探测黑洞等致密天体的基本性质：X射线时变、能谱和偏振研究

X-ray timing, spectral and polarization observations are the powerful probes in studying black holes and neutron stars as well as the innermost accretion flow around them. With recent advance in theory, instruments and observations (e.g., the continuum modeling of black hole inner disks, the observations of the broad iron lines in both black hole and neutron star binaries, detections of tidal disruption events with Swift, increasing evidence for the radiation force effect of accreting neutron stars, and developments of X-ray polarimetry telescopes), we are entering an exciting era of applying multiple methods at the same time to the measurements of black hole spins and the constraints of neutron star mass - radius relation. We will continue to measure black hole spins and constrain neutron star mass-radius relation for some selected X-ray binaries using already-archived or future observations. Meanwhile, we intend to develop spectral line reverberation method and the polarization method, constraining the black hole spin for TDE events, and extend X-ray continuum-fitting method to AGNs.

X射线时变、能谱和偏振是研究黑洞和中子星等致密天体最内吸积流并探测致密天体性质的主要手段。伴随不断发展和改进的黑洞吸积盘连续谱模型、相对论性宽铁线在中子星和黑洞双星中的探测、超大质量黑洞撕裂恒星事例被具有快速反应能力的空间X射线天文卫星发现、 理论和观测均支持吸积中子星辐射力的显著作用,以及X射线天文开启X射线偏振观测的发展趋势,我们进入可以利用多种观测手段探测黑洞自旋和限制中子星质量半径等基本性质的时代。我们综合X射线时变、连续谱和谱线以及偏振等多种观测手段,计划利用过去和将来的X 射线卫星观测数据限制一批X射线双星中黑洞的自转以及中子星的质量-半径关系,发展 X射线线谱回响测量和X射线偏振等在超大质量黑洞撕裂恒星事例中限制黑洞自旋的方法和手段,并尝试拓展连续谱方法测量活动星系核中超大质量黑洞的自旋。

黑洞质量和自转、中子星物质物态、吸积双星中最内吸积流和喷流可能体现的广义相对论效应等相对论天体物理问题一直以来是X射线天文和天文观测领域重要的科学问题。我们结合在X射线天文领域中的时变、能谱和谱线以及偏振等多种当前使用或未来掌握的观测和研究手段，从天文观测和理论两个方面着手，较好地完成了研究和探测从恒星质量黑洞到超大质量黑洞的质量和自转等基本性质、测量黑洞和中子星吸积流中的最内稳定轨道，以及限制中子星质量-半径关系和探测可能的Lense-Thirring进动和Bardeen-Petterson效应等研究内容。本课题研究主要包括下面三个方向：（1）黑洞和中子星双星中的X射线时变研究；（2）用X射线连续谱方法测量黑洞双星中黑洞的自旋及其研究拓展；（3）发展针对时域天文重要的黑洞暂现源 - 超大质量黑洞潮汐撕裂恒星事例X射线闪的X射线线谱和偏振谱，探测宁静黑洞性质和广义相对论Bardeen-Petterson（B-P）效应的方法。本课题团队通过实施空间天文卫星的观测和分析天文卫星观测数据，并进行有关黑洞附近含广义相对论的光线追踪计算，较全面地完成了重点课题多个方向的观测和理论研究内容。该课题研究还为将来在这些方向的前沿观测研究奠定了理论和观测基础，培养了本课题方向的后继研究力量。课题组也把计划中的X射线时变研究拓展到了多波段研究领域这一值得期待的方向，对将来参加国际大型国际合作项目如平方公里阵列SKA和中欧合作旗舰型X射线时变和偏振探测卫星EXTP进行有关黑洞和中子星等致密天体和多波段暂现源的观测研究具有重要意义。