GRB的突发伽玛射线暴来自共振逆康普顿散射机制

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1、GRB的突发伽玛射线暴来自共振逆康普顿散射机制陈磊(1)刘当波(2)黄永锋(3)尤峻汉(2)1.中科院上海天文台2.上海交通大学物理系3.南京大学天文系引言GRB：宇宙空间中强的突发性的伽玛射线点源GRB的流行模型——火球模型,要点:1.早期的伽玛射线主暴来自：内激波2.X-ray和光学余辉则来自：外激波3.伽玛射线的辐射机制：同步辐射(有人同时考虑逆康普顿散射)----所需相对论电子(快电子),来自内激波的碰撞。标准模型：theFireballModelmainburstInter-Stell

2、arMedium~108kmγ~1000内激波初始火球e+,e-γpR~10kmE>1052ergsM<10-5Msun外激波~1011kmγ>>1Afterglows然而，同步辐射(和逆康普顿散射)机制面临困难，与观测矛盾。例如：1.关于伽玛射线谱。为何观测的伽玛射线谱总是折断的幂律形谱？Stern&Poutanen2004,MNRAS2.特别是,其中有‘死线问题’。即伽玛射线谱低能部分的谱指数问题。Preece1998,2000,ApJ;Lloyd-Ronning&Petrosian2000

3、,ApJ同步机制要求：低能谱(即上升谱部分)很平。谱指数必须满足条件(或光子谱指数)。而观测谱指数常常明显大于1/3，很陡！！！观测中GRB的rays能谱(Schaeferetal.1992,ApJ)3.观测到偏振(Willisetal.2005A&A;Coburn&Boggs,2003,Nat,423,415;Kalemcietal,2007;ApJ)GRB021206:伽玛光子的线偏振度高达(8020)%？4.Amati关系:(Amati,2006,MNRAS,372,233;2002,A

4、&A,390,81;Yonetokuetal.,2004,ApJ,609,935;Sakamotoetal.,2004,ApJ,602,875)Fig.25.能量转换效率很低.(Piran1999,Phys.Rep)中间过程多.复杂链条:并合形成火球(引力能释放)—火球膨胀形成抛射(内激波)—内激波碰撞形成相对论电子—同步辐射或逆康普顿散射形成X-射线—多普勒移动，形成rays.链条中，多少引力能转换成最终的rays?我们建议：既然传统的辐射机制在解释这些观测事实时遇到困难，就应寻求新的伽玛射线

5、辐射机制并尝试新模型来解决这些目前存在的问题。要点:用强磁场相对论电子的共振逆康普顿散射(RICS)代替流行的同步辐射(以及普通逆康普顿散射ICS)解决这些困惑。我们认为:这是探讨GRB的rays起源的很有希望的新路!II.共振逆康普顿散射(RICS)及其在GRB中的作用2.1.先说观测对ray辐射机制的限制i).要求该辐射机制非常高效,以和观测匹配;ii).该机制的辐射波段必须主要在ray波段;iii).它产生的ray光子能够躲避强吸收(如磁湮灭和湮灭),顺利逃出.即不只产生ray光子,还能跑

6、出来(即可以解决‘致密性’难题).iv).它产生的ray辐射应当是偏振的，用以说明观测；v).可以容易地复制出观测到的折断的非热幂律谱，且不求助于复杂的假定；vi).最后，它能够解释Amatirelation的物理本质，容易由它导出统计关系以下论证：RICS机制满足以上条件。2.2RICS物理概说：相对论电子在强磁场中力学运动特点：a).在实验室系S考察RICS,快电子在磁力线方向沿‘拉紧’的螺旋轨道运行而散射光子方向也是沿着磁力线。b).在电子静止系（ERF）S’观察RICS，电子在圆轨道上运

7、动。量子化能级　　　　　　。S’系中,入射光子和电子的碰撞总是对头碰。在电子静止参考系ERF中(对散射做理论处理方便)散射截面与频率的关系,细说：先说非共振的逆康普顿散射如果　　　，非共振散射和普通的，没有磁场时的逆康普顿散射其实无区别。因为此时严格的QED理论给出的散射截面　　　　。反之，如果　　　，非共振散射实际已不存在，因为QED给出　　　　。此时，散射被‘磁冻结’了。大量的低频光子时是无用的‘垃圾光子’。这说明普通逆康普顿散射在强磁场中变得很不重要。磁冻结：磁场太强，低频光子扰动不了被束

8、缚很紧的电子。再说共振的逆康普顿散射如果在电子静止参考系ERF中，入射光频率特别是当　　　　，则有共振的逆康普顿散射。记为RICS，用以区别共存的ICS。RICS性质特殊，很重要。因为QED共振截面，亦即具有极高的辐射效率。例如：，　　　　　　　　。因此，若周边有足够多能共振吸收的光子（即满足匹配条件），电子会很快耗尽能量变成辐射。许多学者对此工作有贡献，Herold,Dermer,Daughty&Harding,Gonither,乔国俊，夏晓阳，吴鑫基，邓劲松等。我们的贡献：1.把强磁场逆康普