X射線雙星多波段輻射及磁流體力學(xué)湍流的研究.pdf

1、本學(xué)位論文的研究主要致力于兩個科學(xué)目標，其一是理解X射線雙星多波段輻射的起源及特性;其二是基于同步輻射偏振色散的統(tǒng)計技術(shù)，使用數(shù)值模擬方法研究磁流體力學(xué)(MHD)湍流的性質(zhì)。基于強子或輕子主導(dǎo)輻射的假設(shè)，論文建立X射線雙星主要活動區(qū)的輻射模型，如噴流底、中部區(qū)、噴流終端與周圍星際介質(zhì)(ISM)作用區(qū)、吸積盤、磁層等輻射區(qū)，研究多波段光子譜及高能中微子的輻射。MHD湍流是天體內(nèi)部物質(zhì)運動的必然結(jié)果，研究它有重要意義，因為對它的研究不僅可以

2、促進人們理解X射線雙星的高能過程，而且它對恒星的形成、宇宙射線的傳播及加速、熱傳導(dǎo)、磁重聯(lián)等都有重要影響。
　　基于強子輻射主導(dǎo)的考慮，我們在第二章中分別研究噴流底部區(qū)、整個噴流區(qū)、噴流終端與ISM作用區(qū)產(chǎn)生的多波段能譜及潛在的中微子輻射。第一、發(fā)展噴流底部區(qū)的輻射模型是為了預(yù)測小質(zhì)量微類星體中潛在中微子輻射，通過GX339-4低能波段現(xiàn)有觀測及Fermi LAT、HESS、CTA的靈敏限的限制，我們獲得潛在的中微子發(fā)射事件數(shù)，結(jié)

3、果表明小質(zhì)量微類星體是可能的中微子發(fā)射源，立方千米尺度的中微子望遠鏡有能力探測到它們的發(fā)射信號，能對我們的模型進行檢驗。第二、提出整個噴流尺度區(qū)的模型是為了理解大質(zhì)量微類星體的多波段輻射起源，輻射、吸收導(dǎo)致的軌道調(diào)制特性，該模型能近似解釋LS I+61°303上、下合位置附近的多波段觀測。第三、建立噴流終端與ISM作用的輻射模型是受到Cygnus X-1的觀測的激發(fā)，我們想要知道這個區(qū)是否存在高能及甚高能輻射信號，建設(shè)中的CTA能否有機

4、會探測到可能的輻射信號。通過構(gòu)建噴流與ISM作用的雙激波輻射模型，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)論是樂觀的，并預(yù)言微類星體族的輻射可能貢獻部分銀河宇宙射線。
　　在第三章輕子模型的研究中，通過類比研究河外耀變體的方法，我們發(fā)展適合于大質(zhì)量X射線雙星噴流的二維(2D)輻射模型，提出小質(zhì)量微類星體噴流中的伽瑪射線輻射模型。通過求解電子的演化方程，研究各種冷卻機制在不同噴流位置處扮演的角色，詳細追蹤相對論電子沿噴流方向的演化過程，同時模擬各噴流位置處的輻射

5、能譜分布，疊加這些能譜得到總輸出譜。模型應(yīng)用到黑洞X射線雙星Cygnus X-1的結(jié)果表明:(1)Cygnus X-1的射電輻射起源于從雙星系統(tǒng)尺度一直延展到噴流的終端區(qū)域;(2)GeV波段的輻射起源于靠近雙星系統(tǒng)尺度區(qū);(3)TeV波段的輻射起源于雙星系統(tǒng)尺度之內(nèi)，本文預(yù)言這些輻射有機會被CTA探測到;(4)MeV尾端輻射信號來自于雙星系統(tǒng)尺度之內(nèi)，而且輻射位置較靠近噴流的底部區(qū)域。
　　在2D輕子模型的框架下，通過注入分段冪律

6、電子譜，我們研究了CygnusX-3高軟態(tài)期間的多波段輻射。我們強調(diào)Cygnus X-3是態(tài)轉(zhuǎn)變的特列，它違反傳統(tǒng)的X射線雙星態(tài)轉(zhuǎn)變模式，即在其高軟態(tài)活動期間仍然存在噴流現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)Cygnus X-3輻射區(qū)不同于傳統(tǒng)的持續(xù)性的噴流，耗散區(qū)僅僅占據(jù)較薄的噴流空間區(qū)域，導(dǎo)致的輻射信號從非常致密的噴流中部區(qū)輻射出來，即約1倍軌道距離處。擬合結(jié)果能夠解釋當(dāng)前的多頻觀測，能夠預(yù)測TeV波段潛在的伽瑪射線輻射;模型可以使用紅外波段的偏振觀測來檢

7、驗。除此之外，受到最近中微子觀測研究的激發(fā)，我們提出小質(zhì)量微類星體多波段輻射的2D輕子發(fā)射模型，數(shù)值模擬結(jié)果表明:純輕子誘導(dǎo)的多波段能譜成功地延伸到高能及甚高能波段，模型被應(yīng)用到有較好低能段觀測的源GX339-4上，研究表明FermiLAT及CTA有能力探測到小質(zhì)量微類星體的伽瑪射線輻射信號，該模型提供了區(qū)分X射線輻射起源的方法。
　　在第四章吸積流及磁層輻射模型的研究中，我們詳細模擬了噴流輻射盤(JED)的多波段輻射能譜，這個新

8、的模型有自洽處理吸積與噴流耦合的優(yōu)勢，該模型能有前途地解釋X射線雙星的經(jīng)典譜態(tài)。通過數(shù)值求解JED的動力學(xué)平衡方程，獲得遵循動力學(xué)結(jié)構(gòu)演化的解。熱解對應(yīng)于光學(xué)薄、幾何厚的徑移主導(dǎo)的吸積流(ADAF);冷解對應(yīng)光學(xué)厚、幾何薄的標準盤(SSD)。在分析JED動力學(xué)結(jié)構(gòu)及多波段輻射譜后，熱解譜被成功地應(yīng)用到XTE1118+480的低硬態(tài)觀測。此外，論文研究了中子星吸積伴星物質(zhì)導(dǎo)致的磁層區(qū)電場加速粒子的輻射模型，應(yīng)用該模型到有磁星信號的源LS

9、I+61°303上，我們發(fā)現(xiàn)模型能解釋Fermi LAT觀測的截斷譜特征，結(jié)果認為中子星驅(qū)動的吸積系統(tǒng)的高能輻射很可能來自于脈沖星的磁層區(qū)。
　　在第五章磁流體力學(xué)湍流的研究中，我們使用合成的數(shù)據(jù)“立方體”檢測新的統(tǒng)計技術(shù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果很好地與理論預(yù)言吻合。基于3D、2D、1D的合成觀測，我們發(fā)現(xiàn):(1)當(dāng)法拉第旋轉(zhuǎn)測量(RM)為隨機磁場主導(dǎo)時，偏振方差[P2(λ2)]服從通常的規(guī)律λ-2;當(dāng)規(guī)則磁場主導(dǎo)RM時，偏振方差服從λ-2

10、-2m。因此，偏振方差反映了垂直于視線方向的磁場分量的統(tǒng)計性質(zhì)。(2)偏振對λ2的求導(dǎo)的色散研究顯示了一個冪律關(guān)系，它應(yīng)該反映法拉第波動統(tǒng)計，這將激發(fā)進一步的理論研究。(3)相對論電子譜指數(shù)的變化不會改變偏振頻率分析(PFA)測量的形狀，因此也不會阻礙我們獲取磁波動的譜性質(zhì)。(4) PFA技術(shù)已經(jīng)可以安全地使用來研究銀河及河外星系的湍流性質(zhì)，望遠鏡角度分辨率和不可避免的噪音的影響不會對恢復(fù)潛在的湍流譜造成障礙。
　　在第六章中，我