摘要
本学位论文的研究主要致力于两个科学目标，其一是理解X射线双星多波段辐射的起源及特性;其二是基于同步辐射偏振色散的统计技术，使用数值模拟方法研究磁流体力学(MHD)湍流的性质。基于强子或轻子主导辐射的假设，论文建立X射线双星主要活动区的辐射模型，如喷流底、中部区、喷流终端与周围星际介质(ISM)作用区、吸积盘、磁层等辐射区，研究多波段光子谱及高能中微子的辐射。MHD湍流是天体内部物质运动的必然结果，研究它有重要意义，因为对它的研究不仅可以促进人们理解X射线双星的高能过程，而且它对恒星的形成、宇宙射线的传播及加速、热传导、磁重联等都有重要影响。 基于强子辐射主导的考虑，我们在第二章中分别研究喷流底部区、整个喷流区、喷流终端与ISM作用区产生的多波段能谱及潜在的中微子辐射。第一、发展喷流底部区的辐射模型是为了预测小质量微类星体中潜在中微子辐射，通过GX339-4低能波段现有观测及Fermi LAT、HESS、CTA的灵敏限的限制，我们获得潜在的中微子发射事件数，结果表明小质量微类星体是可能的中微子发射源，立方千米尺度的中微子望远镜有能力探测到它们的发射信号，能对我们的模型进行检验。第二、提出整个喷流尺度区的模型是为了理解大质量微类星体的多波段辐射起源，辐射、吸收导致的轨道调制特性，该模型能近似解释LS I+61°303上、下合位置附近的多波段观测。第三、建立喷流终端与ISM作用的辐射模型是受到Cygnus X-1的观测的激发，我们想要知道这个区是否存在高能及甚高能辐射信号，建设中的CTA能否有机会探测到可能的辐射信号。通过构建喷流与ISM作用的双激波辐射模型，我们发现结论是乐观的，并预言微类星体族的辐射可能贡献部分银河宇宙射线。 在第三章轻子模型的研究中，通过类比研究河外耀变体的方法，我们发展适合于大质量X射线双星喷流的二维(2D)辐射模型，提出小质量微类星体喷流中的伽玛射线辐射模型。通过求解电子的演化方程，研究各种冷却机制在不同喷流位置处扮演的角色，详细追踪相对论电子沿喷流方向的演化过程，同时模拟各喷流位置处的辐射能谱分布，叠加这些能谱得到总输出谱。模型应用到黑洞X射线双星Cygnus X-1的结果表明:(1)Cygnus X-1的射电辐射起源于从双星系统尺度一直延展到喷流的终端区域;(2)GeV波段的辐射起源于靠近双星系统尺度区;(3)TeV波段的辐射起源于双星系统尺度之内，本文预言这些辐射有机会被CTA探测到;(4)MeV尾端辐射信号来自于双星系统尺度之内，而且辐射位置较靠近喷流的底部区域。 在2D轻子模型的框架下，通过注入分段幂律电子谱，我们研究了CygnusX-3高软态期间的多波段辐射。我们强调Cygnus X-3是态转变的特列，它违反传统的X射线双星态转变模式，即在其高软态活动期间仍然存在喷流现象。研究发现Cygnus X-3辐射区不同于传统的持续性的喷流，耗散区仅仅占据较薄的喷流空间区域，导致的辐射信号从非常致密的喷流中部区辐射出来，即约1倍轨道距离处。拟合结果能够解释当前的多频观测，能够预测TeV波段潜在的伽玛射线辐射;模型可以使用红外波段的偏振观测来检验。除此之外，受到最近中微子观测研究的激发，我们提出小质量微类星体多波段辐射的2D轻子发射模型，数值模拟结果表明:纯轻子诱导的多波段能谱成功地延伸到高能及甚高能波段，模型被应用到有较好低能段观测的源GX339-4上，研究表明FermiLAT及CTA有能力探测到小质量微类星体的伽玛射线辐射信号，该模型提供了区分X射线辐射起源的方法。 在第四章吸积流及磁层辐射模型的研究中，我们详细模拟了喷流辐射盘(JED)的多波段辐射能谱，这个新的模型有自洽处理吸积与喷流耦合的优势，该模型能有前途地解释X射线双星的经典谱态。通过数值求解JED的动力学平衡方程，获得遵循动力学结构演化的解。热解对应于光学薄、几何厚的径移主导的吸积流(ADAF);冷解对应光学厚、几何薄的标准盘(SSD)。在分析JED动力学结构及多波段辐射谱后，热解谱被成功地应用到XTE1118+480的低硬态观测。此外，论文研究了中子星吸积伴星物质导致的磁层区电场加速粒子的辐射模型，应用该模型到有磁星信号的源LS I+61°303上，我们发现模型能解释Fermi LAT观测的截断谱特征，结果认为中子星驱动的吸积系统的高能辐射很可能来自于脉冲星的磁层区。 在第五章磁流体力学湍流的研究中，我们使用合成的数据“立方体”检测新的统计技术，发现数值结果很好地与理论预言吻合。基于3D、2D、1D的合成观测，我们发现:(1)当法拉第旋转测量(RM)为随机磁场主导时，偏振方差[P2(λ2)]服从通常的规律λ-2;当规则磁场主导RM时，偏振方差服从λ-2-2m。因此，偏振方差反映了垂直于视线方向的磁场分量的统计性质。(2)偏振对λ2的求导的色散研究显示了一个幂律关系，它应该反映法拉第波动统计，这将激发进一步的理论研究。(3)相对论电子谱指数的变化不会改变偏振频率分析(PFA)测量的形状，因此也不会阻碍我们获取磁波动的谱性质。(4) PFA技术已经可以安全地使用来研究银河及河外星系的湍流性质，望远镜角度分辨率和不可避免的噪音的影响不会对恢复潜在的湍流谱造成障碍。 在第六章中，我们总结本论文研究的主要结果，讨论下一步研究工作的方向。第一、我们将开展X射线双星中高能粒子如何被加速的研究工作;第二、深入研究MHD湍流的性质及它对天体物理过程的影响。
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