12第十二講--伽瑪射線暴

1、伽瑪射線暴淺談,俞云偉天體物理研究所,,,不同輻射波段的太陽(yáng),光學(xué),紫外,X射線,射電,同一天體不同波段的輻射來(lái)自不同（溫度）的區(qū)域和物理過(guò)程。,,不同波段望遠(yuǎn)鏡看到的宇宙,射電,光學(xué),X射線,伽瑪射線,報(bào)告內(nèi)容,什么是伽瑪暴伽瑪暴基本觀測(cè)性質(zhì)分析火球模型激波物理輻射機(jī)制理論與觀測(cè)的比較,,一、什么是伽瑪暴,一、什么是伽瑪暴,,一、什么是伽瑪暴,1967年:第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的伽瑪暴,Vela 衛(wèi)星Scintillation

2、X-ray Detectors – 3-12keV, 6-12keV, Area ~ 26cm2CsI Gamma-Ray Detectors -150-750keV, Volume ~ 60 cm3,二、伽瑪暴現(xiàn)象三個(gè)基本特征的分析,Compton 衛(wèi)星,BATSE,~100億光年！銀河系直徑約10萬(wàn)光年,比較：太陽(yáng)一年所釋放的總能量為Esun~1041erg，以太陽(yáng)壽命100億年計(jì)算，太陽(yáng)一生能夠釋放的總能量約為Etotal~

3、1051erg。,,譜線的紅移 紅移的大小決定于輻射源相對(duì)于地球的退行速度，退行是因?yàn)橛钪嬖谂蛎?根據(jù)Hubble定律，退行速度與距離一一對(duì)應(yīng)廣義相對(duì)論標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)計(jì)算結(jié)果,,光譜具有分段冪律形式，非熱譜，說(shuō)明輻射源物質(zhì)及輻射本身沒(méi)有達(dá)到熱平衡。 輻射源應(yīng)該是光學(xué)薄的。 輻射機(jī)制可能是電子的同步輻射或同步自Compton輻射。,結(jié)果說(shuō)明：發(fā)出伽瑪射線光子的輻射源具有極端相對(duì)論性的運(yùn)動(dòng)。伽瑪暴是恒星級(jí)的天文現(xiàn)象。,伽瑪暴是恒星

4、級(jí)的天文現(xiàn)象。,Msunc2=2*1054erg,通過(guò)核反應(yīng)釋放能量產(chǎn)生伽瑪暴是不可行的！只能是恒星級(jí)天體引力能的釋放。,GMsun2/Rsun=4*1058erg,三、火球模型,真空環(huán)境下火球的膨脹和加速,,,,,,,,,,,能量不同，質(zhì)量不同，速度不同的重子殼層發(fā)生膨脹。每個(gè)殼層都具有極端相對(duì)論性速度。相互之間的相對(duì)速度也具有輕度相對(duì)論性。,殼層之間的碰撞形成在殼層中傳播的激波，激波加速粒子，放大磁場(chǎng)，導(dǎo)致同步輻射。即為伽瑪暴瞬時(shí)

5、輻射。,碰撞之后，中心能源拋出來(lái)的殼層合并為一個(gè)殼層，仍然具有相對(duì)論性的速度。將于環(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生作用。,,,,,,,,,,,,,,,瞬時(shí)輻射,,,BeppoSAX 衛(wèi)星,1997年: GRB970228的多波段余輝觀測(cè),,,X－ray,optical,,,四、激波過(guò)程參考：是長(zhǎng)春《相對(duì)論流體力學(xué)》；許敖敖和唐玉華《宇宙電動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論》Landau《Fluid machanics》；,什么是激波？波在介質(zhì)中傳播的速度是聲速。當(dāng)

6、波的作用使波后物質(zhì)的速度大于介質(zhì)的聲速時(shí)，將形成一個(gè)密度間斷面。波只存在這個(gè)階段面后的一個(gè)薄層當(dāng)中。激波的傳播過(guò)程是一個(gè)將宏觀動(dòng)能轉(zhuǎn)化為無(wú)規(guī)動(dòng)能（內(nèi)能）和磁能的過(guò)程，最終使沖擊波減速。,激波跳躍條件,下游激波化物質(zhì),上游未激波化物質(zhì),,,激波,,激波、磁場(chǎng)和粒子的加速 激波通過(guò)一些不穩(wěn)定性放大磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下啟動(dòng)費(fèi)米加速機(jī)制，使粒子加速。成為高能粒子的一個(gè)重要產(chǎn)生機(jī)制。,相對(duì)論激波二流體Weibel不穩(wěn)定性,激波、

7、磁場(chǎng)和粒子的加速 激波通過(guò)一些不穩(wěn)定性放大磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下啟動(dòng)費(fèi)米加速機(jī)制，使粒子加速。成為高能粒子的一個(gè)重要產(chǎn)生機(jī)制。,激波、磁場(chǎng)和粒子的加速 激波通過(guò)一些不穩(wěn)定性放大磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下啟動(dòng)費(fèi)米加速機(jī)制，使粒子加速。成為高能粒子的一個(gè)重要產(chǎn)生機(jī)制。,下游激波化物質(zhì),上游未激波化物質(zhì),,激波,,,,,,,,激波（沖擊波）的演化,五、輻射機(jī)制：天體為什么發(fā)光？怎樣發(fā)光？或者說(shuō)我們?cè)鯓訌睦碚撋习压庾V造出來(lái)

8、！ 參考：Rybicki & Lightman 《radiative peocesses in astrophysics》, 尤俊漢《天體物理中的輻射機(jī)制》，楊丕博《天體輻射理論引論》,熱輻射：（如：黑體輻射）線輻射：原子，分子層次同步輻射：相對(duì)論帶電粒子在磁場(chǎng)中的輻射逆Compton輻射：相對(duì)論電子在輻射場(chǎng)中的輻射切侖科夫輻射軔致輻射其它過(guò)程（如：gp－pp0 gp－np+ ）,,,,,輻射

9、總功率,電動(dòng)力學(xué),總功率告訴我們電子的輻射能力，但是我們更需要知道譜功率：即單位頻率的輻射功率,電場(chǎng)強(qiáng)度E,,推遲勢(shì),,傅立葉變換,,譜功率,,,單電子 電子系,對(duì)電子分布進(jìn)行積分,,同步輻射譜,單色近似下的理解,,同步輻射是射電天文學(xué)的基本過(guò)程，當(dāng)然也可對(duì)高能輻射產(chǎn)生貢獻(xiàn),2、逆compton輻射,在這個(gè)過(guò)程中，電子是靜止的。光子將其部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使自身能量減小。光

10、子頻率變小,回顧：compton散射,,,,,,在實(shí)際的天體環(huán)境中，電子是運(yùn)動(dòng)的，甚至是相對(duì)論性的。那么情況又是怎樣？我們只需要將對(duì)前面compton散射（即在靶核靜止系）的討論通過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化到天體靜止系（簡(jiǎn)化的表達(dá)式）。當(dāng)g h ni～mec2，得h n ～ g2 h ni ，可以看到，電子幾乎將其全部能量轉(zhuǎn)移給了出射光子。這也可以理解為是電子在輻射場(chǎng)中的輻射，即為逆compton輻射。,,六、觀測(cè)對(duì)理論的檢驗(yàn)——以余輝

11、為例,六、觀測(cè)對(duì)理論的檢驗(yàn)——以余輝為例,,Meszaros, ARAA40（2002）137,Thank you！,觀測(cè)者系的時(shí)間縮短效應(yīng) （說(shuō)明性證明）,暴源系,觀測(cè)者系,,等時(shí)面效應(yīng),1,從殼層同時(shí)發(fā)出的光子由于到達(dá)觀測(cè)者的路徑不同，將在不同的時(shí)刻被觀測(cè)到。 反過(guò)來(lái)說(shuō)，觀測(cè)者同時(shí)接受到的光子來(lái)自于殼層不同時(shí)刻的輻射 即觀測(cè)者看到的實(shí)際上是一個(gè)被“歪曲”了的殼層，即等面面。,,,,,,,,,,,暴源系,觀測(cè)者系,,,