黑洞X射线双星中X射线反射成分的研究进展

反射是研究黑洞X射线双星的一个重要工具,有助于理解强引力场中所独有的许多物理过程。综合了观测和理论方面的研究,探讨了黑洞X射线双星中X射线反射成分的最新进展:(1)介绍了反射成分的相关物理过程和能谱形态特征;(2)回顾了近年来在黑洞X射线双星不同能谱态中发现的反射成分及其特征;(3)回顾了反射模型的发展历史,并着重介绍了现有的反射模型,其中特别关注了最近发展起来的relxill模型;(4)探究了反射成分研究中的一些难点和挑战,例如吸积盘厚度和冕区性质的不确定性;(5)对未来黑洞X射线双星反射成分的研究进行了展望。

X射线双星的形成与演化

x射线双星是包含一颗吸积致密星（黑洞、中子星或者白矮星）的双星系统，是宇宙中的重要天体．对它们的研究不仅可以帮助人们理解双星演化、吸积盘和致密星物理，而且也有助于对星系的形成和演化历史甚至宇宙学模型的认识．本文的目的是讨论X射线双星的形成和演化过程，涉及到Be／X射线双星、低质量X射线双星、极亮X射线源和激变变星．第1章我们简要介绍了双星演化的相关知识．

黑洞X射线双星Cyg X-1在2006年3月31日到4月1日的X射线闪

通过分析Rossi X-ray Timing Explorer(RXTE)卫星2006年3月31日到4月1日的不足21小时的资料发现,黑洞选X射线双星Cyg X-1爆发了3次X射线闪(flare)。在闪的爆发期间,辐射光度的变化因子为2-3。一般认为X射线闪与态的转移有着十分密切的联系。因此可以通过这段时间内的X射线爆发来研究Cyg X-1态的变化。研究发现闪的爆发并不一定伴随着态的转移,同时光度仅仅是源不同态的一种辅助性标志,它并不能决定源态的变化,同时光度的瞬变也并不一定伴随着态的转移。

中子星X射线双星中kHz QPO现象的理论解释

罗西X射线时变探测器(RXTE)在中子星小质量X射线双星中发现了千赫兹准周期振荡现象(kHzQPO)。kHzQPO的频率一般在几百到上千赫兹,其动力学时标与吸积盘最内部区域物质的运动时标一致,因此普遍认为kHz QPO产生于中子星表面附近区域,携带了来自中心中子星及周围强引力场信息,如质量、自转周期、角动量、半径、磁场等。kHz QpO现象的理解为研究强引力场和致密物质状态开启了一扇新的窗口。着重介绍基于kHz QPO的基本现象和相应的理论模型。

小质量X射线双星中UV/OPT/NIR与X射线辐射的幂律相关性研究进展

小质量X射线双星系统中的辐射涵盖射电到伽马射线波段。通常认为X射线辐射来自吸积盘内区,射电辐射主要由喷流贡献,而紫外、光学以及近红外(UV/OPT/NIR)辐射可能由多种辐射机制贡献。确定X射线双星系统中UV/OPT/NIR辐射的主导机制可以对吸积过程的研究提供非常重要的信息。分析不同波段辐射流量之间的相关性是一种重要的研究方法。前人通过分析UV/OPT/NIR辐射与X射线辐射之间的幂律相关性,研究了UV/OPT/NIR辐射的主要起源。总结了不同源中存在的幂律相关性的观测结果,并介绍了用于解释UV/OPT/NIR辐射起源的理论模型。

X射线双星回旋吸收线研究进展

X射线双星中的回旋共振散射吸收特征(即回旋吸收线特征)是直接测量中子星磁场的工具。回旋吸收线表现为X射线能谱中多阶吸收特征。截至目前,已在30多颗源中探测到该现象,其能量范围为10-80 keV,对应的磁场强度范围为10^7-10^9 T。随着X射线探测技术的进步,回旋吸收线观测及理论研究也迅速发展,包括谐频和基频回旋吸收线能量之比、回旋吸收线形状的复杂性、回旋吸收线形态参数间的相关性、回旋吸收线能量与光度的关系、回旋吸收线的脉冲相位解析谱及回旋吸收线能量的长时标演化等。未来,人们将通过对回旋吸收线的研究,在探测高磁场中子星,以及在探究中子星磁场结构和吸积柱物理等方面取得更多成果。

低质量X射线双星的长期监测和吸积物理

本论文基于X射线空间卫星的多波段监测数据,研究明亮的低质量X射线双星的X射线能谱的演化和态跃迁过程,暂现源在爆发过程中的一些性质以及不同波段的光度的演化和相关关系。暂现源的爆发所涉及的光度范围很大,这对于研究吸积物理具有不可比拟的重要性,可以研究不同的吸积率下的吸积状态以及随着吸积率的演化过程和因果关系。通过这些研究增进我们对吸积物理的理解,尤其是暂现源爆发过程中X射线能谱演化的驱动机制,喷流的性质和X射线能谱态的关系,不同能谱态下的辐射起源等一些尚未完全解决的问题。

非稳态吸积主导X射线双星从硬态到软态的态跃迁

最近几年一些新的研究发现,X射线双星从硬态到软态的态跃迁光度和随后的软态峰值光度成正相关,而且还发现了从硬态到软态的态跃迁光度和上升时期的光度增加率成正相关,这两个经验关系表明最亮的硬态和从硬态到软态的态跃迁主要是由吸积率的变化率所表征的非稳态吸积过程所主导的。对GX 339-4的研究表明,硬X射线峰值光度由爆发前吸积盘所积累的质量决定,而且低质量X射线双星暂现源的爆发峰值光度和轨道周期的正相关关系也支持该观点,由此推断爆发或者闪耀这样的非稳态吸积过程是由吸积盘所积累的质量这个初始条件所决定的。

黑洞候选体X射线双星Cyg X-1长期谱变化的研究

利用Rossi X-ray Timing Explorer(RXTE)卫星从1996年1月5日到2005年5月1日的all-sky monitor(ASM,1.5—12KeV)资料,详细分析了黑洞候选体X射线双星Cyg X-1在A-band(1.5—3KeV),B-band(3—5KeV)和C-band(5—12KeV)三个能段上光子计数率与谱线硬度比HR2(5——12KeV/3——5KeV)的相关性.利用1天时标的ASM资料研究发现,(1)Cyg X-1处于软态时,在A-band上光子计数率与硬度比HR2呈现反相关性,而在B-band和C-band上呈现正相关性.当该天体处于硬态时,在A、B、C三个能段上光子计数率与硬度比HR2都是反相关的.(2)Cyg X-1处于硬态和软态时,硬度比HR2与HR1都是正相关的.此外,还分析了ASM上"Dwell by Dwell"资料,得到了十分有趣的结果,即:(1)MJD=52600—52760期间(此时Cyg X-1处于硬态),A-band和B-band上的光子计数率与HR2是反相关性的,而在C-band上却呈现出较强的正相关性.(2)硬态时,硬度比HR2与HR1存在明显的反相关性.

低质量X射线双星的毫秒级准周期信号——最近的进展

最近对低质量X射线双星中的千赫兹准周期振动的研究表明 ,是辐射压力 ,而不是盘和磁球的相互作用以及处于盘内边界的广义相对论效应在短时标的盘切断机制上起作用。本文给出了一些研究结果及讨论。

对低质量X射线双星4U 1636-53中mHz QPO中子星表面热辐射的研究

毫赫兹频率上的准周期震荡(mHz QPO)起源于中子星表面一种特殊模式的核燃烧,现阶段观测上对mHz QPO出现时中子星表面物理环境的研究仍非常有限.本文基于XMM-Newton望远镜对中子星X射线双星4U 1636-53的观测数据,通过能谱分析研究mHz QPO出现前后黑体热辐射成分的性质.研究显示,mHz QPO出现时中子星表面黑体辐射成分的温度降低了0.05 keV,热辐射流量降低了0.31×10^(-10)erg·cm^(-2)·s^(-1).结果表明此次观测中,mHz QPO出现前燃烧区域的局部吸积率可能高于理论模型中选用的值.另外,mHz QPO发生时中子星表面热辐射流量的降低可能导致表面热辐射区域温度的降低.

利用NICER卫星数据探测与研究低质量X射线双星4U 1608-52中的mHz QPO信号

首次在NICER对中子星双星系统4U1608-52的观测中,探测到毫赫兹频率上的准周期振荡(mHzQPO)信号,该信号非常显著且具有倍频谐波成分.进一步研究了mHzQPO信号的均方根振幅随能量的分布关系,结果显示,其均方根(rms)振幅-能量关系与在双星系统4U1636-53中得到的结果一致,表明rms振幅能量关系可能是这类mHz QPO信号的一种本质属性.

射电噪类星体与X射线双星的黑洞活动基本面关系

在很多低/硬态X射线双星系统(XRB)中,射电和X射线光度之间存在较好的相关关系.Dong等人通过研究得出了射电静类星体(RQQ)也存在着这一关系,并且其关系式与低/硬态X射线双星的基本面关系有着一定的相似度.分析收集的射电噪类星体来探究射电噪类星体是否也存在着这种关联,这些源包含了255个射电噪类星体.分析结果表明:(1)255个射电噪类星体(RLQ)的黑洞质量与X射线和射电光度之间以及射电光度爱丁顿比率和X射线爱丁顿比率之间均存在相关性,这与Dong等人运用亮硬态黑洞双星和射电噪类星体所得出的基本面关系式有一定的相似性,但仍然存在一定差异.(2)低/硬态X射线双星与射电噪类星体的基本面关系式可统一为lg L_R=0.998^(+0.045)_(-0.045)lg L_X+0.592^(+0.049)_(-0.049)lg M_(BH)-6.56^(+1.605)_(-1.605)(其中L_R为射电光度,L_X为X射线光度,M_(BH)为黑洞质量).(3)研究结果进一步证明了X射线和射电光度与黑洞质量所构成的基本面关系式具有高度的统一性,不仅可用于描述低/硬态X射线双星系统和射电静类星体,同样可用于射电噪类星体.

慧眼-HXMT观测到的黑洞双星系统中的W-K关系

通过几十年的观测研究,黑洞X射线双星(X-Ray Binary,XRB)部分特征被揭示.然而,吸积盘结构尚不确定.黑洞XRB功率密度谱的截断频率与准周期振荡(Quasi Periodic Oscillation,QPO)的相关性质(W-K关系)可以限制吸积盘结构.利用慧眼-HXMT(Hard X-ray Modulation Telescope)观测到的5个黑洞XRB的数据,对黑洞XRB的W-K关系进行了研究,结果表明在慧眼-HXMT观测的3个探测器能段中W-K关系成立.此外在MAXI J1535-571之中存在截断频率和吸积盘内半径的相关关系,这和截断的吸积盘结构一致.如果观测到的功率密度谱来自质量吸积率的扰动传播,可以推测吸积盘内半径接近最内圆形稳定轨道,此黑洞可能是高自旋系统.

X射线双星形成和演化的研究

X射线双星是由一颗普通恒星和一颗致密星(中子星或黑洞)组成的双星系统。光学伴星以星风或者洛希瓣外流的形式损失物质,物质吸积到致密星附近将引力势能转化为内能并以X射线的形式释放出来。X射线双星的电磁辐射,覆盖了最低射电频率到TeV伽玛射线的全波段辐射能量范围(跨越20个数量级)。因此,X射线双星既可以研究普通恒星的星风结构、物质损失,又可以用来研究致密星的吸积过程、吸积盘以及喷流的形成和演化。X射线双星是研究强引力场、强磁场以及极端相对论条件下物理过程的天然实验室,对于研究双星的形成和演化、吸积盘理论、粒子的加速与高能辐射机制以及基本物理问题都有重要的科学意义。

致密双星的演化和X射线源的研究

X射线是高能天体物理的重要研究波段，研究天体的x射线辐射对认识它们的形成和演化、限制宇宙中的恒星形成历史、研究星系的形成和演化等等具有重要意义．在本文中，作者以X射线双星、特别是含有白矮星为致密吸积星的x射线点源为对象，通过数值计算和观测两种手段，研究这类源形成和演化中的一些重要过程、演化产物、和Ia型超新星可能的前身星之间的关系以及其性质受所处环境的影响．

云南天文台等在黑洞X射线双星中紫外/光学辐射起源研究中获进展

近期,中国科学院云南天文台领衔的中外合作团队通过分析黑洞X射线双星Swift J1753.5-0127在12年长期爆发期间的多波段观测数据,研究了该系统中的紫外/光学(UV/OPT)辐射机制,发现在爆发过程中,UV/OPT辐射可能是由外吸积盘的粘滞加热过程主导。该研究成果于近日在《英国皇家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上刊发。

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)^(+2.0)M⊙, i=60°±5°, D=8.6_(-1.6)^(+2.0)kpc (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.考虑本地吸收体的作用,在模型中加入了吸收成分“tbpcf”(表示一个被部分遮蔽的吸收成分模型),其等效氢柱密度高达10^(23)cm^(-2),与“康普顿厚”的特征一致.

硬X射线调制望远镜卫星科学观测应用初步评价

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星已顺利在轨运行1年多,完成了核心科学目标观测。文章概述了HXMT卫星的观测情况,如顺利完成核心观测源和银道面扫描的观测;重点介绍在银道面扫描、黑洞和中子星双星时变与能谱分析、伽马射线暴探测及引力波电磁对应体研究、脉冲星观测及脉冲星导航试验等方面获得的初步成果。HXMT卫星与国外空间X射线望远镜卫星及国内外地面望远镜开展的联合观测,促进了HXMT卫星的标定工作。HXMT卫星在黑洞与中子星研究、伽马射线暴探测及银河系内新源与暴发源监测方面会发挥重要作用。

Cyg X-3X光子场对γ射线的吸收效应

本文详细讨论了Ｘ射线双星ＣｙｇＸ－３的Ｘ光子场对γ射线的吸收效应，计算结果表明：当ＣｙｇＸ－３的Ｘ光子发射场处于高态时，从致密中子星附近发射的能量为１０＾２－１０＾４ＭｅＶ的γ射线约有６０％被其吸收，吸收过程产生的正负电子的逆Ｃｏｍｐｔｏｎ散射会使出射能量１０－７０ＭｅＶ的 γ射线强度平均增加约５０％，计算的γ射线能谱与实验观测结果基本相符。