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高能天文學

指数 高能天文學

能天文學是研究天體所釋放的高能量電磁波的一個天文學分支。高能天文學包含伽馬射線天文學、X射线天文学和極紫外線天文學;並且也研究微中子和宇宙射線。而這些物理現象的研究也常被稱為高能天文物理學。.

21 关系: 天壇陣列宇宙線中子星中微子伽玛射线暴伽馬射線天文學冰立方微中子天文台国际伽玛射线天体物理实验室紫外線天文學罗西X射线计时探测器高能立體視野望遠鏡费米伽玛射线空间望远镜超新星超新星遗迹黑洞钱德拉X射线天文台電磁波X射线天文学XMM-牛顿卫星活动星系核朱雀卫星

天壇陣列

天壇陣列(Askaryan Radio Array,縮寫:ARA)是一種設計作為偵測每年只能偵測到極少數的GZK極限微中子的微中子偵測陣列。該陣列量測的是微中子和南極冰棚的冰交互作用時發射出的增益無線電波。該偵測器是基於前蘇聯亞美尼亞物理學家古爾根·阿斯卡瑞安提出的阿斯卡瑞安效應進行偵測。 該偵測技術也用於南極瞬態脈衝天線(Antarctic Impulse Transient Antenna, ANITA)和無線電波冰層契倫可夫實驗(Radio Ice Cerenkov Experiment, RICE)的偵測器。ARA 的儀器將建立在冰立方微中子天文台周圍,覆蓋範圍達到100平方公里。.

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宇宙線

宇宙線亦稱為宇宙射线,是來自外太空的帶電高能次原子粒子。它們可能會產生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。射線這個名詞源自於曾被認為是電磁輻射的歷史。主要的初級宇宙射線(來自深太空與大氣層撞擊的粒子)成分在地球上一般都是穩定的粒子,像是質子、原子核、或電子。但是,有非常少的比例是穩定的反物質粒子,像是正電子或反質子,這剩餘的小部分是研究的活躍領域。 大約89%的宇宙線是單純的質子,10%是氦原子核(即α粒子),還有1%是重元素。這些原子核構成宇宙線的99%。孤獨的電子(像是β粒子,雖然來源仍不清楚),構成其餘1%的絕大部分;γ射線和超高能微中子只佔極小的一部分。 粒子能量的多樣化顯示宇宙線有著廣泛的來源。這些粒子的來源可能是太陽(或其它恆星)或來自遙遠的可見宇宙,由一些還未知的物理機制產生的。宇宙線的能量可以超過1020 eV,遠超過地球上的粒子加速器可以達到的1012至1013 eV,使許多人對有更大能量的宇宙線感興趣而投入研究。 經由宇宙線核合成的過程,宇宙線對宇宙中鋰、鈹、和硼的產生,扮演著主要的角色。它們也在地球上產生了一些放射性同位素,像是碳-14。在粒子物理的歷史上,從宇宙线中發現了正電子、緲子和π介子。宇宙線也造成地球上很大部份的背景輻射,由於在地球大氣層外和磁場中的宇宙線是非常強的,因此對維護航行在行星際空間的太空船上太空人的安全,在設計有重大的影響。.

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中子星

中子星(neutron star),是恒星演化到末期,經由引力坍縮發生超新星爆炸之後,可能成為的少數終點之一。恆星在核心的氫、氦、碳等元素於核聚变反應中耗盡,当它们最终轉變成鐵元素時便無法从核聚变中获得能量。失去熱輻射壓力支撐的外圍物質受重力牽引會急速向核心墜落,有可能导致外壳的動能轉化為熱能向外爆發產生超新星爆炸,或者根据恒星质量的不同,恒星的内部区域被压缩成白矮星、中子星或黑洞。白矮星被压缩成中子星的過程中恒星遭受劇烈的壓縮使其組成物質中的電子併入質子轉化成中子,直徑大約只有十餘公里,但上面一立方厘米的物質便可重達十億噸,且旋轉速度極快。由於其磁軸和自轉軸並不重合,磁場旋轉時所產生的無線電波等各种辐射可能會以一明一滅的方式傳到地球,有如人眨眼,此時稱作脈衝星。 一顆典型的中子星質量介於太陽質量的1.35到2.1倍,半徑則在10至20公里之間(質量越大半徑收縮得越小),也就是太陽半徑的30,000至70,000分之一。因此,中子星的密度在每立方公分8×1013克至2×1015克間,此密度大約是原子核的密度。 緻密恆星的質量低於1.44倍太陽質量,則可能是白矮星,但质量大於奧本海默-沃爾可夫極限(3.2倍太陽質量)的恆星会继续發生引力坍縮,則無可避免的將產生黑洞。 由於中子星保留母恆星大部分的角動量,但半徑只是母恆星極微小的量,轉動慣量的減少導致轉速迅速的增加,產生非常高的自轉速率,周期從毫秒脈衝星的700分之一秒到30秒都有。中子星的高密度也使它有強大的表面重力,強度是地球的2×1011到3×1012倍。逃逸速度是將物體由重力場移動至無窮遠的距離所需要的速度,是測量重力的一項指標。一顆中子星的逃逸速度大約在10,000至150,000公里/秒之間,也就是可以達到光速的一半。換言之,物體落至中子星表面的速度也將達到150,000公里/秒。更具體的說明,如果一個普通體重(70公斤)的人遇到中子星,他撞擊到中子星表面的能量將相當於二億噸TNT當量的威力(四倍於全球最巨大的核彈大沙皇的威力)。.

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中微子

中微子(Neutrino,其字面上的意義為「微小的電中性粒子」,又譯作--)是一种电中性的基本粒子,自旋量子數為½,以希腊字母ν标记。现在已经有证据表明其具有质量。但其质量即使相比于其他亚原子粒子也是非常微小的。它可能是现在唯一一种已探测到的暗物质,是一种热暗物质。 中微子与电子、μ子以及τ子同属轻子,有三种“味”:电中微子()、μ中微子()以及τ中微子()。每种味的中微子都相应存在一种同样电中性且自旋量子數為½的反中微子。在标准模型中,中微子的产生过程遵循轻子数守恒定律。 由于中微子是电中性的,同时还是一种轻子,因而其并不参与电磁相互作用以及强相互作用。其只参与弱相互作用以及引力相互作用。 由于弱相互作用作用距离非常短,而引力相互作用在亚原子尺度下又是十分微弱的,因而中微子在穿过一般物质时不会受到太多阻碍,且难以检测。 中微子可以通过放射性衰变以及核反应等多种方式产生。由于太阳内部时时刻刻都在发生着核反应,而超新星产生等过程也会伴随着剧烈的核反应,因而在宇宙射线中可以检测到中微子的存在。地球附近所检测到的中微子大多来源于太阳。事实上,地球面向太阳的区域每秒钟在每平方厘米上都会穿过大约650亿个来自太阳的中微子。 人们现在认识到中微子在飞行过程中会在不同味间振荡,比如β衰变中产生的电中微子可能在检测时会变为μ中微子或τ中微子。这一现象表明中微子具有质量,且不同味的中微子的质量也是不同的。依据现在宇宙学探测的数据,三种味的中微子质量之和小于电子质量的百万分之一。.

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伽玛射线暴

伽玛射线暴(Gamma Ray Burst,缩写GRB),又称伽玛暴,是来自天空中某一方向的伽玛射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象,持续时间在0.01-1000秒,辐射主要集中在0.1-100 MeV的能段。伽玛暴发现于1967年,数十年来,人们对其本质了解得还不很清楚,但基本可以确定是发生在宇宙学尺度上的恒星级天体中的爆发过程。伽玛暴是目前天文学中最活跃的研究领域之一,曾在1997年和1999年两度被美国《科学》杂志评为年度十大科技进展之列。.

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伽馬射線天文學

伽馬射線天文學是指以伽馬射線研究宇宙的天文學分支。伽馬射線是可穿透整個宇宙的電磁波中最高能量的波段,也是電磁波譜中波長最短的部分。 伽馬射線可由太空中的超新星、正電子湮滅、黑洞形成、甚至是放射衰變產生。例如超新星SN 1987A就發射了來自超新星爆炸的放射性產物鈷56釋放的伽馬射線。大多數天體釋放的伽馬射線一般認為並非來自放射衰變,而是和X射线天文学一樣來自加速的電子、電子和正電子作用(但因為能量較高而產生伽馬射線)。.

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冰立方微中子天文台

#重定向 IceCube微中子觀測站.

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国际伽玛射线天体物理实验室

国际伽玛射线天体物理实验室(International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory,缩写为INTEGRAL)是欧洲宇航局研制的伽玛射线天文卫星,于2002年10月17日在俄罗斯位于哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天中心用质子号火箭发射升空,运行在近地点9,000公里、远地点155,000公里的椭圆轨道上。该卫星是美国宇航局康普顿伽玛射线天文台的继任者,主要工作是在软X射线波段进行巡天,并获取伽玛射线源的高分辨率图像。卫星上同时安装了X射线望远镜和光学望远镜,以便对目标进行多波段联合观测。 国际伽玛射线天体物理实验室的卫星平台采用了与XMM-牛顿卫星相同的构造,这样做的好处是节省了成本。卫星上携带的主要科学仪器有:.

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紫外線天文學

紫外線天文學是研究天體紫外線輻射的天文學分支學科;觀測電磁波波長大約在100到3200埃之間 。波長更短和能量更高的電磁波則屬X射線天文學和伽馬射線天文學的範圍。因為這個範圍波長的輻射無法穿透地球大氣層,必須以太空望遠鏡觀測。 天體的紫外線光譜可用來了解星際介質的化學成分、密度以及溫度;以及高溫年輕恆星的溫度與組成。星系演化的訊息也可從紫外線觀測得知。 以紫外線觀測天體的結果會與光學觀測有很大的差異。許多在光學觀測上相對溫度較低的恆星在紫外線觀測時卻顯示是高溫天體,尤其是在演化階段早期或晚期恆星。如果人眼可看到紫外線,我們所看到的夜空大部分的天體將會比現在黯淡許多。我們將能看到年輕的巨大恆星或年老恆星與星系。且許多銀河系中的分子雲和塵埃將阻擋許多天體。 目前主要的紫外線太空望遠鏡是哈伯太空望遠鏡和遠紫外分光探測器。探空火箭與太空梭也可進行紫外線觀測。.

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罗西X射线计时探测器

罗西X射线计时探测器(Rossi X-ray Timing Explorer,缩写为RXTE)是美国宇航局于1995年12月30日发射的一颗X射线天文卫星,目的在于探测X射线源的快速光变。它的特点是不能成像,但是具有良好的时间分辨本领、较宽的波段和较大的接收面积。 罗西X射线计时探测器上携带的主要科学仪器有:.

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高能立體視野望遠鏡

能立體視野望遠鏡(High Energy Stereoscopic System 或 H.E.S.S.)是新世代的大氣契倫可夫影像望遠鏡(IACT)系統,用來研究能量從100G至1TeV,來自宇宙的γ射線。縮寫被選擇用來紀念開啟宇宙線觀測的維克托·赫斯。 這個名稱也強調望遠鏡的兩個主要特點,一是用幾架望遠鏡在不同的視角下同時觀測大氣簇射,二是望遠鏡的組合可以成為一個大的系統,可以有效的增加觀測γ射線的面積。H.E.S.S.允許在探索蟹狀星雲的γ射線時,可以分辨出數千個不同流量的強度。 H.E.S.S.座落在西南菲納米比亞,靠近Gamsberg的Cranz家族農場,是一個光學品質絕佳的場所。H.E.S.S.計畫第一階段有4架望遠鏡,在2002年開始運作,在2003年12月4架望遠鏡都開始運作。 在2004年,H.E.S.S.是首先嘗試IACT解析出空間中來自宇宙的γ射線來源。 在2005年,H.E.S.S.宣布找到了8個新的高能γ射線源,使已知的來源數量加倍。有兩個這樣的來源不能與已知的超新星殘骸或波霎對應,增加了新物理和存在一些"暗天體"的可能性。.

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费米伽玛射线空间望远镜

費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope,原名Gamma-ray Large Area Space Telescope, GLAST,大面積伽瑪射線太空望遠鏡)是在地球低軌道的伽馬射線天文學太空望遠鏡。此望遠鏡是用來進行大面積巡天以研究天文物理或宇宙論現象,如活躍星系核、脈衝星、其他高能輻射來源和暗物質。另外,該衛星搭載的伽瑪射線爆監視系統(Gamma-ray Burst Monitor, GBM)可用來研究伽瑪射線暴。 GLAST在格林尼治標準時間2008年6月11日16:05由Delta II 7920-H火箭發射。本任務是由美國國家航空暨太空總署、美國能源部、德國、法國、義大利、日本、瑞典政府機關聯合執行。NASA宣布2008年8月2日公開徵求GLAST一個可以「讓大眾注意與喚起對伽馬射線天文學和高能天文學重視」的新名字。.

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超新星

超新星是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸都极其明亮,过程中所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系,并可持续几周至几个月才会逐渐衰减变为不可见,而期间内一颗超新星所辐射的能量可以与太阳在其一生中辐射能量的总和相當。恒星通过爆炸会将其大部分甚至几乎所有物质以可高至十分之一光速的速度向外抛散,并向周围的星际物质辐射激波。这种激波会导致形成一个膨胀的气体和尘埃构成的壳状结构,这被称作超新星遗迹。超新星是星系引力波潛在的強大來源。初級宇宙射線有很大的比例來自超新星 。 超新星比新星更有活力。超新星的英文名稱為 supernova,nova在拉丁語中是“新”的意思,這表示它在天球上看上去是一顆新出現的亮星(其實原本即已存在,因亮度增加而被認為是新出現的);字首的super-是為了將超新星和一般的新星有所區分,也表示超新星具有更高的亮度。超新星這個名詞是沃爾特·巴德和弗裡茨·茲威基在1931年創造的。 超新星可以用兩種方式之一觸發:突然重新點燃核融合之火的簡併恆星,或是大質量恆星核心的重力塌陷。在第一種情況,一顆簡併的白矮星可以透過吸積從伴星那兒累積到足夠的質量,或是吸積或是合併,提高核心的溫度,點燃碳融合,並觸發失控的核融合,將恆星完全摧毀。在第二種情況,大質量恆星的核心可能遭受突然的引力坍縮,釋放重力位能,可以創建一次超新星爆炸。 最近一次觀測到銀河系的超新星是1604年的克卜勒之星(SN 1604);回顧性的分析已經發現兩個更新的殘骸 。對其它星系的觀測表明,在銀河系平均每世紀會出現三顆超新星,而且以現在的天文觀測設備,這些銀河超新星幾乎肯定會被觀測到 。它們作用的角色豐富了星際物質與高質量的化學元素。此外,來自超新星向外膨脹的激波可以觸發新恆星的形成。.

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超新星遗迹

超新星遗迹(Supernova remnant,缩写为SNR)是超新星爆发时抛出的物质在向外膨胀的过程中与星际介质相互作用而形成的延展天体,形状有云状、壳状等,差异很大。截至2006年,已经在银河系中发现了200余个超新星遗迹,在大麦云、小麦云、M31、M33 等邻近的河外星系中也有发现。.

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黑洞

黑洞(英文:black hole)是根據廣義相對論所推論、在宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體和星體(並非是一般認知的「洞」概念)。黑洞是由質量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗盡後,發生引力坍缩而形成。黑洞的質量是如此之大,它产生的引力场是如此之强,以致于大量可測物质和辐射都无法逃逸,就連传播速度極快的光子也逃逸不出來。由于类似热力学上完全不反射光线的黑体,故名黑洞。在黑洞的周圍,是一個無法偵測的事件視界,標誌著無法返回的臨界點,而在黑洞中心有一個密度趨近於無限的奇異點。 當恆星內部氫元素全部核融合完畢時,因燃料用完無法抵抗自身重力而開始向內塌陷,但隨著壓力越來越高,內部的重元素會重新開始燃燒導致瞬間膨脹,這時恆星的體積將暴增至原先的數十倍至百倍,這便是紅巨星,質量更大的恆星則會發生超新星爆炸,無論是紅巨星或是超新星,都會將外部物質全部吹飛,直到連重元素也燒完時,重力又會使得恆星繼續向內塌陷,最後形成一顆與月球差不多大小的白矮星,質量稍大的恆星則會形成中子星,會放出規律的電磁波,至於質量更大的恆星則會繼續塌陷,強大的重力使周圍的空間產生扭曲,最後形成一個密度每立方公分約一億噸的天體:「黑洞」。直至目前為止,所發現質量最小的黑洞大約有3.8倍太陽質量。 黑洞無法直接觀測,但可以藉由間接方式得知其存在與質量,並且觀測到它對其他事物的影響。藉由物體被吸入之前因高熱而放出紫外線和X射線的「邊緣訊息」,可以獲取黑洞的存在的訊息。推測出黑洞的存在也可藉由間接觀測恆星或星際雲氣團繞行黑洞軌跡,來取得位置以及質量。 黑洞是天文物理史上,最引人注目的題材之一,在科幻小說、電影甚至報章媒體經常可見將黑洞作為素材。迄今,黑洞的存在已得到天文學界和物理學界的绝大多數研究者所認同,並且天文界不時提出於宇宙中觀測到已存在的黑洞。 根據英國物理學者史蒂芬·霍金於2014年1月26日的論據:愛因斯坦的重力方程式的兩種奇點的解,分別是黑洞跟白洞。不過理論上黑洞應該是一種「有進沒出」的天體,而白洞則只能出而不能進。然而黑洞卻有粒子的輻射,所以不再適合稱其名為黑洞,而應該改其名為「灰洞」,先前認為黑洞可以毀滅資訊情報的看法,是他「最大的失誤」。.

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钱德拉X射线天文台

钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory,缩写为CXO),是美国宇航局(NASA)于1999年发射的一颗X射线天文卫星,以美国籍印度物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡命名,為大型轨道天文台计划的第三颗卫星,目的是观测天体的X射线辐射。其特点是兼具极高的空间分辨率和谱分辨率,被认为是X射线天文学上具有里程碑意义的空间望远镜,标志着X射线天文学从测光时代进入了光谱时代。.

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電磁波

#重定向 电磁辐射.

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X射线天文学

X射线天文学是以天体的X射线辐射为主要研究手段的天文学分支。X射线天文学中常以电子伏特(eV)表示光子的能量,观测对象为0.1keV到100keV的X射线。其中又将0.1keV-10keV的X射线称为软X射线,10keV-100keV称为硬X射线。由于X射线属于电磁波谱的高能端,因此X射线天文学与伽玛射线天文学同称为高能天体物理学。 宇宙中辐射X射线的天体包括X射线双星、脉冲星、伽玛射线暴、超新星遗迹、活动星系核、太阳活动区,以及星系团周围的高温气体等等。由于地球大气层对于X射线是不透明的,只能在高空或者大气层以外观测天体的X射线辐射,因此空间天文卫星是X射线天文学的主要工具。.

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XMM-牛顿卫星

XMM-牛顿卫星(X-ray Multi-Mirror Newton)是欧洲空间局1999年发射的一颗X射线天文卫星,具有极高的谱分辨本领。 XMM-牛顿计划始于1984年,1997年3月开始建造,原名为“高通量X射线分光任务”(The High-Throughput X-ray Spectroscopy Mission),为了纪念发明了分光镜的Isaac Newton而命名XMM-牛顿卫星,其中XMM是X-ray Multi-Mirror Mission(X射线多镜面任务)的缩写。1999年12月10日,XMM-牛顿卫星在法属圭亚那的库鲁发射场用-zh-hans:阿里亚娜5型火箭; zh-hant:亞利安五號火箭;-发射升空。它的轨道是椭圆形,近地点7,000公里,远地点114,000公里,轨道倾角40度,周期48小时。XMM-牛顿卫星原计划寿命为两年,但是至少 将延長任務期至2010年。 XMM-牛顿卫星重3.8吨,长10米,太阳能电池帆板展开后宽16米。卫星上搭载的主要科学仪器有:.

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活动星系核

活动星系核(Active Galactic Nucleus,縮寫為AGN)是一个星系中央區有比普通的星系的强烈很多的光度,至少部分波段或甚至可能全部波段裡都發出很强的電磁波譜。被观察到的发射覆盖從無線電波,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,到伽瑪射線。光度大约在1036-1041J/s之間。容纳活动星系核的宿主星系為活躍星系。活躍星系核是這些星系明亮的核心部分,尺度通常在1光年上下,只占整個活躍星系的很小一部分。活动星系核(AGN)是在宇宙中的电磁辐射的最明亮的持久性的来源,并且因此可以被用作发现远方天体的方法;其演化的宇宙时间函数也设置了宇宙模型的制约条件。 另外,亦有研究顯示活躍星系核的能量可能源自星系碰撞。 1960年代類星體發現以來,又相繼發現了許多具有類似特徵的天體,都是系外星系,統稱為活躍星系核。 共同观测特征主要有:.

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朱雀卫星

朱雀卫星(Suzaku),原名Astro-E2,是日本宇宙航空研究开发机构联合日本多所大学,以及美国宇航局共同研制的一颗X射线天文卫星,是日本发射的第5颗X射线天文卫星,主要目的在于研究宇宙中发出X射线辐射的等离子体的性质、星系团的演化,以及活动星系核周围的物理过程等等。该卫星于2005年7月10日在鹿儿岛航天中心用M5火箭发射升空,用于替代2000年2月发射失败坠入太平洋的Astro-E卫星。 朱雀卫星重1680公斤,运行在高度约570公里的近圆形轨道。主要仪器为:.

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