新辐射机制在高能天体物理学中的理论与应用研究

论文摘要

最近十几年来，由于空间技术的飞速发展，使X射线和γ射线天文学进入空前繁荣时期，极大地扩展和深化了我们对宇宙，对自然界的认识。各种新发现，新理论，新学说层出不穷，成果举世瞩目。例如，活动星系核（AGN），特别是Seyfert 1星系的性质奇特的铁Kα线的发现，就是近十年X射线天文学最重要的成果之一。铁Kα线是认识AGN中央大黑洞周边物理环境及状态的最重要探针，因此成为近年X射线天文观测和黑洞理论研究的一大热点。再如近十年中伽玛暴研究的巨大进展，使之三次入选美国‘Scicence’杂志评出的年度十大科学成就。伽玛暴研究已经成为天体物理学中一个焦点领域，对今后物理学和天文学发展有很大的潜在意义。人们期待着，新的科学突破会从天文学开始。但与观测成果相比，理论现状相对落后。这包括两方面：即对这些高能天体的物理了解及对高能辐射机理本身的基础研究。弄清辐射机理是揭示这些奇异天体性质的关键第一步，而目前国际上在这方面进展不大。仅对活动星系核，类星体，以及伽玛暴这几类天体而言，面对观测资料，至今存在着很多无法解决的困惑。有些难题甚至已经困扰天文界二、三十年。理论落后观测的现状首先表现在辐射理论研究进展缓慢，而目前新发现的高能天体的观测性质对经典辐射理论提出了严重挑战。为此，本论文的主要研究课题是X射线和γ射线天文学中新辐射机制的研究及其应用。第一章为绪论，概述了本文对辐射机制研究的主要内容。从第二章到第十一章主要对Cerenkov线状辐射理论，强磁场中回旋辐射的量子理论，强磁场中相对论电子的共振逆Compton散射机制（简称RICS），Compton软化处理方法和双光子湮灭吸收及其它们在天体物理中的应用进行了一系列的研究．现分叙如下。在上世纪80年代，尤峻汉等人就提出，当具有各向同性速度分布的相对论电子穿过气体区域或者轰击稠密气体区域的表面时，所产生的Cerenkov辐射集中在原子特征谱线附近的狭窄频段上，因而这种辐射可看作一种特殊的发射线，称为Cerenkov线状辐射或简称Cerenkov发射线。这是一种新的谱线发生机制。在第二章中简介Cerenkov线状辐射基本理论，系统地引出Cerenkov线状辐射的相关公式。定量给出Cerenkov出射线的强度、轮廓、线宽、红移等特征。这种新型谱线发射机制在天体物理中有潜在的重要性，可用来探讨活动星系核的宽发射线的起源和性质（包括类星体和Seyfert 1星系在X射线和光学波段的宽线）。本章中，我们利用Cerenkov线状辐射理论公式计算了氢原子巴尔末谱线的强度比，成功地解释了类星体与赛弗特Ⅰ型星系中很陡的巴尔末减缩。另外，我们也利用Cerenkov线状辐射理论成功地解释了类星体的氢发射线之间系统性的微小红移差。这为活动星系核的氢的宽发射线主要起源于Cerenkov线状辐射机制的提供了观测证据。铁K线是目前公认的认识活动星系核（ACN）中央大黑洞和X射线密近双星黑洞周遍物理环境及状态的最重要的探针。第三章中，利用Cerenkov线状辐射机制探讨了活动星系核中的铁K线起源问题。为解决目前流行的“光电吸收-荧光线发射”机制的某些预言与观测的不符，我们建议采用Cerenkov线发射机制重新探讨AGN中的铁K线起源。理论计算表明，在合理的参数范围内，的确可以产生足够大的能与观测比较的Cerenkov谱线强度（或光度）。我们利用Cerenkov机制也合理地解释了观测中反常的铁线Kα／Kβ强度比。并预言铁Kα线和Kβ线存在系统性的红移差，期待观测上的验证。我们这一新模型的提出既为解释AGNs中的铁K线提出了新的途径，同时也对AGNs的物理研究有明显的影响，AGN中心巨黑洞的周边环境可能比以前所设想的有更多的激烈高能活动，有大量相对论电子存在，而且气体也更加稠密。在X射线和γ射线天文学中，强磁场中非相对论性热电子的回旋辐射是一种重要的谱线发射和谱线吸收机制。在强磁场中，经典电磁学给出的回旋辐射理论已不再适用。本文第四章中，我们介绍了尤峻汉等人近年发展的回旋辐射的半经典量子理论。与以前的QED结果相比，回旋辐射的半经典量子理论的结果更具物理直观性，且更为简洁实用。本章中，我们利用量子回旋吸收公式对孤立中子星1E1207.4-5209 X射线回旋吸收线的做了理论分析，完成了对位于0.7和1.4 keV两条吸收线的等值宽度的拟合，并由此导出自转轴的空间取向。强磁场中相对论电子的共振逆Compton散射（简称RICS）是γ射线天文学中一种重要的γ射线辐射机制。与一般逆Compton散射不同，RICS机制讨论强磁场中相对论电子沿中子星磁轴飞行的共振的逆Compton散射。这是一种新的高效、高能、辐射带有尖锐方向性的辐射机制。在第五章，我们给出单个相对论电子共振逆Compton散射的解析谱功率分布公式，给出了实验室系中共振逆Compton散射的匹配条件γhvi（?）hvB（或（?）h（?）i（?）hvB，又叫近似共振条件）。当幂律分布的N（γ）=N0γ-n（γ1＜γ＜γ2）的电子系集体沿磁偶极场运动时，我们计算了变化磁场中集体的共振逆康普顿散射（RICS），得到了各种典型的周边低频场环境下的集体RICS谱形。在5.5节中，我们尝试利用RICS机制重新探讨伽玛射线暴中原初伽玛射线的辐射。指出了流行的‘火球—内激波’模型在解释伽玛射线暴中原初伽玛射线辐射存在的一些问题，论证了RICS机制产生伽玛射线暴中原初伽玛射线辐射的可能性，RICS机制可能是解释伽玛射线暴中早期伽玛射线辐射的有希望的新尝试。X射线穿过‘冷’等离子体的Compton软化过程是X射线天文学中辐射转移中的一个重要内容。由于辐射场和等离体介质的能量交换，将会使出射光的谱形发生很大的改变。第六章中介绍处理X射线或γ射线穿过‘冷’等离子体的Compton软化过程的一种简便的解析方法—推广的Kompaneets扩散方程。该方程既适用于Compton软化过程，也适用于Compton硬化过程。利用此推广的Kompaneets方程计算了天体物理中4种常见辐射谱（发射线、黑体谱、幂律谱和热轫致谱）的Compton软化，所得结果同MonteCarlo模拟结果和Ross-McCray方程的数值求解结果一致。相对于Monte Carlo方法，推广的Kompaneets扩散方程更具物理直观性，且求解简捷方便。因此，推广的Kompaneets方程是处理Compton软化的一种有效方法。双光子湮灭造成的γ射线吸收是γ射线天文学中一种重要的吸收机制。在第七章，我们对双光子湮灭造成的γ射线吸收做了详细的理论分析，得出了双光子湮灭的匹配条件（hω）·（hω′）≈3（m0c2）2，有利于对伽玛射线观测谱做定性物理分析，预言了在宇宙伽玛辐射谱中可能会出现线状吸收结构。另外，我们也得到了不同低频辐射场下双光子湮灭的吸收系数，可用来定量分析伽玛辐射谱穿过周边低频场所造成的吸收。总之，在本篇论文中，主要阐述了我攻博期间在X射线和γ射线天文学中辐射机制的理论和应用研究方面所做的研究工作。研究工作主要包括：Cerenkov线状辐射理论的应用研究，强磁场中回旋辐射量子理论的应用，强磁场中相对论电子的共振逆Compton散射机制的研究及应用，Compton软化处理方法和双光子湮灭吸收。在第八章中我们对本论文的主要研究内容做了一个简单总结，并对我们以后在X射线和γ射线辐射机制方面可能的应用研究做了一些展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第二章 Cerenkov线状辐射及其应用
• 2.1 Cerenkov线辐射
• 2.2 线状发射基本公式
• λ和消光系数k_λ（对氢或类氢气体）'>2.2.1 折射率n_λ和消光系数k_λ（对氢或类氢气体）
• 2.2.2 公式推广到多电子复杂原子情况
• λ^c（J_y^c）及线宽Δλ_lim^c(y_lim^c)'>2.2.3 Cerenkov谱发射系数J_λ^c（J_y^c）及线宽Δλ_lim^c(y_lim^c)
• '>2.2.4 有效吸收系数k_</li>
• 2.2.5 Cerenkov出射线的谱强度I_λ^c和总强度I^c,谱线轮廓
• c（y_p^c）'>2.2.6 Cerenkov线红移ΔZ^c（y_p^c）
• 2.2.7 公式推广到X射线波段
• 2.3 等离子体振荡对Cerenkov线状辐射效率的影响
• 2.4 类星体与赛弗特Ⅰ型星系中的宽氢线的Cerenkov起源
• 2.4.1 类星体与赛弗特Ⅰ型星系陡的巴尔末减缩的起源
• 2.4.2 类星体不同氢线之间的红移差现象起源于Cerenkov线状辐射
• 2.4.3 结论与讨论
• 第三章 活动星系核中的铁K线研究
• 3.1 引言
• 3.2 "光电吸收—荧光线发射"机制概述
• 3.3 "光致电离—荧光线发射"机制面对观测的困难
• 3.4 AGN中铁线来自于Cerenkov线辐射的合理性,相关的模型考虑
• 3.5 AGNs中Cerenkov铁K线辐射光度的模型计算
• 3.5.1 Cerenkov铁Kα线的光度公式（光厚情况）
• 3.5.2 与观测光度的对比
• 3.5.3 快电子的存在所引发的逆康普顿散射问题
• 3.6 切仑科夫铁Kα和铁Kβ发射线的强度比和红移比
• 3.6.1 切仑科夫铁Kα和Kβ发射线强度比
• 3.6.2 切仑科夫铁Kα和Kβ发射线红移比
• 3.7 反常的Kα/Kβ强度比及其Cerenkov解释
• 3.8 结论与讨论
• 3.9 附录:荧光模型下铁线等值宽度的计算以及与观测的矛盾
• 3.9.1 盘模型
• 3.9.2 BLR云团模型
• 3.9.3 torus模型
• 3.9.4 与观测的比较
• 第四章 回旋辐射（半经典）量子理论在X射线天文学中的应用
• 4.1 前言
• 4.2 回旋辐射量子理论基本公式
• l→u'>4.2.1 由基态l到激发态u的吸收跃迁几率P_l→u
• lu和b_ul'>4.2.2 Einstein感应跃迁系数b_lu和b_ul
• ul'>4.2.3 Einstein自发跃迁系数（自发跃迁几率）a_ul
• v'>4.2.4 回旋共振吸收系数k_v
• lu（v,θ）'>4.2.5 热电子回旋共振散射截面σ_lu（v,θ）
• 4.3 对孤立中子星1E1207.4-5209 X-射线回旋吸收线的理论分析
• 4.3.1 简介
• 4.3.2 基本公式
• 4.3.3 对于两个疑难问题的解答
• 4.3.4 中子星1E1207.4-5209自转轴的空间取向
• 4.3.5 结论与讨论
• 第五章 共振逆Compton散射（简称RICS）,理论及应用
• 5.1 前言
• 5.2 相对论电子的共振逆Compton散射（RICS）
• 5.2.1 单电子的共振逆Compton散射谱功率和总功率
• 5.2.2 共振逆Compton散射的匹配条件
• 5.2.3 共振逆Compton散射（RICS）与普通逆Compton散射（ICS）的比较
• 5.3 变化磁场中相对论电子系集体的共振逆Compton散射谱
• 5.4 各种周边低频场中的集体的共振逆Compton散射谱
• 5.4.1 低频场是中子星吸积柱中的各向同性黑体辐射场
• 5.4.2 低频场是来自中子星表面的黑体辐射场
• 5.4.3 低频场具有幂律形式非热谱形
• 5.4.4 低频幂律场是由外间隙（outer gap）产生的情况
• 5.5 RICS机制在探讨伽玛暴中原初伽玛射线起源问题时的可能应用
• 5.5.1 引言
• 5.5.2 传统模型的质疑
• 5.5.3 新的辐射机制考虑
• 5.5.4 小结
• 5.6 结论与讨论
• 5.7 附录:半经典共振散射截面与QED理论结果比较
• 第六章 X射线穿过‘冷’等离子体的Compton软化
• 6.1 前言
• 6.2 Compton软化的数值解,与Monte Carlo模拟和Ross-McCray方程的数值比较
• 6.2.1 初始谱为Gauss型发射谱线
• 6.2.2 初始谱为黑体形状谱
• 6.2.3 初始谱为幂律谱
• 6.2.4 初始谱为热轫致谱
• 6.3 结论和讨论
• 第七章 双光子湮灭吸收
• 7.1 前言
• 7.2 基本公式推导和计算
• 7.2.1 实验室系中的湮灭截面σ（ω,ω′,θ）
• 7.2.2 方向平均湮灭截面（?）（ω,ω′）
• γγ（hw）'>7.2.3 吸收系数k_γγ（hw）
• 7.3 简单应用举例
• 7.3.1 2.7K微波背景辐射场
• 7.3.2 银河系内星光背景场
• 7.4 结论和讨论
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录