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“ 高能天体物理简介” 北京大学天文学系 徐仁新

高能天体物理 简介. 徐仁新 北京大学天文学系. “ 高能天体物理简介” 北京大学天文学系 徐仁新. 高能天体物理简介. 0 引言：什么是“高能天体物理” ? 1 致密天体物理学 2 天体高能现象 3 结论：高能天体物理展望. “ 高能天体物理简介” 北京大学天文学系 徐仁新. 0 引言 : 什么是“ 高能天体物理 ” ?. 高能天体物理学：. 1 ，研究发生于 天体 上的 高能物理过程 的 天体物理学；. 对比： 高能物理 —— 地面 上的高能过程. 2 ，在高能过程中往往伴随 高能粒子 发射。. 哪些天体上才能发生 高能过程 ？.

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  1. 高能天体物理简介 徐仁新 北京大学天文学系 “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  2. 高能天体物理简介 0引言：什么是“高能天体物理”? 1致密天体物理学 2天体高能现象 3结论：高能天体物理展望 “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  3. 0引言: 什么是“高能天体物理”? 高能天体物理学： 1，研究发生于天体上的高能物理过程的 天体物理学； 对比：高能物理——地面上的高能过程 2，在高能过程中往往伴随高能粒子发射。 哪些天体上才能发生高能过程？ “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  4. 0引言: 什么是“高能天体物理”? 高能物理过程： 简称“高能过程”。 在这些过程中，涉及到的能量转化跟所参与粒子的静质量相比不能忽略。 “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  5. 0引言: 什么是“高能天体物理”? 高能粒子： 包括高能光子以及其它高能粒子。例： 高能光子：X 射线， 射线 高能中微子：一般 > 10 MeV 高能电子： > mec2 ~ 0.511 MeV 高能质子： > mpc2 ~ 930 MeV 引力波：？ “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  6. 0引言: 什么是“高能天体物理”? 哪些天体才能发生高能过程？ 一般要求这些天体的基本相互作用（强、弱、电磁、引力等四种）较强；因为只有粒子间存在较强的相互作用时，才能导致较高的能量转化。 对比：高能物理——加速器 答案？ 致密天体！ “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  7. 0引言: 什么是“高能天体物理”? 致密天体物理是高能天体物理的主体 高能天体物理  致密天体物理 “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  8. 0引言: 什么是“高能天体物理”? 高能天体物理也研究天体的高能现象 丰富多彩的 若干高能天体物理现象 “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  9. 高能天体物理简介 0引言：什么是“高能天体物理”? 1致密天体物理学 • 白矮星-中子星-黑洞 2天体高能现象 • 超新星爆发-X射线脉冲星-X射线爆-X射线瞬变源-  射线爆-活动星系核 3结论：高能天体物理展望 “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  10. 1致密天体物理学I：白矮星 • 白矮星的早期观测研究 • 1914年之前 天狼B：M~(0.8-1.0)M, L~L/360 • Adams (1914)光谱：T~8000K R~(0.1-0.01)R • 质量与太阳相当，但只有行星大小的天体！ • Adams (1925)引力红移测量 M/R • Eddington(1926): “Prof. Adams has killed two birds with one stone; …” 问题：什么力量抵抗白矮星的引力？ “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  11. 1致密天体物理学I：白矮星 • 什么力量抵抗白矮星的引力塌缩？ • Pauli(1925)元素周期性  不相容原理 • Dirac(1926), Fermi (1962) Fermi-Dirac统计 • 简并压：一种起源于Pauli原理的量子效应 • Fowler(1926)电子简并压支撑白矮星 • Chandrasekhar(1931)白矮星存在极限质量(~1.4) 推广：费米星=以简并费米气支撑的恒星 “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  12. 1致密天体物理学I：白矮星 低质量恒星的演化与白矮星的形成 质量< 4 M的恒星不能点燃碳或氧的核燃烧 “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  13. 1致密天体物理学II：中子星 • 中子星（脉冲星）研究的历史 • Landau: Chadwick (1932)  Landau (1932) • Baade & Zwicky (1934) • Oppenheimer & Volkoff (1939) • Pacini (1967，转动能-磁偶极辐射-超新星遗迹能源) • Bell & Hewish (1967) • Gold (1968，脉冲周期即为中子星转动周期) • 1986: Haensel-Zdunik-Schaeffer, Alcock-Farhi-Olinto “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  14. 1致密天体物理学II：中子星 • 射电脉冲是如何 • 产生的？ • 旋转磁层结构 • 等离子体辐射 • 脉冲星的本质 • 中子星? • 奇异星? “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  15. 1致密天体物理学II：中子星 • 中子星模型 • 大气层 • 外壳层 • 内壳层 • 中子物质区 • 中子星的核？ “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  16. 1致密天体物理学II：中子星 • 奇异星模型 • 带壳奇异星 • 裸奇异星 “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  17. 1致密天体物理学III：黑洞 黑洞: Einstein广义相对论预言的天体。 是一种存在奇性的时空区域，其性质完全由三个物理量（M、L、Q）确定。 M0, L=Q=0: Schwarzchild黑洞 M0, L0,Q=0: Kerr黑洞 M0, L=0, Q0: Reissner-Nordstrom黑洞 M0, L0Q0: Kerr-Newman黑洞 “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  18. 1致密天体物理学III：黑洞 平直时空 Schwartzchild 时空 “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  19. 1致密天体物理学III：黑洞 • 黑洞的热力学 • 面积不减定理 黑洞热力学(熵增原理) 黑洞温度  黑洞发射 旋转黑洞的惯性系拖延(frame-dragging) “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  20. 2天体高能现象I: 超新星爆发 观测分类 光极大时的光谱特性 “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  21. 2天体高能现象I: 超新星爆发 • 爆发机制I：不稳定核燃烧 • 白矮星因吸积而升温，导致简并物质的热核反应 • 简并物质的热核反应一定是不稳定的 热核爆炸 • 白矮星的引力束缚能： Eg ~ GM2/R ~ 3 1050 (M/M)2/R9 (erg) • 白矮星12C 56Fe核燃烧所释放的核能： En ~ 1MeV M/mu ~ 2 1051 (M/M) (erg) • En > Eg炸光！ “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  22. 2天体高能现象I: 超新星爆发 • 爆发机制II：引力塌缩 • 导致塌缩的不稳定因素：光致裂变、电子俘获 • 瞬时爆（反弹激波），延时爆（中微子被核相干散射） “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  23. 2天体高能现象I: 超新星爆发 爆发机制II：SN1054 (Crab) “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  24. 2高能现象II：X射线脉冲星 大质量X射线双星：磁场较强 “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  25. 2高能现象III：X射线爆发源 小质量X射线双星：磁场较弱 “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  26. 2高能现象IV：X射线瞬变源 • 辐射强度 • 高、中、低 • 光变特性 • QPO 光谱 • 辐射源本质 • NS X射线双星 • BHC X射线双星 “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  27. 2高能现象IV：X射线瞬变源 一种可能的图象： “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  28. 2高能现象V：活动星系核 视向 BH质量 “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  29. 2高能现象VI： 射线爆发源 • 观测特征 • 时间特征：多峰，~ 5 ms 到 ~ 5 103 s (~10s) • 谱特征： ~ 10 keV 到 ~ 10 GeV (~0.1-1 MeV) • 空间特征：各向同行非均匀 • 余辉：X射线 （天），光学（月），射电（月） “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

  30. 2高能现象VI： 射线爆发源 • 理论模型I：相对论火球模型 • 内激波：  射线爆发 • 外激波（与ISM作用）：余辉 • 理论模型II：能源机制 • NS2 或 NS-BH 合并模型 (Narayan 1992) • Collapser (Hypernovae)模型 (Bodenhaimer & Woosley 1983) • Supernova:（Vietri & Stella 1998） • 其它 “高能天体物理简介”http://vega.bac.pku.edu.cn/rxxu 徐仁新

  31. 3结论：高能天体物理展望 • 20世纪的物理学基础：量子论与相对论 • 致密天体：量子论与相对论的实验室 • 白矮星 理论  观测  • 中子星 理论 ?观测  • 黑 洞 理论 观测 ? • 未来：观测证认BH、NS(SS)的存在与否 “高能天体物理简介”北京大学天文学系 徐仁新

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