现代天文学复习资料

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1、宇宙线物理•交叉于多种学科l天文学和高能天体物理l粒子物理与核物理l空间物理l大气环境等宇宙线的发现•美国物理学家密立根认为宇宙线是由不带电的光子组成。密立根认为，在宇宙中，16个氢原子聚合成了个氧原子时，生成光子，产生宇宙射线。他还把宇宙线叫做原子“诞生时的哭叫”。•另一位美国物理学家康普顿认为宇宙线是由带电粒子组成。康普顿等人发现宇宙线存在“纬度效应”，宇宙线强度随地球的纬度不同而不同，这一结论是由康普顿亲自走访了6个国家和60多位科学家分别进行观测而获得的。•1932年，康普顿亲自走访了五大洲，行程约为八万公里，南到新西兰的杜恩庭，北到北极圈；上至高山顶峰，下至海平面进行测量。同

2、年9月，康普顿在北极圈内宣告宇宙线确实存在“纬度效应”，并肯定了它是由带电粒子组成。宇宙线是什么？•宇宙线是自动送上门来的宇宙空间的高能粒子流。•宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流；也含有少量中性的珈玛射线和能穿过地球的中微子流。（不同能段成分的构成比例不相同）•产生于太阳系的宇宙线，称为太阳宇宙线；与之相对应还有银河宇宙线和河外宇宙线。研究宇宙线物理意义•长途跋涉的空间旅行，带来空间的许多信息是人类研究空间环境的参照•来自遥远的的银河系或者以外，是我们目前了解太阳系以外的唯一物质参考•宇宙线活动的强弱直接影响到人类赖以生存的空间环境•对于人类的航天事业的发展有重

3、大的影响•二十世纪30至50年代，作为当时唯一可利用的高能粒子源，在宇宙线中相继发现了一系列基本粒子，推动了早期粒子物理学和高能加速器的发展。30年代¾50年代人们把这种宇宙线粒子加速器无偿提供的高能粒子流作为“粒子炮弹“去轰开基本粒子世界的大门，促成了粒子物理学和高能人工加速器的发展。相继在宇宙线中发现了：宇宙线物理是实验的科学•宇宙线物理以实验为基础，而又基于实验和理论密切结合发展的。宇宙线能谱特点宇宙线能量与宇宙线的流量费米加速机制1949年Fermi提出宇宙线粒子在与星际磁场的碰撞过程中能够获得能量，得到加速。Fermi加速机制对于宇宙线能谱给出很好的解释。宇宙线研究的几大热门

4、•g源、g暴•中微子n物理（2002年诺贝尔奖）•反物质与暗物质•“膝区物理”•极高能物理Openquestions:•宇宙射线是怎样产生的？它的产生机制是什么？•什么过程把它们加速到如此高的能量的？l超新星爆发？l高速旋转的中子星？l活动星系核？•为什么宇宙线能谱拐折？l膝区l踝区l趾区？•GZK截断？实验的主要目的寻找宇宙线源•带电粒子（主要是质子、核子和电子）受到星际介质、行星际磁场，太阳风磁场，地球磁层的调制和偏转，失去了产生地的方向信息。•以中性稳定粒子流（g,中微子）为探针，是我们研究宇宙线起源，加速机制和传播过程的主要手段。宇宙射线伽玛天文•对光子全波段范围的观测对于全面

5、了解星体演化和宇宙线的起源有重要意义。•不同能区的光子对应不同的物理过程，而且有不同的观测手段。空间实验直接探测•g天文的EGRET时代美国宇航局NASA发射CGRO卫星1991年4月5日发射升空，标志着人类对g天文的研究揭开了新的一页。（1991-1999）EGRET主要贡献2、给出宇宙线银河起源的证据3、给出第一张弥散伽玛射线的辐射天图反映了宇宙线与星际介质和光子背景的相互作用4、证认了BLAZARS是一种能够产生大量g射线的活动星系核（AGN）5、做出了宇宙线各向同性的比较准确的测量GLAST的挑战•未来GLAST对g天文贡献的期待l2007年发射l目标：寻找河外Blazer，证

6、认EGRET不明源，高能g暴的探测，寻找暗物质等空间实验的优势探测高能宇宙线对实验仪器的要求•探测器有效面积大•张角大（openangle）•收集时间长地面宇宙线实验观测•面积不受限制•收集时间不受限制•张角接近2p立体角广延大气簇射（EAS）ExtensiveAirShower•地面实验对高能宇宙线间接测量。•高能宇宙线粒子进入大气层，与大气层中的空气中的原子核发生多次核作用，形成级联簇射，从而产生大量次级粒子的过程。•级联：电磁级联，强子级联和混合级联广延大气簇射的纵向发展•宇宙线进入大气层，与空气核相互作用产生大量次级粒子•地面探测器通过探测次级粒子的效应来推断原初宇宙线的特性l

7、次级粒子数目与原初能量相关l次级粒子到达的时间反映原初粒子的方向l簇射中m子的比率与原初粒子的类型（质子、核子、光子）相关广延大气簇射横向分布•横向分布EAS（广延大气簇射）阵列实验AGASA、MILAGRO、TIBETASg、ARGO-YBJ，CASA-MIA，HEGRA，。。。IACT(大气Cherenkov成像望远镜）实验WHIPPLE，CANGROO，MAGIC，VERITAS，CAT，HESS，。。。AGASA•AGASAcovers