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致密天体与恒星族的多波段观测 PowerPoint PPT Presentation


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基于 LAMOST 的. 致密天体与恒星族的多波段观测. 刘继峰 国家天文台 银河系三维结构团组. 关于致密天体的基本问题. 白矮星如何形成 Ia 型超新星?. 白矮星. Ia 型超新星 作为宇宙标准烛光 测得宇宙的加速膨胀 获 2011 诺贝尔物理奖. ③. ⑤. 恒星死亡如何形成黑洞的?. ④. 中子星的 状态方程 是什么?. 黑洞. 中子星. ②. 黑洞附近的时空如何扭曲?物质如何吸积和辐射?. 超大质量黑洞 如何形成和成长?. ①. 星系中心的超大质量黑洞 揭示宇宙结构形成与演化. 关乎恒星演化、物理学、宇宙学.

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致密天体与恒星族的多波段观测

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Presentation Transcript


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基于LAMOST的

致密天体与恒星族的多波段观测

刘继峰

国家天文台

银河系三维结构团组


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关于致密天体的基本问题

白矮星如何形成Ia型超新星?

白矮星

Ia型超新星

作为宇宙标准烛光

测得宇宙的加速膨胀

获2011诺贝尔物理奖

恒星死亡如何形成黑洞的?

中子星的

状态方程

是什么?

黑洞

中子星

黑洞附近的时空如何扭曲?物质如何吸积和辐射?

超大质量黑洞

如何形成和成长?

星系中心的超大质量黑洞

揭示宇宙结构形成与演化

关乎恒星演化、物理学、宇宙学


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美国《天体物理10年规划》:天体物理的19个前沿问题

  • How did the universe begin?

  • What were the first objects to light up the universe and when did they do it?

  • What are the connections between dark and luminous matter?

  • What is the fossil record of galaxy assembly and evolution from the first stars to the present?

  • How do stars and black holes form?

  • How do circumstellar disks evolve and form planetary systems?

  • How do cosmic structures form and evolve?

  • How do baryons cycle in and out of galaxies and what do they do while they are there?

  • What are the flows of matter and energy in the circumgalactic medium?

  • What controls the mass-energy-chemical cycles within galaxies?

  • How do black holes work and influence their surroundings?

  • How do rotation and magnetic fields affect stars?

  • How do massive stars end their lives?

  • What are the progenitors of Type Ia supernovae and how do they explode?

  • How diverse are planetary systems and can we identify the telltale signs of life on an exoplanet?

  • Why is the universe accelerating?

  • What is dark matter?

  • What are the properties of the neutrinos?

  • What controls the masses, spins and radii of compact stellar remnants?

恒星和黑洞如何形成?

宇宙结构如何形成和演化?

黑洞如何工作和影响周围环境?

大质量恒星如何死亡?

Ia型超新星的前身星是什么?它们如何爆炸?

什么控制致密天体的质量、自转和半径?

美国宇航局的核心科学问题之一:

Knowing how the laws of physics behave at the extremes of space and time, near a black hole or a neutron star, is also an important piece of the puzzle we must obtain if we are to understand how the universe works.

黑洞/中子星附近极端的时空性质如何影响物理规律?


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关于致密天体的基本问题

  • 超大质量黑洞如何形成和成长?预言的中等质量黑洞在哪里?X射线极亮天体是中等质量黑洞么?

  • 黑洞附近的时空如何扭曲?物质如何吸积与辐射?

  • 恒星死亡如何形成黑洞的?黑洞最小质量是多少?最大质量是多少?

  • 中子星的状态方程是什么?中子星最大质量是多少?

  • 白矮星如何形成Ia型超新星?是单个白矮星吸积(单简并)还是双白矮星并合(双简并)?


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两类黑洞和一个缺失环节

如何形成?

大质量恒星死亡

形成的恒星级黑洞

~10个太阳质量

每个大质量星系

中心的超大质量黑洞

几百万~几亿个太阳质量

  • →恒星级黑洞并合形成中等质量黑洞

  • →中等质量黑洞汇聚到星系中心并合为大质量黑洞

  • →经气体吸积就会成长为超大质量黑洞

缺失的环节:几千个太阳质量的中等质量黑洞在哪儿?

(某些)X射线极亮天体是中等质量黑洞么?


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X射线极亮天体

钱德拉卫星/ X射线

  • X射线观测在近邻星系中发现了数百个X射线极亮天体

    • 其光度比恒星级黑洞的爱丁顿光度高几倍到几百倍

    • 可能是几千个太阳质量的中等质量黑洞

    • 也可能是恒星级黑洞,但是具有特殊的辐射机制

  • 关键是确定到底是中等质量黑洞还是恒星级黑洞

哈勃望远镜/光学


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2 8 N O V E M B E R 2 0 1 3 | VO L 5 0 3 | N AT U R E | 5 0 0

第一次成功测量X射线极亮天体的质量

双子座8米

凯克10米

促使人们重新思考:

中等质量黑洞到底存不存在?超大质量黑洞如何形成?

科学意义1:

科学意义2:对黑洞吸积理论提出了挑战


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M101 ULX-1超软X射线谱

对现有吸积盘理论提出了挑战

现有吸积盘理论

观测研究总结

不同吸积率下有不同的谱态,对应不同的X射线谱

中等质量黑洞

理论预期


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银河系致密天体巡天

  • 超大质量黑洞如何形成和成长?预言的中等质量黑洞在哪里?X射线极亮天体是中等质量黑洞么?

  • 黑洞附近的时空如何扭曲?物质如何吸积与辐射?

  • 恒星死亡如何形成黑洞的?黑洞最小质量是多少?最大质量是多少?

  • 中子星的状态方程是什么?中子星最大质量是多少?

  • 白矮星如何形成Ia型超新星?是单个白矮星吸积(单简并)还是双白矮星并合(双简并)?


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银河系中的恒星级黑洞

中子星

上亿个

黑洞

上千万个

银河系恒星初始质量分布


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如何发现及测量黑洞质量?

X射线

当黑洞从伴星吸积物质形成吸积盘

并发出X射线及紫外辐射,我们可以

通过X射线或紫外来发现黑洞双星

紫外

①传统方法通过X射线爆发来发现

黑洞双星和去除更多的前景恒星

及背景的活动星系核和类星体

②然后在光学上监测伴星的运动并

使用开普勒第三定律来测量主星质量

以确定是黑洞还是中子星

四十年来在银河系中

发现了近二十个黑洞


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大问题:小质量黑洞缺失

观测:没有小于六个太阳质量的黑洞

理论:黑洞质量越小,数目越多!

可能原因:

双星演化选择效应?不行!

测量方法系统误差?部分

-- 我们将使用带有吸积盘照射

的黑洞双星模型来验证

超新星爆炸理论错误?

小数效应?

-- 传统方法依赖X射线爆发

-- 黑洞双星大多时间在低态


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中子星质量上限?

中子星质量-半径关系

黑洞质量分布

理论 vs观测

小黑洞

缺失?

中子星

质量上限?

超新星

爆炸理论

中子星

物态方程


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Ia型超新星的前身星

Ia型超新星作为可标准化的烛光,可以测量遥远星系的距离

观测到了宇宙的加速膨胀,获得了2011年诺贝尔物理学奖

可标准化的烛光

下一步最重要的任务:

弄清楚前身星的问题,减小系统误差,提高测距精度


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Ia型超新星前身星到底是:

单简并模型

碳氧白矮星从非简并伴星吸积气体

通过准稳态燃烧来有效积累物质,

最终达到钱德拉塞卡质量极限而

爆炸为Ia型超新星

双简并模型

两个质量和大于钱德拉塞卡质量的

碳氧白矮星组成的双星在引力波辐射

的驱使下越来越近,最终开始接触并

快速物质交流累积至钱德拉塞卡质量

而爆炸为Ia型超新星

前人已经进行了大量工作,包括

对爆炸后的研究,如延迟时间分布、星周物质观测、残存伴星

对爆炸前的研究,如试图直接寻找伴星、稳态燃烧的X射线辐射

但是都没有令人信服的结论


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方法:大质量白矮星质量分布

平均星系每300年一个Ia型超新星

双简并

单简并

只在爆发前有物质交换,因此

不会观测到大质量白矮星

缓慢物质吸积与累积,因此

应该观测到大质量白矮星

银河系中应观测到

三千个白矮星大于1.3个太阳质量

一万个白矮星大于一个太阳质量

非常少的白矮星大于一个太阳质量

如果单简并情形占一半的几率,则有一千五百个白矮星大于1.3个太阳质量

如果观测到一千个大于1.3个太阳质量的白矮星,则单简并情形占1/3几率


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研究现状

目前已光谱确认一万余白矮星,质量

集中在其诞生质量0.6个太阳质量上,

只有数十个大于一个太阳质量的白矮星

大质量白矮星在哪儿?

-- 传统的光学颜色选源效率低

-- 由于吸积处于高温状态因此

非常可能极亮、极蓝

因此我们建议:

使用紫外辐射选出高温白矮星候选体

使用LAMOST光谱确认并测量质量


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如何扩大致密天体样本?

+创新方法:利用吸积盘低态特征,不再依赖X射线爆发

+海量多波段数据:紫外GALEX巡天、光学SDSS巡天等

+LAMOST光谱巡天:我国自主研发的重大科研装置

A: 利用吸积盘紫外辐射

*类星体、星系核

*早型星、活动星

*(热)白矮星

**黑洞/中子星+伴星

GALEX巡天

+光学巡天→

紫外盈余源

样本:45,000

已经加入

LAMOST

光谱巡天

(九十年代已经提出,但只有现在、我们才能开展)

B: 来自伴星和吸积盘的两种谱线系

从LAMOST巡天的

几百万恒星光谱中

系统性寻找具有

两种谱线系的系统

**普通双星

**白矮星+伴星

**黑洞/中子星+伴星

Be星+黑洞

发现:四米

监测:1.2米

Casares+,

Nature2014


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工作进展和展望

  • 对已有部分结果的分析和后续观测表明,我们将最终得到

    • 约600个黑洞/中子星双星:将由后续监测用动力学方法测定质量,以确定到底是中子星还是黑洞

    • 约上万个(热)白矮星:由谱线轮廓拟合和白矮星大气模型比较直接估计质量

  • 将构造致密天体质量分布来回答三个基本问题

Ia型超新星前身星?

现有白矮星

中子星质量上限?

3-6太阳质量黑洞?

单简并

单简并*50%

双简并


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及恒星

关于致密天体的基本问题

恒星的活动性

白矮星如何形成Ia型超新星?

白矮星

Ia型超新星

作为宇宙标准烛光

测得宇宙的加速膨胀

获2011诺贝尔物理奖

恒星死亡如何形成黑洞的?

中子星的

状态方程

是什么?

黑洞

中子星

黑洞附近的时空如何扭曲?物质如何吸积和辐射?

超大质量黑洞

如何形成和成长?

星系中心的超大质量黑洞

揭示宇宙结构形成与演化

关乎恒星演化、物理学、宇宙学


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大样本时代的恒星活动性

  • 恒星活动源于色球层及星冕,可用以研究不同恒星的结构、演化、磁场、旋转、年龄等,并帮助我们深刻理解作为恒星的太阳的活动。

  • 大样本时代

    • 恒星光谱巡天得到恒星物理参数:斯隆/60万、LAMOST/180+万

  • 大数据时代

    • Chandra档案数据:上万套

    • GALEX紫外巡天:3/4天区

    • Kepler的恒星光变曲线:上百万恒星的上千万曲线

  • 在大样本下量化研究不同恒星的X射线、远紫外 辐射和耀发,旋转与恒星周期等


Galex

恒星的GALEX紫外观测

  • GALEX巡天覆盖了3/4天区:和斯隆交叉相关

    • 近29万恒星在3角秒内有GALEX对应体

    • 近30万恒星被GALEX观测但没有探测到

  • 大样本上对晚型星FUV辐射的量化

    • K/M星的FUV是光球层辐射的上万倍

  • 欲解决的问题

    • 利用GALEX的多次曝光研究恒星的活动性与FUV辐射的相关性

    • 考虑没被探测到的恒星时对FUV辐射的量化

    • 对在M型星周围寻找可居住行星的启示


Chandra

恒星的Chandra观测

  • 对档案数据的处理

    • 使用我们自己的数据处理流水线

    • 得到45万点源和它们的光谱及光变,

    • 有上万个恒星,其中一些观测时间长于一周

    • 计算处于FOV中但没有探测到的恒星的流量上限

  • 欲解决的问题

    • 在包括没有探测到的恒星的情况下量化不同恒星类型的X/Optical比

    • 晚型星在X射线上到底有多弱?可以探测1023erg/s @ 10pc

    • 低X射线态来源于特定星群么?使用多次观测的恒星样本

    • 不同星族X射线耀发的统计规律


Kepler

恒星的Kepler光变曲线

  • 已有近百万恒星的近千万光变曲线

  • 别人已有研究:

    • 类太阳恒星的超级耀发

    • 不同恒星耀发、旋转的统计特性

    • 双星的证认与统计

  • 我们欲解决问题

    • 恒星活动周期的:恒星旋转的演化、较差自转

    • 耀发与旋转相位的关系:对黑子结构的启示

    • 耀发与密近双星相位(表面重力)的关系


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研究总结

  • 超大质量黑洞如何形成和成长?预言的中等质量黑洞在哪里?X射线极亮天体是中等质量黑洞么?

  • 黑洞附近时空如何扭曲?物质如何吸积与辐射?

  • 恒星死亡如何形成黑洞的?黑洞最小质量是多少?最大质量是多少?

  • 中子星的状态方程是什么?中子星最大质量是多少?

  • 白矮星如何形成Ia型超新星?是单个白矮星吸积(单简并)还是双白矮星并合(双简并)?

致密天体研究基本问题

  • 基于国际顶级天文设备的多波段观测研究:

    • X射线极亮天体质量测定工作

  • 充分利用国内重大科研装置LAMOST,成10倍地扩充致密天体样本进行质量分布研究,解答三个基本问题

    • 我们会得到什么呢?

大样本下恒星的活动性


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核心研究团队

  • 国家天文台银河系三维结构团组:致密天体与恒星族的多波段观测

    • 首席研究员:刘继峰

    • 博士后白宇: GALEX巡天之星系面亮度与Ia型超新星

    • 助理研究员王松:星团测光和致密天体的多波段测光

    • 博士生巩航:X射线超极亮天体星表和多波段研究

    • 博士生高清: 开普勒卫星数据与恒星活动性周期

    • 博士生郭金承:恒星紫外辐射与活动性、白矮星质量分布

    • 博士生邱艳丽:钱德拉X射线数据与恒星活动性

    • 博士生杨卉沁:LAMOST巡天光谱线征的自动证认

    • 博士生合林(联合培养):LAMOST光谱巡天中的双星

    • 本科生秦宇翔:造父变星米粒结构活动性与相位关系


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学术合作

  • 继续保持和拓展与美国、英国、澳大利亚等科研团组的密切合作

  • 注重与国内科研团组长期稳定的合作交流,如

    • 南京大学李向东团组:双星演化与布居模拟

    • 厦门大学顾为民团组:致密天体吸积盘理论

    • 国家天文台张昊彤团组:LAMOST光谱处理

  • 邀请年青科研人员进行具体课题的合作,如

    • M82 X-1的X射线、射电和光学研究:南京大学徐晓杰、国家天文台王松、刘纪仁

    • M82 X-1的轨道周期检验:国家天文台王竞

    • NGC1313的造父变星测距:国家天文台王炜

    • Ia型超新星SN2011fe前身星的限制:南京大学汪涛


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    • 刘继峰:[email protected]

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    • 陈震:[email protected]


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