天文英才班本科生利用慧眼卫星发现中子星辐射新的变化规律

2021-03-28 10:50:24

最近著名的国际高水平学术期刊、天文学顶级杂志《英国皇家天文学会月刊(MNRAS,IF=5.36)》日前刊发武汉大学天体物理中心和中科院高能物理研究所合作利用中国慧眼卫星完成的标题为《QPOs and Orbital elements of X-ray binary 4U 0115+63 during the 2017 outburst observed by Insight-HXMT》的学术论文。武汉大学弘毅学堂及天文英才班2018级本科生丁远泽是第一作者,物理科学与技术学院王伟教授为通讯作者,物理科学与技术学院张平博士为合作者。该成果是武汉大学高能天体物理团队对慧眼卫星科学成果又一重要贡献。

X射线双星准周期振动(QPOs)研究是高能天体物理领域最活跃的方向之一,自上世纪末该现象第一次被发现以来,众多学者提出了各种各样的假说,试图解释这一现象的来源。黑洞双星系统中的准周期振动现象研究在过去几年已经取得了一定进展,认为与黑洞自旋产生的空间拖曳效应有关;而中子星双星吸积系统中的准周期振动目前为止还缺少系统的观测研究,其物理起源更是完全不清楚。

丁远泽同学自大二开始就进入武汉大学物理科学与技术学院王伟教授领导的高能天体物理团队开展科研训练工作,研究一个著名的中子星吸积系统4U0115+63。利用中国第一颗X射线天文卫星慧眼卫星,丁远泽系统研究该中子星的光变和能谱演化特征,特别是通过其自转周期测量,获得了双星系统的轨道参数,并测量了中子星的能谱特征,找到了系统的回旋吸收线特征,证实了以前科学卫星观测的结果。同时我们第一次在中子星辐射的光变分析中引入了小波分析方法,做出新的科学发现。在以往所有X射线双星中的光变分析和准周期振荡研究中,都使用传统的傅里叶变换功率谱的分析,只能获得一个平均功率谱性质,无法获得动态的全局的功率谱性质。我们的研究采用小波分析方法弥补了傅里叶分析方法的这一缺陷。通过小波谱的分析,我们在时域和频域同时对中子星QPO性质进行了系统的研究。发现在100秒附近的一个新的准周期振荡特征。通过小波分析的新方法,发现中子星QPO的新特征,多个QPO频率同时出现,某一频率QPO在观测时间内并不是一直存在,可以一会出现一会消失,小波相位谱还发现QPO存在频率的漂移。这些新的科学结果对我们理解中子星准周期振荡的物理起源提供了新的启发。

长期以来天体物理学家对吸积盘的研究都是基于轴对称假设,吸积盘的内侧是近似于圆的轴对称形状。该假设在大多数天体物理环境中可能是对的,而致密天体吸积盘则可能不是完全对称的。基于我们对中子星系统的新观测结果和流体力学新的地面实验数据,我们还提出了新中子星准周期振荡的物理起源。该物理机制要追溯到旋转流体中的开尔文-亥姆霍兹不稳定性,该不稳定性导致流体中漩涡的产生,并且可能形成稳定的结构,这种结构在宏观上导致旋转流体的内边界面出现多边形构型,进而导致吸积盘内壁各个位置到中子星的距离发生变化,吸积率也会跟着产生变化,从而形成光变上的准周期振荡现象。我们提出科学假设未来将开展三维磁流体数值模拟进行详细的科学分析和验证,具有很高的科学价值和应用前景,将开启对中子星吸积和准周期振荡物理研究的新篇章。

丁远泽同学作为大三的本科生便能利用国际最前沿的空间卫星数据在顶级天文学期刊上发表学术论文,非常难为可贵,在国内是屈指可数。丁远泽同学不仅需要完成平时学业,在年级也是名列前茅,还额外花费大量时间学习数据处理,开展科研工作,其精神更是非常可嘉。丁远泽同学自己表示:“在完成课题的过程中,我遇到了许多困难。包括英语不过关,英文论文看不懂,科学数据质量不够好,物理基础知识不足,软件、编程语言不熟悉等。在团队帮助和自己努力下,需要客服一个接一个的困难。”丁远泽同学还记得在大二下学期有不少本科生同学和自己一起开展科研训练,但暑假后所有同年级同学都退出了研究。丁远泽同学接着说:“经历这段最难熬的日子之后,我终于能够让计算机输出理想的结果。伴随着大量英文资料的阅读,我的英语水平也从大一时的慢班均值一路飙升。这一切形成了正反馈,进一步加快了我的文献资料阅读速度,大大强化了我的专业和科研能力。同时我们在文章中提出了对中子星QPO物理起源新的猜想,该想法与本人参加中国大学生物理学术竞赛(CUPT)中南赛中关注流体力学对称性破缺相关,同时这个想法获得了王伟老师的大力支持和充分讨论。王伟老师支持学生有自由的想法,并一定要多关注不同学科方向的研究进展,关注生活中的物理,很多时候,突破就来自一个意想不到的小角落。”

物理科学与技术学院王伟教授对丁远泽的工作也做出了高度评价,他表示:“中子星光变特征研究目前国际上缺乏新的进展,远泽的研究发现给我们打开一个新的突破窗口。远泽同学非常具有科研潜力!”王伟教授对丁远泽同学赞不绝口:“远泽在过去一年时间内完成了文献阅读,数据软件学习,数据处理,科学分析,理论思考,论文发表等一系列工作,并具有强大的自主学习和探索的精神,其科研能力已经超过了很多研究生的水平。目前远泽同学正在开展新的科研课题工作,进展也非常快,我很乐意他马上有新成果可以在国际上发表。远泽同学是一个非常有前途的科研苗子,是物理学院和弘毅学堂重点培养的天文方向本科生。希望他继续努力,未来可以成为未来中国天文学研究的杰出青年人才。”