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高能天体物理学

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中文名称： 高能天体物理学 装帧： 平装

高能天体物理学是理论天体物理学的一个分支学科，主要研究发生在宇宙天体上的高能现象和高能过程。

研究内容

高能天体物理学研究发生在天体上的这些高能光子的产生机理、辐射特征和物理规律。此外，由于这种辐射与其起源处的宇宙线高能带电粒子存在着密切关联，能够到达地球的宇宙线粒子的能量高，其能谱从10千兆电子伏开始直跨10个数量级，因此也把对高能宇宙线粒子的产生和加速机制的研究纳入高能天体物理学的研究范围。

宇宙中的高能现象和高能过程是多种多样的，超新星爆发、星系核的活动和爆发、天体的X射线和γ射线辐射、宇宙线和中微子过程(见中微子天文学)等都是明显的例子。此外，在某些天体上，例如类星体和脉冲星等，也有一些高能过程。它们都是高能天体物理学的研究对象。高能天体物理学已经取得一些重要的研究成果，主要表现在以下几个方面:①对于在恒星上可能发生的中微子过程作了开创性的研究，发现光生中微子过程、电子对湮没中微子过程以及等离子体激元衰变中微子过程等，对晚期恒星的演化有重要的影响;②对太阳中微子的探测发现实验值与理论值有较大的差距;③关于超新星的爆发机制，提出了一种有希望的理论;④超新星爆发可能是宇宙线的主要源泉;⑤在宇宙线中探测到一些能量大于10电子伏的超高能粒子，中国科学院原子能研究所云南站在1972年发现一个可能是质量大于1.8×10克的荷电粒子;⑥发现星系核的爆发现象和激烈的活动现象;⑦1973年发现宇宙γ射线爆发，1975年又发现宇宙X射线爆发，二者是70年代天体物理学的重大发现;⑧对超密态物质和中子星的组成、物态和结构作了相当深入的研究。

与高能天体物理的观测基础相对应的天文学分支又称高能天文学。由于高能辐射的粒子特性，通常必须采用核探测器进行观测;由于地球大气的屏障作用，高能天文观测只能在40千米以上的高空气球、火箭和人造地球卫星上进行。1962年美国的火箭载探测器首次发现了一个光学亮度很弱而X射线通量很强的天体，名叫天蝎座X–1。这一发现说明，宇宙空间中存在着一类以高能电磁辐射为主的天体或天体现象，而且辐射的总能量之大是太阳一类的恒星或普通星系所无法相比的。天蝎座X–1的发现标志着高能天文学的诞生、全波天文观测时代的开始。在以后的40年中，100余颗高能天文卫星被送上太空，现已观测到能量从1千电子伏直至1,000千兆电子伏以上天体的高能γ光子辐射，发现了上万个宇宙X射线源、数百个宇宙γ射线源(包括X射线脉冲星、类星体等一大批高能天体)、宇宙γ射线暴、X射线暴、双星致密星和黑洞的X射线辐射等一系列的高能辐射现象，带给人们一个全新的宇观世界，高能天文观测本身及其所带动的高能天体物理研究获得了前所没有的迅速发展。

产生过程

主要分为下述几类:

①高温等离子体热运动产生的热辐射过程。辐射光子的能量可用E=hν=kT描述，T为等离子体的温度。在光学厚的情况下表现为黑体辐射，产生千电子伏的低能X射线需要有T接近10K的足够的高温;光学薄的高温等离子体会产生热轫致辐射，温度可更高一些，100千电子伏的X射线要求温度10K，已是极限。

②高能电子与物质或场的相互作用产生X射线、γ射线，对于具有幂律能谱接近E(α为一常数)、能量为γm0c的相对论电子(m0为电子的静止质量，γ为洛伦兹因子，c为光速)，产生的光子能谱也是幂律谱，主要的过程有三种:高能电子在穿过物质时因库仑场作用减速而产生非热轫致辐射，辐射的能量与高能电子的动能有相同的数量级;高能电子在磁场中加速产生同步辐射，辐射有很强的方向性，光子的能量正比于Bγ(B为磁感应强度)，天体环境中磁场强度的跨度很大，因而产生的光子可从射电一直到高能γ波段;高能电子与微波背景、星光等低能光子的逆康普顿散射，一次散射就可使低能光子的能量提高γ倍。用产生1兆电子伏的γ光子为例，由这三种过程分别需要的电子能量为:轫致辐射γ为2;与2.7K微波背景辐射光子的逆康普顿散射γ为3.3×10;同步辐射γ为1.4×10(B约为1高斯时)。

③高能质子与物质或场的相互作用产生高能γ射线。高能粒子与原子核的核反应过程，可使原子核散裂，或激发而后退激，或生成放射性同位素后再衰变，是核γ射线的主要来源。足够高能的质子与质子或α粒子碰撞，最终会产生π，一个π会衰变成2个68兆电子伏的高能γ光子;如果反物质在宇宙中有一分布，高能质子与反质子相遇会湮没产生高能γ光子。

④正负电子对的单光子、双光子或三光子湮没，或束缚态湮没，会产生511千电子伏γ谱线或连续谱。由于正负电子对往往产生于高能光子和物质的相互作用过程，在物质致密区会因此而产生光子和正负电子的电磁级联过程，从而产生能量较低的非热X射线。

发展方向

高能天体物理和高能物理学、粒子物理和宇宙学有着十分密切的联系，它们相互渗透，相互促进。

例如，①1958年范曼和格尔曼提出的普适弱相互作用理论容许有 (ēve)型荷电轻子弱流的自耦合过程。隆捷科沃和丘宏义等人研究了这种自耦合过程在天体物理学上的应用，发现它们对晚期恒星的演化有重要的作用。这一结果不仅促进了恒星演化理论的深入发展，而且使人们坚信在自然界确实存在这种过程。不久前，这种自耦合过程在实验室里果然得到证实。

②按照经典理论，一切粒子只能落入黑洞之中，而不可能从黑洞内射到外面去。但是，从量子效应的观点来看，黑洞却可能成为可以发射粒子的天体。量子论和引力论的这一发展反过来又为研究强引力场中的基本粒子过程开辟了广阔的领域。

③粒子物理学的研究成果帮助人们认识到，中子星的内部可能有各种超子和π介子，这是天体物理学的一个进展。高能天体物理学从研究微观粒子的物理规律出发，研究发生在浩瀚宇宙中的宏观尺度上的种种物理现象，是联系微观世界和宇观世界的最好方法。

21世纪的前30年，高能天体物理研究的重点是:极端条件下的物理，恒星黑洞天体的证认，短时标宇宙γ射线暴，极高能宇宙线的起源，高能γ射线源，高能中微子源，暗物质和暗能量等。