（天体物理专业论文）γ噪blazar天体的特性研究.pdf

第i 页 摘要 活动星系核( a c t i v eg a l a c t i cn u c l e u s ) 是现代天体物理学研究的重大前 沿课题，涉及到天体物理学中最基本的问题。活动星系核的研究在能量产生、辐 射机制和宇宙论等基本问题的研究中占有重要的地位。在活动星系核中，b l a z a r 天体是具有极端性质的一类，它以大幅快速光变、高且变化的偏振、射电核主导、 视超光速运动、全波段非热辐射为主要特征。正因为如此，国际上越来越多的力 量投入到这一领域的理论和观测研究中。 本文概述了活动星系核的定义，特征和分类，并介绍了活动星系核的统一模 型。特别是对b l a z a r 天体的研究现状，b l a z a r 天体的多波段观测与多波段能谱 特性研究进行了较为详细的评述。本文还系统地阐述了b l a z a r 天体的观测特征 及其辐射机制和理论模型。并利用收集到的6 6 个y 噪b l a z a r 天体( 其中包括1 9 个b ll a c 天体和4 7 个平谱射电类星体) 的基本观测数据和这些源的多波段观测 数据，研究了红移以及各波段流量密度的分布。本文还对这6 6 个y 噪b l a z a r 天 体各波段流量密度( 射电波段、近红外波段、光学波段、x 射线波段和y 射线波 段) 和红移的相关性以及在高态和低态时不同波段流量密度之间可能存在的相互 关系进行了研究。 关键词：b l a z a r 天体；辐射机制；流量密度：相关 a b s t r a c t第i i 页 a b s t r a c t a c t i v eg a l a c t i cn u c l e u s ( a g n s ) h a v eb e e na ni m p o r t a n tb r a n c ha n do n eo ft h e m o s ta c t i v ef r o n t i e r si nt h ef i e l do fm o d e ma s t r o p h y s i c s i ti sr e l m e dt ot h em o s t f u n d a m e n t a lp r o b l e m si na s t r o p h y s i c s t h es t u d yo fa g n sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n t h es t u d yo f t h eo r i g i no f e n e r g y ，r a d i a t i o nm e c h a n i s ma n d c o s m o l o g y b l a z a r sa r e o n e o ft h em o s te x t r e m ec l a s s e so fa c t i v eg a l a c t i cn u c l e u s w i mh i g hl u m i n o s i t y , l a r g e a m p l i t u d ea n dr a p i dv a r i a b i l i t y , h i g ha n dv a r i a b l ep o l a r i z a t i o n ，r a d i oc o r e - d o m i n a n c e , a n da p p a r e n ts u p e r l u m i n a ls p e e d s t h e i rb r o a db a n de m i s s i o ne x t e n d sf r o mr a d i ou p t o ，- r a yb a n d ，a n di sd o m i n a t e db yn o n t h e r m a lp r o c e s s t h e r e f o r e ，m a n yp e o p l e d e v o t et h e m s e l v e st ot h et h e o r e t i c a la n do b s e r v a t i o n a ls t u d i e si nt h i sf i e l d i nt h et h e s i s w es u m m a r i z et h ed e f i n e dc h a r a c t e ra n dc l a s s i f i c a t i o no fa c t i v e g a l a x i e sn u c l e u s ( a g n s ) ，p r e s e n tu n i f i e ds c h e m e so fa g n s e s p e c i a l l y , w ef o c u so n t h em u l t i w a v e b a n d so b s e r v a t i o n s ，t h ep r o p e r t i e so fm u l t i w a v e b a n d ss p e c t r a le n e r g y d i s t r i b u t i o n s ( s e d s ) ，t h er a d i a t i o nm e c h a n i s ma n dt h et h e o r e t i c a lr a d i a t i o nm o d e lo f b l a z a r u s i n gc o l l e c t e d6 6g a m m a - r a y l o u db l a z a r sf r o mt h em o s tr e c e n te g r e t d a t a b a s e ( 1 9b ll a co b j e c t sa n d4 7f i a t s p e c t r u mr a d i oq u a s a r sf f s r q s ) ) w i t ho b s e r v e d d a t ai nm u l t i w a v e b a n d s ，w ei n v e s t i g a t et h ed i s t r i b u t i o no fr e d s h i t ta n df l u xd e n s i t i e s f o rd i f f e r e n tw a v e b a n d s f i n a l l y , w es t u d i e dt h ep o s s i b l ec o r r e l a t i o n so ff l u xd e n s i t i e s f o rd i f f e r e n t ( r a d i o ，n e a r - i n f r a r e d ，o p t i c a l ，x - r a ya n dg a m m a - r a y ) w a v e b a n d si nl o w a n dh i g hs t a t e k e y w o r d s ：b l a z a ro b j e c t ；r a d i a t i o nm e c h a n i s m s ；f l u xd e n s i t y ；c o r r e l a t i o n 独创性声h 嚣 本人声明所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标瞒。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：毛舷调 伽箩年f 月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 嚣家有关部门或祝构送交论文的笺印锋和电予叛，允许论文被森阂和借潮。本人授投云南师 范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进彳亍检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：毛殿僵r 加6 年，月1 1 日 指导教师签名：任林 - f 年产月7 日 第l 页 前言 星系是组成我们现在所认识的宇宙的基本单元之一，而星系又是由数以亿计 的恒星组成，例如人类所生存的银河系是由约1 0 “个恒星所组成的引力束缚系 统。恒星所辐射的能量是由其核心的核聚变产生。宇宙中有许多星系所发出的光 只是由其中的恒星的辐射合并在一起的，而大约有1 1 0 的星系被称为是“活 动”星系，从这些星系的核心发出的能量相当于数千个正常星系的辐射，人们把 他们称为“活动星系核”( a g n s ) 。 a g n s ( a c t i v eg a l a c t i cn u c l e u s ) 的研究是现代天体物理学研究中最热门 的课题之一，涉及到天体物理中最基本的问题。活动星系核的研究在能量产生、 辐射机制和宇宙论等基本问题的研究中占有重要的地位。正因为如此，国际上越 来越多的力量投入到这一领域的观测和理论研究中。自2 0 世纪6 0 年代射电天文 学建立以后，人们对天体的观测就不再局限于单一的光学波段了。随着观测技术 的发展，对活动星系核的研究也越来越深入。观测波段从早期的光学波段扩展到 射电、紫外、红外、光学、x 射线、，射线直到t e y y 射线波段，a g n s 的观测与 理论研究都进入了全波段时代。 总的来说，活动星系核研究的主要内容有：( 1 ) 活动星系核是如何在一个非 常小的区域内释放出比正常星系大得多的能量的。即所释放的能量是由何种能量 转化而来并通过何种机制释放出来；( 2 ) 不同类型的活动星系核之间的内在联系 如何，演化上有何关系；( 3 ) 活动星系核是宇宙的基本组成成分之一，它们有何 宇宙学意义。活动星系核实际上是一种具有极端物理条件( 如极高温、极高能、 极大质量、极强引力、极强磁场等) 的天然实验室，上述问题的解决将有助于推 动整个物理学的发展，甚至带来根本性的变革。 尽管经过4 0 多年的观测和理论研究，a g n s 至今仍是天体物理学中最大的谜 团之一。引力势能是如何转化为辐射能这一谜团尚未解开。除了自身的未解之谜 外，a g n s 的研究还涉及以下重要物理问题： 宇宙学：高光度a g n s 是宇宙中最亮的天体，能够在遥远的距离上被观测到， 是高红移天体( 已发现红移接近于6 的类星体) 。高红移的特性表明其对应于早 期宇宙，因此a g n s 成为宇宙学研究的重要探测工具，对研究早期宇宙及其演化 前言 第2 页 有重要作用。 星系演化：a g n s 是研究星系演化的重要部分，涉及到是否所有星系都曾经 有活动的核等重要问题。 x 射线背景辐射：z 射线波段是除微波背景辐射之外的唯一弥散辐射占主 导的能区。a g n s 的光度函数表明其x 射线辐射对x 射线背景有重要的贡献，但 多数a g n s 的x 射线陡谱与x 射线背景的平谱相矛盾，z 射线背景辐射能否用 a g n s 的x 射线辐射来解释仍不清楚。 因此，a g n s 的研究具有重要意义。特别是b l a z a r ，作为a g n s 中性质最突出 的一类，更是具有研究价值。 b l a z a r 天体是a g n s 中具有极端性质的一类。它以快速光变、高而变化的偏 振、非热辐射为主要特征。现有的理论和观测结果表明：b l a z a r 天体的射电、x 射线、y 射线辐射产生于天体不同的辐射区域；强且变化的，射线辐射表明高能 辐射强成束且辐射区域离黑洞和吸积盘较远。为了完善和发展现有的理论模型， 人们对b l a z a r 天体的观测已经不再局限于单一望远镜单一波段的监测，而是联 合分布在全球不同纬度的望远镜对b l a z a r 天体进行同时性多波段联测。同时性 多波段联测对研究b l a z a r 天体的能谱特性有重要作用。 本文概述了b l a z a r 天体的基本性质和现有的理论模型，介绍了对6 6 个y 噪 b l a z a r 天体的研究工作。具体结构如下：第一章简单介绍活动星系核的基本情 况；第二章介绍了b l a z a r 天体的基本观测特征；第三章概述了b l a z a r 天体的辐 射机制：第四章介绍了b l a z a r 天体现有的理论模型及其所取得的成果：第五章 介绍了对6 6 个，噪b l a z a r 天体的研究工作。 第一章活动星系核简介 第3 页 第一章活动星系核简介 活动星系核( a g n s ) 是众多天体类中的一个类型，它在河外天体中仅占极少的 部分。但是人们对它的观测和研究却是许多天文研究机构的关键课题。吸引了众 多天文学家对其进行研究。 1 1 活动星系核的定义和基本特征 活动星系核是指具有比较剧烈的活动现象或者剧烈物理过程的河外星系的 核或中心区域。其主要特征为核活动，是产生于恒星中热核反应以外的另一种能 源“3 。这个定义是非定量的。为使活动星系核的含义更明确，可采用以下观测特 征加以确定n ，： l 、有比正常星系更亮的致密核区； 2 、连续谱比正常星系的能谱范围宽，具有非热辐射特征； 3 、有比正常星系较强、较宽的发射线，且数目比正常星系多； 4 、连续谱和发射线强度随时间变化，有时变辐较大； 5 、连续谱有较高的线偏振，且偏振度和偏振流量随时问变化； 6 、有喷流现象，且喷流子源有视超光速现象； 7 、是强辐射源：强射电源或x 射线源或，射线源。 应该注意的是，除类星体外，其它类型的活动星系核并不是都具有上述所有 特征。事实上，正常星系的核区也有活动。例如，银河系的核就有一定的活动性， 只是程度小得多罢了。 1 2 活动星系核的分类 活动星系核主要被分为s e y f e r t 星系、类星体( q u s a s a r ) 、b ll a c 天体、和 射电星系( r a d i og a l a x i e s ) 四大类。它们都是各自被发现的，后来统称为活动 星系核。随着观测的发展和理论研究的进一步深入，现在它们又被分出许多次型， 并且许多次型又相互融合，形成独特的类型。如s e y f e r t 星系又分为s e y f e r tl 和s e y f e r t2 等。根据观测结果，活动星系核的具体分类如下：， 第一章活动星系核简介 第4 页 1 2 1 s e y f e r t 星系 s e y f e r t 星系是低光度的活动星系核，绝大部分s e y f e r t 星系是漩涡星系， 具有明亮的致密核，能够明显观测到寄主星系( h o s tg a l a x y ) 。s e y f e r t 星系最 初的定义是唯象的，即s e y f e r t 星系是具有表面高亮度核，光谱学揭示具有不寻 常的发射线特征的一类星系。现在s e y f e r t 星系的定义是：通过光谱学认证具有 强的高电离发射线的星系。s e y f e r t2 光谱中只存在窄发射线，而s e y f e r t1 的光谱中既有窄发射线也有宽发射线。 1 2 2 类星体 类星体是典型的活动星系核，由光度最大的活动星系核组成。最初是在射电 波段被发现的，然而它们在光学波段、紫外波段、x 射线波段都有很强的辐射， 射电波段的辐射只是很小的一部分。类星体和s e r f e r t 星系有相似的谱形，但是 大部分类星体表面被光晕环绕，所以它的空间结构不是很容易分辩。类星体具有 以下特征m ： 1 、类似恒星的星像； 2 、有明亮的发射线。允许谱线宽度至少大于2 0 k 。发射线一律红移。高红移 类星体常伴有吸收线出现： 3 、连续谱为非热幂律谱，辐射流量和频率的关系可表示为f ( v ) * y 。，谱指 数口一1 ； 4 、绝对视星等( m 。) 的范围是一2 3 。到一3 0 ； 5 、许多类星体具有光变，尤其是射电选类星体。光变周期没有规律，周期 长度从几个周到几个月。 1 2 3 射电星系 射电星系是河外强射电源，从形态看，它们非常像射电噪s e y f e r t1 和 s e y f e r t2 型星系。射电星系和s e y f e r t 星系的一个重要差别是射电星系大多是椭 圆星系，而s e y f e r t 星系是漩涡星系。宽发射线射电星系和窄发射线射电星系都 具有认证活动星系核活动性的光学光谱。 1 2 4b ll a c 天体 蝎虎座的变星“b lh a c e r t a e ”是b ll a c 天体的原型。第一个b ll a c 天体的 第一章活动星系核简介 第5 页 发现证认了“变星”b ll a c e r t a e 是射电源v r 0 4 2 2 2 0 1 的光学对应体，它具有变 化的射电流量密度和偏振。b ll a c 天体是性质比较独特的一类活动星系核，主要 特征是有剧烈的光变。它们和其它类型的活动星系核的区别在于剧烈光变、偏振、 没有或只有弱发射线以及宽波段的非热辐射谱。b ll a c 天体的基本特征哪为： 1 、平谱或射电倒转谱； 2 、红外或光学谱变陡，大多数b ll a c 天体几乎没有远紫外过剩； 3 、从低频到高频，b ll a c 天体的光变时标逐渐缩短，光变幅度则逐渐增大： 4 、具有强而变化的偏振； 5 、经典b ll a c 天体是无线谱或有很弱的o i l i ( = 5 0 0 7 a ) 宽发射线谱。 根据巡天方法的不同，我们一般把b ll a c 天体分为射电选b ll a c 天体( r b l ) 和x 选b ll a c 天体( x b l ) 。r b l 是用射电巡天发现的b ll a c 天体，x b l 是x 射 线巡天发现的b ll a c 天体。 1 3 活动星系核的标准模型 活动星系核的最根本的特征在于其非常大的光度输出来源于非常小的区域。 活动星系核的能源转换机制是多年来天体物理学家积极探索的一个课题。经过多 年的观测和理论验证，现在看来，虽然活动星系核的各个次型存在着明显的外表 差异，但这些各种各样具有外形差异的对象完全可能具有相似的内禀特征。活动 星系核的标准模型认为在活动星系核的中心存在着一个能量源( 黑洞) ，周围是 吸积盘和快速运动的星云所围绕，对于射电噪活动星系核，存在着相对论喷流， 喷流的方向和吸积盘几乎成直角。其物理结构如图1 1 所示阎。黑洞的引力势能 是活动星系核的主要能源。吸积盘中的物质在黑洞的引力作用下，从远处下落到 很深的黑洞的引力势阱中。在这一过程中，巨大的引力结合能就被释放出来。吸 积盘中的物质由于粘滞效应或湍流而损失角动量并产生远紫外或者软x 射线波 段的辐射，硬z 射线波段的辐射产生于非常靠近黑洞的区域。如果黑洞有自旋， 那么能量辐射将由黑洞自身的电磁辐射产生。借助于致密天体吸积物质释放引力 能的高效特性而建立的黑洞一吸积盘一喷流的动力学模型，称为标准模型。 第一章活动星系核简介 第6 页 图1 1 射电噪活动星系核的标准模型示意图( 取自u r r y1 9 9 5 ) 活动星系核的标准模型意味着从不同的观测角可能得到不同的观测特性，由 此也就产生了不同的分类。活动星系核的统一模型实际上是寻找不同观测特性之 间内禀的各向同性的特性。 第二章b l a z a r 天体概述第7 页 第二章b l a z a r 天体概述 除了缺少强发射线外，b ll a c 天体和平谱射电类星体都具有大幅、快速光 变，高而激变的偏振，来自于指向观测者视线方向的喷流等相似性质，基于这些 观测事实，a n g e l s t o c k m a n ( 1 9 8 0 ) 把这两类天体归为一个子类“b l a z a r ”c 6 。 2 1b l a z a r 天体的基本观测特性 b l a z a r 天体仅占河外星系的极少部分，是射电噪活动星系核中的一个子类， 占射电噪天体的- - 4 , 部分( 约占1 5 2 0 9 6 ) ，其数目远小于射电宁静活动星系核。 但是，它们有许多独特的观测特征，因此很容易从其它类型的a g n s 中区分出来。 b l a z a r 天体具有如下的基本特征： l 、它们是致密的，核主导的平谱射电源。这是b l a z a r 天体最基本的性质， 因为从来没有找到射电宁静8 1 a z a r ； 2 、强毫米波发射体，产生平谱或倒转谱； 3 、在任何观测波段都是亮的，尤其是射电、光学和z 射线光度。从光学对 应体发出的辐射主导其寄主星系的辐射； 4 、在所有观测波段都具有强烈的光变，尽管对于不同的源或不同的类别其 光变的本质需要长期的观测来区分； 5 、强的且可变化的光学线偏振( p 3 ) ，这是一个非常重要的特征，因为 它直接暗示着光学薄的同步辐射； 6 、强的且可变化的射电线偏振( 尸 卜2 ) ； 7 、v l b i 部分的视超光速运动，表明相对论喷流的存在； 8 、强的，射线源。e g r e t 所探测到的所有河外源都是b l a z a r 天体。所有证实 的和可能的河s f t e v r 射线源都是b l a z a r 天体： 9 、连续性：在整个可观测波段上，是光滑的、宽的、非热连续谱： 1 0 、光学点源，一些b l a z a r 的周围有晕，但大多数光来自点源； 2 2b l a z a r 天体的多波段能谱 b l a z a r 天体是b ll a c 天体和平谱射电类星体的统称。它们有相似观测性质。 第二章b l a z a r 天体概述 第8 页 它们的主要区别在于平谱射电类星体有显著的发射线，而b ll a c 天体没有或仅 有弱的发射线( e w 5 a ) 。传统的观点认为：在射电巡天中发现的b ll a c 天体称 为射电选b ll a c 天体( r b l s ) ，x 射线巡天中发现的b ll a c 天体称为x 选b ll a c 天体( x b l s ) 。近年来，越来越多的观测证据表明：x 选b ll a c 天体有平坦的射 电一紫外谱，在红外一紫外频段有宽峰，陡的x 射线谱；射电选b ll a c 天体谱 峰在远红外频段，有平的x 射线谱“1 ；z 选b ll a c 天体和射电选b ll a c 天体光 变和偏振也不同，x 选b ll a c 天体少一些极端性质咖。因此，人们不再满足于 对b ll a c 天体的巡天分类方法。 人类对天体的观测波段范围随着观测技术的发展而不断扩大。在x 射线波 段，已经积累了大量的b l a z a r 天体的观测数据。由于e g r e t 和地面切仑柯夫望 远镜的贡献，使我们能够了解b l a z a r 天体在g e v y 射线波段和t e y y 射线波段的 谱行为。 从整个宽的b l a z a r 天体能谱分布来看，从低能射电波段一直到高能y 射线 波段，b l a z a r 天体的辐射是以非热辐射为主，能谱是非热谱。b l a z a r 天体的能 谱分布的另外一个重要特征是具有双峰结构，包括两个非常明显的成份，即在 f v y 分布图上有两个光滑的峰( 图2 1 ) ，低能峰位于毫米波段到x 射线波段， 高能峰位于g e v _ - t e vy 射线波段“。通常认为低能峰是相对论喷流中的相对论 电子的同步辐射的贡献。高能峰的辐射机制一般认为是通过逆康普顿散射机制产 生，也可能是通过强子过程产生。 图2 1 中，大多数射电选b ll a c 天体和平谱射电类星体的能谱分布的低能 峰位于红外到光学频段，而大多数x 选b ll a c 天体的能谱分布的低能峰位于紫 外到x 射线频段，这就得到了b l a z a r 天体的更客观的分类方法。基于b ll a c 天体的多波段能谱低能峰( 同步辐射峰) 峰值为准，分别称为h b l s ( h i g he n e r g y p e a k e db ll a co b j e c to rb l u eb l a z a r s ) 和l b l s ( 1 0 we n e r g yp e a k e db ll a c o b j e c to rr e db l a z a r s ) 。p a d o v a n i g i o m m i 对h b l s 和l b l s 提出了定量的分 类方法：以射电( 5 g h z ) 到x 射线( 1 k e v ) 的复合谱指数口。为准，若口。 0 7 5 ，则为h b l s 1 。在这个分类标准下，大多数射电选b ll a c 天体都是l b l s ，而大多数x 选b ll a c 天体都是h b l s ，平谱射电类星体是射电巡 第二章b l a z a r 天体概述 第9 页 天得到的，其连续谱分布和l b l s 相似“”。 寸 、 3 l o g - 。r e q u e n c y ( h z ) 图2 1b l a z a r 天体多波段能谱分布( 取自u r r y1 9 9 8 ) 从图2 1 中也可看出，h b l s 和l b l s 的多波段能谱分布s e d ( s p e c t r a le n e r g y d i s t r i b u t i o n ) 存在差别“： l 、l b l s 和f s r q s 的低能峰( 同步辐射峰) 峰值位于红外一光学波段而h b l s 的低能峰( 同步辐射峰) 峰值位于紫外一x 射线频段，这表明b l a z a r 天体多波 段能谱分布的同步峰值频率随对象光度增加而下降； 2 、多波段能谱分布s e d 康普顿成份和同步辐射成份之比l c l 。( 两个峰值 的光度之比，通常称为“康普顿贡献”) 不同，对h b l s 约为l ，而对l b l s 则 可能达到1 0 0 1 0 0 0 。 b l a z a r 天体多波段能谱提供了天体辐射区域的磁场、最大电子能等有关信 息，也为天体的高能辐射模型提出了观测限制。f o s s a t i 等人通过对大样本 b l a z a r 天体的多波段能谱分布( s e d ) 分析，得到“”： l 、同类型的b l a z a r 天体的多波段能谱分布s e d 都有双峰结构，低能峰( 同 步辐射峰) 和对象的光度反相关，低能峰的峰值频率从低光度对象的约1 0 ”h z 1 0 ”h z 到高光度对象的约i 0 ”h z l o “h z ； 2 、随着对象光度的增加，当，射线谱变软时x 射线谱变硬，表明多波段能 谱分布的高能峰( 逆康普顿散射峰) 峰值频率也向低频移动，从低光度的约 第二章b l a z 天体概述 第l o 页 1 0 2 4 h z 1 0 ”h z 到高光度对象的约1 0 2 h z o ”h z ； 3 、两个峰的峰值频率正相关，如果低能峰的峰值频率y 较小，则高能峰 的峰值频率v 一也较小。 2 3b l a z a r 天体的相对论聚束效应 b l a z a r 天体是所有活动星系核中具有最快速和最大光变幅度的一类天体，极 端的光度特征和相对弱的谱特征表明连续谱的发射是从靠近视线方向的一个夹 角很小的相对论喷流产生的并且观测到的辐射被相对论聚束效应放大“。如果辐 射物质是沿视线方向的一个很小夹角内以相对论速度运动，那么相对论效应就很 重要，观测到的各种辐射特征都被修正到物质运动的实验室坐标系中，描述聚束 效应的最基本参量是d o p p l e r 因子 占：l r 0 一p c o s o ) ( 2 3 1 ) 其中y = 1 扳吲是运动物质的l o r e n t z 放大因子，口是物质运动方向与视线之 间的夹角。除了考虑相对论喷流效应外，还应该考虑宇宙学效应。相应的，时间、 频率、流量和光度的基本公式可表示为： v ：j l v ( 2 3 2 ) ”m2 丁再”m 2 2 4 f f o b s = 了l + z ，。 ( 2 3 3 ) = ( 爿 s a ， k = ( 圭) 。 亿。s ， 其中，下标o b s 表示观测值，下标i n 表示内禀值，z 是红移值。式2 3 4 和 2 3 5 中，对于连续喷流，聚束指数( b e a m i n gi n d e x ) 尸：2 + 岱，而对于球对 称各向同性辐射源，p ：3 + 口，其中口是对应波段能谱指数，其幂律谱形式为 e y 一。 第三章b l a z a r 天体的主要辐射机制 第1 l 页 第三章b la z a r 天体的主要辐射机制 在b l a z a r 天体中，非热辐射是主要的辐射成分。一般认为，b l a z a r 天体的宽 波段能谱( s e d ) 是由指向观测者视线方向以相对论速率运动的等离子体发出的。 喷流中的等离子体被相对论激波加速而获得能量，通过同步辐射和逆康普顿散射 损失能量，分别产生s e d 的低能部分和高能部分。射电和光学部分所观测到的高 偏振表明低能部分最可能是由磁场中的相对论电子的同步辐射产生，而高能辐射 一般认为是由相对论电子的逆康普顿散射产生。鉴于这两种辐射在b l a z a r 天体辐 射中的重要性，我们将在本章简述其基本物理性质。 3 1 粒子能量增加与损失过程 3 1 1 能量增加过程 b l a z a r 天体中，相对论电子的产生是一个比较复杂的问题。激波加速电子使 其成为相对论电子是目前比较成功的理论。在本节中，我们将简述激波费米加速 机制l i e 1 3 1 8 。 3 1 1 1 二阶费米加速 假设有一速度v 运动的带磁场云团( 如图3 1 ) ，一带电粒子进入该云团，与 云团发生无规则散射，在云团运动坐标系中，由于散射是没有碰撞的，粒子的能 量没有变化，但方向发生随机的变化。假设粒子的初能量为e ，动量为p 。，相 对于云团方向为q ，散射后分别为e ：、p ：、岛。在观测者坐标和共动坐标之间 应用洛仑兹变换，可得粒子能量变化为： 鱼二墨21 ：垒墨：! 二旦! ! ! 刍生! ! ! 垦：生：竺! 刍! ! ! 鱼 ( 3 1 1 ) e l e 1 一p i 其中p = v c 。由于是随机运动的，c o s o 。；f ：g c o s 0 2 的平均值很重要。在云中 粒子由于多次散射，其方向是完全随机的，这样有( c o s 岛) = o ，c o s 0 的平均值取 决于碰撞率，它正比于粒子和云之间的相对速度。这样在单位立体角发生一次碰 撞的几率正比于v v c o s o ，其中v ( c ) 是粒子的速度。这样可得 第三章b l a z a r 天体的主要辐射机制第1 2 页 图3 1 二阶f e r m i j 归速示意图( 取自p r o t h e r o e1 9 9 6 ) ( c o s s ) = 胁0m d p ，m 印- = 一詈 - ， 故有 鳢=筹山拶4e13 c 。， 一口2 。 结果表明粒子从云中获得能量，但由于很小 1 ，p z l ) 的功率远大于非相对论电子的功率。 相对论电子的大部分辐射是在峰频v 。附近发出的，对于一个“能量”为， 投射角为口( 电子速度口与磁场b 的夹角) 的电子，峰频是 y 。，- y 2s i n a 3 x 1 0 6 8 7 2s i a a l x l 0 7 雎赫s i n a ( h z ) ( 3 2 5 ) 单位频率闻隔的辐射功率为： 警= 华亡f 。s 恤1 z 式中即熟知的非相对论电子的拉摩尔频率， y 一 (327)2 zm o c 、7 而参量匕的定义为 k 2 缸，2 ( 3 2 8 ) k 。( f ) 是5 3 阶修正贝塞耳函数。显然谱形决定于式中方括号内的函数，即 f 审2 毒i ：。酬啪 ( 3 z 9 ) 可以将f 南叫做无量纲的同步辐射谱，其谱形如图3 4 所示。在兰。0 2 9 时，曲线达到极大值o 9 1 8 。由极值向两侧， 函数f ( v - - - ) 的渐进式为 匕 f 亡) ： l ， 喏，嘲 ) m ( 兰) - ，z e 巾 z i ， 当兰 1 匕 第三章b l a z a r 天体的主要辐射机制第1 6 页 1 o o 6 0 4 o 0 。 x= 0 2 9 0l2345 x 图3 4 无量纲的单电子同步辐射谱 可见，在低频端，函数以v “3 形式随频率缓慢上升，在v “o 2 9 v ，处达到峰 值；而在高频端( y ”) ，则以指数形式很陡地下降。因此，单个电子的同步 辐射谱频段很窄，像一条宽的单色“谱线”。 3 2 1 2 同步辐射的角分布 单个相对论电子的同步辐射具有显著的方向性，辐射将集中在以速度口为轴 线，半张角为口= ，。的狭小角锥中，电子能量越大，角锥越小。产生这种聚束 效应的物理本质是作为辐射源的高速电子，在运动方向的辐射将因多普勒效应而 显著增强，其它方向辐射剧减，对于投射角t 2 作螺旋运动的电子，由于辐射将具 有很强的方向性，只有当远处观测者的方向0 * 口时，才能观测到辐射。 电子是在磁场中被加速的，速度将与加速度垂直。 3 2 1 3 电子系集体的同步辐射 前面讨论的是单个电子的同步辐射性质，而天文观测中的辐射总是大量电子 的集体效应。 单位体积中电子的总辐射功率，( y ) 为( 假设各个电子的辐射不相干) ： j ( v ) = ( 加，f ) d r a f 2 。百d p ( v ) ( 3 2 1 1 ) 第三章b l a z a r 天体的主要辐射机制 第1 7 页 在天体物理学的许多情况下，常常认为在某一能量 ，sy ：中，电子能量 分布具有幂律形状，而且是稳定的，即 n ( r ，口) = n ，y ”g ( a ) 4 z ( 3 2 1 2 ) 如果电子投射角口具有各向同性分布，计算可得谱发射功率为： 如) = 扣喾n 告) ( i - ) 1 2 h ) - g “) 】( 3 2 1 3 ) 此处x z y 匕，而 坼) = j ( s i n 口) ( 1 + n ) 1 2 9 ) 地。砌厨申r 咩) ( 3 2 1 4 ) g ( 五) = mf 如，( _ ) ，) 触 ( 3 2 1 5 ) 当x 2 x 1 的相对论电子，假设辐射场是各向同性的，得到的结果是口3 1 ： 尸( y ) = 8 街知 p ( y 4 ，2 u ) 玎坤( 吩y _ ( 3 2 2 5 ) 其中 0 x 1 而疗。( u ) 代表辐射场单位体积中光子的数密度。 m ) 叫赢 ( 3 - 2 2 7 ) 上式实际上代表电子散射单色入射光( 频率为u ) 的无量纲的康普顿辐射谱。 其中x 为辐射频率v 与康普顿辐射的最大频率值4 y 2 u 之比，即z 实质上就是无 量纲的辐射频率值。 x rm o 工+ 一一 厂 第三章b l a z a r 天体的主要辐射机制 第2 0 页 图3 5 电子散射单色入射光( 频率为h ) 的无量纲的康普顿辐射谱 1 5 3 5 给出了光子数密度，g ) 的变化曲线。由图可见，在x = o 6 1 处，厂g ) 达到极值吣“o 1 6 ；在y y 2 处，则谱功率p ( v ) * y ，即在低频端没有锐截 止现象( 除非有低频吸收存在) ，从上图可见，对于给定频率的单色入射光束， 康普顿辐射的谱分布是相当弥散的，单色性较差。 3 2 2 3 电子系集体的康普顿辐射 假定单位体积中能量为y y + 咖的电子数为n ( r ) d y ，则单位体积所有电 子总