如何研究天體物理學

1. 高能天體物理學的觀測研究

觀測和研究表明，銀河系中最強的X射線輻射來自於包含有一顆緻密星和一顆光學主序星的密近雙星系統，其中的緻密星體積很小、可以是質量為太陽質量三分之一的中子星，或大於三倍太陽質量的黑洞，其強大的引力吸引著光學主星的表面物質和周圍氣體，形成一個吸積盤。吸積盤物質被黏滯加熱至高溫等離子體態，在緻密星附近產生和發射X射線，所以雙星X射線源大多是熱輻射天體，光度量級1030焦/秒。而且，由於光學主星的軌道運動，視向的X射線輻射會有軌道周期的掩食效應。另一類X射線強源發生在磁中子星上，具有強磁場的中子星可是密近雙星中的緻密星，如武仙座X-1；也可是超新星遺跡中的射電脈沖星，如蟹狀星雲脈沖星。輻射來自極冠處高能電子在強磁場中的同步輻射，視向強度受到中子星的自轉周期的調制，這類天體也被稱作X射線脈沖星或γ射線脈沖星。蟹狀星雲脈沖星的33毫秒周期性脈沖輻射一直延續到10千兆電子伏以上，證明這顆中子星極冠處的磁場強度達到了1012高斯。類星體和活動星系核是銀河系外星系尺度上的強X射線發射體，光度范圍1036—1040焦/秒，如果用巨型黑洞的吸積模型解釋類星體和活動星系核的強大的能量釋放現象，由於有較強的穿透率，X射線的發射即可反映其核心深處的作用規律，接近10千電子伏的X射線發射區已在吸積流進入黑洞視界前的最後穩定區。宇宙γ射線暴是近30年來最有吸引力的一類高能輻射現象，它們的短時標、隨機出現的輻射特徵很難判定其距離。1997年以來，觀測到40多例γ射線暴宿主星系的紅移，從而可斷定在地球附近觀測到的持續時間較長的一類宇宙γ射線暴，起源於銀河系外遙遠星系內恆星尺度的爆發，對因此而無法解釋的巨大能量的釋放可用帶噴注的火球模型解釋。宇宙中高於100兆電子伏的高能γ射線輻射被認為與早期宇宙演化以及極高能宇宙線（E接近1021電子伏）的傳播行為有密切聯系。宇宙線與星際氫分子雲的相互作用能夠解釋銀河系盤面上很強的彌漫γ射線輻射。逆康普頓散射在許多天體條件下是解釋高能γ射線產生的重要機制之一。
能夠到達地球附近的宇宙線稱做初級宇宙線，宇宙線核子在其產生及傳播過程中，不斷受到各種磁場，包括星系際和星際磁場的偏轉和加速作用，初級宇宙線失去了原來的方向，只有在1018電子伏以上的極高能區才有可能保留下原始的信息。現在比較共識的是「費米加速機制」和銀河系的漏箱模型：宇宙線核子起源於恆星演化晚期的超新星爆發；能量低於1015電子伏的初級宇宙線以質子成分為主，主要來自於銀河系內；能量高於1015電子伏的質子會從銀河系中「漏」出，初級宇宙線中重核的比例增加；高於1018電子伏的極高能宇宙線應該起源於銀河系外，能譜在1021電子伏以上應該有截斷。