活動星系核的鐵K教學文案

1、活動星系核的鐵K標準模型：標準模型：the Fireball Modelmain burstInter-StellarMedium108 km1000內(nèi)激波初始火球e+, e- pR10 kmE1052 ergsM1Afterglows 然而，同步輻射(和逆康普頓散射)機制面臨困難，與觀測矛盾。 例如： 1. 關于伽瑪射線譜。為何觀測的伽瑪射線譜總是折斷的冪律形譜？Stern & Poutanen 2004, MNRAS 2. 特別是, 其中有死線問題。即伽瑪射線譜低能部分的譜指數(shù)問題。Preece 1998, 2000, ApJ; Lloyd-Ronning & Petros

2、ian 2000, ApJ 同步機制要求：低能譜(即上升譜部分)很平。 譜指數(shù)必須滿足條件 (或光子譜指數(shù) )。 而觀測譜指數(shù)常常明顯大于1/3，很陡！ 3132觀測中GRB的 rays能譜(Schaefer et al. 1992, ApJ)3. 觀測到偏振(Willis et al. 2005 A&A; Coburn & Boggs, 2003, Nat, 423, 415; Kalemci et al, 2007; ApJ) GRB 021206: 伽瑪光子的線偏振度高達伽瑪光子的線偏振度高達(80(80 20)% 20)% ？4. 4. Amati 關系關系: : (A

3、mati, 2006, MNRAS, 372, 233; 2002, A&A, 390, 81; Yonetoku et al., 2004, ApJ, 609, 935; Sakamoto et al., 2004, ApJ, 602, 875) Fig. 22peakisoE5. 能量轉(zhuǎn)換效率很低.(Piran 1999, Phys. Rep) 中間過程多. 復雜鏈條: 并合形成火球(引力能釋放 )火球膨脹形成拋射(內(nèi)激波)內(nèi)激波碰撞形成相對論電子同步輻射或逆康普頓散射形成X-射線多普勒移動，形成 rays.鏈條中，多少引力能轉(zhuǎn)換成最終的 rays? erg53105 既然傳統(tǒng)的輻

4、射機制在解釋這些觀測事實時遇到困難，就應尋求新的伽瑪射線輻射機制并嘗試新模型來解決這些目前存在的問題。要點: 用強磁場相對論電子的共振逆康普頓散射(RICS) 代替流行的同步輻射(以及普通逆康普頓散射ICS)解決這些困惑。我們認為: 這是探討GRB的 rays起源的很有希望的新路!II. 共振逆康普頓散射(RICS)及其在GRB中的作用2.1. 先說觀測對 ray輻射機制的限制 i). 要求該輻射機制非常高效,以和觀測匹配; ii).該機制的輻射波段必須主要在 ray波段; iii).它產(chǎn)生的 ray光子能夠躲避強吸收(如磁湮滅和 湮滅), 順利逃出. 即不只產(chǎn)生 ray光子, 還能跑出來(即

5、可以解決致密性難題).iv). 它產(chǎn)生的 ray輻射應當是偏振的，用以說明觀測；v). 可以容易地復制出觀測到的折斷的非熱冪律譜，且不求助于復雜的假定；vi). 最后，它能夠解釋Amati relation的物理本質(zhì)，容易由它導出統(tǒng)計關系 以下論證：RICS機制滿足以上條件。2peakisoE2.2 RICS物理概說：相對論電子在強磁場中力學運動特點：a). 在實驗室系S考察RICS, 快電子在磁力線方向沿拉緊的螺旋軌道運行而散射光子方向也是沿著磁力線。b). 在電子靜止系（ERF）S觀察RICS，電子在圓軌道上運動。量子化能級。S系中,入射光子和電子的碰撞總是對頭碰。BnE)2/1( 在電子

6、靜止參考系ERF中(對散射做理論處理方便)散射截面與頻率的關系, 細說：先說非共振的逆康普頓散射 如果 ，非共振散射和普通的，沒有磁場時的逆康普頓散射其實無區(qū)別。因為此時嚴格的QED理論給出的散射截面。反之，如果，非共振散射實際已不存在，因為QED給出。此時，散射被磁凍結了。大量的低頻光子時是無用的垃圾光子。這說明普通逆康普頓散射在強磁場中變得很不重要。磁凍結：磁場太強，低頻光子擾動不了被束縛很緊的電子。BiTnressBi0nressBi再說共振的逆康普頓散射如果在電子靜止參考系ERF中，入射光頻率特別是當，則有共振的逆康普頓散射。 記為RICS，用以區(qū)別共存的ICS。RICS性質(zhì)特殊，很重

7、要。因為QED共振截面 ，亦即具有極高的輻射效率。例如：，。因此，若周邊有足夠多能共振吸收的光子（即滿足匹配條件），電子會很快耗盡能量變成輻射。,3,2,BBBiBiTressGsB1210TBress7102 許多學者對此工作有貢獻，Herold,Dermer, Daughty & Harding, Gonither, 喬國俊，夏曉陽，吳鑫基，鄧勁松等。 我們的貢獻：1. 把強磁場逆康普頓散射分解，共振和非共振，分別處理, 根據(jù)：兩部分物理性質(zhì)很不同，出現(xiàn)的頻段也不同。見上述 圖（嚴格論證了：強磁場中，共振部分遠比非共振部分重要） 2. 不用QED, 改用經(jīng)典Quantum用半量子的

8、共振散射截面(含時微擾論)代替復雜的QED截面，精確一致。而所得RICS諸公式，數(shù)學大為簡化，RICS物理更加清晰，便于實用。 NoImages 我們所利用的半經(jīng)典量子回旋散射截面公式在 情況下是推廣QED結果的一個很好的近似，但我們的公式簡潔實用。GsB1310RICS的基本公式 1. 電子靜止系 中，微分共振散射截面公式 入射光子頻率，和分別為入射角和散射角。 為洛侖茲輪廓因子：SBisisiiclcr220cos1cos1323,iBiis2244luiluBiB2. 共振條件 在 ERF中，在觀測者系中，BiBiBicos13. 單個電子的RICS輻射譜功率 令 為以最大散射頻率為單位

9、的無量綱頻率(光子能量), 則單個電子RICS譜功率為 其中此處 代表能量為 的單個電子無量綱的RICS輻射譜，示于圖3。 max2Bx)(),(30 xfBcrdxdpRICS) 1(0) 10(22)(23xforxforxxxxf)(xf圖3. 能量是 的快電子的RICS輻射譜。它和普通的逆康普頓散射譜不同。注意在極大頻率 處有一尖銳高峰。以及拖著一條弱的低頻尾巴，一直到 ，仍有較好單色性。B21x0B2B204. RICS效率 上式中的 一個積分。 可看作是RICS效率的量度。因為包含了所有合格的軟光子，頻率為共振頻率5. RICS輻射總功率所以 。 100),()(Bcrdxdxdp

10、pRICSRICSB,BiiiiiIdIB4sincos12,0B,B,BiiRICSp2.3. RICS機制應用在GRB研究中的優(yōu)越性. RICS最突出的優(yōu)點是其極高的輻射效率為此，估計電子的特征射程 (電子沿磁軸方向飛行 后，幾乎耗盡全部動能，轉(zhuǎn)換為RICS光子）。顯然，射程越短，RICS機制的輻射效率就越高。估計如下：單個能量為的相對論電子的RICS輻射功率是：(1)RICScRRICScRRICScRsec)/(0ergcrpRICSBiiiiiIdI4sincos120 由(1)式得到，電子沿磁軸方向單位路程的能量損失為 (2)故 (3)由此得特征路程為 (4)由(4)式可見，在一般

11、周邊軟光子場中，特征飛行距離 都非常小。例：在中子星表面附近，存在黑體輻射場，溫度為 取典型值 ， 。則按Planck公式，頻率 處的共振強度為 ，從而 。 )/(0cmergrcpdrdERICSRICSBRICSRICScIrcmrcmdrdEER02200204)(104 . 714cmIRBRICScRICScR)11 . 0.,.(101076keVkTeiKT)10(20,106MeVEKTkGsB1210B)sec/(1076. 122HzsrcmergsIBmcmRRICSc10101 . 42 特征路程驚人的短！沿磁軸方向，穿過極短的路程 ， 電子即耗盡其動能，全變成RICS

12、輻射！RICS的高效率令人意外！ 高效率保證了一種可能性：RICS機制在 ray波段產(chǎn)生的輻射總能量足以達到與GRB觀測值相比較， 。 以下給出論證，能量估計： 在流行的火球模型中，引力能釋放 來自吞沒和大質(zhì)量星的坍縮。 ，引力能大部分由典型溫度為 的中微子氣體帶出(Ruffert et al. 1997, A&A)。RICScRergsE51501010EergsE53105MeVkT2010中微子對 將做兩件事： a. 由于中微子氣體的高壓，結合中子星強偶極磁場的定向作用，會形成噴流，內(nèi)、外激波。 b. 對的湮滅會形成大量相對論電子對 ，使強RICS過程似乎不可避免！大約0.20.

13、3%，甚至0.7%的 對能量將轉(zhuǎn)變成電子對 的動能，故 ！ (Ruffert et al. 1997, A&A)由于RICS的高效率，它全部都變成輻射，足以與GRB的觀測之匹配。 ,e,ergsEk5110eRICS的其他優(yōu)點：u RICS輻射能量高度集中于 ray波段(見圖3單電子RICS譜圖)。uRICS輻射高度準直，只沿相對論電子運動方向，即磁軸方向。故可避免來自磁湮滅和 湮滅的強吸收！傳統(tǒng)的致密性困難不再存在。沿磁軸有一光學薄的透明隧道。u 大量電子集體RICS譜總有折斷的冪律譜形，而不問周邊軟光子場是什么場。而且拐點總在 處（唯一條件是電子能譜為冪律）。 (Liu et al

14、. 2006 MNRAS)u 最后，RICS機制可以自然導出Amati relation！BRICSpeakh2III. Amati 關系的推導 基本想法: 假如早期 ray果然來自RICS，則觀測到的表觀的各向同性輻射總能量 和觀測譜的拐點峰能必然都依賴于同一個參量：電子平均能量 .消去參量 ,即可得到統(tǒng)計關系 。推導： 記GRB的真實RICS輻射能量為 ，RICS輻射所張小立體角為 ，則表觀的各向同性 ray輻射能量 將放大 ，即 (5)isoEpeakpeakisoERICSEisoE44RICSisoEE 對于平均能量是 的相對論電子束，其RICS輻射的半張角是 。因此 (7)故 (8)由于RICS的極高效，使得 的總動能 (假定對所有GRBs都一樣)會全部轉(zhuǎn)變成 ray輻射，故 ，即視為標準燭光。故有 (9) 11112224RICSisoEEeergsEk5110.constERICS2isoE 另一方面，RICS的集體譜的拐點位于 (9)而觀測表明，中子星磁場強度高度集中于 （Narayan & Ostriker, 1990, ApJ; Zha