中科院云南天文台天体物理专业与研究方向简介

专业介绍来源：中科院云南天文台 2021-09-03　相关院校：中科院云南天文台

天体物理专业(学术型)

【恒星研究领域】

1.双星演化的基本物理过程

天空中的恒星大约一半属于双星，大质量恒星中双星的比例可高达百分之七十。双星的两子星在引力的作用下互相绕转，并发生相互作用，使得双星演化与单星演化截然不同。双星演化解释了恒星世界的绝大多数谜团，可以形成一些重要天体如Ia型超新星、恒星级双黑洞等，与宇宙学和引力波天文学密切相关。潮汐和物质交换是双星中最常见的相互作用。双星间物质交换的动力学稳定性，以及动力学非稳定时形成的公共包层及演化过程是双星演化理论中两个基本未解问题。该研究方向主要通过建立物理模型来研究双星的两个基本未解问题，同时研究非守恒物质交换(一颗恒星丢失的物质不能被另一颗恒星完全吸积)、角动量损失方式、星风吸积等双星间发生的一些物理过程。目前，云南天文台大样本恒星演化团组成员建立了恒星绝热物质损失模型和热平衡模型，将双星快速物质损失过程中的物理结构变化与轨道系统的演化、物质交换的边界条件假设等分离，降低了研究双星快速物质交换问题时的难度和维度。

2.双星星族合成

双星星族合成是指根据恒星(双星)演化的一般规律，同时演化数百万颗恒星，得到某类或某几类恒星的总体特征，并同时追踪某些复杂恒星系统的个体行为。上世纪90年代，随着国际天文观测手段和方式的巨大改变,双星星族合成研究得到发展，并逐渐成为恒星研究一个重要学科分支。目前，双星星族合成是大数据时代下研究特殊恒星的普适方法。云南天文台大样本恒星演化组是双星星族合成研究的开拓者之一，在世界上对双星星族合成的发展做出了重要贡献，利用双星星族合成方法在钡星、热亚矮星、Ia型超新星前身星、X射线双星等特殊恒星的研究上取得了国际领先的研究成果，并推动了双星在星族、星系研究中的应用。

3.演化星族合成

由于星系距离遥远难以直接分解为恒星，只有通过比较各种星族组分的合成效果同星系的积分测光和分光特性来确定其星族组成。演化星族合成法是利用恒星演化理论得到星团或星系中具有各种初始质量和化学成分的恒星在赫罗图上随时间的分布，并将每时刻光度、有效温度等物理量通过恒星光谱库转化为观测特征量，然后在初始质量函数和恒星形成率等基本假设下，按照一定算法得到星团或星系的光谱等积分特性随时间的演化。云南天文台的演化星族合成模型和方法研究始于2000年，率先在模型中包含了双星(2004年，Yunnan 模型)，比国际上早4-5年。双星相互作用会产生一些温度非常高的天体。这些天体对星族积分光谱的短波部分有重要贡献。近年来，Yunnan模型被不断改进和优化，加入了动力学效应，被应用于近邻星系研究，包括星系参数确定、星系形成、演化、HII区等。

4.基于LAMOST、CSST的双星科学研究

我国自主研制的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)理想状态下可以同时观测4000个目标源。截止2019年3月，LAMOST已经发布了1125万条光谱数据(DR6)，其中高信噪比光谱(S/N>10)达到937万条，并同时发布了世界上最大的、包括636万组恒星参数的星表。中国空间站多功能光学设施(CSST)预计2024年发射，波长覆盖范围为255-1000 nm，有望在十年巡天的时间里获取数十亿恒星的测光数据和数亿条恒星光谱。CSST的高空间分辨率和极深的巡天深度，使得我们不仅对银河系，还可对仙女座星系、三角座星系等数百个近邻星系中的单颗恒星进行观测。该研究方向主要是通过LAMOST二期中分辨率光谱巡天5年的观测,对双星比例、双星的轨道周期分布、质量比分布及其对金属丰度、恒星光谱型的依赖关系给出全面的统计分析。基于CSST参数设置，开展CSST双星科学预研究，包括双星族的基本性质、光谱双星、双星演化形成的特殊恒星、超高速星等。

5.Ia型超新星前身星及爆炸

人们通过Ia型超新星测距，发现宇宙在加速膨胀，推出了暗能量的存在。现在，人们正在利用Ia型超新星测量暗能量的物态方程及其随时间的演化。同时，Ia型超新星还被用来验证广义相对论的基本假设，Ia型超新爆炸是星系化学演化中铁元素的主要来源。物理本质上，Ia型超新星来自于碳氧白矮星的热核爆炸。恒星演化形成的白矮星的质量峰值在0.6个太阳质量附近，远低于白矮星的最大稳定质量(钱德拉塞卡质量极限附近)。因此，白矮星需要增加质量，达到最大稳定质量极限时，在内部点燃了不稳定的热核燃烧，生成了大量的56Ni，并瞬间将整个白矮星炸碎。白矮星的质量增加过程(前身星问题)和爆炸过程是目前Ia型超新星研究领域最核心的问题。云南天文台的Ia型超新星研究主要有恒星的初始-终止质量关系(该关系决定了白矮星诞生时的质量)、白矮星吸积模型和质量增长过程、Ia型超新星爆炸抛射物与伴星的相互作用等。

6.致密天体引力波源(恒星级双黑洞、双中子星、双白矮星等)

1915年，爱因斯坦广义相对论预言了引力波的存在。引力波是物质和能量剧烈运动和变化能产生一种物质波，被称为时空的涟漪。2015年9月，人类首次成功捕获到了恒星级双黑洞并合产生的引力波信号，标志着引力波探测天文学的开启。在未来会有越来越多的引力波探测器，例如，欧洲的LISA、日本的KAGRA、中国的天琴、太极。致密双星系统是一类重要的引力波源，这类双星主要包括：双黑洞、双中子星、双白矮星、中子星-黑洞双星、白矮星-中子星双星等。这些天体，特别是黑洞、中子星，由于电磁辐射少，不易被探测到，目前探测的数量比较少。引力波探测提供了一种新的探测手段。随着引力波时代的全面到了，我们可以期待能探测到大量这些天体。致密双星是恒星(双星)演化的产物，引力波探测到大量的致密星，给恒星和双星演化提供了大量的研究对象，推动恒星和双星演化理论的发展。大样本恒星演化团组在此研究方向的研究主要包括大质量恒星和双星演化、双致密星的形成以及其星族合成研究。

7.特殊恒星(毫秒脉冲星、X射线双星、新星、热亚矮星、蓝离散星)

宇宙中一些特殊的恒星彻底颠覆了人们对恒星的很多印象。有“宇宙灯塔”之称的脉冲星可以发出类似人类“脉搏”的射电信号，该信号曾被认为可能来自外星人。有一些脉冲星的自转周期可以达到毫秒级。太空中有类似“超级CT机”的X射线双星，黑洞或中子星吸积伴星物质从而产生超强的X光。中国古代“客星”(现代天文称为新星)，能够突然出现并在一段时间后消失。恒星在演化过程中可以将整个外包层遗失变成温度高、体积小的热亚矮星，为年老的椭圆星系提供紫外辐射。被西方媒体称为“吸血鬼恒星”的蓝离散星，通过吸积伴星的物质来实现自己的“返老还童”。这些特殊恒星一般都与双星演化相关。特殊恒星为完善和检验恒星演化和双星演化理论作出了巨大贡献。该研究方向主要是通过双星演化理论和双星星族合成来研究特殊恒星的形成和演化。

8.恒星的诞生、死亡与天体化学

我们在银河中看到的恒星大都是一个个炽热的星球，但是它们都诞生于稠密分子云中的低温气体和尘埃。在它们恒星生命的最后阶段，它们又将以低温气体和尘埃的形式将很大一部分核燃烧的灰烬反馈回星际空间。在恒星的生与死这两个关键阶段，它们都宿命般地与低温星际介质相遇，完成一个生命循环，并呈现为银河系中明亮的红外和毫米波辐射源。在恒星形成区的星际气体尘埃云和演化晚期恒星的星周气体尘埃包层中，都发生着丰富的分子化学反应过程，并在天文观测中产生众多的分子谱线的辐射或吸收特征，成为示踪这些低温气体结构的物理化学状态的极佳探针。云南天文台大样本恒星演化组利用智利北部绝佳天文观测台址上的世界顶级望远镜，比如ALMA、VLTI等，开展对分子云、恒星形成区、演化晚期恒星，以及其中的天体化学现象的观测研究，解决低温气体和尘埃物质领域内的前沿科学问题，包括银河系太阳附近的中小质量恒星成团形成的模式和驱动机制、恒星演化晚期强大星风物质外流的驱动机制和规律等。

9.双星与变星

双星和变星均为宇宙中重要的时变天体。双星是天体物理研究的“实验室”，同时也是寻找系外行星和独特演化黑洞等的重要场所。当各种类型的天体如巨星、白矮星、中子星和黑洞等是密近双星的成员时，可为研究这些类型的天体提供有利条件。另外，当聚星、星团和河外星系等中出现密近双星和变星时，可以把它们的起源和这些天体系统的形成等研究结合起来。因此，双星与变星是天体物理中最具科学潜力和智力挑战性的研究领域之一。主要研究内容如下：以双星和变星为探针搜寻和研究独特演化的中子星和宇宙中潜伏的黑洞;重要演化阶段上晚型潮汐磁锁定双星的观测研究;激变双星和X射线双星等爆发天体的观测和研究。双星环境下褐矮星和系外行星的系统搜寻;聚星、星团和河外星系中的密近双星和脉动变星的观测研究;大质量双星的观测与系统研究;Ia型超新星和γ射线暴前身星的搜寻等。

【太阳研究领域】

太阳是离地球最近并且对人类最重要的一颗恒星，直接影响着现代人类的宜居生存环境。以磁场活动为特征的太阳爆发会引起地球空间环境的重大变化。日冕物质抛射形成的高密度、高速度的等离子体流及其形成的激波到达地球附近后，可引起地球磁层、电离层以及地磁场的激烈变化，形成灾害性空间天气，对日益依赖于卫星通讯、空间观测和石油电力输运的现代化社会产生危害性的影响。太阳也是唯一能让我们直接观测到磁结构细节的恒星。对太阳活动规律和机制的研究结果和研究方法也可以推广到其它天体磁活动现象的研究中, 对这些领域中的研究具有重要的指导意义。因此，开展对太阳物理的研究，不但对科学研究，而且对社会、国防和国民经济都具有非常重要的意义。

云南天文台太阳物理研究内容包括：太阳磁活动及爆发的观测研究、日冕磁场测量、太阳活动的磁流体动力学(MHD)数值模拟、以及太阳的周期性变化。太阳活动和爆发起源于太阳磁场的变化和日冕磁场结构失去平衡，是太阳大气中磁场与磁场、磁场与等离子体之间相互作用的结果和外在表现。其本质是磁场能量与其它能量之间的的转换。对太阳活动和爆发的研究涉及四个方面：爆发前后磁场拓扑结构的变化、能量转换和磁能储存;磁重联的物理本质;耀斑和CME 的动力学过程;CME 及行星际激波的传播和演化。

对太阳周期性变化的研究主要以统计的方式进行。利用统计的方法寻找信号的周期和寻找周期性信号在太阳物理研究领域内是一项经典的工作，是最受关注与重视的太阳物理研究工作之一。随着太阳观测数据的急剧增加和数学处理方法与分析手段的不断进步发展，这一工作变得越来越复杂与日益重要。作为“等离子体实验室”与恒星样本的太阳，研究其活动与变化的周期性有着重要的意义。太阳是日地空间环境的主宰，有些太阳活动周期在地球上有着明显的反映，如备受关注的全球变暖问题就与太阳11年的活动周期关系密切。

【高能天体研究领域】

高能天体物理是研究发生在宇宙天体上的高能现象和高能过程的学科，它所涉及的能量同物体静止质量的能量相当，并有高能粒子或高能光子参与。随着空间技术和基本粒子探测技术在天文观测中的广泛应用，以及高能物理对天体物理的不断渗透，高能天体物理已成为天文学的研究前沿之一，云南天文台有高能天体物理的研究队伍，开展如下研究，取得重要研究进展和成果。

1.脉冲星的研究

脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。一般认为，脉冲星是快速旋转的具有强磁场的中子星。在磁场中运动的荷电粒子产生同步-曲率辐射，形成一个与中子星一起转动的辐射波束。当这一波束扫过地球时，我们就可以观测到一个脉冲信号，这称为“灯塔”效应。

目前已观测发现了约3000颗脉冲星，其中大部分是孤立的，仅有200多颗存在于双星系统中。根据辐射能段的不同，脉冲星可分为射电脉冲星、X射线脉冲星和γ射线脉冲星等。目前在轨的Fermi伽玛射线望远镜已探测到了250多颗伽玛脉冲星，其中首次确立了毫秒脉冲星是强伽玛辐射源，对脉冲星辐射理论模型提供了强有力的约束和限制。中国的500米FAST射电望远镜是目前世界上最大最灵敏的射电望远镜，目前已发现了几百颗全新的脉冲星。脉冲星也是在建和未来大型观测设备(如LHAASO和CTA)的主要观测对象，有望探测到一批在甚高能波段具有脉冲辐射的脉冲星。

脉冲星的发现证实了对中子星的预言，在认知中子星产生的主要机制、寻找太阳系外行星系统、研究星际介质、“脉冲星”钟等方面都有重要的应用。脉冲星具有超强的磁场和引力场，被当作天然的极端物理条件实验室，可以为核物理、粒子物理、等离子体物理、量子物理、广义相对论和引力波等的研究和检验提供独特场所。此外，脉冲星也极可能与宇宙中最奇异和剧烈的爆发现象，如伽玛射线暴(GRB)和快速射电暴(FRB)都有关系。因此，脉冲星的理论和观测研究对推动天文和物理学相关领域的发展都有着极其重要的意义。

2.超新星遗迹的研究

超新星遗迹，是大质量恒星塌缩，发生灾难性爆炸后，原来恒星的包层物质被抛射到星际空间而形成。通过对这些天体的大量观测，我们能够了解超新星、前身星、以及前身星的包层的特征。根据超新星爆炸后的辐射形态，超新星遗迹一般分为两类：第一类最重要，其射电、光学、X-射线和伽玛射线辐射起源于扩展壳层，即称为壳型超新星遗迹(shell-like)。另一类是实心型或Crab-like型超新星遗迹，主要特征是遗迹中心最亮和中心存在致密天体(年轻的脉冲星)。超新星遗迹的动力学模拟和观测到的辐射形态多样性，揭示了超新星遗迹演化过程中发生丰富的宏观和微观物理过程，例如超新星的形成、前身星风的特征、星际介质的分布、星际磁场的结构、核的合成以及粒子的加速机制等。

根据超新星遗迹的射电和伽玛射线的观测特征，普遍认为超新星遗迹是膝区银河系宇宙线粒子的重要加速区域，由于超新星遗迹演化过程中产生的强激波，暗示扩散激波加速(DSA)过程是超新星遗迹加速粒子的主要过程之一。随着对超新星遗迹的X射线和高能伽玛射线的精细的观测和数据分析，发现了超新星遗迹的复杂的辐射形态和精细结构，为我们进一步开展超新星遗迹的动力学演化和粒子加速机制的细致研究提供了重要的实验数据。

3.X射线双星的研究

宇宙中大多数星体是以双星或者多星系统存在的。X射线双星(XRB)系统是双星系统的一个子类，一般是由致密星(中子星或者黑洞) 和非致密星(主序星) 组成。在X射线双星系统中，致密星通过吸积伴星的物质，主要通过辐射X 射线来释放引力势能。XRB的辐射主要来自于中心天体、多温吸积盘、高温冕中的热等离子体，以及物质抛射和喷流等。由于致密天体附近存在强引力场和强磁场，XRB成为探测广义相对论效应的一个极端物理环境实验室。对XRB的研究势必推进吸积盘，喷流等理论的发展，也是发现新的物理规律的重要途径。因此，一系列空间天文卫星都将XRB作为主要观测目标源。我国近期发射的慧眼(HXMT)卫星的一个核心科学目标就是研究XRB。

在观测上，根据爆发源的亮度、能谱形状和时变性质，XRB的爆发随着流量的增加一般会经历宁静态、低/硬态、转换态、高/软态，然后随着流量的降低再经过转换态，低/硬态，最后重新回到宁静态。虽然大部分的XRB的爆发现象都可以通过致密星周围剧烈的吸积过程来解释，但是还有好多物理问题至今尚无定论。

准周期震荡(QPO)是天体的辐射流量随时间做准周期变化的一种观测现象。XRB当中存在丰富的QPO观测现象。在丰富的QPO现象中，最引人注目的是在NS-XRB中发现了千赫兹准周期震荡(kHz QPO)。这种高频准周期震荡(HFQPO)现象很可能是探索强引力场和验证广义相对论的探针。目前对kHz QPO产生的物理机制还没有定论。

在中子星LMXB系统中，吸积到中子星表面物质(氢和氦)的不稳定燃烧而产生的爆发，称之为I型X射线暴或I型暴。I型暴是研究致密天体物理的重要探针，首先，I型暴的出现可以确定致密天体为中子星;其次，通过I型暴可以研究中子星物理。

逐渐兴起的引力波天文学也为X射线双星的研究打开了一扇新的大门。在新的引力波观测中探测到了大质量的恒星级黑洞和大质量中子星候选体，对现有的恒星演化理论和致密星的状态方程认知都提出了强有力的挑战。引力波观测极有可能帮助我们发现在理论上已经预言存在，而在电磁波段很难观测到的中子星-黑洞双星系统。

4.伽玛射线暴的研究

伽玛射线暴是宇宙中爆发最为剧烈的天体。伽玛射线暴的研究是当前天体物理研究的前沿和热点问题。伽玛射线暴在数秒至数百秒的时间之内释放出巨大的伽玛射线能量，伽玛射线暴的中心引擎和辐射机制是当前的未解之谜。伽玛射线暴的辐射不仅包括伽玛波段，还包括射电波段、光学波段、X射线波段和甚高能波段，伽玛射线暴的多波段观测和理论研究是这一研究领域的重要方向。特别是，甚高能波段的伽玛射线暴的观测和理论研究和我国当前正在研制的切伦科夫望远镜密切相关。伽玛射线暴是宇宙学距离的天体，伽玛射线暴的研究和宇宙中不同时期的恒星形成和演化紧密联系。近年来，LIGO/VIRGO探测到的引力波事件GW70817的电磁对应体正是伽玛射线暴，引力波电磁对应体的多波段观测和理论研究也是我们重要的研究方向。

5.活动星系核及宿主星系的研究

活动星系核是宇宙中一类明亮的天体，可以在百万年的时间上，相对稳定地输出巨大能量，其亮度远超过了整个银河系的亮度。活动星系核中心有超大质量黑洞、吸积盘、宽发射线区、窄发射线区、尘埃环等物理结构，中心黑洞质量可以达到106—1010M⊙(M⊙是太阳质量)，在中心黑洞的引力作用下，气体、尘埃等旋转着往黑洞下落，这些下落物质的角速度在不同半径处有差异，产生了摩擦，从而将引力势能转换成气体内能，并产生了一个盘状的结构-吸积盘，吸积盘的高温气体产生了可观测的热辐射。黑洞是看不到的，只能通过观测其吸积盘辐射，间接地研究黑洞。2019年4月，我们采用事件视界望远镜联合观测研究得到人类首张超大质量黑洞照片。超大质量黑洞的观测和理论研究也是我们开展高能天体物理研究的重要内容。

活动星系核中心可能存在超大质量双黑洞系统，通常认为是两个活动星系核带着各自的中心黑洞，通过宿主星系并合，最终形成一个活动星系核，两个黑洞形成一个相互绕转的双黑洞系统，这个双黑洞系统能够产生一些奇特的观测现象，如周期性光变，观测与理论预言相符。

可以通过气体运动学、恒星运动学和动力学等方法测量近邻星系中的黑洞质量MBH。目前，反响映射法是测量MBH的常用方法。反响映射法给出的宽发射线半径与望远镜干涉观测到的半径结合，可以用来研究宇宙学模型及其参数。

对于近邻星系，黑洞质量MBH与宿主星系的核球恒星速度弥散σ*之间有相关关系，它反映了宿主星系与中心黑洞的协同演化。这种协同演化是天体物理研究的前沿与热点。

活动星系核中有一个特殊子类-耀变体(blazar)，这类源有喷流，尺度可达到百万光年，从射电到伽玛射线都有很强的辐射，认为是喷流中的相对论粒子的非热辐射，有的喷流还观测到了视超光速现象。喷流与中心黑洞密切相关，是研究黑洞物理的一个重要途径。

6.活动星系核与伽玛射线天文的研究

活动星系核是最主要的河外伽玛射线源。目前，Fermi望远镜探测到了数千个GeV伽玛射线活动星系核，地面的大气成像切伦科夫望远镜探测到了大约80个TeV伽玛射线活动星系核。活动星系核也是在建和未来大型探测设备(如LHAASO和CTA)的主要观测对象。活动星系核的伽玛射线是研究喷相对论流物理和超大质量黑洞-喷流系统的重要信息。此外，活动星系核的伽玛射线辐射也可用来开展宇宙学参数(如哈勃常数)的限制、星系际磁场的限制和新物理的探索等。

宇宙学参数的限制：活动星系核的伽玛射线光子在传播过程与红外-紫外背景光(EBL)相互作用(满足阈值)从而被吸收，这个吸收效应会在伽玛射线谱上留下痕迹，并且它与源的距离有关，距离越远吸收越明显。而源的距离又与宇宙学参数相关，即该吸收效应与宇宙学参数关联。通过GeV-TeV的观测可以很好得确定活动星系核伽玛射线谱中EBL的吸收效应，从而对宇宙学参数的进行限制。这提供了一个独立测量宇宙学参数的方法，有助与解决“哈勃常数危机”。

星系际磁场的限制：活动星系核的TeV辐射在传播过程中与EBL作用会产生高能正负电子对，它们通过逆康普顿散射宇宙微波背景光子产生GeV辐射。星系际磁场会偏转这些电子对，从而调制次级GeV辐射。因此，利用Fermi望远镜的观测可以限制星系际磁场。

新物理的探索：洛伦兹不变是现代物理的基础之一，是量子场论中的基本对称性，但是在一些量子引力理论中，洛伦兹不变在普朗克能级尺度上可能被打破。洛伦兹不变破缺可以改变光子-光子相互作用的阈值，从而改变活动星系核伽玛射线辐射的不透明性，这使我们可以在活动星系核的伽玛射线能谱中寻找洛伦兹不变破缺的线索。

【系外行星领域】

中国科学院云南天文台在太阳系外行星领域的研究包括巡天探测、凌食中间时刻变化(TTV)和凌食持续时间变化(TDV)分析、透射光谱、主星和行星的磁场相互作用、行星大气等课题。通过与香港天文学会合作，我们在云南天文台丽江观测站建设了45cm云南-香港宽视场巡天望远镜。该设备从2016年开始正式运行以搜寻新的凌食系外行星系统，目前已经发现了10多颗凌食系外行星候选体以及200多颗其它类型的变源。通过与韩国天文学与空间科学研究所(KASI)合作，利用丽江观测站2.4米望远镜附加高色散光纤摄谱仪和韩国BOAO1.8米望远镜附加BOES摄谱仪开展了系外行星的精确视向速度搜寻工作，已经发现若干颗系外行星候选源。利用TTV和TDV技术分析空间望远镜Kepler和TESS的数据以及地面望远镜的观测数据，发现和确认了4颗系外行星。目前，正在利用高、中、低色散的光谱观测手段研究主星和行星的磁场相互作用以及系外行星的大气性质，使用和计划申请使用的望远镜包括丽江观测站2.4米望远镜、国家天文台兴隆基地2.16米望远镜、BOAO1.8米望远镜、CAHA3.5米望远镜、CFHT3.6米望远镜、中国的2米空间望远镜CSST等。已经与英国、法国、德国、韩国、芬兰等国的相关研究团队建立了稳定的合作伙伴关系。