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高能天體物理學

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中文名稱： 高能天體物理學 裝幀： 平裝

高能天體物理學是理論天體物理學的一個分支學科，主要研究發生在宇宙天體上的高能現象和高能過程。

研究內容

高能天體物理學研究發生在天體上的這些高能光子的產生機理、輻射特徵和物理規律。此外，由於這種輻射與其起源處的宇宙線高能帶電粒子存在着密切關聯，能夠到達地球的宇宙線粒子的能量高，其能譜從10千兆電子伏開始直跨10個數量級，因此也把對高能宇宙線粒子的產生和加速機制的研究納入高能天體物理學的研究範圍。

宇宙中的高能現象和高能過程是多種多樣的，超新星爆發、星系核的活動和爆發、天體的X射線和γ射線輻射、宇宙線和中微子過程(見中微子天文學)等都是明顯的例子。此外，在某些天體上，例如類星體和脈衝星等，也有一些高能過程。它們都是高能天體物理學的研究對象。高能天體物理學已經取得一些重要的研究成果，主要表現在以下幾個方面:①對於在恆星上可能發生的中微子過程作了開創性的研究，發現光生中微子過程、電子對湮沒中微子過程以及等離子體激元衰變中微子過程等，對晚期恆星的演化有重要的影響;②對太陽中微子的探測發現實驗值與理論值有較大的差距;③關於超新星的爆發機制，提出了一種有希望的理論;④超新星爆發可能是宇宙線的主要源泉;⑤在宇宙線中探測到一些能量大於10電子伏的超高能粒子，中國科學院原子能研究所云南站在1972年發現一個可能是質量大於1.8×10克的荷電粒子;⑥發現星系核的爆發現象和激烈的活動現象;⑦1973年發現宇宙γ射線爆發，1975年又發現宇宙X射線爆發，二者是70年代天體物理學的重大發現;⑧對超密態物質和中子星的組成、物態和結構作了相當深入的研究。

與高能天體物理的觀測基礎相對應的天文學分支又稱高能天文學。由於高能輻射的粒子特性，通常必須採用核探測器進行觀測;由於地球大氣的屏障作用，高能天文觀測只能在40千米以上的高空氣球、火箭和人造地球衛星上進行。1962年美國的火箭載探測器首次發現了一個光學亮度很弱而X射線通量很強的天體，名叫天蠍座X–1。這一發現說明，宇宙空間中存在着一類以高能電磁輻射為主的天體或天體現象，而且輻射的總能量之大是太陽一類的恆星或普通星系所無法相比的。天蠍座X–1的發現標誌着高能天文學的誕生、全波天文觀測時代的開始。在以後的40年中，100餘顆高能天文衛星被送上太空，現已觀測到能量從1千電子伏直至1,000千兆電子伏以上天體的高能γ光子輻射，發現了上萬個宇宙X射線源、數百個宇宙γ射線源(包括X射線脈衝星、類星體等一大批高能天體)、宇宙γ射線暴、X射線暴、雙星緻密星和黑洞的X射線輻射等一系列的高能輻射現象，帶給人們一個全新的宇觀世界，高能天文觀測本身及其所帶動的高能天體物理研究獲得了前所沒有的迅速發展。

產生過程

主要分為下述幾類:

①高溫等離子體熱運動產生的熱輻射過程。輻射光子的能量可用E=hν=kT描述，T為等離子體的溫度。在光學厚的情況下表現為黑體輻射，產生千電子伏的低能X射線需要有T接近10K的足夠的高溫;光學薄的高溫等離子體會產生熱軔致輻射，溫度可更高一些，100千電子伏的X射線要求溫度10K，已是極限。

②高能電子與物質或場的相互作用產生X射線、γ射線，對於具有冪律能譜接近E(α為一常數)、能量為γm0c的相對論電子(m0為電子的靜止質量，γ為洛倫茲因子，c為光速)，產生的光子能譜也是冪律譜，主要的過程有三種:高能電子在穿過物質時因庫侖場作用減速而產生非熱軔致輻射，輻射的能量與高能電子的動能有相同的數量級;高能電子在磁場中加速產生同步輻射，輻射有很強的方向性，光子的能量正比於Bγ(B為磁感應強度)，天體環境中磁場強度的跨度很大，因而產生的光子可從射電一直到高能γ波段;高能電子與微波背景、星光等低能光子的逆康普頓散射，一次散射就可使低能光子的能量提高γ倍。用產生1兆電子伏的γ光子為例，由這三種過程分別需要的電子能量為:軔致輻射γ為2;與2.7K微波背景輻射光子的逆康普頓散射γ為3.3×10;同步輻射γ為1.4×10(B約為1高斯時)。

③高能質子與物質或場的相互作用產生高能γ射線。高能粒子與原子核的核反應過程，可使原子核散裂，或激發而後退激，或生成放射性同位素後再衰變，是核γ射線的主要來源。足夠高能的質子與質子或α粒子碰撞，最終會產生π，一個π會衰變成2個68兆電子伏的高能γ光子;如果反物質在宇宙中有一分布，高能質子與反質子相遇會湮沒產生高能γ光子。

④正負電子對的單光子、雙光子或三光子湮沒，或束縛態湮沒，會產生511千電子伏γ譜線或連續譜。由於正負電子對往往產生於高能光子和物質的相互作用過程，在物質緻密區會因此而產生光子和正負電子的電磁級聯過程，從而產生能量較低的非熱X射線。

發展方向

高能天體物理和高能物理學、粒子物理和宇宙學有着十分密切的聯繫，它們相互滲透，相互促進。

例如，①1958年范曼和格爾曼提出的普適弱相互作用理論容許有 (ēve)型荷電輕子弱流的自耦合過程。隆捷科沃和丘宏義等人研究了這種自耦合過程在天體物理學上的應用，發現它們對晚期恆星的演化有重要的作用。這一結果不僅促進了恆星演化理論的深入發展，而且使人們堅信在自然界確實存在這種過程。不久前，這種自耦合過程在實驗室里果然得到證實。

②按照經典理論，一切粒子只能落入黑洞之中，而不可能從黑洞內射到外面去。但是，從量子效應的觀點來看，黑洞卻可能成為可以發射粒子的天體。量子論和引力論的這一發展反過來又為研究強引力場中的基本粒子過程開闢了廣闊的領域。

③粒子物理學的研究成果幫助人們認識到，中子星的內部可能有各種超子和π介子，這是天體物理學的一個進展。高能天體物理學從研究微觀粒子的物理規律出發，研究發生在浩瀚宇宙中的宏觀尺度上的種種物理現象，是聯繫微觀世界和宇觀世界的最好方法。

21世紀的前30年，高能天體物理研究的重點是:極端條件下的物理，恆星黑洞天體的證認，短時標宇宙γ射線暴，極高能宇宙線的起源，高能γ射線源，高能中微子源，暗物質和暗能量等。