4.天体物理课题组
天体物理课题组（7名教师：郑小平、俞云伟、邱涛涛、杨书华、桂川大志、古城徹、周爱芝）。
2020年度，天体物理课题组主要研究进展简述如下：
（1）短伽马暴光度函数和喷流结构的研究
通过仔细拟合Swift卫星和Fermi卫星观测样本的红移和流量分布以及结合引力波观测对双中子星并合事件率的限制，我们对短伽马暴喷流核心部分的高斯分布参数作出了重要限制。同时，也讨论了两个观测样本存在分布差异的可能原因，即两颗卫星对喷流侧向较软辐射的响应能力可能存在很大不同，揭示了偏轴观测对伽马暴光度分布的重要影响。我们也因此指出，短伽马暴的本征光度函数很可能具有简单的单一幂律形式，而传统双幂律表述实际上是混合了观测角度分布的结果。其次，基于对喷流核心结构的限制结果，我们进一步发现，单一高斯分布往两翼区域的延伸实际上和GW170817/GRB 170817A所给出的光度和事件率均存在显著差异，从而表明短伽马暴的喷流应该具有双成分的结构（可以用双高斯分布来唯象描述）。基于这个结果，我们分析了短伽马暴光度分布随红移的演变，并对近邻宇宙内（引力波探测器视界内）可能发现的引力波和短伽马暴成协事件的事例数作出了预估，该结果可用于对GECAM等项目观测前景的研判。该项研究成果已发表于Tan & Yu 2020, ApJ, 902: 83。
（2）喷流传播过程的引力波记忆研究
伽马暴喷流具有近似双高斯结构一定程度上可以说是喷流和并合抛射物相互作用的一种自然结果，因此也是我们了解这一相互作用过程以及并合抛射物结构的一个间接方法。但是，是否存在“直接观察”喷流在抛射物中的传播过程的途径呢？为此我们提出，当相对论性喷流穿越致密环境物质时，喷流底部的加速和顶部的减速将显著改变其周围的时空度规，引起度规扰动辐度的持续增长。对于无穷远处的观测者而言，将因此感受到一种被称作是引力波记忆的特殊信号。基于对喷流传播动力学的计算，我们给出了这种引力波记忆信号的可能幅度和累积频谱。将来，当处于亚赫兹到数十赫兹频段范围内的引力波探测器达到最佳理想状态的情况下，这种极为微弱的引力波记忆信号有望被探测到。该项研究结果发表于Yu 2020, ApJ, 897: 19, 它使人们原则上具有了直接“看到”伽马暴喷流产生和传播过程的可能性。
（3）千新星研究
主要关注了中子星和黑洞并合事件。基于同行给出的数值模拟结果，我们首先描述了抛射物的质量和速度分布。在此基础上并考虑了抛射物的几何结构，我们计算了抛射物辐射的光变曲线以及它对观测方向的依赖。这些结果发表于Zhu et al. 2020, ApJ, 897: 20。
（4）快速射电暴研究
在快速射电暴领域，本年度的一个重大发现是在4月28日人们从河内磁星SGR J1935+2154方向观测到了一次爆发，并还发现它在时间上与来自该磁星的一次X射线暴高度吻合。这是首次在河内观测到快速射电暴现象，并明确显示了它的磁星活动起源。在此框架下，最有可能造成快速射电暴相干辐射的物理机制主要有曲率辐射和激波脉泽辐射。两种模型之间形成了激励的争论。为此，我们将FRB200428的主要观测特征和激波脉泽模型进行了仔细的对比，由此发现该模型原则上可与观测相符合，但需满足如下一些较为苛刻的条件：（1）快速射电暴辐射应来自于相对论性轻子流和低速重子流的碰撞内激波过程，而非持久的外激波；（2）激波发生位置应较为远离中子星，相比之下轻子流的截面积极小（近似于以柱形喷流）；（3）X射线暴辐射应主要来自于磁星表面附近，但是激波过程会提供一个额外的辐射成分。这些发现表明人们先前所提出来的一些激波脉泽辐射是存在缺陷的，但基本辐射机制仍然不能被完全排除。该项工作已发表于Yu et al. 2021, MNRAS, 500: 2704。此外，正是鉴于快速射电暴可能的X射线对应体辐射，我们还曾在Swift BAT的历史数据中，搜寻了可能与重复快速射电暴FRB 121102成协的信号，但并没有得到显著的结果，这对其X射线辐射的强度给出了重要的限制，该结果发表于Sun et al. 2019, ApJ, 885: 55。
（5）奇异星的存在性与非牛顿引力研究
依据Witten在1984提出的奇异夸克物质假设，宇宙中应该存在纯粹由奇异夸克物质组成的致密星，即所谓的奇异星。然而，我们的研究发现，采用标准 MIT袋模型，在广义相对论框架下，奇异星无法同时解释目前所发现的最大质量的脉冲星PSR J0740+6620和双中子星并合事件GW170817给出的1.4 M⊙质量星体潮汐形变量。我们还发现，考虑非牛顿引力效应后，在标准MIT袋模型下，天文观测不会排除奇异星存在的可能性；而且可以用“奇异星的存在”来限制非牛顿引力的参数范围。该项研究成果已发表于Yang et al. 2020 ApJ, 902: 32。
（6）早期宇宙模型的简并性研究
描述早期宇宙有很多种可能的模型，它们之间能产生彼此相同的观测信号，从而很难被观测所区分及检验。这被称为模型的简并，而部分简并是由于度规在共形变换下的等价性带来的。为了打破这种简并性，确定真实的早期宇宙模型，本文利用了一种新的变量，称为“框架不变量”，该变量最早由A.Ijjas和P.J.Steinhardt在2015年提出。我们讨论了在由这些变量构造的参数空间中，不同的模型将如何给出不同的分布，从而使得未来的观测能对其进行甄别。作为例子，我们还讨论了几种具体的非最小耦合函数形式。该结果发表于Phys. Rev. D 101 (2020) 2, 023517。
（7）非共形耦合暴胀模型的研究
在这项工作中，我们研究了与爱因斯坦引力非共形耦合的势能驱动暴胀模型，并考察了这种耦合对这些模型的影响。我们考虑了一个只含单一参数的简单的耦合形式，并考虑了三种典型的暴胀模型，即混沌暴胀、希格斯暴胀和单调暴胀模型。我们发现，非共形耦合可以对这些模型的可观测量如功率谱、谱指数以及张标比等给出一些修正，然而由于非共形耦合参数的限制，这些修正并不会太大。不过一些位于普朗克观测数据支持范围边缘的模型，例如单调暴胀模型等，却可以由于这些修正更加符合观测。此外，由于该耦合是引力和场的动能项之间的耦合，因此可能会导致张量扰动（引力波）的声速变得非平庸（偏离光速），这也是早期宇宙偏离爱因斯坦理论的一个重要信号。该结果发表于Phys. Rev. D 102 (2020) 6, 063506。
（8）Horndeski理论中暗物质候选者及其宇宙学演化的研究
Horndeski理论是标量张量理论的一种，众所周知，我们可以用标量场来解释暴胀模型或暗能量问题。我们提出了一种新的设想，即标量场可以同时解释暗物质和暗能量。我们考虑了带标量场的球对称解来研究星系转速曲线。将标量场分解为暗物质和暗能量两部分，其中暗物质成分在星系中密度分布满足平方反比规律，暗能量成分表现为宇宙学常数。我们还研究了标量场的宇宙学时间演化，并讨论了候选暗物质冷暗的性质。该项目的研究成果发表在Physical Review D 101，no.2，024046（2020）上。
（9）原始引力波和暴胀的有效场论方法研究
宇宙微波背景是宇宙暴胀模型的有力证据，最近的观测对宇宙暴胀理论的张标比给出了非常严格的上限。观测结果同时也表明，原初引力波的功率谱有一个极小的振幅，而这个振幅可以用来对暴胀模型做限制。基于有效场论，我们研究了一般的暴胀模型，并推导出张标比的一般表达式。通过将一般的结果简化到不同的暴胀模型，未来观测实验的精度还可以对模型参数做出新的限制。该项研究成果发表于European Physics Journal C 80 (2020) 12, 1163。
（10）F(R)引力理论中的大爆炸核合成与暗物质候选者研究
F(R)引力是致力于解决暗能量问题的修改引力理论之一，目前已有众多的宇宙学模型受到广泛研究。F(R)引力预言了一种新的标量场，称为标量子。我们在先前的工作中提出了标量子场的量子涨落可以充当暗物质的方案，此时标量子称为变色龙暗物质。我们研究早期宇宙中的原初核合成对于标量子的影响，发现了它对于标量子质量的一个普遍约束，由此得到了相对于第五力实验更为严格的参数限制。我们也发现了标量子在原初核合成时期可以自然地发展成足够小的涨落，由此避免基于最新的Planck 2018数据的原初核合成限制。我们的结果不仅确认了变色龙暗物质方案的有效性，还指出标量子对于原初核合成过程高度敏感，因此将来更精确的数据（轻元素丰度和重子数密度分数）可以有效地限制变色龙暗物质方案。该研究成果发表于Journal of High Energy Physics 02, 155 (2020)。
2020年度课题组发表论文10篇，国际会议（网络）报告2次，研讨会（网络）邀请报告1次，国际期刊的客座编辑1次，毕业硕士研究生2人、博士研究生1人，新增科技部SKA专项研究项目1项，在研国家级基金项目2项，获评湖北省自然科学奖三等奖1项。
高水平论文列表：
(1)Yu, Yun-Wei*; Gravitational-wave Memory from a Propagating Relativistic Jet: A Probe of the Interior of Gamma-Ray Burst Progenitors, Astrophysical Journal, 2020, 897(1)：0-19
(2)俞云伟*; 李永森; 谈伟伟; 戴子高; 双致密星并合引力波事件中的伽马射线暴, 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2020, 12(129502)
(3)Tan, Wei-Wei; Yu, Yun-Wei*; The Jet Structure and the Intrinsic Luminosity Function of Short Gamma-Ray Bursts, The Astrophysical Journal, 2020, 902(83)
(4)Zhu, Jin-Ping; Yang, Yuan-Pei; Liu, Liang-Duan; Huang, Yan; Zhang, Bing; Li, Zhuo; Yu, Yun-Wei; Gao, He; Kilonova Emission from Black Hole-Neutron Star Mergers. I. Viewing-angle-dependent Lightcurves, Astrophysical Journal, 2020, 897(1)：0-20
(5)Sun, Shangyu*; Yu, Wenfei; Yu, Yunwei; Mao, Dongming; Lin, Jie; A Search for Short-term Hard X-Ray Bursts in the Direction of the Repeating FRB 121102, Astrophysical Journal, 2019, 885(1)：0-55
(6)Luan Ze; Qiu, Taotao*; Towards degeneracy breaking of early universe models, Phys. Rev. D 101 (2020) 2, 023517
(7)Shi, Jiaming*; Katsuragawa, Taishi; Qiu, Taotao; Dark matter candidate induced by Horndeski theory: Dark matter halo and cosmological evolution, Phys. Rev. D 101, no.2, 024046 (2020)
(8)Chen, Hua; Katsuragawa, Taishi*; Matsuzaki, Shinya; Qiu, Taotao; Big Bang Nucleosynthesis Hunts Chameleon Dark Matter, JHEP 02, 155 (2020)
(9)Qiu, Taotao*; Katsuragawa, Taishi; Ni, Shulei; Confronting inflation models with the coming observations on primordial gravitational waves, Eur. Phys. J. C 80 (2020) 12, 1163.
(10)Qiu, Taotao*; Xiao Zehua; Shi Jiaming; Aljaf Muhsin; Potential-driven Inflation with Disformal Coupling to Gravity, Phys. Rev. D 102 (2020) 6, 063506
(11)Yang, Shu-Hua*; Pi Chun-Mei*; Zheng, Xiao-Ping*; Weber, Fridolin*; Non-Newtonian gravity in strange quark stars and constraints from the observations of PSR J0740+6620 and GW170817, 2020, Astrophysical Journal, 2020, 902：32
(12)Wei, Wei*;Yang, Shu-Hua; Bao, Ze-Han; Zhang, Chong; Gao, Chang; Fan,Wei-Ru; Multiple configurations of neutron stars containing quark matter, Chinese Physics C, 2020, 44(9)：094104
