慧眼-HXMT研究X射线双星和伽马射线暴及星族合成

This project is aimed to detect and obtain the detailed properties of Gamma-Ray Bursts (GRBs) and X-ray transients using the data from Insight-HXMT and the data of Gamma-rays and other wave bands. The results are used to study the large sample statistics in order to explain problems, such as the outburst mechanism of supergiant fast X-ray transients, the explanation of statistical correlations (such as the distribution of spatial position and luminosities) of GRBs, the difference between the long-GRBs formation rate and cosmic star formation rate (SFR) expectations, etc. By using the population synthesis method, we plan to investigate the possible links among different types of high mass X-ray binaries (HMXBs), to calculate the formation rate of short GRBs and gravitational wave sources and model the statistical correlations; to calculate the evolution of formation rate of long-GRBs with cosmic SFR. This project is of great importance to understand more deeply the formation and evolution of binary evolution, the nature of HMXBs and their diversity, the origin and progenitor of GRBs, and the nature of high-redshift universe.

本项目申请书希望利用慧眼-HXMT的观测数据，并结合伽马射线及其它波段数据，探测并获取X射线变源和伽马射线暴源的详细性质。通过研究其大样本统计特性，以解决超巨星快速X射线暂现源爆发机制、伽马射线暴的各种统计关系（如空间位置和光度分布）、长暴诞生率同宇宙恒星形成率预期存在差异等问题。利用星族合成方法，我们将探究不同类型高质量X射线双星的联系与关联；计算短暴和引力波源的诞生率并模拟观测量统计关系；模拟长暴诞生率的宇宙学演化等。项目研究对深入理解双星形成与演化、高质量X射线双星性质和多样性、伽马射线暴起源和前身星、以及高红移宇宙性质等均有重要价值。

中子星/黑洞双星是研究极端物理情形下物理规律的天然实验室，对研究恒星演化、高能天体物理、引力理论及宇宙学等均有重要的科学意义。近年来，高性能探测设备如慧眼-HXMT等的投入使用极大丰富了源的数目和种类（如X射线源，伽玛暴源等）, 呈现出向大样本发展的新趋势。在此背景下，利用星族合成方法，对X射线源/伽玛暴源等进行大样本数值模拟迫不及待。. 我们依据最新的观测数据，以X射线双星、伽马射线暴和特殊变源等为研究对象，以星族合成方法为主要研究工具，从脉冲极亮X射线源的星族合成研究、伽马射线暴/快速射电暴的星族合成和运动学研究、经典高质量X射线双星运动学特征（即光度-位移关系）的模拟、特殊变源的数据处理和理论研究等多个方面开展研究。. 通过研究，我们得到了一批原创性的成果，包括：(1)发现星风洛希瓣吸积模式可能是极亮X射线源的有效物质传输方式，我们分别考察了中子星和黑洞系统极亮X射线源在此模式下的双星轨道参数特性，并给出观测预言；（2）对经典高质量X射线双星运动学特征（即光度-位移关系）开展模拟，发现通过观测统计限制公共包层机制的新思路；（3）利用高精度数据对特殊变源开展了细致的理论模拟并给出相关恒星/双星参量；（4）研究了双中子星并合模型下伽马射线暴/快速射电暴的诞生率及空间位移量问题等。研究成果可进一步应用到引力波源等方面的后续工作之中。