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黑洞高能辐射的观测与研究

冯骅  
【摘要】:本论文以黑洞物理为科学目标,分为科学数据分析与空间硬X 射线调制望远镜(HXMT)仪器物理设计两部分。 在科学数据分析与模型研究部分,本文利用几个重大X 射线科学卫星(RXTE/Chandra/CGRO)对黑洞及相关天体现象的观测,研究了空间X 射线多尺度辐射过程。首先针对X 射线时间尺度分析的需要,本文提出了一个新的统计量w 并将其应用于黑洞X 射线双星的时变分析。w 谱可以灵敏地反映shot 辐射时间尺度,利用这一特性,能够清楚地区分黑洞双星和中子星双星:前者具有约10?2 秒的截止时间尺度而后者没有。进一步利用w 谱研究黑洞双星的截止时间尺度随能量的变化,重点研究了Cyg X-1 不同能态的演化,通过分析对黑洞吸积辐射作出如下方面的物理限制:吸积盘的截止半径大小,热冕的尺度大小,铁线窄线和宽线的产生区域,以及上述辐射过程随能态的演化等等。其次针对超大质量黑洞,本文利用Chandra 卫星对M87 的两次深度观测,首次发现了环绕M87 的X 射线三环结构,两个椭圆环分别环绕M87 的喷流,另一个圆环以M87 核心为中心且垂直喷流,并通过能谱分析和相似性分析推测此三环结构是M87 喷发的冲击波遗迹,起源于两个超大质量黑洞的合并。最后,在地球大气尺度上,本文分析了与伽马射线爆非常类似的地球伽马射线闪,发现了低能伽马射线时延等特性,并成功地解释为大气放电模型。 在HXMT 物理设计部分之前,本文概述了仪器的原理即直接解调方法,同时将其应用于XMM–Newton 望远镜,使分辨率提高了近五倍,并应用于X 射线弥散源的能谱分析。 在HXMT 物理设计部分,本文承担了仪器设计第一阶段的模拟计算任务,包括空间环境模拟,空间成像模拟和地面检测系统模拟和设计。通过空间环境模拟估计出仪器的轨道本底,并指导仪器设计,包括降低本底的最佳屏蔽方案,反符合屏蔽的逻辑响应等。通过空间成像模拟预测了望远镜上天后的成像能力,包括单点源、双点源和复杂天区等不同情况分别在巡天扫描和深度扫描下的成像分辨率及定位精度,并对比不同准直器,由此得出最重要的核心部件准直器和探测器的最优化设计。最后设计了地检系统,解决如何利用地检系统标定准直器指向这一难题,并推导了出地检系统机械加工的精度要求。


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