均值分别为(1.439±0.036)M_⊙和(1.239±0.020)M_⊙.主星平均质量比伴星平均质量高,表明主星可能通过吸积获得质量,或者主星的前身星的质量更大.据此可以分析大质量恒星通过超新星爆发形成中子星的物理过程.此外还发现,DNS的总质量集中在一个比较狭小的范围(2.5–2.8 M_⊙),这说明DNS的质量形成受到伴星的影响.经过进一步的分析注意到DNS的质量比接近于1(略大于1),这可能暗示DNS系统的前身星质量比较相近.通过分析12对DNS在中子星的磁场强度-自旋周期关系图(B-P_s图)中的分布,发现DNS主星磁场强度约10~(10)Gs,自转周期约50 ms;PSR J1906+0746和PSR J0737-3039B处在正常脉冲星序列,磁场强度约10~(12)Gs,这说明两者没有吸积加速过程.     

GRS 1915+105的X射线能谱分析及黑洞自旋测量

GRS 1915+105是银河系内的低质量黑洞X射线双星,其能谱和黑洞自旋已经得到了广泛的研究.自2018年6月开始,其X射线流量下降到了低流量水平,其间偶尔会产生多波段的耀发.利用Insight-HXMT(Insight-Hard X-ray Modulation Telescope,简称为慧眼)卫星在2020年8月30日到2020年10月13日之间对GRS1915+105的观测数据,研究了其能谱特性,发现在此次爆发过程中, X射线能谱可以用一个康普顿化的多温黑体谱很好地拟合.整个爆发的硬度强度图(Hardness-Intensity Diagram, HID)一直处于软态.采用GRS1915+105的最新动力学参数M=12.4_-1.8^+2.0M⊙, i=60°±5°, D=8.6_-1.6^+2.0kpc (M、M⊙、i和D分别表示黑洞质量、太阳质量、盘倾角和距离),得到其无量纲黑洞自旋a*的一个下限a*> 0.9990,确认了GRS 1915+105是一个具有极端自旋的黑洞.考虑本地吸收体的...     

迴旋同步加速辐射的一些特性

本文给出了不同能谱指数Γ的非热电子,在不同传播方向的迴旋同步加速辐射的发射因子h_(1,2)(s,θ)的详细结果。其结果表明,对同一谐波数s而言,h_(1,2)(s,θ)随着θ值(波矢量k与磁场方向Η的夹角)的增加或Γ值的下降而增加,而对同一θ和Γ值而言,h_(1,2)(s,θ)还随着s 的增加而迅速下降,而当Γ=1时,h_(1,2)(s,π/2)随着s的增加而下降的程度十分缓慢,表明在横传播条件下,非热电子具有比似纵传播高得多的发射能力,其相应的辐射流量密度要比似纵传播高出几倍。 采用 Sturrock 的耀斑爆发源模型,计算了θ=π/2情况下的迴旋同步加速辐射的射电爆发谱。我们发现对具有Γ=1的非热电子的低次谐波辐射,分别在Ⅳ型爆发的300MHz和9000MHz附近有个峰值,而在他们的高频端的低次谐波的迴旋同步加速辐射遭到强烈的迴旋共振吸收而使辐射迅速下降,从而形成两峰一谷的U型射电爆发谱。 计算表明,1972年8月4日的大爆发,很可能是一团具有能谱指数为1.5,总数为10~(32)—10~(34)的非热电子,在横传播条件下的迴旋同步加速辐射和热电子的迴旋共振吸收机制产生的。     

恒星形成星系主序关系的研究现状

观测发现,恒星形成星系(star-forming galaxies, SFGs)的恒星形成率(ψSFR)与恒星质量(M*)之间存在紧密的相关关系(即lgψSFR-lg M*,称为“主序关系”),弥散约为0.2～0.4 dex。主序关系对限制星系演化的理论模型具有重要的意义,是描述星系演化的基本关系之一。近年来,随着大型观测设备和数据处理技术飞速发展,星系形成和演化的理论模型也越来越完善,在此基础上,天文学家对于主序关系的研究取得了许多重要进展。首先介绍测量星系ψSFR的技术和挑选SFGs的方法,方便后续分析主序关系存在系统性偏差的原因。然后介绍主序关系最新的观测进展：主序关系在大质量端会“变平”,可能是由于星系/暗晕冷热吸积模式发生转换导致冷吸积减少;主序关系的弥散对恒星质量的依赖呈现U型,可能是由于小质量端的恒星反馈和大质量端的活动星系核反馈导致恒星质量相近的星系在恒星形成历史上具有多样性;理论与观测得到的主序关系零点在中高红移存在差异的问题依然存在较大争议。最后对主序关系的研究进行了总结和展望。     

恒星形成区AFGL 5157的CO同位素分子谱线研究

通过对恒星形成区AFGL 5157进行了24′×24′(12 pc×12 pc)的成图观测,得到了该分子云的~(13)CO(J=1-0)和C~(18)O(J=1-0)云核各自的分布结构和平均物理参数.在云核的边缘位置,同位素丰度比X[(~(13)CO)/(C~(18)O)]约为10,接近于巨分子云的比值.~(13)CO和C~(18)O云核的维里质量小于云核质量,具有引力不稳定性,且C~(18)O云核更易塌缩.C~(18)O分子云核的东北方向和西南方向的分子云柱密度分布分别为1.1×10~(23)×z~(-0.43)和4.6×10~(25)×z~(-0.58),z表示到云核中心的距离.由~(12)CO(J=1-0)高速线翼成份的测量,估计了外流源的质量损失率,求得外向流的质量和速度的关系近似为m∝v~(-1.8).~(13)CO分子云核的恒星形成率为23%,该区域可能受反射星云NGC 1985的触发而正在形成中大质量恒星或者星团.     

大大质量星系的尺度演化研究进展

星系(恒星质量M_*10~(10)M_⊙)的尺度(re)与M*之间有着明显的re_∝Mα_*关系。已有的研究揭示晚型星系(LTGs)和早型星系(ETGs)的α值分别对应0.22±0.03和0.75±0.05。另外,星系的尺度r_e与红移z之间存在演化关系:re_∝(1+z)~β。对于z3的ETGs来说,它们在静止光学波段的尺度随时间生长的指数β=-1.5～-1.2,其在LTGs中对应β=-0.8～-0.6。介绍了星系形成理论模型,星系尺度的测量,星系恒星质量与星系尺度之间的关系,不同类型星系的尺度演化,以及阐述了该领域未来的研究方向。     

大尺度质量扰动和速度场的计算

本文在宇宙弦模型中,计算了各种暗物质主导宇宙的大尺度均方质量扰动和速度场。我们的计算结果表明,如果冷暗物质和重子主导字苗在8Mpch~(-1)处引力成团达到非线性或者中微子主导宇宙在z～3时出现Pancake碎裂,则相应的宇宙弦线密度μ均应满足关系式:Gμ>10~(-5),而这样的弦密度将导致宇宙微波背景较大的各向异性并违反大爆炸核合成理论。对大尺度速度场的计算,我们得到了它随距离增大比通常宇宙模型下降得更慢的结果,但它仍不足以解释Collins等最近报告的在50h~(-1)Mpc处v_p=970±300km·s~(-1)的固有速度。因此我们的计算表明,由单一的弦扰动形成观测到的大尺度结构是困难的。双扰动模型有可能是解决困难的一种途径。     

大犬座R光变周期变化的研究

1981年2月我们对食变星RCMα进行了光电观测,得到了一个光变主极小时刻JD(日心)2444639.2392。收集其他作者观测的极小时刻,综合分析后认为RCMα的周期变化是由第三天体引起的光时轨道效应。计算得到第三天体的质量函数为f(m)=(m_3~3sin~3i')/(m_(12)+m_3)~2=0.024M⊙。     

红亚矮星研究进展

红亚矮星是甚小质量恒星中的贫金属成员,质量从约0.5M⊙(M⊙为太阳质量)到H燃烧的最小质量(0:075M⊙0:085M⊙,取决于金属丰度),其寿命长于哈勃年龄,是银河系结构和化学增丰史的重要示踪体。与银盘上数量最多的恒星成员红矮星不同,红亚矮星在太阳附近非常稀少,并且其运动学特征与盘矮星有较大差异,属于年老银河系星族,即为年老盘星族、厚盘星族或晕星族。观测上,红亚矮星可以根据其不同于红矮星的自行、测光和光谱特征被识别和证认。由于其恒星表面大气温度很低,并且颜色比同质量的矮星更蓝,因此红亚矮星在赫罗图上位于主序带末端的下方,介于矮星与白矮星之间。红亚矮星的光学波段光谱由金属氧化物(如TiO和VO)和氢化物(如CaH和H2O)的分子吸收带占主导。红亚矮星可按其光谱形态和分子带特征分成不同的光谱型和金属丰度等级,其中晚M型到早L型的亚矮星既可能是小质量的恒星,也可能是较大质量的年轻褐矮星。介绍了对红亚矮星研究的历史背景和前沿动态,详细阐述了光谱分析方法在研究亚矮星中的重要性,以及根据光谱特征对亚矮星进行分类的方法。最后,总结了甚小质量恒星大气模型的发展过程,并探讨了如何利用模型对亚矮星的大气参数进行估算等热点问题。     

COSMOS场中星系恒星形成的演化研究

基于COSMOS(Cosmic Evolution Survey)/Ultra VISTA(Ultra-deep Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy)场中多波段测光数据,利用质量限选取了红移分布在0z3.5的星系样本.通过UVJ(U-V和V-J)双色图分类判据将星系分类成恒星形成星系(SFGs)和宁静星系(QGs).对于红移分布在0z1.5范围内且M*1011M⊙的QGs来说,该星系在样本中所占比例高于70%.在红移0z3.5范围内,恒星形成星系的恒星形成率(SFR)与恒星质量(M*)之间有着很强的主序(MS)关系.对于某一固定的恒星质量M*来说,星系的SFR和比恒星形成率(s SFR)会随着红移增大而增大,这表明在高红移处恒星形成星系更加活跃,有激烈的恒星形成.相对于低质量的星系来说,高质量的SFGs有较低的s SFR,这意味着低质量星系的增长更多的是通过星系本身的恒星形成.通过结合来自文献中数据点信息,发现更高红移(2z8)星系的s SFR随红移的演化趋势变弱,其演化关系是s SFR∝(1+z)0.94±0.17.