高能天體物理學

高能天體物理學（high-energy astrophysics）是研究發生在宇宙天體上的高能現象和高能過程的學科，是理論天體物理學的一個分支學科。

基本介紹

• 中文名：高能天體物理學
• 外文名：high-energy astrophysics
• 特徵：研究宇宙天體高能現象和高能過程
• 大類：物理學
• 學科：理論天體物理學
• 套用：天文觀測

簡介

高能天體物理學（high-energy astrophysics）是研究發生在宇宙天體上的高能現象和高能過程的學科，是理論天體物理學的一個分支學科。這裡的高能現象或高能過程一般是指下述兩種情形：①所涉及的能量同物體的靜止質量相對應的能量來比，不是一個可忽略的小量；②有高能粒子或高能光子參與的現象或過程。隨著類星體、脈衝星、宇宙X射線源、宇宙γ射線源等的相繼發現，空間技術和基本粒子探測技術在天文觀測中的廣泛套用，以及高能物理學對天體物理學的不斷滲透，對宇宙中高能現象和高能過程的研究便日益活躍起來。

20世紀60年代人造地球衛星被送上太空以後，對宇宙天體的輻射過程的研究從可見光、射電擴展到X射線、γ射線等高能電磁輻射波段。在高能輻射波段，電磁輻射的波長短到接近或小於一個原子的大小，此時的輻射可像粒子一樣深入到物質深層而不再具有光波的反射、折射等波動特性，從而又被稱為高能光子。公式E=hν=hc/λ描述了這種電磁輻射的波粒二象性，適用於整個電磁波譜上光子的能量E、波長λ和頻率ν之間的關係。如一個波長為4,000埃（1埃=0.1納米）的藍光光子的能量為3.1電子伏；一個波長為1埃的X射線光子能量則為12.4千電子伏；而一個波長小於原子核大小（十萬分之一埃）的高能γ射線光子，能量可高於1.24千兆電子伏。因此，這裡所說的“高能”，首先是指單個光子的能量高，其次是指輻射的總能量比一般恆星、星系的輻射要大的多，如活動星系核、宇宙γ射線暴等。

研究內容

高能天體物理學研究發生在天體上的這些高能光子的產生機理、輻射特徵和物理規律。此外，由於這種輻射與其起源處的宇宙線高能帶電粒子存在著密切關聯，能夠到達地球的宇宙線粒子的能量高，其能譜從10千兆電子伏開始直跨10個數量級，因此也把對高能宇宙線粒子的產生和加速機制的研究納入高能天體物理學的研究範圍。

宇宙中的高能現象和高能過程是多種多樣的，超新星爆發、星系核的活動和爆發、天體的X射線和γ射線輻射、宇宙線和中微子過程（見中微子天文學）等都是明顯的例子。此外，在某些天體上，例如類星體和脈衝星等，也有一些高能過程。它們都是高能天體物理學的研究對象。高能天體物理學已經取得一些重要的研究成果，主要表現在以下幾個方面：①對於在恆星上可能發生的中微子過程作了開創性的研究，發現光生中微子過程、電子對湮沒中微子過程以及電漿激元衰變中微子過程等，對晚期恆星的演化有重要的影響；②對太陽中微子的探測發現實驗值與理論值有較大的差距；③關於超新星的爆發機制，提出了一種有希望的理論；④超新星爆發可能是宇宙線的主要源泉；⑤在宇宙線中探測到一些能量大於10²⁰電子伏的超高能粒子，中國科學院原子能研究所云南站在1972年發現一個可能是質量大於1.8×10^－23克的荷電粒子；⑥發現星系核的爆發現象和激烈的活動現象；⑦1973年發現宇宙γ射線爆發，1975年又發現宇宙X射線爆發，二者是70年代天體物理學的重大發現；⑧對超密態物質和中子星的組成、物態和結構作了相當深入的研究。

與高能天體物理的觀測基礎相對應的天文學分支又稱高能天文學。由於高能輻射的粒子特性，通常必須採用核探測器進行觀測；由於地球大氣的屏障作用，高能天文觀測只能在40千米以上的高空氣球、火箭和人造地球衛星上進行。1962年美國的火箭載探測器首次發現了一個光學亮度很弱而X射線通量很強的天體，名叫天蠍座X–1。這一發現說明，宇宙空間中存在著一類以高能電磁輻射為主的天體或天體現象，而且輻射的總能量之大是太陽一類的恆星或普通星系所無法相比的。天蠍座X–1的發現標誌著高能天文學的誕生、全波天文觀測時代的開始。在以後的40年中，100餘顆高能天文衛星被送上太空，現已觀測到能量從1千電子伏直至1,000千兆電子伏以上天體的高能γ光子輻射，發現了上萬個宇宙X射線源、數百個宇宙γ射線源（包括X射線脈衝星、類星體等一大批高能天體）、宇宙γ射線暴、X射線暴、雙星緻密星和黑洞的X射線輻射等一系列的高能輻射現象，帶給人們一個全新的宇觀世界，高能天文觀測本身及其所帶動的高能天體物理研究獲得了前所沒有的迅速發展。

高能光子產生過程

主要分為下述幾類：

1. 高溫電漿熱運動產生的熱輻射過程。輻射光子的能量可用E=hν=kT描述，T為電漿的溫度。在光學厚的情況下表現為黑體輻射，產生千電子伏的低能X射線需要有T接近10⁷K的足夠的高溫；光學薄的高溫電漿會產生熱軔致輻射，溫度可更高一些，100千電子伏的X射線要求溫度10⁹K，已是極限。
2. 高能電子與物質或場的相互作用產生X射線、γ射線，對於具有冪律能譜接近E^－α（α為一常數）、能量為γm₀c²的相對論電子（m₀為電子的靜止質量，γ為洛倫茲因子，c為光速），產生的光子能譜也是冪律譜，主要的過程有三種：高能電子在穿過物質時因庫侖場作用減速而產生非熱軔致輻射，輻射的能量與高能電子的動能有相同的數量級；高能電子在磁場中加速產生同步輻射，輻射有很強的方向性，光子的能量正比於Bγ²（B為磁感應強度），天體環境中磁場強度的跨度很大，因而產生的光子可從射電一直到高能γ波段；高能電子與微波背景、星光等低能光子的逆康普頓散射，一次散射就可使低能光子的能量提高γ²倍。用產生1兆電子伏的γ光子為例，由這三種過程分別需要的電子能量為：軔致輻射γ為2；與2.7K微波背景輻射光子的逆康普頓散射γ為3.3×10⁴；同步輻射γ為1.4×10⁷（B約為1高斯時）。
3. 高能質子與物質或場的相互作用產生高能γ射線。高能粒子與原子核的核反應過程，可使原子核散裂，或激發而後退激，或生成放射性同位素後再衰變，是核γ射線的主要來源。足夠高能的質子與質子或α粒子碰撞，最終會產生π⁰，一個π⁰會衰變成2個68兆電子伏的高能γ光子；如果反物質在宇宙中有一分布，高能質子與反質子相遇會湮沒產生高能γ光子。
4. 正負電子對的單光子、雙光子或三光子湮沒，或束縛態湮沒，會產生511千電子伏γ譜線或連續譜。由於正負電子對往往產生於高能光子和物質的相互作用過程，在物質緻密區會因此而產生光子和正負電子的電磁級聯過程，從而產生能量較低的非熱X射線。

觀測研究

觀測和研究表明，銀河系中最強的X射線輻射來自於包含有一顆緻密星和一顆光學主序星的密近雙星系統，其中的緻密星體積很小、可以是質量為太陽質量三分之一的中子星，或大於三倍太陽質量的黑洞，其強大的引力吸引著光學主星的表面物質和周圍氣體，形成一個吸積盤。吸積盤物質被黏滯加熱至高溫電漿態，在緻密星附近產生和發射X射線，所以雙星X射線源大多是熱輻射天體，光度量級10³⁰焦/秒。而且，由於光學主星的軌道運動，視向的X射線輻射會有軌道周期的掩食效應。另一類X射線強源發生在磁中子星上，具有強磁場的中子星可是密近雙星中的緻密星，如武仙座X-1；也可是超新星遺蹟中的射電脈衝星，如蟹狀星雲脈衝星。輻射來自極冠處高能電子在強磁場中的同步輻射，視向強度受到中子星的自轉周期的調製，這類天體也被稱作X射線脈衝星或γ射線脈衝星。蟹狀星雲脈衝星的33毫秒周期性脈衝輻射一直延續到10千兆電子伏以上，證明這顆中子星極冠處的磁場強度達到了10¹²高斯。
類星體和活動星系核是銀河系外星系尺度上的強X射線發射體，光度範圍10³⁶—10⁴⁰焦/秒，如果用巨型黑洞的吸積模型解釋類星體和活動星系核的強大的能量釋放現象，由於有較強的穿透率，X射線的發射即可反映其核心深處的作用規律，接近10千電子伏的X射線發射區已在吸積流進入黑洞視界前的最後穩定區。
宇宙γ射線暴是近30年來最有吸引力的一類高能輻射現象，它們的短時標、隨機出現的輻射特徵很難判定其距離。1997年以來，觀測到40多例γ射線暴宿主星系的紅移，從而可斷定在地球附近觀測到的持續時間較長的一類宇宙γ射線暴，起源於銀河系外遙遠星系內恆星尺度的爆發，對因此而無法解釋的巨大能量的釋放可用帶噴注的火球模型解釋。
宇宙中高於100兆電子伏的高能γ射線輻射被認為與早期宇宙演化以及極高能宇宙線（E接近10²¹電子伏）的傳播行為有密切聯繫。宇宙線與星際氫分子雲的相互作用能夠解釋銀河系盤面上很強的瀰漫γ射線輻射。逆康普頓散射在許多天體條件下是解釋高能γ射線產生的重要機制之一。

能夠到達地球附近的宇宙線稱做初級宇宙線，宇宙線核子在其產生及傳播過程中，不斷受到各種磁場，包括星系際和星際磁場的偏轉和加速作用，初級宇宙線失去了原來的方向，只有在10¹⁸電子伏以上的極高能區才有可能保留下原始的信息。現在比較共識的是“費米加速機制”和銀河系的漏箱模型：宇宙線核子起源於恆星演化晚期的超新星爆發；能量低於10¹⁵電子伏的初級宇宙線以質子成分為主，主要來自於銀河系內；能量高於10¹⁵電子伏的質子會從銀河系中“漏”出，初級宇宙線中重核的比例增加；高於10¹⁸電子伏的極高能宇宙線應該起源於銀河系外，能譜在10²¹電子伏以上應該有截斷。

發展方向

高能天體物理和高能物理學、粒子物理和宇宙學有著十分密切的聯繫，它們相互滲透，相互促進。例如：

1. 1958年范曼和格爾曼提出的普適弱相互作用理論容許有 (ēv_e)型荷電輕子弱流的自耦合過程。隆捷科沃和丘宏義等人研究了這種自耦合過程在天體物理學上的套用，發現它們對晚期恆星的演化有重要的作用。這一結果不僅促進了恆星演化理論的深入發展，而且使人們堅信在自然界確實存在這種過程。不久前，這種自耦合過程在實驗室里果然得到證實。
2. 按照經典理論，一切粒子只能落入黑洞之中，而不可能從黑洞內射到外面去。但是，從量子效應的觀點來看，黑洞卻可能成為可以發射粒子的天體。量子論和引力論的這一發展反過來又為研究強引力場中的基本粒子過程開闢了廣闊的領域。
3. 粒子物理學的研究成果幫助人們認識到，中子星的內部可能有各種超子和π介子，這是天體物理學的一個進展。高能天體物理學從研究微觀粒子的物理規律出發，研究發生在浩瀚宇宙中的巨觀尺度上的種種物理現象，是聯繫微觀世界和宇觀世界的最好方法。

21世紀的前30年，高能天體物理研究的重點是：極端條件下的物理，恆星黑洞天體的證認，短時標宇宙γ射線暴，極高能宇宙線的起源，高能γ射線源，高能中微子源，暗物質和暗能量等。

我國研究現狀

發展

進入新世紀後，我國發布了《中長期科學和技術發展綱要》，其中優先主題“大尺度物理規律和深層次物質結構”明確了有關的高能天體物理研究內容。為落實該綱要，國防科工委制定《十一五空間科學發展規劃》，計畫在“十一五”期間完成我國自主提出的以黑洞、中子星等緻密天體為主要觀測研究對象的“硬X射線調製望遠鏡”（HXMT）天文衛星，以及中法國際合作以γ射線暴為主要觀測研究對象的SVOM天文衛星。但是由於體制、經費等原因，該規劃在“十一五”期間基本上沒有得到實施。中國天文學會深入調研了中國天文學的發展現狀，提出了包括空間天文在內的各個領域的發展策略。中科院在“十一五”期間開展了“空間科學項目發展規劃戰略研究”，研究報告提出了空間天文領域的未來發展的戰略目標以及3個研究計畫，這些計畫目前正在積極實施或規劃中，預期在幾年後中國的空間天文衛星和其他平台的天文儀器將提供高能天體物理研究的大批重要數據，使我國科學家在有關前沿領域的研究進入國際前沿甚至引領某些重要的研究方向。

戰略目標

我國從上世紀80年代開始，就成功地進行過多次球載X射線天文觀測，90年代，研製的空間天文分系統（超軟X射線探測器、硬X射線探測器、γ射線探測器）搭載“神舟2號”，成功觀測到數十例宇宙γ射線暴。上世紀90年代早期提出的“硬X射線調製望遠鏡”經過近10年的預研，已完成關鍵技術攻關和背景型號研究，於2011年正式立項。我國空間實驗室POLARγ射線暴偏振測量儀器和中法合作SVOMγ暴多波段探測衛星的實施將使我國在γ暴探測領域躋身國際前沿。

由此可見，我國的空間高能天文觀測具有很好的基礎，屬於空間天文發展的優勢領域。在HXMT的硬X射線巡天和對一些強源進行定點觀測研究、POLAR和SVOM對γ暴捕捉觀測研究後，需要通過對大批宇宙高能輻射源開展系統和更加高精度的觀測，深入研究恆星、星系、星系團等各種尺度宇宙的演化，宇宙中各種劇烈爆發現象產生的物理過程、極端相對論噴流和高能粒子加速過程，以及黑洞、中子星等極端天體的物理性質和強引力、強磁場中的物理規律。為此，強烈需要後續更先進的、天文台級別的空間高能天文項目完成這些科學研究，使我國在該空間天文主導領域處於國際先進行列。該戰略研究提出的目標為“研究宇宙天體的高能過程和黑洞物理，以黑洞等極端天體作為恆星和星系演化的探針，理解宇宙極端物理過程和規律”。

為實現上述戰略目標，提出了3個科學計畫，分別為“黑洞探針”、“天體號脈”和“天體肖像”，每個計畫都將通過一個或多個空間天文儀器觀測等研究得到實施。上述計畫中前兩個計畫已開始實施，預研的部分項目是以高能天體物理的研究對象為主要觀測對象。我國正在建造中的空間站是一個功能強大的大型空間科學實驗平台，將開展高能天體物理的前沿觀測研究。下面簡要介紹這些科學計畫中有關高能天體物理的項目和主要科學目標。