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我校学子利用慧眼卫星发现中子星辐射新的变化规律
发布时间:2021-03-26  作者: 来源:

新闻网讯(通讯员唐羽)日前,《英国皇家天文学会月刊》(MNRAS,IF=5.36)刊发了由武汉大学天体物理中心和中科院高能物理研究所合作利用中国慧眼卫星完成的最新研究成果。论文题目为“QPOs and Orbital elements of X-ray binary 4U 0115+63 during the 2017 outburst observed by Insight-HXMT”。

武汉大学弘毅学堂2018级本科生丁远泽是第一作者,物理科学与技术学院教授王伟是通讯作者,物理科学与技术学院博士张平为合作者。该成果是武汉大学高能天体物理团队对慧眼卫星科学研究又一重要贡献。

中子星的自转周期演化,并对中子星双星轨道参数给出严格限制

X射线双星准周期振动(QPOs)是高能天体物理领域最活跃的研究方向之一,自上世纪末该现象第一次被发现以来,众多学者提出了各种各样的假说,试图解释这一现象的来源。黑洞双星系统中的准周期振动现象研究在过去几年已经取得了一定进展,被认为与黑洞自旋产生的空间拖曳效应有关;而中子星双星吸积系统中的准周期振动截止目前还缺少系统的观测研究,其物理起源更不清晰。

丁远泽自大二开始,进入王伟领导的高能天体物理课题组开展科研训练工作,研究著名中子星吸积系统4U0115+63。利用中国第一颗X射线天文卫星慧眼卫星,丁远泽系统地研究了该中子星的光变曲线和能谱演化特征,特别是通过其自转周期测量,获得了双星系统的轨道参数,并测量了中子星的能谱特征,找到了系统的回旋吸收线特征,证实了以前科学卫星观测的结果。同时第一次在中子星辐射的光变分析中引入了小波分析方法,并有新的科学发现。在以往所有X射线双星中的光变分析和准周期振荡研究中,都使用传统的傅里叶变换功率谱的分析,而这只能获得一个平均功率谱性质,无法获得动态的全局的功率谱性质。

丁远泽的研究采用小波分析方法弥补了傅里叶分析方法的这一缺陷。通过小波谱的分析,在时域和频域同时对中子星QPO性质进行了系统的研究,在100秒附近发现了新的准周期振荡特征。通过小波分析的新方法,他还研究了中子星QPO的时域特征,即多个QPO频率的同时出现,以及某一频率QPO在观测时间内的暂现性--它可以时隐时现。在小波相位图中,丁远泽还发现QPO存在频率的漂移。这些新的科学结果为理解中子星准周期振荡的物理起源提供了新的启发。

长期以来天体物理学家对吸积盘的研究都基于轴对称假设,普遍认为吸积盘的内侧是近似于圆的轴对称形状。该假设在大多数天体物理环境中可能是对的。然而,丁远泽认为,致密天体吸积盘可能不是完全对称的。基于对中子星系统的新观测结果和流体力学的地面实验数据,丁远泽提出了中子星准周期振荡物理起源的全新解释。该物理机制要追溯到旋转流体中的开尔文-亥姆霍兹不稳定性,它导致流体中漩涡的产生,而这些漩涡在一定条件下可以形成稳定的结构。这种结构在宏观上导致旋转流体的内边界面出现多边形构型,进而使吸积盘内壁各个位置到中子星的距离发生变化,而这会导致吸积率也跟着发生变化,从而形成光变曲线的准周期振荡现象。他针对提出的科学假设,未来还将开展三维磁流体数值模拟,进行详细的科学分析和验证。这一模型具有很高的科学价值和应用前景,将开启对中子星吸积和准周期振荡物理研究的新篇章。

论文链接:https://doi.org/10.1093/mnras/stab835

(供图:弘毅学堂 编辑:付晓歌、相茹)