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新辐射机制在高能天体物理学中的理论与应用研究

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第一章绪论

第二章Cerenkov线状辐射及其应用

2.1 Cerenkov线辐射

2.2线状发射基本公式

2.2.1折射率nλ和消光系数kλ(对氢或类氢气体)

2.2.2公式推广到多电子复杂原子情况

2.2.3 Cerenkov谱发射系数Jcλ(Jcy)及线宽△λclim(yclim)

2.2.4有效吸收系数k*

2.2.5 Cerenkov出射线的谱强度Icλ和总强度Ic,谱线轮廓

2.2.6 Cerenkov线红移△Zc(ycp)

2.2.7公式推广到X射线波段

2.3等离子体振荡对Cerenkov线状辐射效率的影响

2.4类星体与赛弗特Ⅰ型星系中的宽氢线的Cerenkov起源

2.4.1类星体与赛弗特Ⅰ型星系陡的巴尔末减缩的起源

2.4.2类星体不同氢线之间的红移差现象起源于Cerenkov线状辐射

2.4.3结论与讨论

第三章活动星系核中的铁K线研究

3.1引言

3.2“光电吸收-荧光线发射”机制概述

3.3“光致电离-荧光线发射”机制面对观测的困难

3.4 AGN中铁线来自于Cerenkov线辐射的合理性,相关的模型考虑

3.5 AGNs中Cerenkov铁K线辐射光度的模型计算

3.5.1 Cerenkov铁Kα线的光度公式(光厚情况)

3.5.2与观测光度的对比

3.5.3快电子的存在所引发的逆康普顿散射问题

3.6切仑科夫铁Kα和铁Kβ发射线的强度比和红移比

3.6.1切仑科夫铁Kα和Kβ发射线强度比

3.6.2切仑科夫铁Kα和Kβ发射线红移比

3.7反常的Kα/Kβ强度比及其Cerenkov解释

3.8结论与讨论

3.9附录:荧光模型下铁线等值宽度的计算以及与观测的矛盾

3.9.1盘模型

3.9.2 BLR云团模型

3.9.3 torus模型

3.9.4与观测的比较

第四章回旋辐射(半经典)量子理论在X射线天文学中的应用

4.1前言

4.2回旋辐射量子理论基本公式

4.2.1由基态l到激发态u的吸收跃迁几率Pl→u

4.2.2 Einstein感应跃迁系数blu和bul

4.2.3 Einstein自发跃迁系数(自发跃迁几率)aul

4.2.4回旋共振吸收系数kv

4.2.5热电子回旋共振散射截面σluu(v,θ)

4.3对孤立中子星1E1207.4-5209 X-射线回旋吸收线的理论分析

4.3.1简介

4.3.2基本公式

4.3.3对于两个疑难问题的解答

4.3.4中子星1E1207.4-5209自转轴的空间取向

4.3.5结论与讨论

第五章共振逆Compton散射(简称RICS),理论及应用

5.1前言

5.2相对论电子的共振逆Compton散射(RICS)

5.2.1单电子的共振逆Compton散射谱功率和总功率

5.2.2共振逆Compton散射的匹配条件

5.2.3共振逆Compton散射(RICS)与普通逆Compton散射(ICS)的比较

5.3变化磁场中相对论电子系集体的共振逆Compton散射谱

5.4各种周边低频场中的集体的共振逆Compton散射谱

5.4.1低频场是中子星吸积柱中的各向同性黑体辐射场

5.4.2低频场是来自中子星表面的黑体辐射场

5.4.3低频场具有幂律形式非热谱形

5.4.4低频幂律场是由外间隙(outer gap)产生的情况

5.5 RICS机制在探讨伽玛暴中原初伽玛射线起源问题时的可能应用

5.5.1 引言

5.5.2传统模型的质疑

5.5.3新的辐射机制考虑

5.5.4小结

5.6结论与讨论

5.7附录:半经典共振散射截面与QED理论结果比较

第六章X射线穿过‘冷’等离子体的Compton软化

6.1前言

6.2Compton软化的数值解,与Monte Carlo模拟和Ross-McCray方程的数值比较

6.2.1初始谱为Gauss型发射谱线

6.2.2初始谱为黑体形状谱

6.2.3初始谱为幂律谱

6.2.4初始谱为热轫致谱

6.3结论和讨论

第七章双光子湮灭吸收

7.1前言

7.2基本公式推导和计算

7.2.1实验室系中的湮灭截面σ(ω,ω',θ)

7.2.2方向平均湮灭截面(-σ)(ω,ω')

7.2.3吸收系数kγγ((-h)ω)

7.3简单应用举例

7.3.1 2.7 K微波背景辐射场

7.3.2银河系内星光背景场

7.4结论和讨论

第八章总结与展望

参考文献

致谢

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摘要

最近十几年来,由于空间技术的飞速发展,使X射线和吖射线天文学进入空前繁荣时期,极大地扩展和深化了我们对宇宙,对自然界的认识.各种新发现,新理论,新学说层出不穷,成果举世瞩目.例如,活动星系核(AGN),特别是Seyfert 1星系的性质奇特的铁Ka线的发现,就是近十年X射线天文学最重要的成果之一.铁Ka线是认识AGN中央大黑洞周边物理环境及状态的最重要探针,因此成为近年x射线天文观测和黑洞理论研究的一大热点.再如近十年中伽玛暴研究的巨大进展,使之三次入选美国‘Scicence'杂志评出的年度十大科学成就.伽玛暴研究已经成为天体物理学中一个焦点领域,对今后物理学和天文学发展有很大的潜在意义.人们期待着,新的科学突破会从天文学开始. 但与观测成果相比,理论现状相对落后.这包括两方面:即对这些高能天体的物理了解及对高能辐射机理本身的基础研究.弄清辐射机理是揭示这些奇异天体性质的关键第一步,而目前国际上在这方面进展不大.仅对活动星系核,类星体,以及伽玛暴这几类天体而言,面对观测资料,至今存在着很多无法解决的困惑.有些难题甚至已经困扰天文界二、三十年.理论落后观测的现状首先表现在辐射理论研究进展缓慢,而目前新发现的高能天体的观测性质对经典辐射理论提出了严重挑战.为此,本论文的主要研究课题是X射线和,y射线天文学中新辐射机制的研究及其应用.第一章为绪论,概述了本文对辐射机制研究的主要内容.从第二章到第十一章主要对Cerenkov线状辐射理论,强磁场中回旋辐射的量子理论,强磁场中相对论电子的共振逆Compton散射机制(简称RICS),Cornpton软化处理方法和双光子湮灭吸收及其它们在天体物理中的应用进行了一系列的研究.现分叙如下. 在上世纪80年代,尤峻汉等人就提出,当具有各向同性速度分布的相对论电子穿过气体区域或者轰击稠密气体区域的表面时,所产生的Cerenkov辐射集中在原子特征谱线附近的狭窄频段上,因而这种辐射可看作一种特殊的发射线,称为Cerenkov线状辐射或简称Cerenkov发射线.这是一种新的谱线发生机制.在第二章中简介Cerenkov线状辐射基本理论,系统地引出Cerenkov线状辐射的相关公式.定量给出Cerenkov出射线的强度、轮廓、线宽、红移等特征.这种新型谱线发射机制在天体物理中有潜在的重要性,可用来探讨活动星系核的宽发射线的起源和性质(包括类星体和Seyfert 1星系在X射线和光学波段的宽线).本章中,我们利用Cerenkov线状辐射理论公式计算了氢原子巴尔末谱线的强度比,成功地解释了类星体与赛弗特I型星系中很陡的巴尔末减缩.另外,我们也利用Cerenkov线状辐射理论成功地解释了类星体的氢发射线之间系统性的微小红移差.这为活动星系核的氢的宽发射线主要起源于Cerenkov线状辐射机制的提供了观测证据. 铁K线是目前公认的认识活动星系核(AGN) 中央大黑洞和X射线密近双星黑洞周遍物理环境及状态的最重要的探针.第三章中,利用Cerenkov线状辐射机制探讨了活动星系核中的铁K线起源问题.为解决目前流行的

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