[科普中国]-高能天体物理学

简介

高能天体物理学（high-energy astrophysics）是研究发生在宇宙天体上的高能现象和高能过程的学科，1是理论天体物理学的一个分支学科。这里的高能现象或高能过程一般是指下述两种情形：①所涉及的能量同物体的静止质量相对应的能量来比，不是一个可忽略的小量；②有高能粒子或高能光子参与的现象或过程。随着类星体、脉冲星、宇宙X射线源、宇宙γ射线源等的相继发现，空间技术和基本粒子探测技术在天文观测中的广泛应用，以及高能物理学对天体物理学的不断渗透，对宇宙中高能现象和高能过程的研究便日益活跃起来2。

20世纪60年代人造地球卫星被送上太空以后，对宇宙天体的辐射过程的研究从可见光、射电扩展到X射线、γ射线等高能电磁辐射波段。在高能辐射波段，电磁辐射的波长短到接近或小于一个原子的大小，此时的辐射可像粒子一样深入到物质深层而不再具有光波的反射、折射等波动特性，从而又被称为高能光子。公式E=hν=hc/λ描述了这种电磁辐射的波粒二象性，适用于整个电磁波谱上光子的能量E、波长λ和频率ν之间的关系。如一个波长为4,000埃（1埃=0.1纳米）的蓝光光子的能量为3.1电子伏；一个波长为1埃的X射线光子能量则为12.4千电子伏；而一个波长小于原子核大小（十万分之一埃）的高能γ射线光子，能量可高于1.24千兆电子伏。因此，这里所说的“高能”，首先是指单个光子的能量高，其次是指辐射的总能量比一般恒星、星系的辐射要大的多，如活动星系核、宇宙γ射线暴等1。

研究内容高能天体物理学研究发生在天体上的这些高能光子的产生机理、辐射特征和物理规律。此外，由于这种辐射与其起源处的宇宙线高能带电粒子存在着密切关联，能够到达地球的宇宙线粒子的能量高，其能谱从10千兆电子伏开始直跨10个数量级，因此也把对高能宇宙线粒子的产生和加速机制的研究纳入高能天体物理学的研究范围。1

宇宙中的高能现象和高能过程是多种多样的，超新星爆发、星系核的活动和爆发、天体的X射线和γ射线辐射、宇宙线和中微子过程（见中微子天文学）等都是明显的例子。此外，在某些天体上，例如类星体和脉冲星等，也有一些高能过程。它们都是高能天体物理学的研究对象。高能天体物理学已经取得一些重要的研究成果，主要表现在以下几个方面：①对于在恒星上可能发生的中微子过程作了开创性的研究，发现光生中微子过程、电子对湮没中微子过程以及等离子体激元衰变中微子过程等，对晚期恒星的演化有重要的影响；②对太阳中微子的探测发现实验值与理论值有较大的差距；③关于超新星的爆发机制，提出了一种有希望的理论；④超新星爆发可能是宇宙线的主要源泉；⑤在宇宙线中探测到一些能量大于1020电子伏的超高能粒子，中国科学院原子能研究所云南站在1972年发现一个可能是质量大于1.8×10－23克的荷电粒子；⑥发现星系核的爆发现象和激烈的活动现象；⑦1973年发现宇宙γ射线爆发，1975年又发现宇宙X射线爆发，二者是70年代天体物理学的重大发现；⑧对超密态物质和中子星的组成、物态和结构作了相当深入的研究。2

与高能天体物理的观测基础相对应的天文学分支又称高能天文学。由于高能辐射的粒子特性，通常必须采用核探测器进行观测；由于地球大气的屏障作用，高能天文观测只能在40千米以上的高空气球、火箭和人造地球卫星上进行。1962年美国的火箭载探测器首次发现了一个光学亮度很弱而X射线通量很强的天体，名叫天蝎座X–1。这一发现说明，宇宙空间中存在着一类以高能电磁辐射为主的天体或天体现象，而且辐射的总能量之大是太阳一类的恒星或普通星系所无法相比的。天蝎座X–1的发现标志着高能天文学的诞生、全波天文观测时代的开始。在以后的40年中，100余颗高能天文卫星被送上太空，现已观测到能量从1千电子伏直至1,000千兆电子伏以上天体的高能γ光子辐射，发现了上万个宇宙X射线源、数百个宇宙γ射线源（包括X射线脉冲星、类星体等一大批高能天体）、宇宙γ射线暴、X射线暴、双星致密星和黑洞的X射线辐射等一系列的高能辐射现象，带给人们一个全新的宇观世界，高能天文观测本身及其所带动的高能天体物理研究获得了前所没有的迅速发展。1

高能光子产生过程主要分为下述几类：

高温等离子体热运动产生的热辐射过程。辐射光子的能量可用E=hν=kT描述，T为等离子体的温度。在光学厚的情况下表现为黑体辐射，产生千电子伏的低能X射线需要有T接近107K的足够的高温；光学薄的高温等离子体会产生热轫致辐射，温度可更高一些，100千电子伏的X射线要求温度109K，已是极限。

高能电子与物质或场的相互作用产生X射线、γ射线，对于具有幂律能谱接近E－α（α为一常数）、能量为γm0c2的相对论电子（m0为电子的静止质量，γ为洛伦兹因子，c为光速），产生的光子能谱也是幂律谱，主要的过程有三种：高能电子在穿过物质时因库仑场作用减速而产生非热轫致辐射，辐射的能量与高能电子的动能有相同的数量级；高能电子在磁场中加速产生同步辐射，辐射有很强的方向性，光子的能量正比于Bγ2（B为磁感应强度），天体环境中磁场强度的跨度很大，因而产生的光子可从射电一直到高能γ波段；高能电子与微波背景、星光等低能光子的逆康普顿散射，一次散射就可使低能光子的能量提高γ2倍。用产生1兆电子伏的γ光子为例，由这三种过程分别需要的电子能量为：轫致辐射γ为2；与2.7K微波背景辐射光子的逆康普顿散射γ为3.3×104；同步辐射γ为1.4×107（B约为1高斯时）。

高能质子与物质或场的相互作用产生高能γ射线。高能粒子与原子核的核反应过程，可使原子核散裂，或激发而后退激，或生成放射性同位素后再衰变，是核γ射线的主要来源。足够高能的质子与质子或α粒子碰撞，最终会产生π0，一个π0会衰变成2个68兆电子伏的高能γ光子；如果反物质在宇宙中有一分布，高能质子与反质子相遇会湮没产生高能γ光子。

正负电子对的单光子、双光子或三光子湮没，或束缚态湮没，会产生511千电子伏γ谱线或连续谱。由于正负电子对往往产生于高能光子和物质的相互作用过程，在物质致密区会因此而产生光子和正负电子的电磁级联过程，从而产生能量较低的非热X射线。1

观测研究观测和研究表明，银河系中最强的X射线辐射来自于包含有一颗致密星和一颗光学主序星的密近双星系统，其中的致密星体积很小、可以是质量为太阳质量三分之一的中子星，或大于三倍太阳质量的黑洞，其强大的引力吸引着光学主星的表面物质和周围气体，形成一个吸积盘。吸积盘物质被黏滞加热至高温等离子体态，在致密星附近产生和发射X射线，所以双星X射线源大多是热辐射天体，光度量级1030焦/秒。而且，由于光学主星的轨道运动，视向的X射线辐射会有轨道周期的掩食效应。另一类X射线强源发生在磁中子星上，具有强磁场的中子星可是密近双星中的致密星，如武仙座X-1；也可是超新星遗迹中的射电脉冲星，如蟹状星云脉冲星。辐射来自极冠处高能电子在强磁场中的同步辐射，视向强度受到中子星的自转周期的调制，这类天体也被称作X射线脉冲星或γ射线脉冲星。蟹状星云脉冲星的33毫秒周期性脉冲辐射一直延续到10千兆电子伏以上，证明这颗中子星极冠处的磁场强度达到了1012高斯。
类星体和活动星系核是银河系外星系尺度上的强X射线发射体，光度范围1036—1040焦/秒，如果用巨型黑洞的吸积模型解释类星体和活动星系核的强大的能量释放现象，由于有较强的穿透率，X射线的发射即可反映其核心深处的作用规律，接近10千电子伏的X射线发射区已在吸积流进入黑洞视界前的最后稳定区。
宇宙γ射线暴是近30年来最有吸引力的一类高能辐射现象，它们的短时标、随机出现的辐射特征很难判定其距离。1997年以来，观测到40多例γ射线暴宿主星系的红移，从而可断定在地球附近观测到的持续时间较长的一类宇宙γ射线暴，起源于银河系外遥远星系内恒星尺度的爆发，对因此而无法解释的巨大能量的释放可用带喷注的火球模型解释。
宇宙中高于100兆电子伏的高能γ射线辐射被认为与早期宇宙演化以及极高能宇宙线（E接近1021电子伏）的传播行为有密切联系。宇宙线与星际氢分子云的相互作用能够解释银河系盘面上很强的弥漫γ射线辐射。逆康普顿散射在许多天体条件下是解释高能γ射线产生的重要机制之一。

能够到达地球附近的宇宙线称做初级宇宙线，宇宙线核子在其产生及传播过程中，不断受到各种磁场，包括星系际和星际磁场的偏转和加速作用，初级宇宙线失去了原来的方向，只有在1018电子伏以上的极高能区才有可能保留下原始的信息。现在比较共识的是“费米加速机制”和银河系的漏箱模型：宇宙线核子起源于恒星演化晚期的超新星爆发；能量低于1015电子伏的初级宇宙线以质子成分为主，主要来自于银河系内；能量高于1015电子伏的质子会从银河系中“漏”出，初级宇宙线中重核的比例增加；高于1018电子伏的极高能宇宙线应该起源于银河系外，能谱在1021电子伏以上应该有截断。1

发展方向高能天体物理和高能物理学、粒子物理和宇宙学有着十分密切的联系1，它们相互渗透，相互促进。例如：

1958年范曼和格尔曼提出的普适弱相互作用理论容许有 (ēve)型荷电轻子弱流的自耦合过程。隆捷科沃和丘宏义等人研究了这种自耦合过程在天体物理学上的应用，发现它们对晚期恒星的演化有重要的作用。这一结果不仅促进了恒星演化理论的深入发展，而且使人们坚信在自然界确实存在这种过程。不久前，这种自耦合过程在实验室里果然得到证实。

按照经典理论，一切粒子只能落入黑洞之中，而不可能从黑洞内射到外面去。但是，从量子效应的观点来看，黑洞却可能成为可以发射粒子的天体。量子论和引力论的这一发展反过来又为研究强引力场中的基本粒子过程开辟了广阔的领域。

粒子物理学的研究成果帮助人们认识到，中子星的内部可能有各种超子和π介子，这是天体物理学的一个进展2。高能天体物理学从研究微观粒子的物理规律出发，研究发生在浩瀚宇宙中的宏观尺度上的种种物理现象，是联系微观世界和宇观世界的最好方法。

21世纪的前30年，高能天体物理研究的重点是：极端条件下的物理，恒星黑洞天体的证认，短时标宇宙γ射线暴，极高能宇宙线的起源，高能γ射线源，高能中微子源，暗物质和暗能量等1。

我国研究现状发展进入新世纪后，我国发布了《中长期科学和技术发展纲要》，其中优先主题“大尺度物理规律和深层次物质结构”明确了有关的高能天体物理研究内容。为落实该纲要，国防科工委制定《十一五空间科学发展规划》，计划在“十一五”期间完成我国自主提出的以黑洞、中子星等致密天体为主要观测研究对象的“硬X射线调制望远镜”（HXMT）天文卫星，以及中法国际合作以γ射线暴为主要观测研究对象的SVOM天文卫星。但是由于体制、经费等原因，该规划在“十一五”期间基本上没有得到实施。中国天文学会深入调研了中国天文学的发展现状，提出了包括空间天文在内的各个领域的发展策略。中科院在“十一五”期间开展了“空间科学项目发展规划战略研究”，研究报告提出了空间天文领域的未来发展的战略目标以及3个研究计划，这些计划目前正在积极实施或规划中，预期在几年后中国的空间天文卫星和其他平台的天文仪器将提供高能天体物理研究的大批重要数据，使我国科学家在有关前沿领域的研究进入国际前沿甚至引领某些重要的研究方向3。

战略目标我国从上世纪80年代开始，就成功地进行过多次球载X射线天文观测，90年代，研制的空间天文分系统（超软X射线探测器、硬X射线探测器、γ射线探测器）搭载“神舟2号”，成功观测到数十例宇宙γ射线暴。上世纪90年代早期提出的“硬X射线调制望远镜”经过近10年的预研，已完成关键技术攻关和背景型号研究，于2011年正式立项。我国空间实验室POLARγ射线暴偏振测量仪器和中法合作SVOMγ暴多波段探测卫星的实施将使我国在γ暴探测领域跻身国际前沿。

由此可见，我国的空间高能天文观测具有很好的基础，属于空间天文发展的优势领域。在HXMT的硬X射线巡天和对一些强源进行定点观测研究、POLAR和SVOM对γ暴捕捉观测研究后，需要通过对大批宇宙高能辐射源开展系统和更加高精度的观测，深入研究恒星、星系、星系团等各种尺度宇宙的演化，宇宙中各种剧烈爆发现象产生的物理过程、极端相对论喷流和高能粒子加速过程，以及黑洞、中子星等极端天体的物理性质和强引力、强磁场中的物理规律。为此，强烈需要后续更先进的、天文台级别的空间高能天文项目完成这些科学研究，使我国在该空间天文主导领域处于国际先进行列。该战略研究提出的目标为“研究宇宙天体的高能过程和黑洞物理，以黑洞等极端天体作为恒星和星系演化的探针，理解宇宙极端物理过程和规律”。

为实现上述战略目标，提出了3个科学计划，分别为“黑洞探针”、“天体号脉”和“天体肖像”，每个计划都将通过一个或多个空间天文仪器观测等研究得到实施。上述计划中前两个计划已开始实施，预研的部分项目是以高能天体物理的研究对象为主要观测对象。我国正在建造中的空间站是一个功能强大的大型空间科学实验平台，将开展高能天体物理的前沿观测研究。下面简要介绍这些科学计划中有关高能天体物理的项目和主要科学目标。