致密天体与恒星族的多波段观测

1. 基于LAMOST的 致密天体与恒星族的多波段观测 刘继峰 国家天文台 银河系三维结构团组

2. 关于致密天体的基本问题 白矮星如何形成Ia型超新星？ 白矮星 Ia型超新星 作为宇宙标准烛光 测得宇宙的加速膨胀 获2011诺贝尔物理奖 ③ ⑤ 恒星死亡如何形成黑洞的？ ④ 中子星的 状态方程 是什么？ 黑洞 中子星 ② 黑洞附近的时空如何扭曲？物质如何吸积和辐射？ 超大质量黑洞 如何形成和成长？ ① 星系中心的超大质量黑洞 揭示宇宙结构形成与演化 关乎恒星演化、物理学、宇宙学

3. 美国《天体物理10年规划》：天体物理的19个前沿问题美国《天体物理10年规划》：天体物理的19个前沿问题 • How did the universe begin? • What were the first objects to light up the universe and when did they do it? • What are the connections between dark and luminous matter? • What is the fossil record of galaxy assembly and evolution from the first stars to the present? • How do stars and black holes form? • How do circumstellar disks evolve and form planetary systems? • How do cosmic structures form and evolve? • How do baryons cycle in and out of galaxies and what do they do while they are there? • What are the flows of matter and energy in the circumgalactic medium? • What controls the mass-energy-chemical cycles within galaxies? • How do black holes work and influence their surroundings? • How do rotation and magnetic fields affect stars? • How do massive stars end their lives? • What are the progenitors of Type Ia supernovae and how do they explode? • How diverse are planetary systems and can we identify the telltale signs of life on an exoplanet? • Why is the universe accelerating? • What is dark matter? • What are the properties of the neutrinos? • What controls the masses, spins and radii of compact stellar remnants? 恒星和黑洞如何形成？ 宇宙结构如何形成和演化？ 黑洞如何工作和影响周围环境？ 大质量恒星如何死亡？ Ia型超新星的前身星是什么？它们如何爆炸？ 什么控制致密天体的质量、自转和半径？ 美国宇航局的核心科学问题之一： Knowing how the laws of physics behave at the extremes of space and time, near a black hole or a neutron star, is also an important piece of the puzzle we must obtain if we are to understand how the universe works. 黑洞/中子星附近极端的时空性质如何影响物理规律？

4. 关于致密天体的基本问题 • 超大质量黑洞如何形成和成长？预言的中等质量黑洞在哪里？X射线极亮天体是中等质量黑洞么？ • 黑洞附近的时空如何扭曲？物质如何吸积与辐射？ • 恒星死亡如何形成黑洞的？黑洞最小质量是多少？最大质量是多少？ • 中子星的状态方程是什么？中子星最大质量是多少？ • 白矮星如何形成Ia型超新星？是单个白矮星吸积（单简并）还是双白矮星并合（双简并）？

5. 两类黑洞和一个缺失环节 如何形成？ 大质量恒星死亡 形成的恒星级黑洞 ~10个太阳质量 每个大质量星系 中心的超大质量黑洞 几百万~几亿个太阳质量 • →恒星级黑洞并合形成中等质量黑洞 • →中等质量黑洞汇聚到星系中心并合为大质量黑洞 • →经气体吸积就会成长为超大质量黑洞 缺失的环节：几千个太阳质量的中等质量黑洞在哪儿？ （某些）X射线极亮天体是中等质量黑洞么？

6. X射线极亮天体 钱德拉卫星/ X射线 • X射线观测在近邻星系中发现了数百个X射线极亮天体 • 其光度比恒星级黑洞的爱丁顿光度高几倍到几百倍 • 可能是几千个太阳质量的中等质量黑洞 • 也可能是恒星级黑洞，但是具有特殊的辐射机制 • 关键是确定到底是中等质量黑洞还是恒星级黑洞 哈勃望远镜/光学

7. 2 8 N O V E M B E R 2 0 1 3 | VO L 5 0 3 | N AT U R E | 5 0 0 第一次成功测量X射线极亮天体的质量 双子座8米 凯克10米 促使人们重新思考： 中等质量黑洞到底存不存在？超大质量黑洞如何形成？ 科学意义1: 科学意义2:对黑洞吸积理论提出了挑战

8. M101 ULX-1超软X射线谱 对现有吸积盘理论提出了挑战 现有吸积盘理论 恒 星 级 黑 洞 观测研究总结 不同吸积率下有不同的谱态，对应不同的X射线谱 中等质量黑洞 理论预期

9. 银河系致密天体巡天 • 超大质量黑洞如何形成和成长？预言的中等质量黑洞在哪里？X射线极亮天体是中等质量黑洞么？ • 黑洞附近的时空如何扭曲？物质如何吸积与辐射？ • 恒星死亡如何形成黑洞的？黑洞最小质量是多少？最大质量是多少？ • 中子星的状态方程是什么？中子星最大质量是多少？ • 白矮星如何形成Ia型超新星？是单个白矮星吸积（单简并）还是双白矮星并合（双简并）？

10. 银河系中的恒星级黑洞 中子星 上亿个 黑洞 上千万个 银河系恒星初始质量分布

11. 如何发现及测量黑洞质量？ X射线 当黑洞从伴星吸积物质形成吸积盘 并发出X射线及紫外辐射，我们可以 通过X射线或紫外来发现黑洞双星 紫外 ①传统方法通过X射线爆发来发现 黑洞双星和去除更多的前景恒星 及背景的活动星系核和类星体 ②然后在光学上监测伴星的运动并 使用开普勒第三定律来测量主星质量 以确定是黑洞还是中子星 四十年来在银河系中 发现了近二十个黑洞

12. 大问题：小质量黑洞缺失 观测：没有小于六个太阳质量的黑洞 理论：黑洞质量越小，数目越多！ 可能原因： 双星演化选择效应？不行！ 测量方法系统误差？部分 -- 我们将使用带有吸积盘照射 的黑洞双星模型来验证 超新星爆炸理论错误？ 小数效应？ -- 传统方法依赖X射线爆发 -- 黑洞双星大多时间在低态

13. 中子星质量上限? 中子星质量-半径关系 黑洞质量分布 理论 vs观测 小黑洞 缺失？ 中子星 质量上限？ 超新星 爆炸理论 中子星 物态方程

14. Ia型超新星的前身星 Ia型超新星作为可标准化的烛光，可以测量遥远星系的距离 观测到了宇宙的加速膨胀，获得了2011年诺贝尔物理学奖 可标准化的烛光 下一步最重要的任务： 弄清楚前身星的问题，减小系统误差，提高测距精度

15. Ia型超新星前身星到底是： 单简并模型 碳氧白矮星从非简并伴星吸积气体 通过准稳态燃烧来有效积累物质， 最终达到钱德拉塞卡质量极限而 爆炸为Ia型超新星 双简并模型 两个质量和大于钱德拉塞卡质量的 碳氧白矮星组成的双星在引力波辐射 的驱使下越来越近，最终开始接触并 快速物质交流累积至钱德拉塞卡质量 而爆炸为Ia型超新星 前人已经进行了大量工作，包括 对爆炸后的研究，如延迟时间分布、星周物质观测、残存伴星 对爆炸前的研究，如试图直接寻找伴星、稳态燃烧的X射线辐射 但是都没有令人信服的结论

16. 方法：大质量白矮星质量分布 平均星系每300年一个Ia型超新星 双简并 单简并 只在爆发前有物质交换，因此 不会观测到大质量白矮星 缓慢物质吸积与累积，因此 应该观测到大质量白矮星 银河系中应观测到 三千个白矮星大于1.3个太阳质量 一万个白矮星大于一个太阳质量 非常少的白矮星大于一个太阳质量 如果单简并情形占一半的几率，则有一千五百个白矮星大于1.3个太阳质量 如果观测到一千个大于1.3个太阳质量的白矮星，则单简并情形占1/3几率

17. 研究现状 目前已光谱确认一万余白矮星，质量 集中在其诞生质量0.6个太阳质量上， 只有数十个大于一个太阳质量的白矮星 大质量白矮星在哪儿？ -- 传统的光学颜色选源效率低 -- 由于吸积处于高温状态因此 非常可能极亮、极蓝 因此我们建议： 使用紫外辐射选出高温白矮星候选体 使用LAMOST光谱确认并测量质量

18. 如何扩大致密天体样本? +创新方法：利用吸积盘低态特征，不再依赖X射线爆发 +海量多波段数据：紫外GALEX巡天、光学SDSS巡天等 +LAMOST光谱巡天：我国自主研发的重大科研装置 A: 利用吸积盘紫外辐射 *类星体、星系核 *早型星、活动星 *（热）白矮星 **黑洞/中子星+伴星 GALEX巡天 +光学巡天→ 紫外盈余源 样本：45,000 已经加入 LAMOST 光谱巡天 分 辨 出 （九十年代已经提出，但只有现在、我们才能开展） B: 来自伴星和吸积盘的两种谱线系 从LAMOST巡天的 几百万恒星光谱中 系统性寻找具有 两种谱线系的系统 **普通双星 **白矮星+伴星 **黑洞/中子星+伴星 Be星+黑洞 发现:四米 监测:1.2米 Casares+, Nature2014

19. 工作进展和展望 • 对已有部分结果的分析和后续观测表明，我们将最终得到 • 约600个黑洞/中子星双星：将由后续监测用动力学方法测定质量，以确定到底是中子星还是黑洞 • 约上万个（热）白矮星：由谱线轮廓拟合和白矮星大气模型比较直接估计质量 • 将构造致密天体质量分布来回答三个基本问题 Ia型超新星前身星？ 现有白矮星 中子星质量上限？ 3-6太阳质量黑洞？ 单简并 单简并*50% 双简并 ？

20. 及恒星 关于致密天体的基本问题 恒星的活动性 ⑥ 白矮星如何形成Ia型超新星？ 白矮星 Ia型超新星 作为宇宙标准烛光 测得宇宙的加速膨胀 获2011诺贝尔物理奖 ③ ⑤ 恒星死亡如何形成黑洞的？ ④ 中子星的 状态方程 是什么？ 黑洞 中子星 ② 黑洞附近的时空如何扭曲？物质如何吸积和辐射？ 超大质量黑洞 如何形成和成长？ ① 星系中心的超大质量黑洞 揭示宇宙结构形成与演化 关乎恒星演化、物理学、宇宙学

21. 大样本时代的恒星活动性 • 恒星活动源于色球层及星冕，可用以研究不同恒星的结构、演化、磁场、旋转、年龄等，并帮助我们深刻理解作为恒星的太阳的活动。 • 大样本时代 • 恒星光谱巡天得到恒星物理参数：斯隆/60万、LAMOST/180+万 • 大数据时代 • Chandra档案数据：上万套 • GALEX紫外巡天：3/4天区 • Kepler的恒星光变曲线：上百万恒星的上千万曲线 • 在大样本下量化研究不同恒星的X射线、远紫外 辐射和耀发，旋转与恒星周期等

22. 恒星的GALEX紫外观测 • GALEX巡天覆盖了3/4天区：和斯隆交叉相关 • 近29万恒星在3角秒内有GALEX对应体 • 近30万恒星被GALEX观测但没有探测到 • 大样本上对晚型星FUV辐射的量化 • K/M星的FUV是光球层辐射的上万倍 • 欲解决的问题 • 利用GALEX的多次曝光研究恒星的活动性与FUV辐射的相关性 • 考虑没被探测到的恒星时对FUV辐射的量化 • 对在M型星周围寻找可居住行星的启示

23. 恒星的Chandra观测 • 对档案数据的处理 • 使用我们自己的数据处理流水线 • 得到45万点源和它们的光谱及光变， • 有上万个恒星，其中一些观测时间长于一周 • 计算处于FOV中但没有探测到的恒星的流量上限 • 欲解决的问题 • 在包括没有探测到的恒星的情况下量化不同恒星类型的X/Optical比 • 晚型星在X射线上到底有多弱？可以探测1023erg/s @ 10pc • 低X射线态来源于特定星群么？使用多次观测的恒星样本 • 不同星族X射线耀发的统计规律

24. 恒星的Kepler光变曲线 • 已有近百万恒星的近千万光变曲线 • 别人已有研究： • 类太阳恒星的超级耀发 • 不同恒星耀发、旋转的统计特性 • 双星的证认与统计 • 我们欲解决问题 • 恒星活动周期的：恒星旋转的演化、较差自转 • 耀发与旋转相位的关系：对黑子结构的启示 • 耀发与密近双星相位（表面重力）的关系

25. 研究总结 • 超大质量黑洞如何形成和成长？预言的中等质量黑洞在哪里？X射线极亮天体是中等质量黑洞么？ • 黑洞附近时空如何扭曲？物质如何吸积与辐射？ • 恒星死亡如何形成黑洞的？黑洞最小质量是多少？最大质量是多少？ • 中子星的状态方程是什么？中子星最大质量是多少？ • 白矮星如何形成Ia型超新星？是单个白矮星吸积（单简并）还是双白矮星并合（双简并）？ 致密天体研究基本问题 • 基于国际顶级天文设备的多波段观测研究： • X射线极亮天体质量测定工作 • 充分利用国内重大科研装置LAMOST，成10倍地扩充致密天体样本进行质量分布研究，解答三个基本问题 • 我们会得到什么呢？ 大样本下恒星的活动性

26. 核心研究团队 • 国家天文台银河系三维结构团组：致密天体与恒星族的多波段观测 • 首席研究员：刘继峰 • 博士后白宇： GALEX巡天之星系面亮度与Ia型超新星 • 助理研究员王松：星团测光和致密天体的多波段测光 • 博士生巩航：X射线超极亮天体星表和多波段研究 • 博士生高清： 开普勒卫星数据与恒星活动性周期 • 博士生郭金承：恒星紫外辐射与活动性、白矮星质量分布 • 博士生邱艳丽：钱德拉X射线数据与恒星活动性 • 博士生杨卉沁：LAMOST巡天光谱线征的自动证认 • 博士生合林（联合培养）：LAMOST光谱巡天中的双星 • 本科生秦宇翔：造父变星米粒结构活动性与相位关系

27. 学术合作 • 继续保持和拓展与美国、英国、澳大利亚等科研团组的密切合作 • 注重与国内科研团组长期稳定的合作交流，如 • 南京大学李向东团组：双星演化与布居模拟 • 厦门大学顾为民团组：致密天体吸积盘理论 • 国家天文台张昊彤团组：LAMOST光谱处理 • 邀请年青科研人员进行具体课题的合作，如 • M82 X-1的X射线、射电和光学研究：南京大学徐晓杰、国家天文台王松、刘纪仁 • M82 X-1的轨道周期检验：国家天文台王竞 • NGC1313的造父变星测距：国家天文台王炜 • Ia型超新星SN2011fe前身星的限制：南京大学汪涛

28. 欢迎参与我们的研究 • 联系我们 • 刘继峰：jfliu@nao.cas.cn • 白宇：ybai@nao.cas.cn • 陈震：zchen@nao.cas.cn