利用LHAASO和Fermi-LAT研究天體物理中的高能伽馬射線輻射.pdf

1、對(duì)天體中伽馬射線的研究不僅能夠幫助我們理解一些天體源中的輻射機(jī)制，還可以幫助我們探索宇宙線和暗物質(zhì)領(lǐng)域的一些未解之謎。它與帶電宇宙線粒子以及暗物質(zhì)有著密切的聯(lián)系。在本文的工作中我們探討了宇宙線膝區(qū)的結(jié)構(gòu)、預(yù)研了高海拔宇宙線觀測(cè)站LHAASO對(duì)河外伽馬射線源的觀測(cè)、利用太空伽馬射線望遠(yuǎn)鏡Fermi-LAT在矮星系中尋找伽馬射線輻射，并且借助伽馬射線信號(hào)研究暗物質(zhì)。
　　宇宙線在一百多年前被人們發(fā)現(xiàn)，但是它的起源與加速機(jī)制等諸多問(wèn)題至

2、今都還沒(méi)有被徹底解決，其中一個(gè)重要原因是它帶電，在傳播過(guò)程中受到星際磁場(chǎng)的影響而偏轉(zhuǎn)。對(duì)宇宙線粒子能譜的測(cè)量是人們了解宇宙線的一個(gè)重要途徑，隨著探測(cè)技術(shù)的逐步提高，人們對(duì)宇宙線的能譜已經(jīng)有了一個(gè)較為清晰的認(rèn)識(shí)。在非常寬泛的一個(gè)能量范圍內(nèi)，宇宙線呈現(xiàn)出冪率譜的形態(tài)，但在某些特殊的能量段上卻又有著特殊的結(jié)構(gòu)，膝區(qū)便是這種特殊的結(jié)構(gòu)之一。關(guān)于宇宙線膝區(qū)的結(jié)構(gòu)和成因有很多理論分析，但還沒(méi)有下最后的定論，其中一個(gè)重要原因是各實(shí)驗(yàn)對(duì)如此高能量段上的

3、宇宙線能譜測(cè)量的精度還不夠。ARGO-YBJ在不久前借助其地面探測(cè)器陣列和用于LHAASO的原型成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)到了質(zhì)子與氦核在膝區(qū)附近的聯(lián)合能譜，而此前Tibet-Ⅲ實(shí)驗(yàn)也發(fā)布過(guò)膝區(qū)附近的全粒子能譜，我們基于這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果，在馬爾科夫鏈蒙特卡洛模擬算法的幫助下用參數(shù)化的唯象模型解釋了膝區(qū)的結(jié)構(gòu)。將來(lái)對(duì)宇宙線膝區(qū)各單成分粒子能譜的精確測(cè)量可以檢驗(yàn)我們的模型。
　　作為新一代高能伽馬射線及帶電宇宙線粒子的的復(fù)合型探測(cè)

4、器陣列，LHAASO的建成將會(huì)給我們帶來(lái)更加優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我們根據(jù)LHAASO的水切倫科夫探測(cè)器陣列WCDA的儀器性能模擬參數(shù)，首次預(yù)測(cè)了其對(duì)河外伽馬射線天體活動(dòng)星系核AGN的探測(cè)情況。在LHAASO-WCDA對(duì)AGN可探測(cè)數(shù)量上的預(yù)測(cè)，我們用兩種不同的方法給出了估測(cè)值。其中第一種方法是根據(jù)Fermi-LAT和地面探測(cè)器實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)有觀測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)做預(yù)測(cè)，而第二種方法則是借助模型將Fermi-LAT觀測(cè)到的AGN外推到更高的能段來(lái)做

5、預(yù)測(cè)。兩種方法給出的結(jié)果非常一致，我們?cè)谖闹性敿?xì)討論了這兩種預(yù)測(cè)方法的一些局限性。此外，我們還就LHAASO-WCDA對(duì)AGN能譜與光變曲線的觀測(cè)結(jié)果做了預(yù)測(cè)。通過(guò)預(yù)測(cè)分析我們發(fā)現(xiàn)LHAASO在測(cè)量伽馬射線源的能力上與原ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)相比有著顯著的提高。在大視場(chǎng)巡天以及長(zhǎng)期觀測(cè)等方面，LHAASO比切倫科夫望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　作為伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)ermi-LAT是迄今為止最成功的探測(cè)器。對(duì)某些天體中的伽馬射

6、線搜尋可以幫助我們尋找到暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是宇宙的主要組成成分之一，已經(jīng)有很多證據(jù)證明了暗物質(zhì)的存在，暗物質(zhì)已經(jīng)成為了現(xiàn)代物理學(xué)中最重要的問(wèn)題之一。由于暗物質(zhì)不發(fā)生電磁相互作用因而難以被發(fā)現(xiàn)，關(guān)于暗物質(zhì)的探測(cè)通常有三種途徑:對(duì)撞機(jī)探測(cè)、直接探測(cè)以及間接探測(cè)。通過(guò)天體中的伽馬射線輻射尋找暗物質(zhì)便是一種間接探測(cè)的方法。而在眾多的天體中，矮星系對(duì)于借助伽馬射線尋找暗物質(zhì)來(lái)說(shuō)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一方面是因?yàn)榘窍抵杏兄^高的暗物質(zhì)密度，另一方面是因?yàn)榘?/p>

7、星系中幾乎沒(méi)有重子物質(zhì)產(chǎn)生的伽馬射線背景。如果在矮星系中發(fā)現(xiàn)了異常的伽馬射線超出現(xiàn)象，則說(shuō)明此信號(hào)來(lái)源于暗物質(zhì)。即使在矮星系中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著的伽馬信號(hào)超出，也可以對(duì)暗物質(zhì)的一些性質(zhì)比如湮滅截面等作出限制。通常用Fermi-LAT分析伽馬射線給出的暗物質(zhì)湮滅截面限制是假設(shè)湮滅截面與暗物質(zhì)粒子運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)的，而我們?cè)诜治鲞^(guò)程中使用了速度相關(guān)的湮滅截面形式，我們使用了三種典型的截面形式，在不同的參數(shù)下給出了不同的限制。
　　在用Fermi