2012年度国家自然科学基金重点项目答辩

三、科学研究基金项目申报书示例2012年度国家自然科学基金重点项目答辩Blazar天体的光变观测和理论研究申请人：张雄依托单位：云南师范大学一、立项依据二、研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题三、本项目的特色与创新之处和拟采取的研究方案及可行性分析四、研究基础与条件•报告内容1.研究意义2.国内外研究现状及分析一、立项依据Blazar天体是天体物理学研究中较活跃的领域之一,观测与理论都预示了Blazar天体是活动星系核（AGN）中最具特色的一类次型。它丰富多彩的观测现象和极端的物理特性，反映出其结构和物理过程都十分复杂,许多问题对近代物理学提出了挑战。而这些问题的研究可以解决Blazar天体的结构、演化、能源辐射机制等重大难题。这对星系物理研究领域的学科发展有着积极的推动作用。其研究的科学意义十分重大，1.研究意义Blazar天体是喷流指向观测者的特殊活动星系核，其喷流通常具有相对论性运动速度。由于相对论集束效应，Blazar天体的辐射主要来自喷流，使得Blazar天体成为了研究喷流形成、结构和演化的理想实验室。Blazar天体从射电到伽玛射线多波段的辐射都表现出复杂、快速、相互关联的光变，研究表明Blazar天体的光变涉及不同尺度喷流的耗散、高能粒子加速、辐射区的物理性质、喷流周围的辐射场和物质分布等，Blazar天体的光变观测和理论研究对揭示喷流物理具有重要意义。t连续谱辐射线辐射Blazar黑洞的吸积与喷流的性质?辐射与光变的起源?吸积与喷流的关系?Blazar的中心发动机物理性质？从短时标和长期的光变特性出发，从理论上研究和解决上述问题对揭示喷流物理具有重要意义。RBLR=cΔt2.国内外研究现状及分析—国外研究CGROFermiWhippleHESS国际上的光变观测研究始于上世纪60年代；上世纪90年代，康普顿伽玛射线空间天文台（CGRO）发现河外MeV/GeV伽玛射线源都是Blazar天体，掀起了光变研究的热潮；地面的切伦科夫望远镜（如Whipple）发现河外TeV伽玛射线源也都是Blazar天体；费米伽玛射线空间望远镜自2008年6月上天以来探测862个Blazar天体，掀起了光变研究的又一轮热潮。Valtonen,M.J.,etal.2008,Nature,费米伽玛射线卫星的观测(Atwoodetal.2009)，2.国内研究我们也利用国内的中小型望远镜长期的观测，系统地研究了Blazar天体中的各种时标光变特性，获取大量的观测资料和一些重要观测新发现。从理论上探讨具有光变特征的Blazar天体长周期光变。获得一些原创性成果。获云南省人民政府的云南省科学技术奖（自然科学类）一、二等奖（2001年，2005年，2010年）由此表明我们的研究一直处于国内外该领域的前沿。国内学者在Blazar天体光变光测和理论研究方面做出了贡献。（国家天文台，北京大学，广州大学，北师大等）2.国外同行评价国外同行评价：美国著名天文学家Trimble在2000年的年度进展的特邀评论文章（Trimble,etal.,2000,PASP,112,534）中评述说：“活动星系核变化的快吗？这个问题就像问教皇Pope是否是天主教徒一样。然而关于这一点的真实情况是，至今我们还没有第一手情况，恰好在今年的第一篇论文和最后一篇论文，他们都采集到了最快变化。在408MHz，Riley等（1998）找到了年量级的变化，而在光学波段，谢等人发现了许多的Gamma-Rayblazar都有小时量级的快速变化（XieG.Z,Zhang,X.,etal.,1999）”；在2002年的年度进展的特邀评论文章（Trimble,2002,PASP,114,475）中又一次引用并评价说：“所有AGN的中心都有黑洞吗？是的，如果你所指的那一部分AGN恰恰是γ射线辐射源，而这些γ射线源的亮度变化又是以小时量级的时标变化的话，回答是肯定的（Xie，G.Z,Zhang,X.,etal.,2001）。更值得指出的是，这跟已应用X-ray再现源SgrA*和黑洞X射线双星（BHXRBs）的极端致密天体的物理思想是一致的”。国外同行评价：国际知名天文学家，德国海德堡天文台台长WagnerS.J.在他题为“类星体和Blazars天体一天内的变化”的《天文和天体物理年评》中也特别成段地介绍了我们的工作（WagnerS.J.,WitzelA.,1995,ARA&A,33,163）。1.研究内容2.研究目标3.拟解决的关键问题二、研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题1)光变观测分析与黑洞性质研究•BLLac天体的短光变时标与中心黑洞质量研究(1)•寻找Blazar天体的长周期光变研究(2)•Blazar天体光谱观测与黑洞质量估计(3)•Blazar天体中双黑洞候选体观测与双黑洞质量研究(4)2）光变与喷流、吸积研究•Blazar天体的光变时标、吸积、喷流之间的相互关系(1)•Blazar天体的多波段光变性质的统计分析,研究喷流中的辐射结构和机制(2)•Blazar天体的光变分析与吸积的理论模型探讨(3)•Blazar天体中的GeV高能辐射源的多色测光观测,研究高能辐射区的物理性质(4)•Blazar天体的快速爆发源的多色测光观测，估算辐射区的物理参量，研究喷流的耗散过程(1)•通过Blazar天体的光变观测和历史资料分析，研究Blazar天体的喷流与黑洞吸积关系，进而探索Blazar天体的吸积模式以及中心发动机的本质(2)•观测Blazar天体，用小波分析方法、功率谱分析方法、结构函数分析方法、J-K方法、DCF分析方法等探究其光学波段的长﹑中﹑短时标光变周期及其物理本质,研究黑洞质量和辐射区域。(3)（2）研究目标•研究Blazar天体高能Gamma射线噪的辐射流量密度和多波段辐射流量密度及偏振度的相关性，探讨Blazar天体光学波段辐射流量密度之间延时。(4)•对几个特殊的Blazar天体(3C345,3C66A,3C279,3C454.3等)样品进行光谱观测，探讨用两种不同方法估计黑洞质量不一致的原因，解决Blazar天体的黑洞质量和辐射区域的大小问题。(5)•观测和研究Blazar天体样品中双黑洞候选体，观测上找周期交食现象，并对星系的结构、形成与演化进行深入的科学研究。(6)（2）研究目标通过Blazar天体的多色测光观测，结合多波段的观测资料，估算辐射区的物理参量，探讨喷流的耗散过程；监测GeVBlazar天体的光变性质，结合费米卫星的高能观测资料，探讨高能辐射机制。通过对Blazar天体的短时标和长时标光变的分析，探讨Blazar天体的黑洞吸积。结合喷流的研究，探讨Blazar天体的吸积与喷流的关系。对具有光变特征的Blazar天体其周期光变与吸积盘理论进行探讨。理论上探讨具有光变特征Blazar天体的周期光变在大样本中是否具有普遍现象？在观测上验证周期光变是否真实？利用丽江2.4米、兴隆2.16米望远镜的卡焦光谱仪，观测和研究Blazar天体样品中双黑洞候选体，用信噪比足够高的光谱仪探测Blazar天体的弱而窄的发射线，寻找在连续谱处于低态时的强而宽的发射线。Blazar天体作为AGN的一个子类在其演化过程所处的位置（3）拟解决的关键问题1.项目的特色2.项目的创新之处3.拟采取的研究方案三、本项目的特色与创新之处和拟采取的研究方案及可行性分析4.可行性分析利用国内中小型望远镜对精心挑选Blazar天体样本的光变进行测光和光谱观测研究从理论上研究Blazar黑洞吸积与喷流性质，辐射与光变的起源，吸积与喷流的关系,从而探索Blazar的中心发动机的物理本质观测与理论相结合（1）项目的特色（2）项目的创新之处对Blazar天体的结构、演化、黑洞的质量、能源辐射机制等重大难题可能有所突破从光变观测分析到黑洞性质研究从光变到喷流研究从光变到黑洞吸积研究（2）项目的创新之处研究高能辐射区的物理性质完善Blazar天体高能Gamma射线辐射模型可望从观测数据中直接得到对理论模型参数的限制解决Blazar天体高能Gamma射线辐射区和辐射机制的问题•本项目组每年能申请获得丽江2.4米望远镜,云南天文台1米望远镜和上海天文台1.56米望远镜近50天的观测时间，可以用丽江2.4米望远镜及国台2.16米望远镜对重点样品进行光谱观测•密切关注费米卫星观测到的LBL和FSRQ源，重点监测这些源的光学爆发，理论计算这些源在GeV波段的光变特性，预期与费米卫星的观测结果对比，研究高能辐射区的物理性质•利用多波段的短时标、中时标和长时标光变资料，由光变探讨Blazar天体的黑洞吸积流，同时也探讨吸积与喷流的关系。•将通过CCD测光和卡焦光谱观测，系统地研究Blazar天体的各种时标光变特性和辐射机制，同时结合理论模型研究，探讨Blazar天体的质光关系、Blazar天体的演化、星系级黑洞/双黑洞的质量和辐射区关系.（3）拟采取的研究方案我们对活动星系核的光变与超大质量黑洞研究，已经取得了一批具有国际影响的成果，•我们与云南天文台合作共建了云南省级重点学科“天体物理学科”，该学科是具有区域优势的才培养基地。•我们可以申请使用云台1米、国台2.16米及上海1.56望远镜、国内射电望远镜等国家中小型望远镜，使其为本项目所用。项目合作方刘碧芳在活动星系核光变分析与吸积的理论模型研究方面有雄厚的基础。（4）可行性分析1.与本项目相关研究工作条件与积累2.取得的成果四、研究基础与条件1.与本项目相关研究工作条件与积累（1）项目组10多年前开始利用国内望远镜进行光变研究，通过长期的观测，获得了大量的观测资料，并逐步开发了光变分析的工具，研究了Blazar天体中的各种时标光变特性，得到了一些观测新发现；同时开展了理论研究，根据辐射模型编写了Blazar天体多波段能谱的计算机程序，获得一些原创性成果，近几年来，发表30多篇SCI论文，引起了国际同行的广泛重视，论文被他人SCI论文引用250余篇次，有的论文单篇被独立引用达30多篇次，这些为本项目的实施打下了基础。（2）我们与云南天文台合作共建了云南省级重点学科“天体物理学科”，我们的天文学一级学科硕士点是西部高校中唯一的硕士点。我们建立了国内高校中具有西部区域优势的人才培养基地。为实施本项目的人才培养提供了条件。1.本项目主要依靠的云南天文台丽江2.4米、60cm望远镜、凤凰山1米望远镜完成，这些望远镜都是开放设备且性能良好，地处云南，观测便利。2.本项目还将利用北京的2.16米望远镜和上海的1.56米望远镜进行观测，该望远镜是开放设备，运行良好。3.2.4米、2.16米望远镜都配有卡焦光谱仪，性能良好、观测数据质量很高。为本项目的实施提供了便利上海天文台1.56米望远镜云南天文台1.05米望远镜丽江2.4米望远镜研究队伍正高级3人：张雄、马力、刘碧芳副高级2人：郑永刚、王黎智中级3人：张皓晶、温元斌、乔二林博士研究生4人：黄邦蓉、毛李胜……硕士研究生8人：熊定荣、郭飞……申请人张雄中国科学院云南天文台博士,1997年任云南师大教授，博士生导师，2000年中国科学院北京天文台博士后。现任云南省物理学会副理事长，云南省物理教育学会理事长。以第一作者在AJ、ApJ、A&A等刊物发表38篇SCI论文，被国内外同行学者的SCI检索的论文引用252多次。有国外研究工作经历.•本项目总体负责申请人张雄的代表作：1.Zhang,X.,Zheng,Y.G.,Hu,S.M.:CCDphotometryandopticalvariabilityoftheBLLacertaeobjectH0323+022:THEASTROPHSICALSUPPLEMENTSERIES,2008,174,1112.Zhang,X.,Zheng,Y.G.,Zhang,H.J.,Liu,Y.,Wen,Y.B.,Wang,W.CCDphotometricmonitoringoftheBLLacertaeobjectS50716+714from2001to2006:TheAstronomic