同步曲率輻射機(jī)制的物理特性.pdf

1、同步-曲率輻射的提出解決了彎曲磁場中相對論性粒子的輻射計(jì)算問題，并且成功的用于包括脈沖星，伽瑪暴(Gamma-Ray Bursts，GRBs)以及AGNs在內(nèi)的許多問題的研究中。本論文根據(jù)同步-曲率輻射理論，進(jìn)一步擬合了一些伽瑪暴譜，分析了一般彎曲磁場中帶電粒子的集體輻射特征，研究了等離子體環(huán)境中的同步-曲率輻射的脈澤現(xiàn)象，并且討論了可能的應(yīng)用。 同步-曲率輻射使自洽地研究天體物理各類磁場中相對論性帶電粒子的輻射成為可能。在本論

2、文的第一章，我們詳細(xì)介紹了同步-曲率輻射的基本特性。為了完整起見，在第一章也簡要的回顧了同步輻射，曲率輻射的一些主要的內(nèi)容，然后綜述了同步-曲率輻射理論。磁場中冪律能量分布電子的輻射在天體物理研究中具有極端重要性，但是同步-曲率輻射機(jī)制則指出這樣的輻射譜不再是單一冪律譜，其低頻譜接近同步輻射冪律譜，高頻譜近似接近曲率輻射冪律譜，兩者光滑地相接。這一高頻譜變平的性質(zhì)是彎曲磁場的效應(yīng)，只有同步-曲率輻射機(jī)制可以很好的對其加以解釋。彎曲磁場廣

3、泛存在于各類天體中的實(shí)際磁場，特別是激波中形成的磁場，雖然目前尚難以了解其形成過程，但用均勻場處理則肯定不真實(shí)。非均勻磁場中的同步-曲率輻射公式有助于處理這一問題。在1998年，袁業(yè)飛和張家鋁成功的將同步-曲率輻射機(jī)制量子化，使得整個(gè)同步-曲率輻射理論在物理上顯得完整可靠． 在論文的第二章我們簡要的敘述了脈沖星磁層中的高能輻射過程，介紹了現(xiàn)在得到大多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的三種脈沖星外層輻射模型(1)極冠模型， (2)外間隙模型， (3)狹

4、長間隙模型。雖然目前人們對脈沖星的輻射機(jī)制認(rèn)識(shí)還很不深入，還沒有一種模型能夠統(tǒng)一地解釋脈沖星多波段的觀測特性(e．g．Michel 1991)，但是所有模型中都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是在快速旋轉(zhuǎn)的中子星磁層中引入一個(gè)強(qiáng)電場，而且脈沖星的磁場位型是建立在彎曲的偶極磁場位型的基礎(chǔ)之上。因此，當(dāng)人們使用同步輻射或者回旋輻射機(jī)制研究脈沖星的外層輻射時(shí)就會(huì)產(chǎn)生偏差，而同步-曲率輻射機(jī)制可以較好的解決磁場彎曲所帶來的影響． 在論文的第三章，我們

5、以現(xiàn)在廣為接受的火球激波模型為主簡要的介紹了伽瑪暴現(xiàn)象。伽瑪暴是宇宙空間中的一種短時(shí)標(biāo)的伽瑪射線爆發(fā)現(xiàn)象，它的大部分輻射能量在30KeV到10MeV之間，小部分能量以余輝形式釋放。對伽瑪暴的研究早已成為天體物理的熱點(diǎn)之一。使用輻射理論對伽瑪暴的輻射譜進(jìn)行研究有利于了解伽瑪暴的輻射機(jī)制，進(jìn)而對伽瑪暴這種神秘的現(xiàn)象本身的起因，形成機(jī)制，能量來源等重要問題的研究提供極其重要的幫助。 第四章到第六章為本論文的主要研究工作，在第四章中我們

6、分析了火球激波模型的不足之處，指出火球激波模型雖然能從整體上形象地說明了爆發(fā)后的過程和主要特征，但模型認(rèn)為激波中的輻射最初都來源于同步輻射，這可能就是一個(gè)不足之處，并且因此造成其在解釋某些最新的觀測結(jié)果時(shí)遇到困難。我們發(fā)現(xiàn)同步-曲率輻射機(jī)制可以比較好的擬合一系列伽瑪暴譜，并且給出了一些例子，很好地解釋了過去使用同步輻射機(jī)制擬合時(shí)無法解釋的高能拐點(diǎn)和能量過?，F(xiàn)象，這一結(jié)果很有說服力的表明伽瑪暴的磁場不可能是同步輻射所需要的均勻平直磁場，使

7、用同步-曲率輻射機(jī)制可能是一個(gè)合適的選擇。這一系列擬合結(jié)果說明同步-曲率輻射機(jī)制可以為GRB的高能伽瑪光子提供一種新的值得參考的解決方案，而且它也促使我們思考一些更加深層次的問題，特別是磁場結(jié)構(gòu)，激發(fā)機(jī)理，物理特性等。我們首次給出了可能的磁場位型和產(chǎn)生機(jī)制，這是使用同步輻射模型無法考慮的。對于激波的加速機(jī)制，我們通過對擬合結(jié)果的分析找到了限制條件，推動(dòng)了對加速機(jī)制的認(rèn)識(shí)和研究，也從一個(gè)側(cè)面說明了同步一曲率輻射機(jī)制是一種有廣闊應(yīng)用前景的輻

8、射機(jī)制，對于彎曲磁場的輻射它是必需的。 在第五章，我們給出了等離子體環(huán)境下同步-曲率輻射的自吸收系數(shù)并且研究了同步一曲率的脈澤現(xiàn)象。如果不考慮曲率漂移，Blandford(1975)已經(jīng)證明曲率脈澤發(fā)射是不可能的。我們以前的工作證明如果不考慮漂移(漂移效應(yīng)將在第六章中討論)，同步-曲率輻射在真空中不會(huì)有脈澤發(fā)射(Yang et al 2003)。雖然在真空中同步-曲率輻射與同步輻射一樣沒有負(fù)吸收放大作用(即脈澤效應(yīng))，但等離子體

9、對輻射譜和自吸收性質(zhì)有重大影響，在考慮活動(dòng)星系核等天體中等離子體的輻射問題時(shí)必須考慮。我們的計(jì)算表明在等離子體環(huán)境中完全可能出現(xiàn)負(fù)吸收放大效應(yīng)。由于同步-曲率輻射功率要顯著高于同步輻射功率，同步-曲率輻射脈澤效應(yīng)可能遠(yuǎn)強(qiáng)于同步輻射脈澤效應(yīng)，這有助于解決宇宙中多種高亮射電源的溫度等疑難。 在第六章，我們研究了粒子在彎曲磁場中運(yùn)動(dòng)的漂移效應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)考慮到引導(dǎo)中心的漂移特性后，脈澤可以在真空中產(chǎn)生。如果不考慮漂移作用，單純的同步-曲

10、率輻射機(jī)制給出的結(jié)果是理想化的，因?yàn)檠刂鴱澢拇帕€運(yùn)動(dòng)的帶電粒子必然受到某種力，并且將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)路徑的偏離，在彎曲磁場中的作螺旋運(yùn)動(dòng)的帶電粒子的引導(dǎo)中心必然要發(fā)生漂移，并且對輻射譜產(chǎn)生不可忽略的貢獻(xiàn)(Harko&Cheng 2002)。我們前面已經(jīng)指出GRB磁場可能是彎曲的，根據(jù)前幾章的討論，同步一曲率輻射機(jī)制在GRB中的應(yīng)用是值得重視的，同時(shí)考慮漂移效應(yīng)，利用我們推導(dǎo)出來的關(guān)系，我們認(rèn)為GR，B中的ξ<,e>(加速相對論電子的總能量與