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,光學,紫外,X射線,射電,同一天體不同波段的輻射來自不同（溫度）的區(qū)域和物理過程。,,不同波段望遠鏡看到的宇宙,射電,光學,X射線,伽瑪射線,報告內(nèi)容,什么是伽瑪暴伽瑪暴基本觀測性質(zhì)分析火球模型激波物理輻射機制理論與觀測的比較,,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)象三個基本特征的分析,Compton 衛(wèi)星,BATSE,~100億光年！銀河系直徑約10萬光年,比較：太陽一年所釋放的總能量為Esun~1041erg，以太陽壽命100億年計算，太陽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于地球的退行速度，退行是因為宇宙在膨脹 根據(jù)Hubble定律，退行速度與距離一一對應廣義相對論標準宇宙學計算結(jié)果,,光譜具有分段冪律形式，非熱譜，說明輻射源物質(zhì)及輻射本身沒有達到熱平衡。 輻射源應該是光學薄的。 輻射機制可能是電子的同步輻射或同步自Compton輻射。,結(jié)果說明：發(fā)出伽瑪射線光子的輻射源具有極端相對論性的運動。伽瑪暴是恒星級的天文現(xiàn)象。,伽瑪暴是恒星

4、級的天文現(xiàn)象。,Msunc2=2*1054erg,通過核反應釋放能量產(chǎn)生伽瑪暴是不可行的！只能是恒星級天體引力能的釋放。,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。每個殼層都具有極端相對論性速度。相互之間的相對速度也具有輕度相對論性。,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，導致同步輻射。即為伽瑪暴瞬時

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

6、波的作用使波后物質(zhì)的速度大于介質(zhì)的聲速時，將形成一個密度間斷面。波只存在這個階段面后的一個薄層當中。激波的傳播過程是一個將宏觀動能轉(zhuǎn)化為無規(guī)動能（內(nèi)能）和磁能的過程，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、磁場和粒子的加速 激波通過一些不穩(wěn)定性放大磁場，在磁場的作用下啟動費米加速機制，使粒子加速。成為高能粒子的一個重要產(chǎn)生機制。,相對論激波二流體Weibel不穩(wěn)定性,激波、

7、磁場和粒子的加速 激波通過一些不穩(wěn)定性放大磁場，在磁場的作用下啟動費米加速機制，使粒子加速。成為高能粒子的一個重要產(chǎn)生機制。,激波、磁場和粒子的加速 激波通過一些不穩(wěn)定性放大磁場，在磁場的作用下啟動費米加速機制，使粒子加速。成為高能粒子的一個重要產(chǎn)生機制。,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、輻射機制：天體為什么發(fā)光？怎樣發(fā)光？或者說我們怎樣從理論上把光譜造出來

8、！ 參考：Rybicki & Lightman 《radiative peocesses in astrophysics》, 尤俊漢《天體物理中的輻射機制》，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：相對論帶電粒子在磁場中的輻射逆Compton輻射：相對論電子在輻射場中的輻射切侖科夫輻射軔致輻射其它過程（如：gp－pp0 gp－np+ ）,,,,,輻射

9、總功率,電動力學,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,電場強度E,,推遲勢,,傅立葉變換,,譜功率,,,單電子 電子系,對電子分布進行積分,,同步輻射譜,單色近似下的理解,,同步輻射是射電天文學的基本過程，當然也可對高能輻射產(chǎn)生貢獻,2、逆compton輻射,在這個過程中，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,,,,,,在實際的天體環(huán)境中，電子是運動的，甚至是相對論性的。那么情況又是怎樣？我們只需要將對前面compton散射（即在靶核靜止系）的討論通過坐標變換轉(zhuǎn)化到天體靜止系（簡化的表達式）。當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中的輻射，即為逆compton輻射。,,六、觀測對理論的檢驗——以余輝

11、為例,六、觀測對理論的檢驗——以余輝為例,,Meszaros, ARAA40（2002）137,Thank you！,觀測者系的時間縮短效應 （說明性證明）,暴源系,觀測者系,,等時面效應,1,從殼層同時發(fā)出的光子由于到達觀測者的路徑不同，將在不同的時刻被觀測到。 反過來說，觀測者同時接受到的光子來自于殼層不同時刻的輻射 即觀測者看到的實際上是一個被“歪曲”了的殼層，即等面面。,,,,,,,,,,,暴源系,觀測者系,,,