活动星系核的铁K课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,GRB,的突发伽玛射线暴来自共振逆康普顿散射机制,陈磊,(1),刘当波,(2),黄永锋,(3),尤峻汉,(2),1.,中科院上海天文台,2.,上海交通大学物理系,3.,南京大学天文系,引言,GRB,：宇宙空间中强的突发性的伽玛射线点源,GRB,的流行模型,火球,模型,要点,:,1.,早期的伽玛射线主暴来自：内激波,2.,X-ray,和光学余辉则来自：外激波,3.,伽玛射线的辐射机制：同步辐射,(,有人同时考虑逆康普顿散射,)-,所需相对论电子,(,快电子,),来自内激波的碰撞。,标准模型：,the Fireball Model,main,burst,Inter-,Stellar,Medium,10,8,km,1000,内激波,初始火球,e,+,e,-,p,R10 km,E10,52,ergs,M1,Afterglows,然而，同步辐射,(,和逆康普顿散射,),机制面临困难，,与观测矛盾,。,例如：,1.,关于伽玛射线谱。为何观测的伽玛射线谱总是折断的幂律形谱？,Stern&Poutanen 2004,MNRAS,2.,特别是,其中有死线问题。即伽玛射线谱低能部分的谱指数问题。,Preece 1998,2000,ApJ;Lloyd-Ronning&Petrosian 2000,ApJ,同步机制要求：低能谱,(,即上升谱部分,),很平。,谱指数必须满足条件,(,或光子谱指数,),。,而观测谱指数常常明显大于,1/3,，很陡！,观测中,GRB,的,rays,能谱,(Schaefer et al.1992,ApJ,),3.,观测到偏振,(,Willis et al.2005 A,Coburn,Kalemci,et al,2007;,ApJ,),GRB 021206:,伽玛光子的线偏振度高达,(80,20)%,？,4.,Amati,关系,:,(,Amati,2006,MNRAS,372,233;,2002,A,Yonetoku,et al.,2004,ApJ,609,935;,Sakamoto et al.,2004,ApJ,602,875,),Fig.2,5.,能量转换效率很低,.,(,Piran,1999,Phys.Rep),中间过程多,.,复杂链条,:,并合形成火球,(,引力能释放,),火球膨胀形成抛射,(,内激波,),内激波碰撞形成相对论电子,同步辐射或逆康普顿散射形成,X-,射线多普勒移动，形成,rays.,链条中，多少引力能转换成最终的,rays?,我们建议：,既然传统的辐射机制在解释这些观测事实时遇到困难，就应寻求,新的,伽玛射线,辐射机制,并,尝试新模型,来解决这些目前存在的问题。,要点,:,用强磁场相对论电子的共振逆康普顿散射,(RICS),代替流行的同步辐射,(,以及普通逆康普顿散射,ICS),解决这些困惑,。,我们认为,:,这是探讨,GRB,的,rays,起源的很有希望的新路,!,II.,共振逆康普顿散射,(RICS),及其在,GRB,中的作用,2.1.,先说观测对,ray,辐射机制的限制,i).,要求该辐射机制非常高效,以和观测匹配,;,ii).,该机制的辐射波段必须主要在,ray,波段,;,iii).,它产生的,ray,光子能够躲避强吸收,(,如磁湮灭和 湮灭,),顺利逃出,.,即不只产生,ray,光子,还能跑出来,(,即可以,解决,致密性,难题,).,iv).,它产生的,ray,辐射应当是偏振的，用以说明观测；,v).,可以容易地复制出观测到的折断的非热幂律谱，且不求助于复杂的假定；,vi).,最后，它能够解释,Amati relation,的物理本质，容易由它导出统计关系,以下论证：,RICS,机制满足以上条件。,2.2 RICS,物理概说：,相对论电子在强磁场中力学运动特点：,a).,在实验室系S考察,RICS,快电子在磁力,线方向沿,拉紧,的螺旋轨道运行而散,射光子方向也是沿着磁力线。,b).,在电子静止系（,ERF,）,S,观察,RICS,，,电子在圆轨道上运动。量子化能级。,S,系中,入射光子和电子的碰撞总是,对头碰。,在电子静止参考系,ERF,中,(,对散射做理论处理方便,),散射截面与频率的关系,细说：,先说非,共振的逆康普顿散射,如果 ，非共振散射和普通的，没有磁场时的逆康普顿散射其实无区别。因为此时严格的,QED,理论给出的散射截面。,反之，如果，非共振散射实际已不存在，因为,QED,给出。,此时，散射被磁冻结了。大量的低频光子时是无用的垃圾光子。这说明普通逆康普顿散射在强磁场中变得很不重要。,磁冻结：磁场太强，低频光子扰动不了被束缚很紧的电子。,再说,共振的逆康普顿散射,如果在电子静止参考系,ERF,中，入射光频率,特别是当，则有共振的逆康普顿散射。,记为,RICS,，用以区别共存的,ICS,。,RICS,性质特殊，很重要。因,为,QED,共振截面 ，亦即具有极高的辐射效率。,例如：,，。,因此，若周边有足够多能共振吸收的光子（即满足匹配条件），电子会很快耗尽能量变成辐射。,许多学者对此工作有贡献，,Herold,Dermer,Daughty,&Harding,Gonither,乔国俊，夏晓阳，吴鑫基，邓劲松等。,我们的贡献：,1.,把强磁场逆康普顿散射分解，共振和非共振，分别处理,根据：两部分物理性质很不同，出现的频段也不同。见上述 图,（严格论证了：强磁场中，共振部分远比非共振部分重要）,2.,不用,QED,改用经典,Quantum,用半量子的共振散射截面,(,含时微扰论,),代替复杂的,QED,截面，精确一致。而所得,RICS,诸公式，数学大为简化，,RICS,物理更加清晰，便于实用,。,我们所利用的半经典量子回旋散射截面公式在,情况下是推广,QED,结果的一个很好的近似，但我们的公,式简洁实用。,RICS,的基本公式,1.,电子静止系 中，微分共振散射截面公式,入射光子频率，和分别为入射角和散射角。,为洛仑兹轮廓因子：,2.,共振条件,在,ERF,中，,在观测者系中，,3.,单个电子的,RICS,辐射谱功率,令 为以最大散射频率为单位的无量纲频率,(,光子能量,),则单个电子,RICS,谱功率为,其中,此处 代表能量为 的单个电子无量纲的,RICS,辐射谱，,示于图,3,。,由图可见，,RICS,谱有很好单色性,在最大散射频率,(or ),处，有尖锐极大,!,并有延伸到 的弱的,尾巴,。所以，常用,准单色近似,，。,图,3.,能量是 的快电子的,RICS,辐射谱。它和普通的逆康普顿散,射谱不同。注意在极大频率 处有一尖锐高峰。以及拖着一条,弱的低频尾巴，一直到 ，仍有较好单色性。,4.RICS,效率,上式中的 一个积分。,可看作是,RICS,效率的量度,。因为包含了所有合格的软光子，频率为共振频率,5.RICS,辐射总功率,所以 。,2.3.RICS,机制应用在,GRB,研究中的优越性,.RICS,最突出的优点是其极高的辐射效率,为此，估计电子的特征射程,(,电子沿磁轴方向飞行 后，几乎耗尽全部动能，转换为,RICS,光子）。显然，射程越短，,RICS,机制的辐射效率就越高。估计如下：,单个能量为的相对论电子的,RICS,辐射功率是：,(1),由,(1),式得到，电子沿磁轴方向单位路程的能量损失为,(2),故,(3),由此得特征路程为,(4),由,(4),式可见，在一般周边软光子场中，特征飞行距离,都非常小。,例：,在中子星表面附近，存在黑体辐射场，温度为,取典型值 ，。则按,Planck,公式，频率,处的共振强度为 ，,从而 。,特征路程惊人的短！沿磁轴方向，穿过极短的路程,，电子即耗尽其动能，全变成,RICS,辐射！,RICS,的高效率令人意外！,高效率保证了一种可能性：,RICS,机制在,ray,波段产生的辐射,总能量足以达到与,GRB,观测值相比较，。,以下给出论证，能量估计：,在流行的火球模型中，引力能释放 来自,吞没,和大质量,星的,坍缩,。，引力能大部分由典型温度为,的中微子气体带出,(,Ruffert,et al.1997,A&A),。,中微子对 将做两件事：,a.,由于中微子气体的高压，结合中子星强偶极磁场的定向作用，会形成喷流，内、外激波。,b.,对的湮灭会形成大量相对论电子对 ，使强,RICS,过程似乎不可避免！,大约,0.20.3%,，甚至,0.7%,的 对能量将转变成电子,对,的动能，故 ！,(,Ruffert,et al.1997,A&A),由于,RICS,的高效率，它全部都变成辐射，足以与,GRB,的观测之匹配。,RICS,的其他优点：,RICS,辐射能量高度集中于,ray,波段,(,见图,3,单电子,RICS,谱图,),。,RICS,辐射高度准直，只沿相对论电子运动方向，即磁轴方向。故可避免来自磁湮灭和 湮灭的强吸收！传统的,致密性困难不再存在,。沿磁轴有一光学薄的,透明隧道,。,大量电子集体,RICS,谱总有折断的幂律谱形，而不问周边软光子场是什么场。而且拐点总在 处（唯一条件是电子能谱为幂律）。,(Liu et al.2006 MNRAS),最后，,RICS,机制可以自然导出,Amati relation,！,III.Amati,关系的推导,基本想法,:,假如早期,ray,果然来自,RICS,，则观测到的,表观的各向同性辐射总能量 和观测谱的拐点峰能,必然都依赖于同一个参量：电子平均能量,.,消去参量,即可得到统计关系 。,推导：,记,GRB,的真实,RICS,辐射能量为 ，,RICS,辐射所张小,立体角为 ，则表观的各向同性,ray,辐射能量 将放,大 ，即,(5),对于平均能量是 的相对论电子束，其,RICS,辐,射的半张角是 。因此,(7),故,(8),由于,RICS,的极高效，使得 的总动能,(,假定,对所有,GRBs,都一样,),会全部转变成,ray,辐射，,故 ，即视为标准烛光。,故有,(9),另一方面，,RICS,的集体谱的拐点位于,(9),而观测表明，中子星磁场强度高度集中于,（,Narayan,&,Ostriker,1990,ApJ,;Zhang&Kojima,2006,MN),。,故,(9),中的,故有,(10),结合,(9),式和,(11),式，即得,(11),此即,Amati,关系！,Thank you!,并合示意图,Thank you!,