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南京大学天文与空间科学学院

南京大学天文与空间科学学院成立于2011年3月,其前身是始建于1952年的南京大学天文学系,是中国高等院校中历史最悠久、培养人才最多的天文学专业院系,是中国天文学顶尖人才的摇篮,拥有中国唯一的天文学一级重点学科。

南京大学天文与空间科学学院实力居中国第一,在历届全国高校天文学科评比中均排名第一,素以专业设置齐全、学历层次完备、师资力量雄厚、治学严谨而享有盛誉,是天文学一级学科博士点和国家天文学基础研究和教学人才培养基地,拥有一流的教学和科研实验室。截至2010年,拥有天文学国家一级重点学科(包括天体物理学、天体测量和天体力学2个国家二级重点学科),2个博士点和1个博士后流动站。 [1]

南京大学天文与空间科学学院拥有一支高水平的师资队伍。截至2010年,有教师约30名,包括4名中科院院士、3名长江学者、7名杰出青年科学基金获得者、1名国家百千万人才工程人选和5名教育部新(跨)世纪优秀人才支持计划入选者。近年来,学院承担着多项国家自然科学基金项目和国家重点基础研究规划项目,科研成果显著,获多项国家级和省部级科研奖励。学院与国内外多个科研和教学机构建立了密切的合作与人员交流联系和合作。在南京大学“211”工程、“985”工程的重点支持下,学院正努力建设成为一个具有国际影响的天文学教学和科研中心。

南京大学天文与空间科学学院成立于2011年3月,其前身是始建于1952年的南京大学天文学系,是中国高等院校中历史最悠久、培养人才最多的天文学专业院系。学院素以专业设置齐全、学历层次完备、师资力量雄厚、治学严谨而享有盛誉,在历届中国高校天文学科评比中均排名第一。拥有为教学科研服务的中心实验室、太阳塔实验室、现代天文与天体物理教育部重点实验室和南京大学深空探测实验室等4个实验室。截至2010年,拥有天文学国家一级重点学科(包括天体物理学、天体测量和天体力学2个国家二级重点学科),2个博士点和1个博士后流动站,今年新增空间科学与技术本科专业,培养具备扎实基础和实践技能,具有较强创新精神的空间科学与技术领域的高级专业人才,从事空间科学和深空探测等领域的工作。

2010年,南京大学与中科院紫金山天文台和中科院国家天文台南京天文光学技术研究所签订三方合作协议,共同在南京大学仙林校区建设“南京天文与空间科学技术园区”,于2014年9月正式投入使用的天文与空间科学学院办公大楼将坐落在该园区。大楼总建筑面积达10000多平方米,是一幢集科研、实验、教学、学术活动于一体的智能化建筑,能够满足天文与空间科学学院未来20年在教学与科研方面的发展需要,并容纳多个研究中心,同时也是本学院教师与研究生科研、本科生实习的场所。 [1]

南京大学天文与空间科学学院拥有一支高水平的师资队伍。截至2016年,有教师约40名,包括4名中科院院士、4名长江学者、8名杰出青年科学基金获得者、1名国家百千万人才工程人选和5名教育部新(跨)世纪优秀人才支持计划入选者。近年来,学院承担着多项国家自然科学基金项目和国家重点基础研究规划项目,科研成果显著,获多项国家级和省部级科研奖励。学院与国内外多个科研和教学机构建立了密切的合作与人员交流联系和合作。在南京大学“211”工程、“985”工程的重点支持下,学院正努力建设成为一个具有国际影响的天文学教学和科研中心。

天文系设有为教学科研服务的三个实验室,两个研究中心和一个基金会。“中心实验室”为天文本科教学服务;“现代天文与天体物理教育部重点实验室”支持教师和研究生的科研工作;“太阳塔实验室”为太阳物理研究提供实测基地;“华东天文和天体物理中心”和“南京大学非线性科学中心”是挂靠在天文系的多单位,多学科合作研究机构;天文系设有以已故系主任,著名天文学家和教育家戴文赛教授命名的“戴文赛基金会”,向校友和社会各界募捐,基金用于支持和奖励修读天文专业的研究生和本科生。

南京大学深空探测实验室

南京大学深空探测实验室 [2] 是为适应中国深空探测事业的发展,充分发挥南京大学在太阳物理、月球与行星科学、空间环境科学、天体力学和天体测量学、天文导航与控制技术、电子科学、遥感科学、计算机科学等多学科优势而建立的一个集科学研究和载荷开发一体的实验室。实验室为我国深空探测工程提供科学目标研究、科学有效载荷设计和研发、探测器飞行程序设计、探测数据采集、及后期科学研究。实验室研发队伍包括中科院院士2名,青年学科带头人6名,以及一批教授、副教授、工程师等,还包括朱仁璋、顾行发、王鸿芳、周健华、刘杰、王家松、徐波教授等一批南京大学兼职教授(可指导研究生)。目前实验室主要从事研究方向有火星探测科学任务设计及火星地质科学、卫星与星座自主导航、空间和行星遥感卫星设计及载荷研发、月球探测及探测器空间交会技术。

深空探测实验室是教育部深空探测联合中心“火星探测预研分中心”、“行星地质与空间环境分中心”的承担部门。实验室集南京大学空间科学领域相关院校的研究力量,尤其借助南京大学空间科学与技术研究学院的研究平台,包括正在建设的卫星数据处理应用系统、对地观测技术工程中心、小卫星模拟仿真设计中心等。南京大学高性能计算中心拥有计算能力处高校前列的计算机群系统。地球科学与工程学院国家重点实验室拥有多台高精端的地质样品分析测试实验设备,如电子显微镜、X-光衍射仪、高光谱分辨仪等,地理与海洋科学学院和地球系统科学研究所拥有高性能的从紫外到红外的室内/野外光谱仪,并正引进航空/地面两用的成像光谱仪。此外,南京大学与中国电子科技集团公司第十四研究所有长期合作协议。

华东天文与天体物理中心

根据教育部“面向二十一世纪教育振兴行动计划”以及和中国科学院“知识创新工程”的精神和要求,南京大学、中国科学院紫金山天文台、中国科学院上海天文台和中国科技大学经过长期酝酿,考虑到各自在研究力量、人才培养、观测仪器及实验室设备上的优势,于1999年联合建立以青年天文学家为主体的华东天文与天体物理中心,以探索和形成重点高校与科学院联合培养高层次天文研究人才的新模式,加强科学院与高校之间的实质性合作研究,促进二十一世纪我国天文与天体物理学研究的创新与突破。

华东天文与天体物理中心 [3] 设在南京,在紫金山天文台和南京大学天文系分别挂牌,成员主要由45岁以下的青年天文和天体物理学家组成,目前主任为严俊(紫金山天文台)和李向东(南京大学)。主要研究方向包括:高能天体物理、太阳活动区物理、恒星形成和早期演化、星系结构和活动星系核、变星的观测和理论、太阳系天体和人造天体动力学、高精度天文参考系的建立和维持。华东天文与天体物理中心自成立以来,在人才培养、科研合作和学术交流等方面取得了重要进展。

现代天文与天体物理教育部重点实验室

2006年经教育部批准,南京大学在“天文资料分析和计算物理国家专业实验室”的基础上筹建“现代天文与天体物理教育部重点实验室”,以充分发挥天文系原有的学科优势,推动天体物理、天体测量和天体力学学科的交叉、渗透和发展,逐步形成强有力的学术团队,取得科学研究的重要突破和进展,同时为国民经济和国防建设服务。此外,建设开放的“现代天文与天体物理教育部重点实验室”将进一步加强南京大学与兄弟院校及科研机构的共享、合作和交流,为探索高校与科学院联合培养人才和科研合作提供平台。

“现代天文与天体物理教育部重点实验室” [4] 依托南京大学天文系天体物理、天体测量与天体力学两个国家重点学科, 包括原“天文资料分析和计算物理国家专业实验室”、 太阳塔实验室和“天文基础科学研究与教学人才培养基地”。目前有科研人员约25人,其中中国科学院院士4人、教授16人,副教授7人,获得博士学位的青年学者14人,其中包括长江学者计划特聘教授1人,国家杰出青年科学基金获得者5人,教育部新(跨)世纪优秀人才4人。以年青教师为主体的团队在2002年获得国家自然科学基金创新研究群体项目资助。

近五年来实验室承担了包括国家重点基础研究规划(973)项目、国家自然科学基金创新研究群体项目、国家杰出青年科学基金项目、重点项目、面上项目等多项科研任务。科研基金约1200万元。在太阳活动的观测和研究、超新星爆发的产物、γ射线暴能源机制及其余辉、行星系统动力学等研究方向取得重要成果,在国内外主要学术刊物和国际学术会议上发表论文280余篇,获得教育部提名国家科学技术奖自然科学一等奖2项。

自“211工程”和“985工程”施行以来,本系天体物理、天体测量与天体力学的研究取得了重要进展。“现代天文与天体物理教育部重点实验室”拥有一流的大型计算机服务器和国内第一座太阳塔。高能天体物理和太阳活动区物理研究方向在国内天文界的竞争实力进一步加强,获得国家自然科学基金委创新群体科学研究基金的资助。此外还主持多项国家自然科学基金项目,参加3项国家重点基础研究发展规划(973)项目。目前正在研制光学和近红外太阳爆发探测望远镜,并积极参与了中法合作“太阳爆发探测小卫星”及其科学数据中心的预研工作。在天体测量和天体力学方面,在继续保持基础研究优势的同时开拓了行星系统形成与动力学的研究,并参与了一批国防应用基础项目的研究。主持国家重点基础研究发展规划(973)项目1项,国家基金委重点基金1项。“十五”期间科研经费达2147万元,发表SCI期刊论文约200篇,比九五期间分别增加了1.5倍和65%。“十五”期间获国家自然科学二等奖2项、教育部提名国家科学技术奖自然科学一等奖3项、二等奖1项。

天体物理专业

南京大学天体物理学科建立于1952年,1988年、2001年连续被评为国家重点学科,综合实力在全国同类学科中名列前茅。本学科拥有一支高水平的研究队伍,其中包括曲钦岳院士、苏定强院士、方成院士等在国内外有影响的学术带头人,18名教师中具有博士学位的年轻教师达到11人,其中包括1名长江学者计划特聘教授、5名国家杰出青年科学基金获得者、1名教育部优秀教师奖获得者和3名教育部新世纪人才计划入选者。一些课题的研究在国际上有较高的显示度,得到国际同行的重视和好评,并有5篇博士学位论文被评为全国优秀博士论文。

1)高能天体物理

重点研究超新星和超新星遗迹、γ射线暴及其余辉、中子星和脉冲星物理以及核天体物理等。这对于了解恒星层次的高能过程,探求天体的演化规律,发现和认识在极端物理条件下的物理规律具有重大的学术意义。在高能天体物理研究若干方向上,本学科在国内居领先地位。

2)太阳活动区物理

从观测和理论两个方面重点研究太阳活动体三维结构和演化、太阳活动体磁流体动力学、耀斑机制和粒子加速等。这对于了解太阳活动区和各种活动体的演化规律和本质有重要的学术意义。在太阳活动区物理研究的若干领域,本学科在国内居领先地位。

3)星系结构和活动星系

重点研究星系核活动、星暴星系和其它活动星系、星系和星团动力学中的混沌和有序现象,以及星系结构和厚度等。研究工作利用大型地面和空间望远镜的观测资料,从理论上深入探讨,力求建立有特色的模型和体系。

4)射电天体物理

利用国内外的高分率的射电观测资料,重点研究分子云和超脉泽源物理性质和动力学特征,探讨银河系的整体结构。

天体测量和天体力学专业

南京大学天体测量和天体力学专业成立于1920年(国立东南大学),是我国培养天体测量和天体力学(包括航天器轨道理论)领域专业人才的主要单位。1981年经国务院批准设立博士点,2002年经国家教育部批准为国家重点学科。目前该专业有教学、科研人员8人,包括4名教授(中科院院士1名),3名副教授,其中5人具有博士学位。

1)非线性天体力学

天体力学与非线性科学的新兴交叉领域,主要研究Hamilton动力系统动力学稳定性及轨道扩散等问题。学术带头人孙义燧院士是“973”计划《非线性科学中的若干前沿问题》项目的首席科学家。

2)太阳系外行星系统的形成与动力学

天体力学与天体物理的交叉领域,主要研究行星系统形成过程中原恒星盘与原始行星的相互作用,重元素和大气的吸积,行星系统的形成与动力学演化,太阳系外行星系统的观测与理论等。课题组成员包括周济林教授、周礼勇教授等。

3)太阳系动力学及航天器轨道理论

研究太阳系主带小行星、近地小天体、Kuiper带天体等的动力学,人造地球卫星的精密定轨理论与方法,星际探测器轨道力学等,学术带头人刘林教授。

4)天文参考系基本理论研究

包括在广义相对论理论框架下太阳系的度规,坐标系选择和天体运动方程、太阳系天体动力学参数的研究,学术带头人朱紫教授。

现代天文学中,天体物理学的发展最为迅猛,其中对天体高能过程的研究又是一项十分引人注目的前沿课题。高能天体物理的研究不但是人类探索宇宙天体的剧烈活动和高能辐射的基本手段,而且同高能物理学、空间物理学等学科密切相关。宇宙中剧烈活动和爆发现象存在于各个尺度的天体中,从太阳耀斑/恒星耀斑、耀星、日冕物质抛射,到中子星/脉冲星、超新星爆发、γ射线暴、星暴星系等,无一例外都同高能粒子和高能辐射过程有关。近十年来,以南京大学天文系和华东天文与天体物理中心部分成员为主体的年轻的研究团组,在老一辈天文学家的指导下,团结合作,勇于挑战前沿难题,取得了许多创造性成果,引起了国内外天文界的瞩目。目前团组的整体研究水平在国内处于领先地位,部分课题研究在国际上也有相当强的竞争力。

(1)γ射线暴及其余辉的研究

在γ暴领域,1997年余辉的发现使得研究高潮迭起,1997和1999两年里,这方面的成果已两次入选美国Science杂志评出的年度世界十大科技成就。本群体人员已在γ暴和余辉这一领域进行了深入研究,掌握有关理论,知晓关键问题,仅最近三年中就在国际SCI刊物上发表了近40篇直接与γ暴相关的论文。大部分论文得到了国外专家的认可,引起了广泛的注意,国际引文达160余篇。代表性工作主要有:①黄永锋和戴子高等人改正了前人在γ暴火球动力学演化基本方程中的一个错误,给出了正确的统一动力学模型,从而使之既能描述火球演化的相对论阶段,也能描述非相对论阶段,既适用于高度辐射相,又适用于绝热相。著名天文学家van Paradijs等人在2000年《天文和天体物理学年评》(ARA&A)的综述文章中以1.5页的篇幅详细介绍了这一模型;该统一模型也得到了其他一些天文学家的引用。在这个新的统一动力学模型基础上,黄永锋和戴子高等人还进一步详细研究了γ暴余辉中的喷流效应,得到了很多新结果。例如,他们指出光变曲线的拐折应当出现于从相对论到非相对论过渡的阶段,而不是像前人认为的那样出现在相对论阶段之内,这项工作已经被多次引用;②戴子高等人研究了γ暴中许多偏离标准模型的效应,如首次提出余辉的星风模型和致密介质模型。这两个模型的重要意义在于清楚地给出了γ暴与大质量恒星成协的证据,从而强烈地暗示γ暴可能来自大质量恒星的塌陷,为揭开γ暴的能源机制之迷提供了重要线索。其中的星风模型后来经Chevalier等人发展,现已成为γ暴主流模型。其中的致密介质模型已被Meszaros在《天文和天体物理学年评》(ARA&A)的综述文章引用;两年多来这些工作被近60篇引文;③戴子高等人首次提出了脉冲星能量注入的余辉模型,即认为在γ暴发生之后,在火球中心会遗留下一颗强磁场的毫秒脉冲星,该脉冲星通过磁偶极辐射向火球追加能量,影响火球的演化,进而改变了余辉的光变曲线。一旦此模型得到最终确认,将对γ暴能源机制的解决起到至关重要的作用。

(2)中子星和奇异星的研究

在中子星和奇异星的研究方面,我们群体在国际上一直表现得十分活跃,发表了很多原创性的工作,为从观测上区分奇异星和中子星,从而解决奇异物质是否是物质的真正基态这一基本物理问题提供了重要线索。如戴子高等人提出硬X射线暴源GRO J1744-28可能来自于奇异星,论文发表于著名杂志Science,并被多次引用。戴子高等人还指出中子星向奇异星相变时可以释放出巨大的能量,从而首创性地提出了γ暴的相变模型。该模型的突出优点是过程中涉及到的重子非常少,激波可以被加速到极端相对论速度,很自然地解决了其它许多流行模型均难以解决的“重子污染”难题,得到了国际同行的高度重视,被看作是除双中子星合并和大质量星坍缩之外第三种最可能的模型,该模型已有引文40余篇。李向东等人利用X射线空间卫星的观测资料,结合奇异星研究的最新成果,研究了一批X射线致密源的物态,发现Her X-1、SAX J1808.4-3658和4U 1728-34的质量半径关系更接近于奇异星的物态,而与中子星相差较大,据此提出它们可能是奇异星。这一系列工作激发了不少国际同行的研究兴趣,其结论得到了Dey等人对奇异星研究结果的完全支持和肯定。著名杂志Nature(电子版)和Physics World还分别专题报道了关于SAX J1808.4-3658的工作。如果这些结论得到观测和理论研究的进一步证实,它们将充分支持Bodmer和Witten关于存在奇异物质的推测,对天体物理学和强相互作用物理学将产生深远的影响。

(3)Ia 型超新星的前身星系统

超软X射线源是X射线空间卫星ROSAT在20世纪90年代发现的一类特殊X射线源,目前普遍认为它们是包含大质量吸积白矮星的双星系统。因此超软X射线源的发现为探寻Ia 型超新星的前身星开辟了新的前景。李向东等人结合国际上对吸积白矮星和双星演化的最新研究成果,详细计算了在不同初始条件下双星系统中吸积白矮星的各种演化结局,发现有两类白矮星双星可以产生Ia 型超新星:一类是具有高质量伴星的密近双星系统,另一类是具有低质量伴星和长轨道周期的双星系统。这两类双星在演化过程中都可以表现为超软X射线源。理论估计的Ia 型超新星的产生率与银河系内Ia 型超新星的观测值相仿。这项工作在国际上第一次系统地提出Ia 型超新星前身星在伴星质量轨道周期图上的分布特征,证实了超软X射线源与Ia 型超新星的演化联系,并用数值计算的方法证明吸积白矮星的强星风有利于稳定双星间的物质传输过程,从而避免双星中公共包层的形成,为白矮星双星的演化开辟了一条新的路径。该工作自发表以来受到国际同行的重视,迄今有国际引文30余篇,1997年和1998年的《天文和天体物理学年评》(ARA&A)均重点引用该论文主要结果。1997年8月,李向东被邀请在IAU Symposium 187 “Cosmic Chemical Evolution”上报告了该项工作。

(4)星际激波过程及超新星遗迹

弓激波常见于O型星、超巨星、W-R星、激变双星、脉冲星的周围以及超新星遗迹中,对恒星和星际物质的演化与高能辐射有重要影响。以往的弓激波计算大多采用数值方法,较为不便,少数的解析方法也仅考虑单层弓激波情形。陈阳等人考虑了离心力,以及星际物质与星风物质混合(单层)、分隔(双层)两种情形,首次得到弓激波的几何形态、物质动量流和流动速度的高精度解析表达式,为天体物理系统中弓激波理论的应用提供了巨大的便利;利用弓激波模型又成功解释了Wolf-Rayet星云NGC2359的结构和演化,一举改变了三十年来人们对所发现的第一个环状星云的认识。长期以来人们努力在类蟹状星云超新星遗迹外围搜寻壳层或晕,但一直没有结果。利用Chandra卫星的观测,陈阳等人在蟹状星云的孪生源G21.5+0.9中首次发现了非热辐射晕,关于该非热辐射晕的起源则对传统的超新星遗迹理论提出了尖锐的挑战。

(5)星暴活动的研究

国际上在棒触发星系核区星暴活动的作用方面长期存在很大的争论。顾秋生等人从统计和数值模拟两方面系统地研究了棒和星暴之间的相互关系,根据IRAS红外卫星资料及前人的工作建立了一个较完备的星系样本,采用了很好的统计量,发现存在棒减弱和增强恒星形成活动的两个阈值;随着研究样本覆盖区域的不同,棒从减弱到无关再到增强恒星形成活动,从而清楚又明确地解决了这一争论。在1995年召开的IAU Colloquium 157会议上被特邀报告了此项研究成果,得到了广泛的重视。同时,利用数值模拟方法,顾秋生等人还研究了星系中气体在棒的作用下损失角动量,从而流向星系核区触发核区星暴活动的问题。与以往研究方法的不同点是他们从物理角度更合理地考虑了气体粒子间的粘滞作用,克服了以往简单的数值手段的缺陷,得到了与观测相符的结果。这项研究工作受到了国外同行的多次引用。

(6)太阳/恒星耀斑的观测和非热辐射的研究

太阳是唯一一颗有空间分辨率的恒星,因此对它的研究可以作为检验其他天体的基础。过去几年中,南京大学太阳塔成功地建立了成像光谱系统,可以同时在两条谱线上观测得到太阳耀斑的二维光谱,具有很高的空间分辨率。在22周和23周峰年期间,总共观测到了100个左右的耀斑。而同一期间,国际上类似的资料并不多见。因此,这些资料具有相当强的竞争力,为进一步分析耀斑的爆发过程和高能现象提供了观测基础。高能粒子轰击是耀斑加热的一条主要途径,因此,耀斑光谱很可能具有非热的性质。但长期以来,在这一方面的研究很少,缺乏系统性。为此,丁明德等人以非局部热动平衡计算方法为基础,考虑原子的非热激发和电离效应,系统地研究了高能粒子对太阳(恒星)耀斑的光学和远紫外辐射的作用,从而发现了一些新的事实,提出了新的观点,主要成果包括:发现了非热过程使得太阳耀斑的远紫外连续谱亮温度增高,但色温度降低;非热过程可以改变色球谱线的不对称性符号,用非热效应加上色球压缩区可以成功解释同一耀斑在不同时刻体现出的不同符号的谱线不对称性,解决了热模型难于解决的问题;发现第二类白光耀斑起源于大气低层,并且提出了低层磁重联大气加热白光辐射这样一个理论模型;发现恒星耀斑或耀星的光度增加以及色温度偏蓝的连续谱是非热电子存在的特征;首次提出了类耀斑现象埃勒曼炸弹的非热模型,可以同时解释谱线轮廓和偏振现象。在这个方面总共发表了10篇SCI论文,有关结论被多次引用。著名太阳物理学家Schrijver和Zwaan教授将有关埃勒曼炸弹的结论写入其专著中,认为非热模型得到了观测支持。

(7)耀斑的动力学模型、MHD数值模拟研究

在耀斑动力学研究方面,甘为群等人先后构造了耀斑主相动力学模型、脉冲相热动力学模型和初始高密度耀斑环动力学模型。在这些模型中,引入了一种新的能量机制日冕软X射线辐照加热,并发展了一套分辨和跟踪过渡区的方法。主要结果有:耀斑冷却相不需加热源;日冕软X射线对色球具有加热作用;主相日冕软X射线和色球谱线没有明显的不对称性;热模型下预言的色球谱线发射特征与观测一致,但软X射线谱线显示有早期大蓝移;初始高密度耀斑环有助于抑制软X射线谱线的早期蓝移。另在观测方面,系统地研究了耀斑软X射线谱线的不对称性特征,指出尽管早期蓝移具有普遍性,但早期大蓝移却很罕见,这对色球蒸发模型的普遍性提出了质疑;同时还发现了一类新的现象耀斑早期软X射线的红移;等等。这方面工作累计发表SCI论文8篇,获得国际同行引用30余次。有关处理软X射线加热的方法被著名学者移植到他们的研究方法中。在MHD数值模拟方面,陈鹏飞等人发展了新的方法,改进了计算模式,从而避免了以往模式中开拓网格导致的非物理结果。在数值模拟中引入场向热传导,发现热传导能加速磁重联;提出太阳耀斑统一模型,即双带耀斑和致密耀斑可以统一在同一模型下,重联点高度的不同导致了耀斑形态上的差异;数值模拟了低层大气磁重联产生埃勒曼炸弹的过程,取得了与观测符合的结果;提出了日冕物质抛射的新浮磁流触发机制,这是迄今为止少数几种能成功解释观测事实的机制之一 ,不到两年时间,这个工作获得国际同行引用十多次。

(8)耀斑的高能粒子研究

这是甘为群等人近年来新开辟的一个研究方向,主要集中在耀斑硬X射线暴和γ射线暴的研究。主要研究成果有:发现了一例超长时延的耀斑硬X射线暴;提出了一种基于中子质子俘获线时间轮廓推求加速质子能谱演化的新方法,并首次发现耀斑加速质子谱随时间而变硬的现象;详细研究了正负电子湮灭线的时间轮廓,指出或者用谱指数随时间变化或者用正负电子湮灭区在耀斑爆发期间随时间而变化来解释,并发现所研究耀斑的高能质子存在高端截止能量,大约为500MeV;通过研究耀斑加速电子谱,发现电子加速过程在一定能量处可以具有流量饱和点;根据γ射线谱发射特征,提出质子占优事件的概念;证明电子占优事件中核分量平均比其它耀斑低一个数量级;首次提出确定耀斑加速电子低端阈能的一个定量方法,得到低端阈能平均为70keV,该结果对现有耀斑图像提出了挑战;等等。这方面工作累计发表SCI论文7篇,获得国际同行多次引用。其中有关推求加速质子谱的方法被认为是目前两个最好方法之一。

3)2004年主要进展和阶段性成果

本项目在2004年取得以下重要成果:研究了一个大样本活动星系的核区百pc区域的恒星形成历史及Seyfert星系发射线的性质。利用SLOAN巡天数据,研究了星系红外辐射的来源。完成以陈阳为PI的对热混合型超新星遗迹3C391的Chandra空间望远镜观测和理论分析从双星演化的角度研究河外极亮X射线源的演化。研究了两成分喷流的余辉特征。提出利用伽玛暴的TeV光子与宇宙红外背景光子作用产生的延时的MeV-GeV光子的谱形性质来限制伽玛暴TeV光子的辐射过程以及宇宙红外背景辐射的性质。研究了当短时标伽玛暴的喷流类似活动星系核的喷流一样是柱状结构的喷流时,短暴的余辉性质。研究了伽玛暴宇宙学。对伽玛暴的观测数据进行了统计分析。对日冕物质抛射对应的远紫外波动及昏暗现象进行了数值模拟。研究了与耀斑或暗条抛射相关的日冕物质抛射的速度分布的统计研究及新浮磁流不同参数对日冕物质抛射触发的影响的数值研究。对太阳耀斑进行了详细的多波段分析和研究,重点利用了有特色的二维耀斑光谱,结合卫星和地面的观测资料,揭示出耀斑发生和发展过程中的一些性质。一年来本项目共发表各类论文33篇(见附件:论文目录),其中SCI论文22篇(绝大数论文在ApJ、A&A、MNRAS上发表)。利用本项目的经费,群体成员共出国访问和参加学术会议12人次,正在培养研究生27名。我们在2004年成功举办了“全国天体物理暑期学校”(恒星部分),还支持了清华大学张双南教授主办的第5届microquasars国际学术研讨会。具体研究内容如下:

(1)提出了新的探测宇宙学参数的方法

通过求解Friedmann-Robertson-Walker度规下实验粒子的测地线运动方程,将通常的中微子相对于光子的飞行延时表达式推广到宙学距离尺度,如果人们将来能够在地球实验室比较精确地测定出中微子质量的大小,则通过测量高红移中微子源产生的中微子的飞行延时可从理论上提供一种探测宇宙学参数的方法,这将是一种完全不同于经典宇宙学实验的方法。

(2)研究了Seyfert星系发射线的性质和星系红外辐射的来源

利用星族合成模型,我们拟合了活动星系核的宿主星系的老年恒星光谱,从而得到了纯发射线光谱(见图一)。我们的研究发现活动星系核核区百pc范围里恒星性质很复杂,有非常年轻的,也有很年老的星族组成。在Seyfert 星系核区的纯发射线光谱中,发现了一些Seyfert 2星系存在着宽Hb发射线;并精确测量了一系列发射线强度,研究了发射线强度和速度弥散度、星族组成和年龄等参数之间的关系。同时还研究了发射线星云和恒星的速度弥散度及发射线星云和恒星的消光之间的关系,发现了Seyfert 星系核区的恒星活动和宿主星系形态无关。此外,我们着手利用SDSS光谱开展研究工作。初步的结果有:研究了一个光学正常,而红外极亮的星系NGC 4418的红外辐射的源泉,提出大量的红外辐射并非来自核区恒星活动,而是中心的被尘埃深埋着的活动星系核;针对一个很大星系样本,研究沿Hubble序列的恒星形成历史。

(3)统计分析了伽玛暴的数据并研究了伽玛暴宇宙学

研究伽玛暴的峰值能量和各向同性光度之间的关系,发现Liso∝Ep2在整个暴过程普遍成立,基于这个结果我们对火球模型物理参量提出限制,得到的结论跟标准的内激波火球模型、余辉拟合结果是相吻合的。根据HETE-2卫星最新观测结果,结合BATSE卫星的观测数据,发现伽玛暴和X射线闪的峰值能量、谱硬度系数的分布存在双峰分布特性,表明伽玛暴的喷流可能是双成份,基于这个模型数值模拟证实这个结论。关于伽玛暴喷流结构模型的争议,我们用数值模拟方法,通过检验伽玛暴在喷流张角空间、喷流张角和红移的二维参量空间的分布来检验结构话喷流模型的预言,结果表明理论模型预言跟数值模拟结果基本一致。现有十几个伽玛暴光学余辉的光变曲线被发现有拐点。我们收集了拐点处的光度和拐点时间的数据,发现它们有好的相关性,利用这个关系我们进一步限制了火球激波模型的参数,得到电子能量均分因子和磁场能量均分因子分别约为0.1和0.001。

宇宙学从1998年以来有了重大进展,这归功于Ia型超新星。人们发现低红移Ia型超新星的某些观测量与峰值光度有很好的相关性。利用这些相关性给出了超新星的Hubble图,进而限制了宇宙的物质能量密度和宇宙学常数。另外,2003年用WMAP对宇宙微波背景辐射的各向异性观测发现宇宙中约有73%的成分是暗能量。基于这些重大进展,我们从2004年初就开始用伽玛暴的Amati关系谱的峰值能量和各向同性能量的相关性来研究宇宙学,发现这个关系有太大的弥散,它不能对宇宙学提供有用的限制。5月份我们改用Ghirlanda关系,即谱的峰值能量和喷流内伽玛辐射能之间有相关性。我们得到与超新星宇宙学相一致的结论,文章投到ApJ Letters后不到一个月就被接受。后来国际上Ghirlanda等和Friedman等两个研究小组对伽玛暴宇宙学做了进一步的研究。2004年10月8日美国的《Science》杂志以News Focus形式报道了我们的工作。

(4)研究了伽玛暴的余辉物理

伽玛暴的中心天体可能是快速转动的磁中子星或黑洞,在它们自转减慢的过程中自转能不断地转化给极端相对论正负电子对星风,我们研究了该星风与先前抛射的火球物质相互作用产生的相对论星风泡(relativistic wind bubbles),分析余辉光变曲线,发现了“鼓包”想象。研究了两成分喷流的余辉特征,指出两成分喷流可能是伽玛暴和X射线闪的统一模型。提出利用伽玛暴的TeV光子与宇宙红外背景光子作用产生的延时的MeV-GeV光子的谱形性质来限制伽玛暴TeV光子的辐射过程以及宇宙红外背景辐射的性质。研究了当短时标伽玛暴的喷流类似活动星系核的喷流一样是柱状结构的喷流时,短暴的余辉性质,并预言此种结构的喷流比通常的锥状喷流更易于探测到光学余辉。

(5)研究了极亮X射线源的演化

通过Chandra卫星的高精度观测,对河外极亮X射线源的研究近年来呈现十分活跃的态势,但它们的本质尚未明朗。我们从双星演化的角度研究河外极亮X射线源的演化。假设部分极亮X射线源是形成于年轻的致密星团中的中等质量黑洞,并通过潮汐俘获的方式组成双星系统,由此计算在不同伴星质量条件下的物质传输过程和吸积热不稳定性出现的条件。通过与恒星量级黑洞双星的比较,发现X射线暂现现象和束状辐射均可以发生在这两类系统中,因此前人提出的利用X射线暂现源判断它们性质的观点并不正确。给出了作为极亮X射线源的中等质量黑洞在伴星质量-轨道周期图上的分布,指出对于最亮X射线源,中等质量黑洞相对于恒星量级黑洞与观测符合得更好。该项工作分别在2004年6月在上海召开的第4届全球华人物理学家大会和2004年7月在法国巴黎召开的COSPAR第35届科学大会上进行了报告。

(6)对热混合型超新星遗迹3C391进行了观测和理论分析

超新星遗迹原来一般归纳为三类,近些年认识到的第四类热混合型,其主要特征在于内部明亮的热X射线辐射,但此辐射的机理没有厘清,争论激烈。目前主要的候选模型有爆震波后方云块蒸发(White & Long 1991),遗迹进入辐射阶段而致边缘冷却(Harrus et al. 1997),遗迹因热传导中部密度高于Sedov分布(Cox et al. 1999), 以及遗迹在视向后侧边缘与稠密物质作用而显得中部增亮的投影效应。对这些模型的判定,必须借助Chandra空间X射线望远镜的高分辨观测。以这一类中的样例3C391为目标,2002年我们的观测提案为Chandra空间望远镜所实施。至今通过大约两年的繁复的分析工作,我们对3C391热混合型的机理获得了较为清晰的认识,在这个重要进展之外,还得到两个有趣的结果。揭示了遗迹内部高度成团的高温气体结构,导出了平坦的空间温度、密度分布,这就在现有激烈争论中的4种机理(投影效应、边缘冷却、热传导、云块蒸发)中,相当清晰而明确地支持了星际云块蒸发模型。在遗迹的西北角发现一个幂律谱的不可分辨X射线源,可能与本遗迹成协,因而作为致密星体遗迹的可能性不能排除。在遗迹的西南面硅的氦alpha线显示了指状突出结构,这与新近在著名超新星遗迹Cas A上认证为大质量前身星非对称爆发的喷流的氦alpha线指状突出较为类似。但对这一结构搜集的X射线光子数不够多,还不能从谱分析上加以判定。

(7)数值模拟和研究了太阳中的MHD问题

按计划通过数值模拟研究日冕EIT波的传播特性,结果表明EIT波会在活动区和冕洞处停下来,与其观测完全吻合,文章已被天体物理领域最好的杂志ApJ接受;统计了与耀斑和暗条抛射相关与否的日冕物质抛射的速度分布规律,发现在三种情况下其分布规律很相似,因此提出不同日冕物质抛射可能具有相同的爆发机制;数值研究了新浮磁流的不同参数对日冕物质抛射触发的影响,结果表明只有磁通量和浮现位置满足一点条件时才容易触发日冕物质抛射日冕物质抛射;统计了日冕物质抛射事件发生的等待时间间隔的分布,发现它和太阳耀斑一样具有幂率分布,且幂指数几乎一致;此外幂率分布的谱指数对高速和低速的事件也几乎一致;对色球莫顿波进行了初步的模拟,目前结果似乎表明日冕激波扰动很难在宁静太阳大气中产生能够导致莫顿波的出现,而太阳大气F1模型则可以。

(8)对太阳耀斑进行了观测和理论分析

在观测方面,对太阳耀斑进行了详细的多波段分析和研究,重点利用了有特色的二维耀斑光谱,结合高能卫星RHESSI的硬X射线辐射、SOHO/MDI的磁场观测、TRACE的远紫外观测、以及地面的射电观测等资料,揭示出耀斑发生和发展过程中的一些性质,特别是其中的非热过程(高能电子轰击)的特点。(1)对2001年10月19日X1.6级耀斑分析发现,耀斑的几个足点具有不同的加热机制(热传导和高能电子轰击),硬X射线辐射具有不对称性。特别是,色球速度场的极大值位于耀斑带的外边缘,意味着外边缘的动力学过程最明显,可能是磁场重联的迹象。这同双带耀斑的理论模型是符合的。(2)对2002年9月29日M2.6级白光耀斑分析发现,白光辐射的足点同硬X射线足点在空间上和时间上都有高度的相关性。通过定量推导高能电子的流量以及白光辐射的增强幅度,发现两者之间并非成正比关系。白光耀斑很可能起源于高能电子轰击加上辐射加热(backwarming),但加热程度同初始的日冕压力大小有很大关系。在理论方面,研究了以下两点。(1)用非局部热动平衡(NLTE)方法探讨了太阳耀斑中高能电子束对中性氦10830埃谱线的作用,发现电子束的存在可以极大地改变谱线的强度。对一个小耀斑,谱线可以从弱吸收变为强吸收,对一个大耀斑,谱线从发射变为强发射。据此提出了从10830埃谱线观测轮廓的变化来诊断高能电子的方法。(2)研究了耀斑中Hα辐射的振荡幅度同高能电子流量的关系,发现背景电子流量越高,Hα的振荡幅度越大。实际观测中Hα的快速振荡较多出现在大耀斑中或极大相时刻,理论计算结果为观测事实提供了很好的解释。

2002年7月23日X4.8耀斑进行了多波段(RHESSI、TRACE、Ha、磁场)综合研究,该耀斑一个显著的特点是,在脉冲相存在4个X射线源:2个环足+1个环顶+1个日冕高处源,其中日冕高处源基本是热发射源,而另三个源呈非热发射源。这与阳光卫星观测到的所谓Masuda耀斑明显不同。奇怪的是这些源都位于后来出现的耀斑后环内,我们给出了一种卡通的Sweet模型来专门解释这一耀斑,与标准的磁重联模型不同的是,耀斑发生区的外围存在封闭的磁场,从重联区向上运动的物质被该磁场所阻止而在日冕高层形成一个高热源。

(9)研究了太阳的伽玛射线辐射

在太阳伽玛射线研究方面,我们从理论上研究了正负电子湮灭所产生的3伽玛光子物理过程,给出了3伽玛光子与2伽玛光子比值和湮灭区物质密度的明确关系,并提出用0.511MeV谱线的线宽来解决非唯一解问题。该研究结果被应用到3个具体观测到的太阳伽玛射线谱线耀斑,尽管获得了这些耀斑正负电子湮灭区的具体发生位置,但对其中的两个耀斑不能区分是色球还是日冕起源,而另一个耀斑倾向是日冕和色球源均有作用(但不同时)。这一结果的不确定性主要是受观测精度的限制,从而提出未来太阳伽玛射线观测的努力方向。另一项工作是关于正负电子湮灭线和质子中子俘获线时间演化的解释,具体以RHESSI观测到的第一个伽玛射线谱线耀斑¾2002年7月23日X4.8耀斑为对象进行了研究,这两条线的同时研究在以前还从来没有开展过。结果发现,幂律谱指数为3.52的一束加速质子基本能够同时再生这两条线的观测时间轮廓;如果加速质子谱在脉冲相呈软-硬-软变化且在主相呈软-硬-硬变化,则对观测时间轮廓的拟合更好,从而反映了该耀斑加速质子能谱演化的信息。

4)拟开展的研究工作

宇宙中的高能现象和高能过程虽然多种多样,涉及各层次的天体,但它们往往是相互联系的,与一些普遍的物理因素,如磁场、物质吸积、激波、高能粒子加速和辐射等密切相关。未来几年中,我们将继续发挥群体研究人员知识交叉、优势互补的特点,围绕高能活动和高能辐射这个主题,在太阳、恒星和星系三个方向上分别展开研究工作,并致力于对不同天体的高能过程有一个整体的认识。预期在 X 射线双星的形成机制、奇异星的证认、γ暴的能源机制、γ暴余辉的统一模型、耀斑爆发机制、高能粒子加速和诊断等关键问题上作出重要成果。主要研究内容简述如下:

(1)星系的高能活动研究

γ暴发生在宇宙学距离上,是目前已知的宇宙中最为剧烈的爆发现象,它们和遥远的星系成协,也是联系恒星和星系高能活动的重要桥梁。我们拟从以下三个方面进行研究:①能源机制,这是γ暴研究的核心和主要目标。为产生γ暴光变曲线中的快变和多峰结构,一个成功的能源模型必须能在几十秒内如喷泉般地持续而间歇性地释放出能量,而不是在一瞬间完成爆发,许多能源模型都不能满足这一要求。我们将重点发展中子星到奇异星的相变模型,考虑相变后奇异星的较差转动效应,使之满足该要求。②能谱。能谱性质可用来研究γ暴的辐射机制以及火球内部的碰撞过程。我们拟用最新的观测资料来研究表征γ暴的物理量之间的关联效应,用相对论火球模型来研究γ暴的时变和能谱性质。③余辉。我们将用统一的动力学模型研究从极端相对论到非相对论激波的辐射,并与观测比较;研究既非完全绝热亦非高度辐射的实际火球的辐射;并进一步深入探讨其它后标准效应,如脉冲星的能量注入、喷流效应等,为能源机制的解决提供线索。星暴现象是活动星系研究领域中最活跃的研究对象之一。塞弗特星系距离较近、数目较多和相对低的核活动,使得它们成为研究活动星系中星暴现象的最佳目标。最新观测表明在大约50%的塞弗特II型星系中存在核区星暴活动。我们将观测一个较完备的塞弗特星系样本,结合IUE卫星紫外光谱和星族合成理论模型,得到它们核区的恒星组成性质,以此来探索塞弗特星系中核区恒星演化和核活动程度之间的相互联系,是否存在两类塞弗特II型星系,以及星暴活动在活动星系核中起着怎样的作用等问题。随着对星系(尤其是高红移星系)观测手段的迅速发展以及在恒星核合成的新进展,我们将从理论上建立一个较自恰的模型来研究星系化学演化,及其在宇宙学中的效应,并以此来探讨星系间可能存在的演化联系。

(2)恒星的高能活动研究

致密天体的活动无疑是恒星天体的高能活动中最为引人瞩目的事件。我们将充分利用国际天文卫星观测资料,加强对致密天体及其星周物理环境的研究,内容包括:①分析超新星遗迹的高分辨的重元素X射线谱线,为探知前身星元素合成和星系元素丰度及分布提供依据;通过超新星遗迹X射线谱,研究遗迹气体电离平衡或非平衡状态及多相状态;②通过形态分析,研究超新星遗迹的星际激波作用,及激波后方气体的热化、蒸发等问题,进而探讨其动力学演化;探讨蟹状类超新星遗迹的相对论性粒子和磁场的空间分布和时间演化,以及来自年轻脉冲星的能源提供;③分析X射线双星中的各类周期性和准周期性时变特征,研究吸积盘与致密星磁场的相互作用,并在此基础上研究致密星的结构、物态和演化。此外,从理论上建立有创见的关于致密星的起源、结构和演化的理论模型,并与观测资料相比较。这一方面的重点是:①探讨区别中子星和奇异星的观测判据,如研究内部化学加热效应情形下两者冷却曲线的差别;研究中子星内部在出现超子情况下的结构和演化,以及中子星相变为奇异星的物理过程;②结合双星演化理论和X射线双星、射电脉冲星的观测资料,研究X射线双星的形成机制,超新星爆发、不稳定物质吸积和星风物质损失对双星系统演化的影响,从演化的角度探讨X射线双星与超新星、反常X射线脉冲星和软γ射线复现源等高能天体之间的物理联系。

(3)太阳的高能活动研究

美国已经在2002年2月发射了一颗太阳高能探测卫星RHESSI,未来太阳高能物理研究的一个主要方面将围绕RHESSI的观测数据展开,拟将典型的高能天体物理方法和核物理方法运用于太阳高能物理研究之中,并互相渗透。计划从高谱分辨的硬X射线能谱入手,研究韧致辐射反演的高能加速电子谱;研究偏离单幂律谱的物理原因;建立从观测到的硬X射线能谱推求非热电子分布的一整套方法;基于观测事实,研究电子的加速机制;从γ射线谱线观测寻找突破口,研究加速质子的能谱、方向性及时间特性;研究加速粒子的元素丰度、作用区元素丰度、以及粒子传输模型等。还拟开展太阳高能空间探测方案的研究,提出并完善“太阳高能小卫星计划”,争取在适当的时候实施该计划。在地面观测方面,继续发挥我们仪器的优势,以南京大学太阳塔为基础,获取具有更高分辨率的太阳耀斑的多波段二维光谱,并且通过国内外的合作,观测各类恒星耀斑的光谱。在此基础上,结合有关的硬X射线、软X射线、射电辐射等资料,完整地分析太阳和恒星耀斑发生时的物理过程及辐射机制。在理论方面,综合研究高能粒子束对各个波段的作用,构造包含非热过程的半经验模型;进一步发展现有的动力学模型,突破以往模型的缺陷,考虑非热过程的影响和辐射转移的作用,实现理论和观测的吻合。发展三维的磁流体数值模拟方法,动态模拟出太阳各类爆发现象,并在最大程度上与空间观测结合,探索出太阳爆发现象的产生机制、传播规律以及对地球的影响。在此基础上,重点模拟日冕物质抛射的触发条件、日冕结构对新浮磁流的响应、日冕物质抛射和太阳耀斑的关系等,从而进一步揭示日冕物质抛射的本质特征,弄清楚它和太阳耀斑的因果关系。

地址:南京市栖霞区仙林大道163号天文楼


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