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        TeV BL Lac天體同步自康普頓過程的理論分析*

        2014-08-02 05:50:48蔣德坤盧方武
        關(guān)鍵詞:模型

        蔣德坤, 盧方武

        (玉溪師范學(xué)院 物理系,云南 玉溪 653100)

        1 引 言

        BL Lac天體具有明顯的雙峰結(jié)構(gòu),主要有兩類模型來解釋:一類是輕子模型,該模型認為BL Lac天體的雙峰結(jié)構(gòu)主要是由相對論噴流中的相對論電子引起的[1];另一類是重子模型,認為其雙峰結(jié)構(gòu)是由噴流中的質(zhì)子和質(zhì)子之間的相互作用或者質(zhì)子和光子之間的相互作用而引起的[2].輕子模型的基本假設(shè)是:相對論噴流中的相對論電子受磁場的作用產(chǎn)生同步輻射,同步輻射產(chǎn)生的光子繼續(xù)和噴流中的相對論電子發(fā)生逆康普頓過程,從而產(chǎn)生更高能的光子,這種模型又稱為同步自康普頓模型[3].論文中,考慮BL Lac天體的雙峰結(jié)構(gòu)是由輕子引起,假設(shè)相對論電子在噴流中以冪律形式分布,通過理論分析和數(shù)值計算的方法得到同步自康普頓過程的輻射能譜,并將理論應(yīng)用于BL Lac天體PKS 2155-304,對其能譜進行擬合,從理論上分析和討論BL Lac天體的輻射過程,以期對BL Lac天體的輻射過程提出合理的解釋.

        本文的第二部分將對同步自康普頓過程進行理論分析;第三部分通過數(shù)值計算的方法得到同步自康普頓過程的輻射能譜并將其應(yīng)用于PKS 2155-304;第四部分對結(jié)果進行分析和討論.

        2 同步自康普頓過程

        2.1 同步自康普頓過程的δ近似

        噴流中的相對論電子在磁場的作用下發(fā)生同步輻射,通過δ近似得到同步輻射的流量可表示為[3]:

        (1)

        (2)

        是相對論電子的洛倫茲因子.

        (3)

        (4)

        (5)

        其中uB=UB/mec2,根據(jù)(4)式得到同步輻射光子的數(shù)密度:

        (6)

        將其轉(zhuǎn)化為能量密度

        (7)

        對于同步自康普頓過程,考慮光子和電子是均勻的各向同性分布,則發(fā)射系數(shù)為

        (8)

        上式中的FC(q,Γe)可表示為[4]

        (9)

        其中

        (10)

        且q的取值范圍為:

        (11)

        對于能量γ′,其取值范圍滿足:

        (12)

        (13)

        通過(8)式知同步自康普頓過程的輻射流量vFv可表示為

        (14)

        (15)

        2.2 同步自康普頓過程的精確計算

        Crusius和 Schlickeiser 1986年給出了同步輻射中發(fā)射系數(shù)的精確表達式[5]:

        (16)

        上式中,e是基本的電荷量,h是普朗克常數(shù),

        K5/3(t)是分數(shù)階的貝塞爾函數(shù).于是同步輻射的流量為

        (17)

        再根據(jù)(7)式和(8)式,得到同步自康普頓過程的發(fā)射系數(shù):

        (18)

        圖1 同步輻射精確計算(實線)和δ近似(虛線)情況下不同譜指數(shù)所對應(yīng)的能譜

        同樣,在觀測坐標系下同步自康普頓的輻射流量為:

        (19)

        由于同步輻射和逆康普頓過程產(chǎn)生的光子會發(fā)生相互作用,導(dǎo)致部分能量損失,需考慮噴流內(nèi)部γγ相互作用.

        各向同性的同步自康普頓過程,吸收光深[6]:

        (20)

        將吸收過程的散射截面代入上式,吸收光深可表示為

        (21)

        其中

        (22)

        圖2 PKS 2155-304的能譜擬合.

        再根據(jù)(7)式得到吸收光深的表達式

        (23)

        2.3 精確計算和δ近似的比較

        為分析同步輻射δ近似的誤差,假設(shè)電子的分布為:

        (24)

        3 PKS 2155-304的能譜擬合

        PKS 2155-304是一類典型的BL Lac天體,其紅移為z=0.116[7].假設(shè)噴流內(nèi)相對論電子的分布滿足:

        擬合過程中,由于伽馬射線光子在宇宙?zhèn)鞑ミ^程中將會損失一部分能量[8],引用Stecker 2006年所提出的吸收理論[9],分析PKS 2155-304的輻射能譜,如圖2所示,其中能譜數(shù)據(jù)來源于Swift[10]和H.E.S.S[11]2006年所探測到的.虛線部分是未考慮宇宙背景吸收情況下的能譜,實線部分是考慮吸收過程后的輻射能譜.在高能部分,由于吸收作用,能量有一個很明顯的下降過程,未考慮吸收時,理論計算下的能譜比觀測數(shù)據(jù)相比偏高,而考慮吸收過程后,可以得到很好的擬合結(jié)果,因而高能伽馬射線的吸收過程是一個不可或缺的因素.

        4 結(jié)果分析

        對BL Lac天體的同步自康普頓過程進行理論分析,通過數(shù)值計算的方法對BL Lac天體PKS 2155-304進行能譜擬合.在計算過程中,討論了同步輻射在δ近似情況下和精確計算情況下能譜的差異,同步輻射在δ近似情況下可以對能量不是特別高的伽馬射線進行能譜擬合;在能譜擬合過程中,考慮輻射區(qū)域內(nèi)部的伽馬射線吸收以及伽馬射線在宇宙?zhèn)鞑ミ^程中的吸收過程.由圖2可以看出,考慮吸收過程后,能譜的高能部分有一個明顯的下降過程,且能夠較好的對能譜進行很好的擬合,說明在輻射過程中,高能部分的吸收是不可忽略的.論文中只限定了輻射區(qū)域內(nèi)部的逆康普頓過程,而產(chǎn)生逆康普頓過程中的光子也有可能來源于噴流和噴流外部.

        參 考 文 獻:

        [1] BLOOM S D,MARSCHER A P.An Analysis of the synchrotron self-Compton model for the multi-wave band spectra of blazars[J].ApJ,1996,461(1):657-663.

        [2] MASTICHIADIS A,KIRK J G.Variability in the synchrotron self-Compton model of blazar emission [J].A&A,1997,320(1):19-25.

        [3] FINKE J D,DERMER C D,BOTTCHER M.Synchrotron self-Compton analysis of TeV X-ray selected BL Lacertae objects[J].ApJ,2008,686(1):181-194.

        [4] BLUMENTHAL G R,GOULD R J.Bremsstrahlung,Synchrotron Radiation,and Compton Scattering of High-Energy Electrons Traversing Dilute Gases[J].Reviews of Modern Physics,1970,42(2):237-271.

        [5] CRUSIUS A.SCHLICKEISER R.Synchrotron radiation in random magnetic fields [J].A&A,1986,164(2):L16-L18.

        [6] GOULD R J,SCHREDER G P.Opacity of the universe to high-energy photons[J].Physical Review,1967,155(5):1404-1411.

        [7] FALOMO R,PESCE J E,TREVES A.The environment of the BL Lacertae object PKS 2155-304[J].ApJ,1993,411(2):L63-L66.

        [8] 盧方武,陳洛恩,高全歸.宇宙背景光子對Blazar高能伽馬射線的吸收過程[J].云南師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,32(2):16-19.

        [9] STECKER F W,MALKAN M A,SCULLY S T.Intergalactic photon spectra from the far-IR to the UV Lyman limit for 0

        [10]FOSCHINI L.X-Ray/UV/optical follow-up of the blazar PKS 2155-304 after the giant TeV flares of 2006 July[J].ApJ,2007,657(2):L81-L84.

        [11]AHARONIAN F.An exceptional very high energy gamma-ray flare of PKS 2155-304[J].ApJ,2007,664(2):L71-L74.

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