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物理所实验室天体物理研究取得新进展

  物理实验室天体物理学取得新进展

  近日,中国科学院物理研究所张杰研究组和国内外科学家,利用高能激光系统在实验室实现了黑洞等密集的辐射场条件,天体周围都有携带对光电离过程和黑洞周围发射的X射线辐射进行了详细的实验室研究,取得了新的成果。天体物理学的研究,传统的方法包括观测和理论建模。观测不同频段的天体必须依靠大型的地面望远镜或太空望远镜。在过去的20年里,以1990年哈勃望远镜的轨道观测为标志,人类天文学和天体物理学研究进入了一个新的阶段。例如,哈勃望远镜和其他太空望远镜第一次可以观察到SN-1987在红外,可见和x /γ波段爆发的早期演变。基于已知的天体物理基本定律,科学家们可以通过大型计算机来推断天体的演变。然而,许多关于天体和天文现象的研究部分是由于观测资料太稀缺,对其性质的研究仅限于猜测;有些离地球太远的地方要观察;有些是由于进化的时间长,当时很难有更全面的认识。单靠天体物理研究,观测和理论模拟是不够的。随着高能激光系统的引入,科学家们能够在实验室中获得极端的物理实验条件。这种实验条件是史无前例的,可用于模拟某些具有代表性的天体的内部和/或周围环境,使科学家能够对实验室天体物理学中的许多重要和关键问题进行深入细致的研究。这导致了一个新的研究领域 - 高能密度实验室天体物理学(HEDLA)。 HEDLA自成立以来,已经显示出其生命力,并在多个方面进行了激动人心的探索。如对物质状态方程的研究,对行星内部结构具有重要意义,对超新星爆炸过程中流体力学的研究,以及对射流现象进行天文观测的物理机制等进行研究。最近HEDLA的热门话题之一是研究紧凑的物体,如吸积盘和附近存在的光电离等离子体。这些密集的物体可能是黑洞或中子星,因此受到特别关注。鉴于高能密度实验室天体物理的重要性,国家火炬计划项目(NIF)也将实验室天体物理作为研究的重要方向之一,早在2000年,张杰院士中国科学院国家天文台研究员赵刚共同提出利用高功率密度激光产生类似的天体物理条件,并深入研究了实验室的天体物理现象和规律。多年来,由张杰院士和赵刚研究员带领的研究小组与国际合作者一起,就各种课题进行了实验,理论研究和数值模拟,例如利用SG产生对流等离子体来研究由等离子体碰撞;研究由等离子体自生产生的高马赫等离子体射流磁场重新连接和释放;激光与平薄目标之间的相互作用导致X射线辐射场的近似普朗克分布产生等离子体加热,消除等离子体温度和密度梯度,使等离子体保持局部热力学平衡;通过使用金腔靶产生均匀的X射线照射样品,他们研究了随着时间的推移泡沫等离子体的SiO2演变特征。在同一领域,一些科学家使用z箍缩装置来产生X射线辐射源来研究光电离等离子体的性质。但是,这些X射线源的温度大于100-200eV。在天体物理学研究中,一般来说,恒星的内部和冠状区域是碰撞电离的主要模式。等离子体的这种条件下,最高的电离电离能只是其电子温度的几倍。然而,致密物体周围的冷等离子体的电离过程主要是光电离过程,电离态主要取决于它所在的辐射场而不是其自身的电子温度。由于实验室缺乏现成的高温X射线辐射源,科学家们无法生成适当频带的标准光谱。因此,很难解决来自不同致密天体的X射线卫星发射谱的结构不一致问题。这种情况阻碍了科学家对吸积盘基本特性的理解。张杰院士物理研究小组与日本和中国的科学家合作,在过去的几年中,利用上海大功率激光物理学国家实验室的“SGⅡ”和日本的大阪大学的“Gekko XII”等强烈的激光装置,在实验室制作了类似的黑洞或其他密集的天体,围绕光电离过程在黑洞周围发生的物理条件,射线辐射进行了详细的实验室研究,使得科学家能够详细研究在实验室极端条件下可能的竞争物理过程,为天文学家解释观测到的X射线谱和提供与天体物理学有关的计算机程序A验证平台。
使用“Gekko XII”的初步成果已经在国际上发表科学与技术权威“自然物理学”(自然物理学5,821(2009)]。着名的美国实验室天体物理学家RP Drake在同一期杂志中,专门为复习的结果(Highlight)如何看到一个黑洞。探索了GEKKO-XII的实验布局。本实验的一个重要突破就是对称驱动4±0.2kJ和3TW的12个激光束,驱动直径为505±5μm,壁厚为6.4的CH靶球±0.1μm,导致峰值温度接近1keV,平均温度约为0.48keV的X射线辐射场,从而在实验室内实现了黑洞周围其他紧凑的天体辐射场条件,如图2气体周围的致密天体采用10ns,低光强5×1010W / cm2的激光脉冲来模拟等离子体Si目标产生的等离子体。经过8ns-10ns的膨胀后,等离子体电子温度降低到约25eV,电子密度降低到约5×1019cm-3。如此低的电子密度和温度,粒子与粒子之间的碰撞在短时间内不占主导地位;扩散等离子体的平均电离态在Si6 +和Si8 +之间,CH靶球内爆所产生的温度为0.48keV X射线辐照场后,对He样硅Kα线( 1.860 keV)的X射线发射光谱,如图3所示。这个谱线与观测到的二元体系X射线谱对应有些非常相似,如Cygnus X-3和Vela X-1。但实验科学家利用详细的非LTE模型分析了频谱成分的特性,却给出了不同的解释和天体物理学家。科学家认为,根据结果,人们对于紧凑物体周围物质结构的理解可能需要做一些校正
图片:实验布局:激光靶的辐射场驱动球,以及预等离子体的每个实验
图像元素的位置:2。图2:平均温度
图3:实验感测到的等离子光电离体线(点与误差),与理论曲线(线调谐) >
 

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