2017物理与电子工程学院科研进展—亮点工作-物理与电子工程学院
2017物理与电子工程学院科研进展—亮点工作
2018-05-18 01:45   审核人:

1、黑洞潮汐撕裂事件红外回响研究结硕果

 

我校物理与电子工程学院2017年新进教师窦立明博士及其合作者在极亮红外星系F01004-2237中探测到显著的长时标红外光变,并且成功地解释为先前发生的恒星潮汐撕裂事件(TDE)的尘埃再辐射发出的回响信号。该研究成果以“Discovery of a Mid-infrared Echo from the TDE Candidate in the Nucleus of ULIRG F01004-2237”为题发表在国际权威杂志<<天体物理快报>> The Astrophysical Journal Letters)上,第一作者和共同通信作者之一为我校物电学院窦立明博士,合作者包括中国科学技术大学、加州理工学院和NASA JPL实验室的学者和研究生。论文近期被美国天文学会刊物研究亮点网站(AAS Nova)选为研究亮点,以“一颗垂死恒星的回声”(Echoes from a Dying Star)为题于531日报道。该网站每周从美国天文学会出版的多个天文刊物中选出不超过5篇论文作为研究亮点专门撰文予以介绍。

  

       

 

 

1:艺术家想象中的TDE红外回响. 超大质量黑洞周围被尘埃环环绕,当恒星过于靠近黑洞时会被黑洞撕裂瓦解,其周围尘埃会吸收此过程产生的紫外和光学光子,随后在红外波段产生回响信号.

 

当一个恒星过于靠近超大质量黑洞(约数百万个太阳质量)时会被黑洞强大的潮汐力撕裂瓦解,同时释放出巨大的能量,在X-射线,紫外,光学波段产生可持续达数月到数年的明亮闪耀,这种现象被称为超大黑洞潮汐撕裂瓦解恒星事件(TDE)。通过探测这些X-射线或紫外/光学闪耀信号,目前发现的此类事件已经有几十个。

近期在一个极亮红外星系F010042237中发现的TDE候选体令人困惑:其光学波段的光变衰减信号持续的时间更长,并且在闪耀发生几年后有再次增强的迹象;此外与其它TDE的寄主星系相反,其恒星形成活动剧烈。窦立明等人检查了美国NASA的广域红外巡天探测器(WISE)关于这个源的中红外波段数据,发现其红外光度在光学爆发前后(2010年)处在宁静状态,而此后的3-6年间其红外光度持续增亮,这与之前发现的TDE红外回响信号的表现形式有显著差异.

通过分析研究,他们发现红外持续增亮现象可以由黑洞周围3光年左右的尘埃环吸收再辐射的回响信号来解释。有趣的是,这一模型也可以同时解释F010042237的光学光变再次增强的现象——即来自尘埃在光学波段的散射信号。通过这一模型他们还预言了这个源近期可以观测到的一些现象,如中红外光度迅速衰减,光学偏振信号等。据悉研究组成员已经申请到多个望远镜对这一天体进行后续观测,上述模型和预言将会在新数据中得到检验。

自去年窦立明博士同他人合作首次探测到TDE的红外回响信号并且引起广泛国际关注以来,其团队一直在深入开展后续工作,此项工作是他们在TDE红外回响方面的第三项工作。这项研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院等机构的资助。

 

 

 2:极亮红外星系F01004-2237在发现TDE爆发前后6年光学V和中红外W1W2各波段的光变。

 

               

3:左:黑洞周围的尘埃环,图中示意给出由于视线方向不同尘埃环上不同部位的红外再辐射到达观测者时刻不同,造成如上图观测到的光变曲线;右:采用模型可以很好的拟合再现各波段红外光变曲线。

 

附相关链接:

AAS nova的报道:http://aasnova.org/2017/05/31/echoes-from-a-dying-star/

学术论文:http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa7130/meta

http://iopscience.iop.org/article/10.3847/0004-6  37X/832/2/188/meta

http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8205/828/1/L14

NASA的报道:http:/www.nasa.gov/feature/jpl/studies-find-echoes-of-black-holes-eating-stars


 

2、物理与电子工程学院研究生发表的论文入选CTP期刊

2017年度亮点文章

 

2018年伊始,我校物理与电子工程学院研究生谭鸿威、杨锦波在导师张靖仪教授的指导下,在SCI期刊《Communications in Theoretical Physics》(以下简称CTP)上发表的论文被该刊选为2017年度亮点文章,并在英国物理学会(IOP)网站得到了宣传。这篇题为“A Modified Thermodynamics Method to Generate Exact Solutions of Einstein Equations”的论文对爱因斯坦场方程精确解的热力学解法做出了重要的改进,将新方法推广到整体单极时空后,发现整体单极荷会对该类时空的热力学提供一个修正。

该文涉及的问题可以追溯到上世纪70年代关于黑洞理论研究的重要发现。长期以来。人们都认为黑洞是只会吸收外界物质的天体,内部的物质和信息出不来。1971年贝肯斯坦通过对比黑洞力学与普通热力学定律,并根据信息论提出了黑洞热力学。1973年,霍金通过弯曲时空量子场论指出黑洞具有热辐射,并且严格遵循黑体辐射定律。此后,许多物理学家就开始关注起了黑洞热力学以及引力热力学相关的研究工作,并取得了可喜的进展。2014年以来,国内学者张宏升等在引力热力学方面做出了系列工作:他们绕过了爱因斯坦场方程,直接从热力学定律得出了爱因斯坦场方程的精确解。谭鸿威等人的工作对这一方法做出了重要的改进。该文于201711日发表在CTP期刊上。

CTP是由中国物理学会和中国科学院理论物理研究所共同主办的英文版SCI核心版学术期刊,是国内物理类权威期刊,主编为孙昌璞院士。目前该刊的出版发行加入英国物理学会出版集团(IOP)。2017年度亮点文章共有10篇。

 

IOP网站宣传链接(包含全文下载):

http://iopscience.iop.org/journal/0253-6102/page/Highlights-of-2017

 

 

3、我院陈曦教授探测到星际空间最强甲醛分子脉泽辐射

 

近日,我院陈曦教授与中国科学院上海天文台的合作者们利用上海天马65米射电望远镜探测到截至目前最强的来自甲醛分子的脉泽辐射,其辐射强度比以前探测到的9个甲醛分子脉泽中最强的(~ 2 Jy;出现在恒星形成区NGC7538)高了一个量级,从而改观了人们对甲醛脉泽辐射的认识。目前该工作已经发表在天文学国际核心期刊《天体物理杂志-快报》(2017ApJL851L3)上。 

相比于羟基、甲醇、水、和一氧化硅等分子脉泽在银河系内恒星形成区或主序后星拱星包层中的广泛分布,之前探测到的银河系内甲醛分子脉泽源只有9个,它们都来自于大质量恒星形成区,辐射频率在4.83 GHz。由于探测到的甲醛脉泽源数目少,使得甲醛脉泽的搜寻成为射电天文的一个重要观测课题。如此低的探测率可能与苛刻的甲醛脉泽激发条件有关,而在恒星形成过程中,满足激发条件的时标又十分短暂,这都使得甲醛脉泽成为研究恒星形成过程某一特殊阶段的重要工具,因此对甲醛脉泽激发机制的研究十分重要。 

目前关于甲醛脉泽的激发机制仍不清楚。早期研究提出了一些理论模型,如强的致密HII区射电连续辐射背景可以为甲醛脉泽抽运提供必要的能量。但观测表明除了NGC7538中呈现了非常致密HII区(         ),其它的甲醛脉泽源通常不具有这样致密HII区环境,这意味着这种辐射抽运机制很难用于解释绝大部分甲醛脉泽辐射。另外有研究提出甲醛脉泽可能是由碰撞抽运引起的,即:膨胀HII区与星周星际介质碰撞产生的激波,提供脉泽抽运所需能量。最近陈曦教授及其合作者依据NGC7538中甲醛脉泽的光变特性(如图1),提出甲醛脉泽是在更快速的激波环境下激发,速度高达80km/s以上(2017MNRAS4664364)。如此高速激波,不可能是由慢速膨胀的HII区引起的,而是更倾向于由快速的大质量恒星喷流引起的,因此甲醛脉泽可能在高速喷流环境下更容易被激发。

               

1:天马望远镜测得的NGC7538甲醛分子脉泽辐射及光变。左图:NGC75384.8 GHz甲醛脉泽辐射(上)及14.5 GHz甲醛辐射(下),两个辐射成分用Comp. I Comp. II标出,红色线代表对辐射成分的高斯拟合。右图:NGC75384.8 GHz甲醛脉泽光变曲线,天马望远镜数据对应于最后一个历元(20164月),其它数据来源于早期发表的文献。可以看出,两个脉泽辐射成分遵循相似的光变规律,但Comp. II相比于Comp. I有约14年的延迟,预示高速激波(>80 km/s)正从Comp. IComp. II传递。

 

       

2:利用上海天马望远镜在恒星形成区G339.88-1.26探测到的截至目前最强甲醛脉泽。左图:该源中6.7 GHz甲醇脉泽(上)与甲醛脉泽(下)谱轮廓比较。右图:天马望远镜OTF成图观测结果,蓝色实线为甲醛脉泽辐射,红色虚线为甲醛吸收,背景为WISE 3.4微米(蓝色)、4.6微米(绿色)和12微米(红色)的三色图。

 

基于此,陈曦教授主导的科学研究小组利用天马望远镜对一些典型的具有高速外流或喷流的大质量恒星形成区开展了甲醛脉泽的搜寻工作。该巡天观测成功在一个恒星形成区(G339.88-1.26)中探测到了截至目前最强(~19 Jy)的甲醛分子脉泽辐射(如图2)。陈曦教授指出,由于这个最强的甲醛脉泽的寄主天体的喷流已经处于电离状态,因而甲醛脉泽很可能是在电离喷流引起的激波环境下被激发的:一方面喷流导致的碰撞激波会引起抽运,另一方面电离环境下的自由-自由连续谱辐射为脉泽放大提供了更多的背景输入光子,从而形成如此强的甲醛脉泽辐射。该工作从观测(20179月)到接收(201711月)发表,历时不到两个月,该科学研究的重要性可见一斑。该研究也为进一步的甲醛脉泽搜寻工作提供了选源依据,即具有电离喷流环境的天体。尽管甲醛脉泽的研究已有近40年,但对它的重新认识却刚刚开始,陈曦教授主导的科学研究小组正在全力地在此领域开展研究工作,极有可能取得更多新发现。该工作已在中国科学院、上海天文台等多家网站主页宣传报道。

 

文章链接:http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa9b2c

 

 

 

4、物理学院研究生在国际顶级期刊《IEEE工业电子》发表文章

 

近日,我校物理与电子工程学院研究生王燕芬在导师杨汝教授的指导下,在分布式发电系统中功率变换器的非线性现象领域取得重大突破,成功研究了Buck-boost功率变换器中混沌动力学产生的机理。511日,王燕芬同学作为第一作者的研究成果《Smale horseshoes and symbolic dynamics in buck-boost DC-DC converter》在国际顶级期刊《IEEE Transactions on Industrial Electronics(IEEE工业电子》)发表。

 DC-DC变换器是电力电子调节系统的重要组成部分,用于改变和控制电压幅值。在电力电子系统中,非线性动力学和混沌的研究在分布式发电系统的电能质量和稳定性方面变得越来越重要。深入研究电路系统的动态特性及其新的理论分析和控制方法,对于提高系统的工作范围、稳定性、转换效率等都具有十分重要的意义。该项研究成果——通过分析双曲不动点的稳定性,描述了不变流形的几何结构,并给出了动力学系统解的性质。不动点的稳定和不稳定流形横截相交形成的Smale马蹄是全局混沌行为的本质。数值仿真 证明全局混沌的形成,电路实验展示局部和全局混沌。只要系统存在一个或多个鞍点,该分析方法可以应用于其他类型的功率转换器上。

IEEE Transactions on Industrial Electronics》是Wiley-IEEE出版社旗下的国际电力、能源与工业应用领域顶尖期刊之一,主要报道最具创新性的通信网络与传播、电子能源与工业应用、信号处理与分析方面研究成果,其SCI(科学引文索引)影响因子为6.383,是电子电气界内影响因子最高的高学术质量科技期刊。

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图:稳定和不稳定流形及相同参数下系统的Poincare截面,实验得到的局部和全局混沌相图

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