活動(dòng)星系核的鐵k-線可能主要起源于cerenkovline-like輻射機(jī)制

1、GRB的突發(fā)伽瑪射線暴來自共振逆康普頓散射機(jī)制,陳磊(1) 劉當(dāng)波(2) 黃永鋒(3) 尤峻漢(2) 1.中科院上海天文臺(tái) 2.上海交通大學(xué)物理系3.南京大學(xué)天文系,引言,GRB：宇宙空間中強(qiáng)的突發(fā)性的伽瑪射線點(diǎn)源GRB的流行模型——火球模型,要點(diǎn):　1. 早期的伽瑪射線主暴來自：內(nèi)激波　2. X-ray和光學(xué)余輝則來自：外激波　3. 伽瑪射線的輻射機(jī)制：同步輻射(有人同時(shí)

2、考慮逆康普頓散射)----所需相對(duì)論電子(快電子), 來自內(nèi)激波的碰撞。,標(biāo)準(zhǔn)模型：the Fireball Model,,,,Inter-StellarMedium,初始火球,e+, e- γp,R~10 kmE>1052 ergsM<10-5 Msun,然而，同步輻射(和逆康普頓散射)機(jī)制面臨困難，與觀測(cè)矛盾。 例如： 1. 關(guān)于伽瑪射線譜。為何觀測(cè)的伽瑪射線譜總是折斷的冪律形譜？Stern &

3、amp; 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 & Petrosian 2000, ApJ 同步機(jī)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) )。

4、 而觀測(cè)譜指數(shù)常常明顯大于1/3，很陡?。。?觀測(cè)中GRB的 rays能譜(Schaefer et al. 1992, ApJ),3. 觀測(cè)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(dá)(80?20)% ？4. Ama

5、ti 關(guān)系: (Amati, 2006, MNRAS, 372, 233; 2002, A&A, 390, 81; Yonetoku et al., 2004, ApJ, 609, 935; Sakamoto et al., 2004, ApJ, 602, 875)　　　　　　　　　　　

6、 Fig. 2,5. 能量轉(zhuǎn)換效率很低.(Piran 1999, Phys. Rep) 中間過程多. 復(fù)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(duì)論電子—同步輻射或逆康普頓散射形成X-射線—多普勒移動(dòng)，形成 rays.鏈條中，多少引力能轉(zhuǎn)換成最終的 rays?,我們建議：,既然傳統(tǒng)的輻射機(jī)制

7、在解釋這些觀測(cè)事實(shí)時(shí)遇到困難，就應(yīng)尋求新的伽瑪射線輻射機(jī)制并嘗試新模型來解決這些目前存在的問題。要點(diǎn): 用強(qiáng)磁場(chǎng)相對(duì)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(rèn)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(cè)對(duì) ray輻射機(jī)制的限制 i). 要求該輻射機(jī)制非常高效

8、,以和觀測(cè)匹配; ii).該機(jī)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(qiáng)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(即可以解決‘致密性’難題).,iv). 它產(chǎn)生的 ray輻射應(yīng)當(dāng)是偏振的，用以說明觀測(cè)；v). 可以容易地復(fù)制出觀測(cè)到的折斷的非熱冪律譜，且不求助于復(fù)雜的假定；vi). 最后，它能夠解釋Amati re

9、lation的物理本質(zhì)，容易由它導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)關(guān)系 以下論證：RICS機(jī)制滿足以上條件。,2.2 RICS物理概說：相對(duì)論電子在強(qiáng)磁場(chǎng)中力學(xué)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：,a). 在實(shí)驗(yàn)室系S考察RICS, 快電子在磁力線方向沿‘拉緊’的螺旋軌道運(yùn)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(yùn)動(dòng)。量子化能級(jí)　　　　　　。S’系中,入射光子和電子的碰撞總是對(duì)頭碰。,在電子靜止參考系ERF

10、中(對(duì)散射做理論處理方便)散射截面與頻率的關(guān)系,,細(xì)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(chǎng)時(shí)的逆康普頓散射其實(shí)無(wú)區(qū)別。因?yàn)榇藭r(shí)嚴(yán)格的QED理論給出的散射截面　　　　。反之，如果　　　，非共振散射實(shí)際已不存在，因?yàn)镼ED給出　　　　?！〈藭r(shí)，散射被‘磁凍結(jié)’了。大量的低頻光子時(shí)是無(wú)用的‘垃圾光子’。這說明普通逆康普頓散射在強(qiáng)磁場(chǎng)中變得很不重要?！〈艃鼋Y(jié)：磁場(chǎng)太強(qiáng)，低頻光子擾動(dòng)不了被束縛很

11、緊的電子。,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(dāng)　　　　，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，很重要。因?yàn)镼ED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(huì)很快耗盡能量變成輻射。,許多學(xué)者對(duì)此工作有貢獻(xiàn)，Herold,De

12、rmer, Daughty & Harding, Gonither, 喬國(guó)俊，夏曉陽(yáng)，吳鑫基，鄧勁松等。我們的貢獻(xiàn)：　1. 把強(qiáng)磁場(chǎng)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　?。▏?yán)格論證了：強(qiáng)磁場(chǎng)中，共振部分遠(yuǎn)比非共振部分重要）　　 2. 不用QED, 　改用經(jīng)典Quantum　　用半量子的共振散射截面(含時(shí)

13、微擾論)代替復(fù)雜的QED截面，精確一致。而所得RICS諸公式，數(shù)學(xué)大為簡(jiǎn)化，RICS物理更加清晰，便于實(shí)用。,,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(jié)果的一個(gè)很好的近似，但我們的公式簡(jiǎn)潔實(shí)用。,RICS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：,2

14、. 共振條件,在 ERF中，在觀測(cè)者系中，,,3. 單個(gè)電子的RICS輻射譜功率 令 為以最大散射頻率為單位的無(wú)量綱頻率(光子能量), 則單個(gè)電子RICS譜功率為 其中此處 代表能量為 的單個(gè)電子無(wú)量綱的RICS輻射

15、譜，示于圖3。,由圖可見，RICS譜有很好單色性——在最大散射頻率 (or )處，有尖銳極大! 并有延伸到 的弱的‘尾巴’。所以，常用‘準(zhǔn)單色近似’， 。,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。,,4.

16、RICS效率 上式中的 一個(gè)積分。 可看作是RICS效率的量度。因?yàn)榘怂泻细竦能浌庾?，頻率為共振頻率5. RICS輻射總功率所以 。,2.3. RICS機(jī)制應(yīng)用在GRB研究中的優(yōu)越性,１. RICS最突出的優(yōu)點(diǎn)是其極高的輻射效率　　為此，估計(jì)電子的特征射程　 (電子沿磁軸方向飛行 后，幾乎耗盡全部動(dòng)能，轉(zhuǎn)換為RICS光子）。顯然，

17、射程　　越短，RICS機(jī)制的輻射效率就越高。估計(jì)如下：　　單個(gè)能量為　的相對(duì)論電子的RICS輻射功率是：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1),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

18、為 (4)由(4)式可見，在一般周邊軟光子場(chǎng)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(chǎng)，溫度為 取典型值 ， 。則按Planck公式，頻率 處的共振強(qiáng)度為

19、 ，從而 。,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(dòng)能，全變成RICS輻射！！RICS的高效率令人意外?。?！ 高效率保證了一種可能性：RICS機(jī)制在 ray波段產(chǎn)生的輻射總能量足以達(dá)到與GRB觀測(cè)值相比較， 。 以下給出論證，能量估計(jì)： 在流行的火球模型中，引力能

20、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)。,中微子對(duì) 將做兩件事： a. 由于中微子氣體的高壓，結(jié)合中子星強(qiáng)偶極磁場(chǎng)的定向作用，會(huì)形成噴流，內(nèi)、外激波。 b. 對(duì)的湮滅會(huì)形成大量相對(duì)論電子對(duì) ，使強(qiáng)RICS過程似乎不可避免?。〈蠹s0.

21、2—0.3%，甚至0.7%的 對(duì)能量將轉(zhuǎn)變成電子對(duì) 的動(dòng)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(cè)之匹配。,RICS的其他優(yōu)點(diǎn)：,RICS輻射能量高度集中于 ray波段(見圖3單電子RICS譜圖)。RICS輻射高度準(zhǔn)直，只沿相對(duì)論電子運(yùn)動(dòng)方向，即磁軸方向。

22、故可避免來自‘磁湮滅’和‘ 湮滅’的強(qiáng)吸收??！傳統(tǒng)的‘致密性困難’不再存在。沿磁軸有一光學(xué)薄的‘透明隧道’。,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(chǎng)是什么場(chǎng)。而且‘拐點(diǎn)’總在 處（唯一條件是電子能譜為冪律）。 (Liu et al. 2006 MNRAS) 最后，RICS機(jī)制可以自然導(dǎo)出Amati relation??！,III. Amati 關(guān)系

23、的推導(dǎo),基本想法: 假如早期 ray果然來自RICS，則觀測(cè)到的表觀的各向同性輻射總能量 和觀測(cè)譜的拐點(diǎn)峰能　必然都依賴于同一個(gè)參量：電子平均能量 .消去參量 ,即可得到統(tǒng)計(jì)關(guān)系 。推導(dǎo)： 記GRB的真實(shí)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

24、 (5),對(duì)于平均能量是 的相對(duì)論電子束，其RICS輻射的半張角是

25、。因此 (7)故 (8)由于RICS的極高效，使得 的總動(dòng)能

26、 (假定對(duì)所有GRBs都一樣)會(huì)全部轉(zhuǎn)變成 ray輻射，故 ，即視為標(biāo)準(zhǔn)燭光。故有 (9),另一方面，RICS的集體譜的‘拐點(diǎn)’位于

27、 (9)而觀測(cè)表明，中子星磁場(chǎng)強(qiáng)度高度集中于 （Narayan & Ostriker, 1990, ApJ; Zhang & Kojima, 2006, MN)。 故(9)中的 故有