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(gè)科學(xué)目標(biāo)，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(jì)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)?；趶?qiáng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)的必然結(jié)果，研究它有重要意義，因?yàn)閷?duì)它的研究不僅可以

2、促進(jìn)人們理解X射線雙星的高能過(guò)程，而且它對(duì)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(qiáng)子輻射主導(dǎo)的考慮，我們?cè)诘诙轮蟹謩e研究噴流底部區(qū)、整個(gè)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(cè)小質(zhì)量微類星體中潛在中微子輻射，通過(guò)GX339-4低能波段現(xiàn)有觀測(cè)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(yuǎn)鏡有能力探測(cè)到它們的發(fā)射信號(hào)，能對(duì)我們的模型進(jìn)行檢驗(yàn)。第二、提出整個(gè)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(cè)。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(cè)的激發(fā)，我們想要知道這個(gè)區(qū)是否存在高能及甚高能輻射信號(hào)，建設(shè)中的CTA能否有機(jī)

4、會(huì)探測(cè)到可能的輻射信號(hào)。通過(guò)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(lè)觀的，并預(yù)言微類星體族的輻射可能貢獻(xiàn)部分銀河宇宙射線。
　　在第三章輕子模型的研究中，通過(guò)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(guò)求解電子的演化方程，研究各種冷卻機(jī)制在不同噴流位置處扮演的角色，詳細(xì)追蹤相對(duì)論電子沿噴流方向的演化過(guò)程，同時(shí)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(jī)會(huì)被CTA探測(cè)到;(4)MeV尾端輻射信號(hào)來(lái)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(guò)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(qiáng)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(dòng)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(hào)從非常致密的噴流中部區(qū)輻射出來(lái)，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(cè)，能夠預(yù)測(cè)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(cè)來(lái)檢

7、驗(yàn)。除此之外，受到最近中微子觀測(cè)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(cè)的源GX339-4上，研究表明FermiLAT及CTA有能力探測(cè)到小質(zhì)量微類星體的伽瑪射線輻射信號(hào)，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?cè)敿?xì)模擬了噴流輻射盤(JED)的多波段輻射能譜，這個(gè)新

8、的模型有自洽處理吸積與噴流耦合的優(yōu)勢(shì)，該模型能有前途地解釋X射線雙星的經(jīng)典譜態(tài)。通過(guò)數(shù)值求解JED的動(dòng)力學(xué)平衡方程，獲得遵循動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)演化的解。熱解對(duì)應(yīng)于光學(xué)薄、幾何厚的徑移主導(dǎo)的吸積流(ADAF);冷解對(duì)應(yīng)光學(xué)厚、幾何薄的標(biāo)準(zhǔn)盤(SSD)。在分析JED動(dòng)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(cè)。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(chǎng)加速粒子的輻射模型，應(yīng)用該模型到有磁星信號(hào)的源LS

9、I+61°303上，我們發(fā)現(xiàn)模型能解釋Fermi LAT觀測(cè)的截?cái)嘧V特征，結(jié)果認(rèn)為中子星驅(qū)動(dòng)的吸積系統(tǒng)的高能輻射很可能來(lái)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(cè)新的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果很好地與理論預(yù)言吻合?；?D、2D、1D的合成觀測(cè)，我們發(fā)現(xiàn):(1)當(dāng)法拉第旋轉(zhuǎn)測(cè)量(RM)為隨機(jī)磁場(chǎng)主導(dǎo)時(shí)，偏振方差[P2(λ2)]服從通常的規(guī)律λ-2;當(dāng)規(guī)則磁場(chǎng)主導(dǎo)RM時(shí)，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(chǎng)分量的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。(2)偏振對(duì)λ2的求導(dǎo)的色散研究顯示了一個(gè)冪律關(guān)系，它應(yīng)該反映法拉第波動(dòng)統(tǒng)計(jì)，這將激發(fā)進(jìn)一步的理論研究。(3)相對(duì)論電子譜指數(shù)的變化不會(huì)改變偏振頻率分析(PFA)測(cè)量的形狀，因此也不會(huì)阻礙我們獲取磁波動(dòng)的譜性質(zhì)。(4) PFA技術(shù)已經(jīng)可以安全地使用來(lái)研究銀河及河外星系的湍流性質(zhì)，望遠(yuǎn)鏡角度分辨率和不可避免的噪音的影響不會(huì)對(duì)恢復(fù)潛在的湍流譜造成障礙。
　　在第六章中，我