学科发展高能天体化学学研究与发展*文/张双南中国科大学高能化学研究所南京【摘要】文章将高能天体化学学的内容局限在以下范围：（1）研究的天体限制在黑洞、中子星、超新星遗迹和γ射线暴；（2）研究的手段限制在对X射线和γ射线空间观测。之后描述了高能天体化学学的研究进展和意义，近日国外外发展和我国的未来规划，包括战略目标、有关科学计划和空间项目。最后提出了我国未来相关研究领域发展的策略和举措建议。【关键词】空间天文，高能天体化学学，黑洞，中子星，超新星遗迹，γ射线暴DOI：10.3969/j.issn.1000-3045.2012.01.010目前学术界对于“高能天体化学学”的级黑洞（双星系统中的另一个天体是普通的研究内容并没有标准的定义。考虑到本专星体）和处于几乎每位星体中心的质量为百[1]题中其他文章所覆盖的内容和篇幅所限，本万到百亿太阳质量之间的超大质量黑洞。文将“高能天体化学学”的研究内容人为地普遍觉得，星体级黑洞是大质量星体演变到局限在以下的范围：（1）研究的对象限制在最后引力塌缩产生的，但其具体的产生过黑洞、中子星、超新星遗迹和γ射线暴；（2）研程、形成的初始条件，以及它们和超新星爆究手段限制在对X射线和γ射线空间观测。
发、γ射线暴、超新星遗迹的关系都是还没有因为本文并不是通常的综述和评析，作解决的问题。近来10年，对超大质量黑洞者并没有依照常规的做法直接引用参考文观测研究的一个主要进展就是，发觉了超大献，而是在须要的地方推荐读者参考近来国质量黑洞的质量与其寄主星体的好多宏观内学者主写的综述和评析文章，并且以发表性质有密切的相关，表明超大质量黑洞的增在英文刊物《天文学进展》的文章为主。长过程和星体的演变是密不可分的。观测1高能天体化学学的研究进展和意义上也发觉，由几百个星体组成的星体团中心的一个超大质量黑洞的活动可以对整个星1.1黑洞系团的性质和演变形成重大的影响。并且目前得到观测证认存在的黑洞主要有超大质量黑洞的下降过程和种子黑洞的形处于双星系统中约10倍于太阳质量的星体成机制、超大质量黑洞对星体和星体团的反馈机制及其对宇宙演变的影响等重要和深*收稿日期：2011年10月24日院刊67展刻的问题都还没有得到解决。近来的研究表明，诺贝尔化学学奖。在中子星被发觉以后的近半个发tn中等质量黑洞可能处于矮星体、星团的中心和极世纪里，人们对于中子星的认识有了巨大的进步，科em学p亮X射线源中，而且它们存在的确凿证据、形成和中子星的研究不但促使了对星体演变的理解，而olev演变机制以及它们和超大质量黑洞的种子黑洞的且中子星作为基础化学的实验室对于理解核物质eDy[2]r关系都还处于探求研究阶段。
在高温和莱州度情况下的性质（这对于理解强相anil如图1所示，这种不同尺度黑洞系统共同的重互作用的化学规律十分重要）还起了助推作用。picsi[3,4]D要天体化学过程就是吸积和喷流，以及它们对中子星双星系统也是我们验证广义相对论效应的于周围环境的反馈作用和对不同尺度天体系统演实验室，目前对广义相对论理论的最精确验证就[5]化的影响。因为黑洞视界本身难以被直接观测是在中子星双星系统实现的。到，我们对于黑洞基本性质的了解基本上是通过目前观测到的几乎所有的中子星都是如图2其周围吸积盘幅射的电磁波来进行的，例如黑洞所示的脉冲星（除少数处于低质量x射线双星中的[1,6]存在的证据、黑洞下降的过程、黑洞的自转。黑中子星外），好多脉冲星的脉冲抵达月球观测地的洞的吸积盘表现出丰富多彩的行为，例如类似太时间极为稳定，可与人造最稳定的时钟比肩甚至阳大气的多层结构、“能谱态转换”、准周期振荡、超过人造时钟的稳定度。这种精确的时钟不但可极低和极高的幅射效率、外流和相对论喷流等。以作为天然的时钟提供时间基准、为处于深空的这种现象背后的深刻化学联系和机制以及和黑洞空间飞行器提供时间校对和导航，并且还可以用本身化学性质的关系都是天体化学的前沿热点问来侦测其他天体形成的引力波的讯号。
但目前对题。视超光速相对论喷流是黑洞吸积系统（和少于脉冲星的脉冲幅射机制、脉冲稳定度的形成和数吸积中子星体统）所独有的、非常壮美的天体物破坏机制以及中子星的常年演变过程都还没有从理现象，反映了这种致密天体附近极端化学条件根本上得到理解，影响了脉冲星的充分借助。下物质和能量的特殊行为，可作为宇宙中特殊的中子星的表面磁场硬度在自然界中是最高实验室研究在月球上的实验室中无法或则不可能的，并且远远超过人造最强磁场的硬度。因而利举办的基础科学研究。用中子星可以研究在其他任何地方都难以研究的极强磁场数学，可以检验量子电动热学预言的一系列强磁场下的物质的特殊行为。观测发觉，不7同脉冲星的表面磁场硬度的分布在小于10和小14于10高斯之间，而通长期老脉冲星的表面磁场硬度比年青脉冲星低，表明脉冲星的磁场存在常年衰减。脉冲星磁场的形成和演变机制与中子星的内部结构和状态密切相关，但目前还没有得到满意的理解。按照脉冲星的自转变慢率可以估算出脉冲星的年纪，观测却发觉好多脉冲星的年纪都图1三种具有特别不同的观测特点和非常不同的质量、远远小于和其成协的超新星遗迹的年纪。因为超时间尺度、大小、亮度以及天体化学环境的天体化学系统新星爆发同时形成该超新星遗迹和该中子星天体物理学，上1.2中子星述年纪的不一就形成了孪生子年纪不一的严重矛关于致密天体的状态多项式的研盾。
近来的研究表明，这个矛盾可能是因为估算究获得了数学学诺贝尔奖。中子星的发觉和借助中子星年纪时忽视了中子星磁场的衰减过程。中子星双星系统研究与引力波幅射已分别被授予脉冲星还表现出诸多丰富多彩的天体化学现..682012年第27卷第1期高能天体化学学研究与发展脉冲星研究的另外一个重要的意义就是找寻夸克星，其内部的物质不是由中子主导，而是由超核物质密度的夸克物质主导。是否存在夸克星以及夸克星的性质，对检验强互相作用理论至关重要。并且观测上怎么有效地分辨中子星和夸克星依旧是没有[8]解决的重要前沿问题。1.3超新星遗迹和γ射线暴大质量星体演变到最后产生中子星或则黑洞的时侯才能形成剧烈的超新星爆发，图2转能驱动的脉冲星示意图而白矮星在吸积物质或则和另一个白矮星象。近来观测发觉了瞬时出现的脉冲星，它并合的时侯也会形成超新星爆发，释放大量们在大部分时间不形成脉冲，难以观测到，的能量并带走爆发前白矮星的大部份物质，表明脉冲星的实际数量比原先观测到的多[9]爆发以后留下的残片就是超新星遗迹。这好多。观测到有些脉冲星的自转周期存在些爆发携带的大量动能物质在向外膨胀过“慢”，有些存在周期性的变化。
而大程中和星际介质作用形成激波，才能有效地部份中子星的周期常年变化也不是完全规把带电粒子加速到远远超过月球上人造加则的，存在所谓的“noise”。有死机制速器所才能达到的能量。通过观测超新星始终没有得到挺好的理解。遗迹的高能粒子的幅射可以研究其遗迹中有些中子星处于双星系统中，当观测到高能粒子的加速机制以及银河系宇宙线的的脉冲星和另一个天体没有直接的作用时，起源。超新星遗迹当年纪超过10万到百万通过研究其双星系统轨道的变化和演变能年后，就混和到了星际介质中，未能观测到够对广义相对论作出严格的检验。当其中了。有些超新星爆发都会把部份物质抛出的另外一个天体是一个星体时，星体的二氧化碳星体，成为星体际介质。因而超新星爆发是就可能被中子星吸积产生和中子星作用的宇宙物质和能量循环，以及重元素产率演变吸积盘。因为吸积流的存在，这种系统通常的主要过程。研究超新星遗迹的统计性质，情况下不表现为射电脉冲星，而主要表现为也就能理解星体中近来的星体的产生，同时X射线脉冲星、X射线爆发源、Z-源或则对于理解星体的演进也很重要。atoll-源。近十几年X射线观测在吸积中子因为在银河系内几百年才能发生一次[7]星体统中发觉了千赫兹准周期振荡现象，超新星爆发，而其他星体的超新星遗迹在超有可能拿来检验广义相对论效应和检测中新星爆发早期很难观测到，1987年在大麦哲子星的基本性质。
同时因为吸积流抵达中伦星云（实际上是邻近银河系的另外一个星子星表面以后会形成各类观测效应，比较黑系）中见到的超新星爆发（）就成为洞和中子星吸积双星的X射线幅射也可以了研究超新星遗迹初期演变的最佳实验研究吸积盘化学。近来观测到有些中子星室。依据观测到的该超新星爆发的光变和双星系统形成γ射线，可能是不处于活动吸波谱，推断该爆发应当形成1个中子星或则积状态的中子星的脉冲星风和其伴星作用黑洞，但至今在这个超新星遗迹中还没有找所加速的高能粒子的幅射。到任何致密天体。据悉，爆发几年以后在光院刊69展学波段由哈勃空间望远镜观测到的四环结构和发tX射线望远镜看见的单环结构任何模型科em学p都没有预言过，对大质量星体晚期演变理论和超olev新星爆发模型提出了重大挑战。eDyr如图3所示，γ射线暴是宇宙中最剧烈的天体anil[10,11]p活动现象，所形成的各向同性γ射线幅射的总icsi54D能量在秒量级的时间内才能达到10erg，比普通的超新星爆发的幅射高几个数目级。
目前观测到的γ射线暴主要是两类，γ射线幅射脉冲短于大概2图3一种可能形成伽马射线暴的示意图秒的风波可能形成于2个中子星的并合过程，而更也是观测驱动的学科，正是等人开创的空长的风波则可能来自于大质量星体演变到最后塌间X射线天文观测突破了月球大气对来自宇宙的缩产生高速转动的磁中子星或则星体级黑洞的过X射线的吸收（如图4所示），完善了这个硕果累程，后者是引力波直接侦测的最佳候选天体之2累、至今方兴未艾的前沿学科。半个多世纪以一。观测到的γ射线脉冲通常觉得来自于产生的来，一大批空间X射线和γ射线天文卫星的观测大致密天体和吸积盘形成的极端相对论喷流的内激大拓展了人类对于宇宙和宇宙中的天体的认识，波。伴随γ射线暴的光学和X射线的余晖通常认目前依然有约10个空间X射线和γ射线天文卫星为来自喷流和周围介质作用形成的外激波，通过在运行之中，比较重要的包括德国的X射余晖的观测可以研究γ暴的周围环境、喷流的性质线天文台、Fermiγ射线天文台、Swiftγ射线暴卫星以及γ暴过后中心致密天体持续活动的情况。尽和RXTEX射线卫星天体物理学，亚洲的XMM-X射管经过了近40年多个天文卫星和大量地面望远镜线天文台、γ射线天文台，台湾的X的观测观测研究，目前对于γ暴形成的基本过程射线卫星和放在国际空间站的MAXIX射线仪（中心底盘机制），喷流的形成、加速、组成和结器。
遗憾的是，中国作为空间大国，至今仍未发射构等基本问题始终没有得到根本的理解。一颗空间天文卫星，仅仅在“神舟2号”飞船上进行因为γ射线暴有极强的幅射和穿透能力，目前过初步的γ射线天文观测试验。未来几年国际上才能观测到来自红移超过8，也就是宇宙大爆燃后依然将相继有几颗空间X射线天文卫星发射运很短时间内形成的γ射线暴，因而可以用γ暴来研行，包括英国的和GEMSX射线天文卫究宇宙的星体产生历史，宇宙第一代星体的性质，星、日本的NeXT(Astro-H)X射线天文卫星、印度以及高红移宇宙的物质分布和星体的性质。此的X射线天文卫星、俄罗斯-瑞典合作外，有些长γ射线暴的个别观测特点还可作为检测的-XX射线天文卫星等，预期将掀起高高红移宇宙天体距离的“标准烛光”，研究高红移[12]能天体化学研究的新高潮。宇宙的膨胀历史和暗能量的性质。虽然暗能量的步入新世纪后，我国发布了《中常年科学和技发觉者被授予了2011年诺贝尔化学学奖，但暗能术发展纲要》，其中优先主题“大尺度数学规律和1量的性质一直很不清楚。深层次物质结构”明确了有关的高能天体化学研2高能天体化学学的发展究内容。
为落实该纲要，国防科地委制订《十一五空间科学发展规划》，计划在“十一五”期间完成我和其他天文学的分支一样，高能天体化学学1这是诺贝尔奖历史上极少、甚至可能是第一次授予了一直几乎完全没有得到理解的科学发觉，展现了暗能量发觉的重大科学意义2为此于2002年以开创探求宇宙的新窗口而获得了诺贝尔化学学奖..702012年第27卷第1期高能天体化学学研究与发展[17]望远镜”经过近10年的核高基，已完成关键技术攻关和背景机型研究，于2011年即将