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[硕士论文] 黄晓利
理论物理 广西大学 2017(学位年度)
摘要:伽玛射线暴是宇宙中大质量恒星塌缩或者双致密星并合产生的极端剧烈的爆发现象,其瞬时辐射及其余辉辐射产生于黑洞/强磁场中子星(磁星)吸积或转动驱动的极端相对论性喷流。早期光学反向激波辐射的观测对理解伽玛暴辐射物理和暴周环境性质提供十分重要的线索。我们对三个伽玛暴观测实例GRBs140512A、161017A、160625B分析发现,它们的光学光变演化行为由正反向激波辐射共同贡献。GRB140512A的光学数据来自TNT观测,我们的分析认为其瞬时辐射阶段对应的光学辐射属于瞬时辐射成分;峰值处的光学辐射属于反向激波贡献,并且光学余辉光变曲线可采用外激波模型下的反向激波加正向激波成分进行解释;其相对辐射效率Re=0.02,说明反向激波区域的辐射效率比正向激波的辐射效率低。而它们不同的磁化参数也表明各自反向激波区域的磁化程度并不相同(GRB140512A,RB=8187; GRB160625B,RB~222;GRB161017A,RB~16)。此外,我们还比较分析发现GRB140512A与GRBs990123、090102、130427A的早期光学反向激波辐射有相近的RB值,说明它们的辐射差异主要是由于喷流动能、初始洛伦兹因子以及暴周环境介质密度不同引起的。
  一般认为,伽玛暴和活动星系核的高能辐射都是来自相对论性喷流,且不同质量黑洞驱动的相对论性喷流可能遵循相同的物理规律。对于伽玛暴而言,其峰值能量Ep,z、各项同性峰值光度Liso和初始洛伦兹因子之间有紧密相关性。通过分析BL Lacs、FSRQs和NLS1样本,我们的结果表明活动星系核喷流辐射的Lrsyn(Esyn,z,Γ)关系与伽玛暴Lrp,z(Ep,z,Γ0)关系并不相同,且不同源同步峰的光度与其洛伦兹因子的依赖程度也表现出明显差异。这可能是由于这些对象喷流不同的结构(连续性喷流/间歇性喷流)和喷流组分。
[硕士论文] 倪素兰
空间天气学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:福布斯下降(FD)是银河宇宙线(GCRs)受短期剧烈太阳活动调制的重要现象之一。本文根据GCRs对太阳活动的响应机制,以及行星际日冕物质抛射(ICME)的结构特征,设GCRs进入由ICME及其前沿激波共同形成的扰动区时,其径向扩散系数κrr受到抑制,抑制强度与粒子位置的等离子体速度正相关,用开关函数描述激波前沿强度随其位置的衰减,用指数函数描述磁云内部强度的衰减过程。根据上述调制模型,利用一维随机微分方程(SDE)描述GCRs在日球层的传播,对独立Halo ICME调制GCRs的过程进行模拟。
  对2005年5月15日FD事件发生过程的模拟结果表明,计算所得地面中子通量与Oulu台站观测到的演变过程一致,说明ICME调制GCRs的一维参数化模型的有效性。对模拟过程中GCRs粒子运动轨迹的分析表明,在激波截断距离内,粒子被激波俘获的几率较大,在磁鞘区滞留时间相对较长,有明显的漂移效应。随着ICME的传播,激波强度逐渐减弱,磁云宽度逐渐增加,粒子在磁云中的往复运动有所增加。扰动区粒子数目的增加以及扰动强度的不断衰减最终使得出入ICME区域的粒子趋向平衡,地面中子通量也随之恢复至宁静水平。
  基于上述FD事件,本文进一步研究了ICME调制GCRs的一维参数化模型中,各参数对FD事件中GCRs通量演变过程的影响。描述激波强度的开关函数中,m与中子通量下降相关系密切,m增大时,中子通量下降变快且幅度增大;n则与FD事件恢复相关系较大,n增大,中子通量恢复加快;激波截断位置Rc增大,激波的有效影响空间加大,中子通量下降幅度增大。描述磁云调制强度的指数函数中,扩散系数恢复指数τ减小,FD事件恢复相加快。扰动区中激波前沿宽度Wshf与中子通量急降前的上升幅度正相关;磁鞘宽度Wsheath与中子通量下降幅度正相关;扰动区尾部宽度Wtail变窄,中子通量恢复加快。上述结论表明,本模型亦可为从地面中子通量变化推测日地空间ICME结构演变提供一定的参考。
[硕士论文] 张海明
理论物理 广西大学 2017(学位年度)
摘要:本论文首先简述活动星系核的基本特征及近年来的观测进展,然后介绍围绕耀变体的GeV光变特征开展的研究工作。我们系统分析了26个耀变体的费米/大视场探测器观测数据(约8年)。首先是对耀变体3C454.3进行了细致的分析,我们发现:(1)其能谱随流量的增强而变硬,(2)光变时标约为几天,(3)多波段的光变研究表明射电(15 GHz)与伽玛射线波段的光变可能源于不同的辐射区。然后对另外25个耀变体也进行了分析,结果显示:与3C454.3相似,它们均表现出辐射谱随流量增强而变硬的特征。我们也探究它们光变的起源,这26个源的光变可能都是由不同的随机过程及辐射区物理属性的改变共同引起的。除此之外,我们也探究当前关注度比较高的点源S50716+714和PMN J0948+0022的伽玛射线光变曲线,发现它们分别存在约350天和480天的准周期信号。
  活动星系核和伽玛暴都存在相对论性喷流。我们对比研究了耀变体3C454.3与GRBs090618、140508A中喷流洛伦兹因子(Γ)的演化,发现这三者的Γ演化模式各不相同。对于3C454.3,Γ跟随伽玛射线流量增强而变大,这可能表明伽玛射线流量的改变是由多普勒增强效应所致;对于GRB140508A,Γ随流量减少而减少,这可能是源于GRB140508A中心引擎活动的衰减;而对于GRB090618,Γ先增加后几乎保持恒定,这可能表明相对论火球在光球位置处仍然处于加速状态,之后进入滑行阶段。
[硕士论文] 张宇
物理学 西南交通大学 2016(学位年度)
摘要:γ射线暴是一种在短时间内能量剧烈爆发的天文学现象,是人们研究宇宙线起源的重要手段。到2015年12月31日为止,卫星实验在keV~MeV能段已经探测到了5000多个γ射线暴,但对能量大于10 GeV的高能γ射线暴,目前还没有观测到确定的结果。高能γ射线暴不仅能够提供γ射线暴产生机制的直接证据,而且能检验当前存在争议的γ射线暴的模型,因而其研究具有重要意义。为了得到γ射线暴从低能到高能的完整信息,必须联合卫星实验和地面实验。位于羊八井观测站的ARGO和ASγ实验凭借其高海拔、宽视场、大面积等特点在探测高能γ射线暴方面占据着一席之地,值得注意的是,其中ARGO实验中的“双前峰面”事例具有降低阈能值、提高灵敏度的独特优势,为高能γ射线暴的探测提供了一种全新的方式。
  首先,本文对“双前峰面”事例探测高能γ射线暴的灵敏度进行模拟。结果表明:在持续时间为1s、天顶角为10°且红移为0时,“双前峰面”事例探测E>10GeVγ射线暴的流强为10-4~10-3erg/cm2。与此同时,“双前峰面”事例的灵敏度在Emax<30GeV时高于“触发”事例的,因此利用“双前峰面”事例寻找高能γ射线暴存在巨大潜能。
  其次,分析Fermi卫星从2008年到2015年期间观测到的1756个γ射线暴,利用Band模型将这些γ射线暴的能谱延伸到羊八井地面实验的能区范围内,计算其到达羊八井地面实验中的流强。结果表明:对于在羊八井视场范围内且光子能量在GeV能区的Fermiγ暴,若不考虑河外背景光子的吸收效应,ARGO实验运行期间内,在其灵敏度范围内的有3个;新升级的ASγ实验运行期间内,在其灵敏度范围内的有4个。这些结果为羊八井地面实验(包括“双前峰面”事例)与卫星γ暴的符合寻找提供重要信息。
  最后,结合ARGO实验中GRB100225703的“双前峰面”事例数据与Fermi卫星的数据来符合寻找高能γ射线暴。结果表明:显著性最高的事例团作为本底涨落的概率(Pb)为1.72×10-6,相当于高斯分布的4.643σ,但考虑到实验次数后,其超出不足以认定为γ射线暴。
[硕士论文] 柳红岩
光学工程 苏州科技学院;苏州科技大学 2016(学位年度)
摘要:对同步卫星轨道进行观测时,为了克服不能同时获取背景恒星与同步卫星的圆形星象,提出短帧CCD漂移扫描模式,通过CCD凝视模式与漂移扫描模式交替观测背景恒星与同步卫星,能够交替得到背景恒星与同步卫星的圆星象。讨论了利用漂移扫描CCD拍摄星图,并对星图进行处理。
  为了实现同步卫星实时定轨,本文引入DSP图像处理模块对星图进行快速计算,在DSP平台上,开发图像处理软件。星图处理丰要包含4部分内容,星图的背景处理,星图目标的提取,凝视模式星图背景恒星的识别和同步卫星轨道的归算。本文主要对星图背景处理,星图目标提取与星图识别关键步骤进行算法设计与优化,最终达到同步卫星快速且高精度定轨要求。
  在星图目标提取方面,本论文采用多项式拟合法去除smear拖尾并处理星图背景亮度不均匀性,该方法通过计算列灰度平均值能够有效检测拖尾列,并通过多项式拟合,使得星图背景亮度分布均匀的同时使得拖尾像素与目标像素的区别更加明显,故而更加容易去除拖尾;进而采用基于显著性的微小目标提取算法提取星图背景恒星目标与同步卫星目标,通过优化传统的提取算法,采用最简特征构造显著图,保证了星图目标提取与精度的同时,加快了提取时间,有利于同步卫星实时定轨的实现。
  在星图识别方面,本论文对传统的三角形识别算法进行改进,采用二次匹配识别算法,该算法通过对导航星库与初匹配恒星进行筛选,减少弧长库大小与降低初匹配冗余,通过归算CCD底片模型对提取结果进行二分法匹配,能够有效提高匹配率的同时加快匹配速度。
  利用本论文采用的算法对漂移扫描CCD连续拍摄的大量数据进行实时处理,处理结果表明,木论文采用的多项式拟合算法与局部直方图高斯拟合smear去除算法相比,具有较好的处理效果与实时性;在星点目标提取方面,本论文采用的基于视觉显著性目标提取算法相比于传统的视框提取算法受噪声影响较小,具有较高的提取率;在星图识别方面,本论文采用的二次匹配算法相比于传统的三角形识别算法,弧长库总量少,误匹配率低,在很大程度上缩短了识别时间。通过对同步卫星轨道数据进行拟合分析,结果表明,轨道标准差较小,定轨精度高,满足同步卫星定轨要求,验证了上述算法的有效性。
[硕士论文] 刘振阔
理论物理 贵州大学 2016(学位年度)
摘要:本文的研究是基于542个具有射电核主导参数,射电光度流量,红移等方面的信息河外射电源样本。我们利用最新的费米LAT目录(3FGL)证认了80个相应的γ射线源,并调研了其多个参量之间的关系;
  通过已有的80个费米源(22个BL,44个类星体和14个星系)和462个非费米源(5个BL,171个类星体和286个星系)的比较与分析,我们发现,与非费米源相比,费米源的核主导参数平均值更大,红移反而较小。其次,Fermi AGNs比非Fermi AGNs具有系统的更高的平均核光度,结果表明了FAGNs的γ射线的辐射要受到集束效应强有力的影响,费米源比非费米源有着更加致密的结构,当然,也不排除是它们的本征流量所造成的结果。同时,在固定的核主导参数和固定的红移之下,费米源比非费米源有系统的更大的本征射电核流量,结果展示了伽马射线的发射与射电之间的相关性,结合Wu et al.(2014)发现在固定的多普勒因子之下,费米BL Lac比非费米BL Lac有更高的射电核流量的结果相比较,充分说明了非费米源比费米源不仅有更低的本征的射电核流量,而且有更低的本征伽马射线流量,导致非费米源没有被费米望远镜探测到,证实了射电与伽玛射线的密切相关性,说明了在我们样本中的活动星系核射电辐射与伽玛射电辐射可能来自相同的辐射区。
[博士论文] 赵熠
电磁场与微波技术 西南交通大学 2016(学位年度)
摘要:对天体中伽马射线的研究不仅能够帮助我们理解一些天体源中的辐射机制,还可以帮助我们探索宇宙线和暗物质领域的一些未解之谜。它与带电宇宙线粒子以及暗物质有着密切的联系。在本文的工作中我们探讨了宇宙线膝区的结构、预研了高海拔宇宙线观测站LHAASO对河外伽马射线源的观测、利用太空伽马射线望远镜Fermi-LAT在矮星系中寻找伽马射线辐射,并且借助伽马射线信号研究暗物质。
  宇宙线在一百多年前被人们发现,但是它的起源与加速机制等诸多问题至今都还没有被彻底解决,其中一个重要原因是它带电,在传播过程中受到星际磁场的影响而偏转。对宇宙线粒子能谱的测量是人们了解宇宙线的一个重要途径,随着探测技术的逐步提高,人们对宇宙线的能谱已经有了一个较为清晰的认识。在非常宽泛的一个能量范围内,宇宙线呈现出幂率谱的形态,但在某些特殊的能量段上却又有着特殊的结构,膝区便是这种特殊的结构之一。关于宇宙线膝区的结构和成因有很多理论分析,但还没有下最后的定论,其中一个重要原因是各实验对如此高能量段上的宇宙线能谱测量的精度还不够。ARGO-YBJ在不久前借助其地面探测器阵列和用于LHAASO的原型成像切伦科夫望远镜联合观测到了质子与氦核在膝区附近的联合能谱,而此前Tibet-Ⅲ实验也发布过膝区附近的全粒子能谱,我们基于这两个实验的观测结果,在马尔科夫链蒙特卡洛模拟算法的帮助下用参数化的唯象模型解释了膝区的结构。将来对宇宙线膝区各单成分粒子能谱的精确测量可以检验我们的模型。
  作为新一代高能伽马射线及带电宇宙线粒子的的复合型探测器阵列,LHAASO的建成将会给我们带来更加优质的实验数据。我们根据LHAASO的水切伦科夫探测器阵列WCDA的仪器性能模拟参数,首次预测了其对河外伽马射线天体活动星系核AGN的探测情况。在LHAASO-WCDA对AGN可探测数量上的预测,我们用两种不同的方法给出了估测值。其中第一种方法是根据Fermi-LAT和地面探测器实验的现有观测结果的统计特性来做预测,而第二种方法则是借助模型将Fermi-LAT观测到的AGN外推到更高的能段来做预测。两种方法给出的结果非常一致,我们在文中详细讨论了这两种预测方法的一些局限性。此外,我们还就LHAASO-WCDA对AGN能谱与光变曲线的观测结果做了预测。通过预测分析我们发现LHAASO在测量伽马射线源的能力上与原ARGO-YBJ实验相比有着显著的提高。在大视场巡天以及长期观测等方面,LHAASO比切伦科夫望远镜实验有着明显的优势。
  作为伽马射线太空望远镜,Fermi-LAT是迄今为止最成功的探测器。对某些天体中的伽马射线搜寻可以帮助我们寻找到暗物质。暗物质是宇宙的主要组成成分之一,已经有很多证据证明了暗物质的存在,暗物质已经成为了现代物理学中最重要的问题之一。由于暗物质不发生电磁相互作用因而难以被发现,关于暗物质的探测通常有三种途径:对撞机探测、直接探测以及间接探测。通过天体中的伽马射线辐射寻找暗物质便是一种间接探测的方法。而在众多的天体中,矮星系对于借助伽马射线寻找暗物质来说有着独特的优势,一方面是因为矮星系中有着较高的暗物质密度,另一方面是因为矮星系中几乎没有重子物质产生的伽马射线背景。如果在矮星系中发现了异常的伽马射线超出现象,则说明此信号来源于暗物质。即使在矮星系中没有发现显著的伽马信号超出,也可以对暗物质的一些性质比如湮灭截面等作出限制。通常用Fermi-LAT分析伽马射线给出的暗物质湮灭截面限制是假设湮灭截面与暗物质粒子运动速度无关的,而我们在分析过程中使用了速度相关的湮灭截面形式,我们使用了三种典型的截面形式,在不同的参数下给出了不同的限制。
  在用Fermi-LAT最新版本的数据Pass8分析一颗新发现的矮星系时,我们不仅假设它为点源,还假设了它为几种不同程度的扩展源,经分析发现几种空间形态的假设下结果差异不大且均没有发现显著的伽马射线超出。此外,我们还给出了基于这一颗矮星系的观测对速度无关暗物质湮灭截面的限制。
[硕士论文] 肖艳侠
粒子物理与原子核物理 山东大学 2016(学位年度)
摘要:在1912年Victor Hess发现了宇宙线。至今,人们对宇宙线的研究已有一百多年的历史,但宇宙线的起源、加速和传播问题依然没有解决。因为电中性粒子在星际穿越过程中不会受到星际磁场的偏转,从而不会丢失原初方向信息,所以宇宙γ射线的观测对探索宇宙线起源具有重要意义。一些理论认为,对100TeV能区γ射线的起源的研究,将有助于人们破解宇宙线起源之谜。
  中日ASγ实验地处海拔4300m的西藏羊八井镇,现有789个闪烁体探测器(Tibet-Ⅲ),5组水契伦科夫地下缪子单元探测器(MD-Ⅰ)和空气簇射轴“芯”探测器阵列(YAC)。为了进一步提高对100TeVγ射线的探测灵敏度,ASγ实验组计划在现有表面阵列的外围增设160台闪烁体探测器。扩建以后,表面阵列对100TeV能区γ的有效探测面积将增大为原有探测面积的2倍。那时探测的灵敏度也将在TibetⅢ+MD-Ⅰ的基础上提高2倍。目前已在羊八井安装运行了25台闪烁体探测器组成的原型阵列。
  本论文重点介绍作者在硕士研究生期间参与的ASγ实验扩展阵列项目原型阵列的测试和数据重建工作。首先,为了检验探测器的性能,在北京对相关参数进行了测试,包括PMT的单粒子谱、高压响应、非线性,各个单元探测器的能量分辨率、峰谷比、Peak值,及其动态范围和稳定性。第二,为检验探测器室外运行的稳定性,我们搭建了一个4×4的小型阵列,在检验探测器耐侯性的同时进行了EAS数据的重建,并用此数据开展EAS的重建方法研究,为之后原型阵列的数据分析做了准备。2015年9月,原型阵列在羊八井完成安装、标定和测试,并开始运行取数。经过一段时间的运行,我们分析了阵列的稳定性,并用已测得的数据进行了数据重建工作。
[硕士论文] 郭东梅
天文学;天体物理 南京师范大学 2016(学位年度)
摘要:Swift/BAT观测发现某些伽玛暴在初始瞬时0.1-1秒的硬辐射之后,有3-10秒的平静期,随后伴随着10-100秒软的X射线延伸辐射,这些伽玛暴的瞬时辐射观测特征都跟典型的短暴相似,因此把这类伽玛暴称为伴随着延伸辐射的短暴。到目前为止我们仍然不清楚伴随着延伸辐射的短伽玛暴的物理机制。
  本论文首先对伽玛暴的背景进行了简单的介绍,对伴随着延伸辐射的短伽玛暴观测特征进行了介绍,同时我们统计了30颗伴随着延伸辐射的短暴的各个物理参量。我们同时对伴随着延伸辐射的短伽玛暴的物理模型进行了介绍分析,包括磁星模型、双成分流模型及长暴模型,排除了长暴模型。
  由于双成分流模型和长暴模型都与观测者偏轴观测有关;同时偏轴观测又是探究延伸辐射中心能源机制的很好的工具之一,所以我们在本论文用数值分析的方法分别计算了在磁星模型、双成分流模型下不同偏轴角观测会得到的光变曲线。我们的数值计算结果发现:
  在磁星模型下,由于磁偶极辐射几乎各向同性,所以不同偏轴角下延伸辐射的光变一直几乎不变;偏轴角度大于喷流半张角时,在晚期X射线余辉会出现一个凸包,其峰值流量和出现时间随偏轴角度变化。所以在该模型下偏轴观测可以看到几十到上百秒的软X射线辐射之后流量会陡降直到出现流量凸包。
  在双成分流模型下,正对轴或者偏离中心轴极小角度(小于坡印亭流主导的喷流半张角)可以观测到有延伸辐射的短暴,当观测角度大于坡印亭流主导的喷流半张角同时小于中微子主导的喷流半张角时,可以观测到没有延伸辐射的短暴,当观测角度更大,大于中微子主导的喷流半张角时,只能观测到X射线突然增亮,其峰值流量和出现的时间与观测角度有关。
  我们期望未来的伽玛暴的观测可以在偏轴情况下对两种模型进行证认,同时我们也在搜寻前期的伽玛暴观测资料,希望能够找出可能符合偏轴情况下磁星模型的观测结果。
[硕士论文] 杨恩波
理论物理 贵州大学 2016(学位年度)
摘要:伽玛射线暴的分类一直是伽玛射线暴研究领域的热点问题之一, Kouvelitou基于CGRO/BATSE第一个星表数据提出按照伽玛射线持续时间长短并以2秒为界分为长暴和短暴两类,该方法得到了广泛的认可和应用.随着伽玛射线暴数量的增加,使持续时间分类法面临严峻的挑战,特别是延展辐射型伽玛射线暴使得伽玛射线暴分类显得更具不确定性.本论文借助广泛使用的高斯混合模型及最大似然估计方法,系统的对比探讨多个空间卫星(BATSE, Swift, Fermi和Suzaku)伽玛射线暴的分类问题.本论文的基本内容为:(1)对伽玛射线暴相关研究进行了简要概述,包含相关探测设备,伽玛射线暴的观测特征,以及相关理论研究进展;(2)对延展辐射型伽玛射线暴进行介绍,统计了延展辐射型伽玛射线暴的持续时间与谱硬度,并与完整样本进行对比;(3)详细介绍了高斯混合模型和最大期望算法,并利用二者对 BATSE, Swift, Fermi和 Suzaku等4个卫星的伽玛射线暴样本进行分类的工作;(4)详细介绍红移已知Swift伽玛射线暴的T90~ H R二维分类研究工作;(5)对本人攻读硕士期间的研究工作进行了总结,并提出了对以后工作的思考和展望.
[硕士论文] 倪嘉阳
天体物理 中国科学技术大学 2016(学位年度)
摘要:本文选取了一个在ECDFS和CDFN天区中的比较亮的活动星系核(AGN)样本,对这一样本做了比较详细的X射线光谱分析,得到了这个样本的X射线特性,如本征谱指数、中性氢柱密度、X-ray本征光度等等。得到这个样本的谱指数的平均值为Γ=1.72±0.01,同时也得到了一些X-ray物理参数之间的关系,并和前人的工作进行了比较。
  找到这些源的多波段数据,对多波段的测光数据进行卡方最小化方法的二成分能谱分析,分解出星系的贡献和活动星系核的贡献,可以得到星系和活动星系核的一些物理参数,如星系质量、星系年龄、活动星系核的光学光度等。对于这两个天区,有些源已经有比较精确的黑洞质量的测量,可以和得到的星系质量进行比较,发现中央超大质量黑洞的质量和星系质量之间的关系和近邻宇宙中得到的关系类似,并没有一个明显的演化关系。
  利用之前得到的数据,构造一个比之前工作(Gu,et al.,2009)更大、X射线拟合方法也更统一的活动星系核样本研究谱指数和爱丁顿比之间的关系,发现对于那些低光度的活动星系核(通常吸积率也比较低)两者确实是一个很明显的反相关关系,对于亮一些的活动星系核(吸积率相对高一些)两者满足一个不是特别明显的正相关关系,我们认为在吸积率变大地过程中,吸积模式发生了转变。这两种关系也在前人的很多工作中被发现,但我们的工作使这一关系推到更高的红移上,比例系数不同的原因也会在本文中结合吸积理论模型进行进一步的讨论。
[博士论文] 宋诗斌
电子科学与技术;电路与系统 西安电子科技大学 2016(学位年度)
摘要:随着空间探测的持续发展和深入,深空探测任务正从以前的短期、粗略探测转向以长时间、高分辨率、自主性强、多平台合作为特点的探测,这无疑对未来深空导航和通信提出了更高的要求。在资源稀缺的深空环境下,为应对深空探测对导航和通信持续增长的需求,导航通信一体化成为一种趋势。X射线脉冲星导航(X-rayPulsar-based NAVigation,XPNAV)和X射线通信(X-ray Communication,XCOM)是新兴的深空导航和通信方法,两种技术均显示了巨大的发展潜力。XCOM和XPNAV在信号、探测设备及功能等多个方面存在着相似性和紧密联系,为两种技术的融合提供了可能,即X射线导航通信一体化。X射线导航通信一体化以XCOM和XPNAV为基础,通过两种技术及其相关衍生技术的融合、互补和增强,在资源和技术稀缺的深空条件下为深空探测提供高性能的导航和通信服务。X射线导航通信一体化是导航通信一体化的重要组成部分和发展方向,它为应对快速增长的深空导航和通信需求提供了一种潜在的解决方案。本文以X射线导航通信一体化的关键技术为出发点,围绕XCOM和XPNAV的相关衍生技术及技术间的功能联系和互补展开研究和论述,主要内容包括:
  1.距离是深空导航的基本要素之一,精确的距离信息能够作为辅助观测量用于提高XPNAV的性能。为此,提出了基于XCOM的X射线圆偏振测距方法。所提方法以XCOM的原理为基础,采用圆偏振调制方法对X射线信号进行调制,利用圆偏振状态传输测距信息实现深空远距离测距。论文首先利用Strokes矢量表示圆偏振状态对测距信号进行建模,并基于建立的信号模型对所提X射线距方法的信号处理流程进行了详细分析。在此基础上,理论和仿真分析了多普勒效应、信号差分检测误差及信号相关误差等因素对所提测距方法性能的影响,仿真实验结果表明所提方法能够获得高精度的距离测量结果。
  2.深空探测任务远离地球,且其所处空间环境复杂多变,导致深空链路的可用性较低。为在链路可用性有限的条件下提高其利用效率,提出了基于XCOM的X射线通信测距一体化方法。所提方法以XCOM的通信功能为基础,结合X射线测距技术,在同一链路中同时实现基于X射线的远距离通信和测距功能。该方法不仅提高了链路效率,更重要的是其体现的技术融合的思想为X射线导航通信一体化的实现提供了参考。论文设计了X射线通信测距一体化方法的信号结构,并详细分析了其信号处理流程。此外,还提出了评估X射线通信测距一体化性能的相关参数,包括数据传输速率、通信误码率、测距误差及抖动等,并进行了理论和仿真分析。仿真实验结果验证了所提方法的可行性,另外,仿真结果还表明,所提方法的性能,如信号捕获性能、误码率、测距抖动等,主要受一体化信号的信噪比影响。
  3.XPNAV是利用脉冲星辐射的周期性脉冲信号实现自主导航的新型天文导航方法,是X射线导航通信一体化的重要组成部分。目前,受多种因素影响,XPNAV的定位精度难以进一步提高,限制了其后续的发展和应用。为此,提出了利用XCOM辅助增强XPNAV的方法,该方法利用XCOM的衍生技术——X射线测距提供的高精度距离测量信息作为XPNAV的辅助观测量,结合XPNAV的脉冲星计时观测,实现对航天器位置和速度的估计。论文构造了脉冲星计时观测和X射线测距的观测模型,结合航天器轨道动力学模型,利用Kalman滤波实现对航天器状态的估计。在此基础上,利用仿真实验对脉冲星观测时间、测距信号信噪比及航天器运动轨道等多种因素对所提增强算法性能的影响进行了分析。仿真实验结果表明,相比于传统的XPNAV方法,基于XCOM的XPNAV增强算法能够有效提高XPNAV的定位精度。
  4.时间是深空探测中的基础性参数,是深空导航和通信的生命线。为了为X射线导航通信一体化提供精确的时间服务,提出了利用脉冲星计时观测实现深空自主守时的方法,该方法的原理来源于XPNAV,通过对脉冲星辐射信号的计时观测修正时钟误差,实现自主守时。论文首先采用有色噪声模型对脉冲星计时观测的计时噪声进行建模,构造了计时观测模型。基于计时观测模型和时钟演化模型,采用Kalman滤波方法估计时钟状态。最后,利用仿真实验分析了所提守时方法的性能及脉冲星观测时间、脉冲星观测目标的选择等因素对所提守时方法的影响。仿真实验结果验证了所提守时方法的有效性,表明所提方法能有效修正时钟误差,实现深空条件下的自主守时。
[硕士论文] 刘晓行
粒子物理与原子核物理 烟台大学 2016(学位年度)
摘要:硬X射线调制望远镜卫星(简称HXMT)是中国计划中的首颗空间天文卫星。HXMT将引导我国地面天文设备对高能激变天体开展多波段联合观测,实现地面中小型望远镜在天体物理学科前沿的一流观测。中能X射线望远镜(简称ME)是HXMT卫星有效载荷的一个分系统,其基本功能是进行5-30keV能区的巡天以及定点观测,扩展HXMT的科学产出。为了确保HXMT卫星有效荷载科学产出结果的准确性,达到理解、信任和使用的目标,对HXMT有效荷载探测器机箱的标定工作尤为重要。
  本论文主要工作是HXMT有效荷载中能望远镜地面标定方法的研究。具体工作为:认真研究中能标准探测器即Amptek的XR-100CR探测器,在标定大厅利用束线分别对标准探测器各能量段的使用参数进行了调试,最终确定了两套参数。在此基础上,分别利用中国计量院现有的标准放射源和束线标定装置对标准探测器的探测效率进行了刻度,对实验数据拟合后,得到了初步的探测效率曲线。其次,利用Mini-X光机打金属靶的方法,对使用光机打靶进行标定实验的可行性进行了探索,同时得出了各项试验参数。最后,利用标定大厅的中低能量X射线标定装置对中能探测器机箱鉴定件进行了标定,对实验过程出现问题的机理进行了分析,经分析数据后,得出了各项标定项目的定标结果。以上工作,对中能地面标定工作做了有力探索,为中能探测器机箱正样件的标定工作奠定了基础。
[硕士论文] 刘兵
控制科学与工程 西安电子科技大学 2015(学位年度)
摘要:在缺乏巡天观测数据的背景下,利用仿真技术产生具有真实物理特性的脉冲星信号可以推动国内 X射线脉冲星导航理论研究。目前关于脉冲星信号仿真技术的研究集中在数值仿真和半物理仿真两个方面:数值仿真采用算法产生光子序列,本质是伪随机数,可信度低;半实物仿真利用脉冲轮廓经过物理过程的调制产生光子序列,保留了物理过程,可信度高,但现有模拟系统多是模拟SSB处的X射线脉冲星光子信息,而不是在轨航天器处的脉冲星信号,这不能满足导航算法、星载时钟校正等理论研究的需要。
  本文提出了一种高精度、高可信度的航天器处 X射线脉冲星信号半物理模拟新方法。该方法利用航天器处脉冲星信号所包含的自转特性、空间多普勒效应、传播相对论效应等对标准脉冲轮廓进行调制,生成航天器处脉冲轮廓,进一步通过硬件系统的调制产生具有多物理特性的航天器处光子序列。根据该方法,研制了 X射线脉冲星信号半物理模拟系统,主要包括:脉冲轮廓生成软件,实现了航天器处脉冲轮廓生成算法,产生连续的、具有多物理特性的航天器处脉冲轮廓数据;基于FPGA的数据流控制电路,其接收脉冲轮廓数据并控制数模转换电路输出脉冲轮廓电压信号;信号验证系统将模拟产生的数据与实测数据对比,验证模拟信号的特性。
  采用与RXTE卫星相同的轨道和时间参数,利用所设计的仿真系统产生光子序列,将该序列与RXTE实测数据进行对比。分析结果表明,本文所提方法产生的光子信息经过不同的处理流程都表现出了与实测数据相同的特性,且经过正确的数据处理流程恢复的累积脉冲轮廓与标准脉冲轮廓的相关系数大于0.99,验证了模拟结果具有在轨航天器处脉冲星信号的多种物理特性。该研究为脉冲星导航的理论研究、验证提供了有效的数据支持。
[硕士论文] 朱彪
材料科学与工程 桂林理工大学 2015(学位年度)
摘要:伽玛射线暴(以下简称伽玛暴)是一种来自宇宙空间中伽玛射线突然爆发的事件,这也是人类迄今为止所能够发现的最强烈的现象,仅次于宇宙大爆炸。从1967年第一次被Vela军事卫星发现以来,人们一直在追寻伽玛暴爆发之谜。伽玛暴已经成为当今物理学和天文学中最大的谜团之一。现在,人们普遍认为伽玛暴是来自于大质量恒星塌缩或者两个高速绕转的致密星并合形成的。但由于受观测条件的限制,伽玛暴的很多问题仍没有得到解决,如:什么机制导致这样强烈的爆发?什么样的天体能够释放如此大的能量?伽玛暴的能量是怎样辐射出来的?本文选择了短伽玛射线暴作为研究对象,目的在于探讨短伽玛射线暴的物理起源、暴周环境以及辐射机制等相关问题。
  论文首先概述了伽玛暴的一些观测特征和典型理论模型,接着重点介绍了我们对短伽玛暴光学余辉平台的研究。伽玛暴光学余辉的演化是非常复杂的,不同暴的光学余辉能谱与光变曲线差别都很大。另外加上观测效应所带来的影响,我们对伽玛暴光学余辉的认识仍十分有限。GRB130912A是一个比较特殊的短伽玛暴,它的X射线余辉跟普通的伽玛暴完全一致,但光学余辉却有一个超长的平台。通过对GRB130912A光学余辉及X射线余辉行为的数值和拟合分析,我们发现典型的正向激波余辉辐射模型可以很好地同时解释X射线与光学余辉的光变行为,而不需要通常用来解释X射线余辉平台的能量注入模型来解释该现象。同时我们发现这个暴的暴周介质密度非常低,支持致密星并合的起源。正向激波的大部分能量用于加速非热电子和放大磁场,从而导致超长的光学余辉平台。另外,本文中还详细介绍了Fermi卫星的数据处理过程,以及如何得到伽玛暴能谱与光变的步骤与方法。
[硕士论文] 吕翔
高能物理 浙江大学 2015(学位年度)
摘要:本文首先介绍银心伽马射线超出这一现象及其特征。伽马射线的主要特征为:在银心近似为球对称分布,伽马射线能谱主要集中在1-3GeV,伽马射线超出的空间分布用暗物质粒子湮灭可以得到比较好的解释,并且可以给出与观测一致的残余密度。如果暗物质湮灭可以解释这种现象,那么,相应的暗物质的分布也是近似球对称的。并且暗物质的分布满足广义NFW曲线。对于银心伽马射线超出的这一现象几种不同的模型的解释,它们分别为:Z'作为媒介的暗物质模型,隐蔽的WIMPS模型,两分量暗物质模型,非阿贝暗物质模型,双Higgs-portal二重态暗物质模型,惰性暗物质模型。
[硕士论文] 王远瞩
理论物理 广西大学 2015(学位年度)
摘要:本文分为四个章节。我们首先在第一章中回顾了伽玛暴的观测性质以及基本理论,然后在第二、三章中介绍了本人研究生期间关于伽玛暴余辉的两个工作,最后在第四章对相关领域的研究前景进行了展望。
  在标准模型中,正常衰减阶段的余辉主要辐射机制为同步辐射,其光变曲线的衰减斜率仅依赖于激波加速后的电子能谱指数p,在长时标内保持不变。然而,在Swift观测到的部分暴中,其0.3-1.5 KeV/1.5-10KeV硬度比在晚期有明显变化。我们在第二章对这些源进行了研究。在系统搜寻了XRT的观测数据之后,我们找到了13个源。这些源晚期余辉辐射的光子谱指数随时间逐渐增大,能谱呈软化趋势。基于Shao&Dai2007年提出的尘埃散射模型,我们对数据进行了拟合,发现数据与理论符合得很好。另外,对于这些源,我们还分析了这些源晚期谱指数软化的余辉中心引擎活动时标、寄主星系中性氢柱密度等信息,发现它们的这些性质与一般的余辉没有太大区别。
  随着地面望远镜的投入使用,对于伽玛射线暴的光学观测慢慢增加。在第三章中,我们给出了对于GRB111228A、GRB140629A两个暴的多波段观测数据以及能谱拟合的结果,并用考虑能量注入的外激波模型拟合了这两个暴的X射线与光学R波段余辉的光变曲线。结果显示这两个暴中火球通过激波转化给电子的能量比例∈e比典型值小约一个量级,且都低于转化给磁场的能量∈b。另外GRB111228A的寄主星系消光作用非常小,并且其余辉阶段的能量注入非常巨大,达到~2×1053erg,其中心天体可能是黑洞而不是磁星。
[硕士论文] 穆慧君
理论物理 广西大学 2015(学位年度)
摘要:伽玛射线暴(简称伽玛暴)是宇宙中最猛烈的γ射线爆发现象。在γ射线爆发爆发之后,一般能够观测到X射线耀发。一般认为X射线耀发起源于中心引擎的晚期活动,产生于相对论性的火球中。本论文对X射线耀发的光变曲线、谱演化进行了系统的研究。同时,也研究了具有X射线鼓包成分的伽玛暴属性。
  第一章,简要介绍了伽玛暴观测和理论上的研究进展。结合本人硕士期间所开展的工作,第二章详细介绍了Swift时期伽玛暴的研究进展。
  第三章,介绍了我们对于X射线耀发下降段的研究工作。在曲率效应模型框架下,我们对29个比较亮的X射线耀发的光变曲线和谱指数的演化行为进行了联合拟合,估算了X射线耀发的洛伦兹因子和辐射区位置。结果显示,我们所研究的X射线耀发,其快速下降段的特征时标大约在35秒到351秒,而洛伦兹因子在10到78之间。基于此可以估计出X射线耀发的辐射区位置,也就是: Rx~7.1×1014至2.7×1016cm。这个结果显示,X射线耀发发生的位置比X射线耀发时间处的余辉位置靠内。
  第四章,介绍了我们对于具有X射线鼓包成分的伽玛暴所开展的研究工作。从光变和谱两个角度,我们系统分析了所找到的这些暴的X射线鼓包成分。发现鼓包成分的谱指数基本不随时间演化;另外,光变曲线可以用多成分的幂律函数进行拟合。对X射线鼓包、光学起始鼓包以及光学晚期增亮鼓包的参数进行比较,发现它们基本一致,也就是:峰值光度和半宽均和时间有紧密的相关性,分别为Lp∝t-0.71±0.07 p和w∝t0.94±0.07 p。最后,假定X射线鼓包起源于伽玛暴瞬时辐射火球的减速,对于有红移观测的源,我们估算了伽玛暴瞬时辐射的洛伦兹因子和辐射效率,分别在20到130及0.02%到3.55%的范围内。
[硕士论文] 邢静文
理论物理 华中科技大学 2015(学位年度)
摘要:Vela卫星在1973年观测到了第一个伽玛射线暴,自此我们知道了伽玛射线暴是伽玛射线在短时间内突然增强的现象。随着探索伽玛射线暴的卫星发射升空和越来越多的地面观测站的建立,我们得到了更多伽玛射线暴的观测数据,尤其是Swift和Fermi卫星的发射升空,使我们进入了研究伽玛射线暴的新时代。
  本论文的研究主要集中在伽玛射线暴余辉及其宿主星系的数据统计方面:首先,本文的第一章是伽玛射线暴的概述,介绍了伽玛射线暴的观测历史和全局分布,并概括了伽玛射线暴的瞬时辐射和余辉的观测,以及由观测数据得到的一些重要的经验关系,同时也介绍了伽玛射线暴的宿主星系及其分布。
  其次,本文对伽玛射线暴的前身星、中心引擎模型和火球模型做了比较详细的介绍。主要介绍了三种可能的中心引擎模型:NDAF模型、BZ模型和磁星模型,并概括了伽玛射线暴的火球动力学和标准的火球激波模型。前两章是本人对伽玛射线暴基本知识的学习与理解,是完成硕士期间各项工作的基础。
  接下来是本人在硕士期间所做的一些工作。第三章主要介绍了GRB110918A的多波段余辉数据拟合,考虑暴周围环境为星风和星际介质两种不同的情况,使用收集到的 X射线、光学和近红外余辉数据,得到了光变曲线和余辉谱,以及两组拟合参数,通过对其初始洛伦兹因子、喷流张角等的限制,结合理论分析,判定GRB110918A的中心引擎为BZ模型;第四章是探讨活动星系核(AGN)、太阳耀斑和冷星的射电光度和X射线光度的成比例关系是否可以扩展至伽玛射线暴,我们统计了47个伽玛射线暴的射电和X射线光度的数据,发现通过拟合得到的伽玛射线暴的射电光度LR和X射线光度Lx存在类似的关系,表明不同尺度的天体很可能是相同的辐射机制;前两项工作主要涉及伽玛射线暴余辉数据的统计与拟合,而本人的第三项工作则是伽玛射线暴宿主星系的数据统计,而且我们建立了伽玛射线暴及其宿主星系的“数据统计大表格”,我主要负责统计伽玛射线暴宿主星系的形状、offset、金属丰度、绝对星等、AB星等、氢柱密度、消光、恒星形成率、年龄、质量等数据,并得到了8个关于宿主星系数据的统计直方图,此部分工作列于第五章。
  最后,总结了本文的主要内容,并且对伽玛射线暴及其宿主星系研究领域中待解决的问题做了展望。
[硕士论文] 陈兴
高能天体物理 南京师范大学 2015(学位年度)
摘要:伽玛射线暴(简称伽玛暴,GRB)是一种来自宇宙空间的短时标伽玛射线突然爆发现象,这也是自宇宙大爆发以来人类观测到的最剧烈的恒星级爆发现象。在本论文里我们介绍了伽玛暴的观测历史,标准的火球激波模型,中心能源机制等理论基础,以及伽玛暴的辐射机制,包括:火球的动力学演化,同步辐射,逆康普顿散射效应,同步自吸收以及等时面效应。
  在此基础上,本论文针对伽玛暴观测中可能存在的偏轴观测情况,考虑了火球的动力学演化,同步辐射,逆康普顿效应,同步自吸收以及等时面效应,我们用数值分析方式计算了伽玛暴单成分流模型下偏轴观测的辐射,得到了在不同各向同性能量下的同一波段的光变曲线。随之对伽玛暴的双成分流模型也进行了偏轴观测的数值计算,给出了偏轴观测的观测角不同情况下的X射线、光学和红外波段的光变曲线,并与X射线闪进行了对比。
  最后基于Aloy在2005年的数值模拟工作,我们对短暴的双成分流进行了偏轴观测的数值计算,给出了X射线、光学和红外波段的光变曲线,发现不论在中心喷流张角内还是张角外其红外波段的流量都很高,最高可达到1mJy。该红外鼓包流量比SGRB130603B的微超新星的红外鼓包高出了三个量级,我们期望该红外鼓包可以在未来被观察到。
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