基于慧眼-HXMT高统计观测的X射线双星系统高能辐射研究

X-ray binary (XRB) is the major source class in our Galaxy. The high energy emission from XRB is highly correlated with structure of the accretion flow around the compact object, the properties (spin, mass and magnetic field etc.) of the compact object and as well the evolution of XRB. Therefore, XRB is an important lab essential for investigating high energy astrophysics, stellar evolution theory, general relativity theory, accretion disk theory, magneto-fluid mechanics and so on. The high energy emission of XRB usually shows up in form of bright outbursts. Therefore, telescope like the Insight-HXMT which is characterized with broad energy coverage, large detection area, high energy and time resolutions, and is designed for observing bright sources, is almost ideal for observing the XRBs in their bright states. Insight-HXMT will build a large sample of XRB observations with high statistics, dedicated to researches relevant to XRBs in details. Based on such sample, this research project will study the basic properties of the compact object, which in turn will be helpful for investigating the radiation environment; observe the subtle timing behaviors (via X-ray burst, power spectrum, QPO, rms, time lag and so on) which is essential for probing the disk/corona that are the fundamental components of the accretion flow; observe thoroughly the spectral evolution in outburst and study the complexity of accretion mechanism for the possible discrimination of the different emission models.

X射线双星（XRB）是银河系中最主要的X射线源，它们的高能辐射不仅反映了致密星周围吸积流的结构，还与致密星的性质（质量，自旋以及磁场等）和XRB的演化状态紧密相关，是研究高能天体物理、恒星演化理论、广义相对论、吸积盘理论、磁流体力学等的重要实验室。XRB的高能辐射一般表现为在X射线能区的高亮度爆发演化。因此，在X射线能区具有宽波段、大面积、高时间和能量分辨而且适用于亮源观测的慧眼-HXMT望远镜，通过系统观测XRB的爆发演化，将给出一批XRB爆发演化的高统计观测样本，并用于精细研究XRB的高能辐射机制。本项目将基于慧眼-HXMT对一批XRB的高统计观测，精细测量致密天体的基本性质，系统研究辐射的基本环境；精细测量爆发演化的时变特性（X射线暴，功率谱，QPO，rms和时间延迟等），系统研究吸积爆发的盘冕及其相互关联关系；精细观测爆发的能谱态演化，系统研究吸积辐射及其演化的物理过程。

本项目依据慧眼卫星对致密天体的高频度高统计观测，研究黑洞X射线双星爆发演化的基本物理图像，中子星X射线双星爆发演化的基本物理图像以及致密天体的基本性质，获得了一批重要产出。在黑洞X射线双星爆发演化的基本物理图像方面，首次发现在黑洞X射线双星爆发的低硬态期间，存在200keV以上的准周期震荡现象，结合时间延迟测量，提出了硬态期间喷流进动的物理图像；首次发现喷流在下沉到黑洞的过程中，反射成分减少，构造出了喷流加速外流的物理图像，硬态期间存在喷流也从时变、能谱、噪声分析和多波段观测等研究角度得到验证。基于慧眼对爆发的完整监测，构造出了爆发的完整演化图像：爆发初期存在延展的冕，硬态期间存在喷流，进入软态喷流收缩到黑洞附近，延迟的硬态期间冕产生并延展到盘。在中子星X射线双星爆发演化的基本物理图像方面，得到了中子星双星极冠区吸积物理的完整图像：慧眼观测河内第一个超亮X射线源爆发，发现吸积盘存在气体压向着辐射压转换的现象，对于极冠区的时变和能谱演化首次完整观测到了两个特征光度，分别对应于模型预测的极冠区吸积模式的风扇和铅笔模式的转换。首次发现超亮X射线源最高能量146keV的回旋吸收线，证实了中子星表面存在多级磁场结构以及超亮X射线源存在强磁场吸积的物理图像。在致密天体的基本性质方面，首次发现快速射电暴的磁星对应体，FAST在磁星暴发期间没有看到射电信号，这些结果为理解快速射电暴的世纪谜团带来了曙光，同时也对快速射电暴的理论模型提出了新的挑战。首次发现孤立脉冲星在星震后，能量损失和星风云的延迟能量增加大致相当，给出了脉冲星通过星风带走星震能量的物理模式。除此以外，项目发表了大量高水平研究论文，覆盖致密天体40多个，其中，利用LAMOST设备发现了68个太阳质量左右的黑洞，对黑洞形成的理论带来了挑战；通过理论研究和样本统计将研究拓展到致密天体的形成和演化，为中国下一代空间天文卫星eXTP运行的科学研究目标，以及前沿的引力波实验多信使研究等提供了研究积累和输入。