Cerenkov线状辐射理论研究及其在天体物理中的应用

摘要

Cerenkov线状辐射机制是近二十年来新认识到的一种新型谱线发射机制。由于其产生的条件以及谱线的性质都与传统的自发跃迁谱线发射机制迥异，从而可以用来解释很多传统机制无法解释的现象。在高能天体物理中，Cerenkov线状辐射机制有很好的应用前景。由于高能天体中往往存在丰富的相对论电子以及稠密的气体区域，满足Cerenkov线状辐射机制的两个基本条件，使得Cerenkov线状辐射有可能发生。而某些高能天体中确实观测到性质奇特的谱线，其特征难以在传统的谱线发射机制下得到合理解释。这就使得新的谱线发射机制有了用武之地。 本文的研究工作围绕这一新型谱线发射机制在两方面展开。首先是在X射线天体物理领域的应用研究工作，我们尝试用这一机制来解释某些高能天体如伽玛射线暴和活动星系核中的铁K线，研究结果表明采用Cerenkov线状辐射机制可以解释某些传统机制下无法解释的观测事实。在应用过程中，我们还探讨了等离子体振荡效应对Cerenkov线状辐射机制的抑制作用。另一个重要研究课题则是将Cerenkov线状辐射机制的基本理论研究推广到光学波段。我们推导了适用于光学波段的Cerenkov线状辐射机制的修正公式，并已开始尝试用新机制解释活动星系核中的光学线。本文第一章是绪论，对理论和应用两方面的研究状况做了简要的回顾。并概述全文内容。 第二章对Cerenkov线状辐射已有的基本理论做一概述。其中前两节引述尤峻汉等人已有的工作，系统推导了Cerenkov线状辐射的相关公式，定量给出了Cerenkov线状辐射的强度、轮廓、线宽、红移等特征。后两节简要介绍本文作者的一些补充和改进工作。其中2.3节推导光薄情况下的Cerenkov强度公式；2.4节探讨等离子体振荡效应对Cerenkov线状辐射机制的抑制作用。 第三章是对伽玛射线暴余辉中的铁K线产生机制的研究。对于伽玛射线暴余辉中的铁线，此前主流的解释是伽玛暴环境中的电离介质对入射的X射线连续谱的再处理。但是这一解释的前提是需要有约1052ergs的总连续谱能量照射在含铁介质上，这一结果和伽玛射线暴的喷流模型对总能量的预言是矛盾的。如果将铁线解释为来自Cerenkov辐射，就可以避免这一矛盾。我们的计算表明，Cerenkov线状辐射足以产生与观测强度相比的铁K线，只要有足够的相对论电子存在即可。针对我们的模型所要求的较高相对论电子密度，我们做了能量学上的简单估算，表明相对论电子的总能量低于喷流模型对伽玛暴总能量的估计，因此与现有模型没有矛盾。同时，我们估算了重要的模型参数，即在Cerenkov产生铁线的机制下估算总的铁质量。无论对于光学厚情况还是光学薄情况，铁质量的估计值都是MFe～10-6-10-5M⊙，甚至更少。铁质量估计值比远距离再处理模型所估计的要低几个量级。小的铁质量表示伽玛暴周围可能有“干净”的环境，这在一定程度上有利于双中子星融合或中子星－黑洞融合模型。 第四章中探讨了活动星系核中的铁K线起源问题。在活动星系核中观测到中、低价铁离子的Kα线，为解释这一观测特征，目前普遍采用流行的“光电吸收-荧光线发射”机制。但本文指出，“光电吸收-荧光线发射”机制的某些预言与观测不符，而采用Cerenkov线发射机制来解释AGN中的铁线，为解决这些问题开辟了一条新途径。本文采用尤峻汉等提出的新物理图像，并按照这一新模型计算了Cerenkov辐射的线光度。计算中考虑了光学厚与光学薄两种情况，并考虑了等离子体振荡可能对Cerenkov辐射产生的负效应。计算结果表明，在合理的参数范围内，的确可以产生足够大的能与观测比较的Cerenkov铁线强度(或光度)。这一新模型的提出既为解释AGNs中的铁K线提出了新的途径，同时也对推动了AGNs的物理研究，如果铁线起源于Cerenkov线状辐射这一设想最终得到确认，则AGN中心巨黑洞的周边环境可能比以前所设想的有更多的激烈高能活动。 在本文第五章中，我们进一步推导适用于光学波段的修正的Cerenkov线状辐射理论公式。光学波段Cerenkov线在气体中所遇到的吸收行为与在X射线波段大不相同。通过对这一问题的重新考虑，我们推导了新的公式系统。与以前的结果相比，新公式给出了更强的出射强度，而且谱线轮廓和Crenkov线红移值的计算公式也有所不同。这种差别对于共振线(指基态与第一激发态之间的跃迁所对应的谱线，如Lyα线)尤为明显。 第五章还指出了在光学波段Cerenkov线发射机制有别于其他线发射机制并可以通过观测加以鉴别的诸多特征。主要是存在一个小的“Cerenkov红移”和不同于传统机制的线强比。作为一个具体应用，5.4节分析了高红移类星体中氢的各条发射线之间的红移差，与Cerenkov机制的预言很好地符合。这是高红移类星体中存在Cerenkov线的有力证据。这一章中还分析了等离子体振荡对于光学Cerenkov线辐射效率的负面影响，指出在高电离气体中，光学Cerenkov线辐射将被等离子体振荡效应完全抑制。而对于低电离气体而言，这一负面效应小到可以忽略。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：上海交通大学学位论文答辩决议书

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第一章绪论

第二章Cerenkov线状辐射原理

第三章伽玛射线暴余辉中的铁线研究

第四章活动星系核中的铁Kα线研究

第五章光学波段Cerenkov线状辐射公式的改进

参考文献

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