高能天体物理  070401M05002H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:袁为民,金驰川,凌志兴
授课时间: 星期四,第5、6、7 节
授课地点: 教一楼115
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、16
授课时间: 星期四,第8、9、10 节
授课地点: 教一楼115
授课周次: 12
授课时间: 星期日,第5、6、7、8、9、10 节
授课地点: 教一楼115
授课周次: 16
课程编号: 070401M05002H 课时: 45 学分: 2.00
课程属性: 专业普及课 主讲教师:袁为民,金驰川,凌志兴 助教:潘海武
英文名称: High Energy Astrophysics 召集人:

教学目的、要求

作为天体物理学和空间科学的重要交叉学科,高能天体物理已融入到当代天体物理研究的几乎每一个分支,对整个天体物理的研究有着深远的影响。本课程以X射线天文学为主线,也涉及了部分伽马射线天文学等其它相关学科内容。本课程将从高能天体物理的基本过程、基本概念和方法出发,结合最新的研究结果,给出高能天体物理学科的完整图像,并注重对学生的天体物理研究的能力和鉴赏力的提高。通过本课程的讲授:
1)使学生系统掌握天体的高能过程的基本物理概念和物理图像、理论基础和观测方法。
2)使学生及时和准确地了解当代高能天体物理研究前沿的基本和关键问题,提高学生对科学探讨和研究的兴趣,引发学生的进行独立思考的意识、培养学生进行原始创新的能力。
3)使学生掌握开展相关科研所需的实用技能,提高学生在科研工作中的学科交叉能力。 
4)有意识地培养学生自主探索的能力、创新性思维能力,培养科研能力。
3)使学生掌握开展相关科研所需的实用技能,提高学生在科研工作中的学科交叉能力。 
4)培养学生自主探索的能力、创新性思维能力;培养科研能力。

预修课程

普通物理,电动力学,狭义相对论,量子力学,热力学与统计物理,基础天文学,天体物理中的辐射过程

教 材

1. Exploring the X-ray Universe, F.D. Seward and P. A. Charles (SC), Cambridge University Press, 2010, ISBN: 978-0-521-88483-9
2. High-Energy Astrophysics: Third Edition, by M.S. Longair (LIII) Cambridge University Press, 2011, ISBN: 978-0-521-75618
3. High-energy Astrophysics, Fulvio Melia, Princeton Series in Astrophysics

主要内容

总体计划:课程讲授每次(讲)3学时;共15次课(包括中期和期末研讨课共12学时),共计45学时。春季学期课程。
1.引言和基本概念 (3学时)
1)引言和基本概念 
–基本概念和基本量: 产能、光度、时标
–X射线的基本特性
–X射线天文的早期发展
2)基本能源机制
–能源机制 
–对探测器的要求 

2.高能天体物理中的物理过程 (3学时)
1)相对论效应
–狭义相对论效应
?Lorentz factor
?Doppler effect
?Relativistic beaming effect
–广义相对论效应
?引力红移
2)天体中的辐射过程
–连续谱(黑体、bremsstrahlung、同步加速、Compton散射)
–谱线发射及诊断
1.热等离子体线辐射
2.荧光辐射线
3)粒子加速
–引力
–电磁场
–Fermi(激波)加速

3.致密天体 (3学时)
1)简并物态和致密天体
2)白矮星
3)中子星(脉冲星)

4.高能天文探测I (3学时)
1)X射线与物质的相互作用 
–光电吸收
–Compton 散射
–正负电子对效应
–尘埃散射
–电磁波谱及大气的吸收
2)高能探测器
–X射线、伽马射线探测器原理(正比计数器、闪烁探测器、MCP、Si探测器)
–高能望远镜(准直器、编码孔径、聚焦望远镜)
–切伦科夫探测器
–
5.高能天文探测II (3学时)
1)高能探测器(续)
2)高能的天空: X射线、伽马射线巡天(X射线、伽马射线辐射天体)
–X 射线、硬 X 射线,伽马射线
(结合具体高能天文卫星来讲) 

6.X 射线天文数据处理分析方法 (3学时)
1)X 射线数据特点
2)能谱分析(光谱拟合)
3)时变分析(功率谱分析)
4)实际演示操作

7.致密天体双星 (3学时)
1)密近双星系统
–Roche lobe theory
–Mass function in binary system
2)吸积理论
3)吸积双星
–激变变星
–X 射线双星
–黑洞X 射线双星	

8.中期研讨(I):研究课题结果报告和研讨(3学时)
9.中期研讨(II):研究课题结果报告和研讨(3学时)

10.活动星系核与超大黑洞(3学时)
1)活动星系核与超大黑洞的观测
2)理论模型和解释、观测比较、黑洞吸积的参数测量
3)活动星系核的高能辐射

11.星系及宇宙 X 射线背景辐射(3学时)
1)超新星遗迹
2)星系的 X 射线辐射(正常星系,starbursts,etc.)
3)TDE
4)宇宙X射线背景辐射

12.星系团的X射线辐射(3学时)
1)星系团的观测性质
2)团内热气体ICM及星系团质量
3)星系团中的物理过程及宇宙学

13.伽马射线暴(3学时)

14.终期研讨(I):研究课题结果报告和研讨(3学时)

15.终期研讨(II):研究课题结果报告和研讨(3学时)
      
教学手段与方法:课堂讲授为主,注重物理概念和物理图像的教授。注重培养学生的科研兴趣、启发学生思考问题、拓展知识结构。使学生把握学科的发展脉络和态势,掌握本领域的基本研究方法和技能。以达到培养自主探索的能力、培养创新性思维能力、培养科研能力的目的。
讲课要点:
1.突出概念、图像和前沿
2.理论与观测相结合
3.注重实用性和动手研究能力的培养(goal)
4.在讲各类天体的时候。在可能的情况下,覆盖以下方面,并可以参考(不一定按照) i  ii  iii的逻辑顺序讲解。
i.理论基础:从基本的物理和天体物理理论出发,探讨天体或现象的物理基础
ii.观测特性:发现及证据、典型天体的观测特性、demography
iii.理论解释:如何理解天体本质和观测现象、形成机制、演化等等
iv.研究亮点、最新成果

课程考核方式:考查
平时成绩(阶段性考查):作业 + 研究小课题(1-2个)
结课考核(期中、期末):课题研究结果答辩
成绩记录方式:等级成绩 (建议)

课程讲授分工:
袁为民:1-3,8-9,12-13,14-15
金驰川:7,8-9,10-11,14-15
凌志兴:4-6, 8-9,14-15

参考文献

1. Handbook of X-ray Astronomy (Cambridge Observing Handbooks for Research Astronomers), K. Arnaud, R. Smith and Aneta Siemiginowska, Cambridge University Press,
2011, ISBN-13: 978-0521883733
2. Foundation of high-energy astrophysics, by Mario Vietri (MV) University of Chicago Press,
2008. ISBN: 978-0-226-85569
3. The Universe in X-rays, by J.E. Truemper and G. Hasinger (TH) Springer-Verlag, 2008,
ISBN: 978-3-540-34411
4. Accretion Power in Astrophysics, by J. Frank, A. King, and D. Raine (FKR) Cambridge
University Press, 2002, ISBN: 978-0-521-620538
5. Astrophysics Processes, by Hale Bradt (BH), Cambridge University Press, 2008, ISBN
978-0-511-45530-8