GRB的突發(fā)伽瑪射線暴來自共振逆康普頓散射機(jī)制

GRB的突發(fā)伽瑪射線暴來自共振逆康普頓散射機(jī)制

(1)(2)(3)(2)1.中科院上海天文臺1引言

GRB：宇宙空間中強(qiáng)的突發(fā)性的伽瑪射線點(diǎn)源GRB的流行模型——火球模型,要點(diǎn):

1.早期的伽瑪射線主暴來自：內(nèi)激波

2.X-ray和光學(xué)余輝則來自：外激波

3.

伽瑪射線的輻射機(jī)制：同步輻射(有人同時(shí)考慮逆康普頓散射)----所需相對論電子(快電子),來自內(nèi)激波的碰撞。2標(biāo)準(zhǔn)模型：theFireballModelmainburstInter-StellarMedium~108kmγ~1000內(nèi)激波初始火球e+,e-γpR~10kmE>1052ergsM<10-5Msun外激波~1011kmγ>>1Afterglows3然而，同步輻射(和逆康普頓散射)機(jī)制面臨困難，與觀測矛盾。

例如：

1.關(guān)于伽瑪射線譜。為何觀測的伽瑪射線譜總是折斷的冪律形譜？Stern&Poutanen2004,MNRAS

2.特別是,其中有‘死線問題’。即伽瑪射線譜低能部分的譜指數(shù)問題。Preece1998,2000,ApJ;Lloyd-Ronning&Petrosian2000,ApJ

同步機(jī)制要求：低能譜(即上升譜部分)很平。譜指數(shù)必須滿足條件(或光子譜指數(shù))。

而觀測譜指數(shù)常常明顯大于1/3，很陡?。?！

4觀測中GRB的rays能譜(Schaeferetal.1992,ApJ)53.觀測到偏振(Willisetal.2005A&A;Coburn&Boggs,2003,Nat,423,415;Kalemcietal,2007;ApJ)

GRB021206:

伽瑪光子的線偏振度高達(dá)(8020)%？4.Amati關(guān)系:

(Amati,2006,MNRAS,372,233;2002,A&A,390,81;Yonetokuetal.,2004,ApJ,609,935;Sakamotoetal.,2004,ApJ,602,875)Fig.265.能量轉(zhuǎn)換效率很低.(Piran1999,Phys.Rep)

中間過程多.復(fù)雜鏈條:并合形成火球(引力能釋放)—火球膨脹形成拋射(內(nèi)激波)—內(nèi)激波碰撞形成相對論電子—同步輻射或逆康普頓散射形成X-射線—多普勒移動(dòng)，形成rays.鏈條中，多少引力能轉(zhuǎn)換成最終的rays?

7我們建議：既然傳統(tǒng)的輻射機(jī)制在解釋這些觀測事實(shí)時(shí)遇到困難，就應(yīng)尋求新的伽瑪射線輻射機(jī)制并嘗試新模型來解決這些目前存在的問題。要點(diǎn):用強(qiáng)磁場相對論電子的共振逆康普頓散射(RICS)

代替流行的同步輻射(以及普通逆康普頓散射ICS)解決這些困惑。我們認(rèn)為:這是探討GRB的rays起源的很有希望的新路!8II.共振逆康普頓散射(RICS)及其在GRB中的作用2.1.先說觀測對ray輻射機(jī)制的限制

i).要求該輻射機(jī)制非常高效,以和觀測匹配;

ii).該機(jī)制的輻射波段必須主要在ray波段;

iii).它產(chǎn)生的ray光子能夠躲避強(qiáng)吸收(如磁湮滅和湮滅),順利逃出.

即不只產(chǎn)生ray光子,還能跑出來(即可以解決‘致密性’難題).9iv).它產(chǎn)生的ray輻射應(yīng)當(dāng)是偏振的，用以說明觀測；v).可以容易地復(fù)制出觀測到的折斷的非熱冪律譜，且不求助于復(fù)雜的假定；vi).最后，它能夠解釋Amatirelation的物理本質(zhì)，容易由它導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)關(guān)系

以下論證：RICS機(jī)制滿足以上條件。102.2RICS物理概說：

相對論電子在強(qiáng)磁場中力學(xué)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：

a).在實(shí)驗(yàn)室系S考察RICS,快電子在磁力線方向沿‘拉緊’的螺旋軌道運(yùn)行而散射光子方向也是沿著磁力線。

b).在電子靜止系（ERF）S’觀察RICS，電子在圓軌道上運(yùn)動(dòng)。量子化能級。S’系中,入射光子和電子的碰撞總是對頭碰。11

在電子靜止參考系ERF中(對散射做理論處理方便)散射截面與頻率的關(guān)系,

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細(xì)說：先說非共振的逆康普頓散射如果，非共振散射和普通的，沒有磁場時(shí)的逆康普頓散射其實(shí)無區(qū)別。因?yàn)榇藭r(shí)嚴(yán)格的QED理論給出的散射截面。反之，如果，非共振散射實(shí)際已不存在，因?yàn)镼ED給出。

此時(shí)，散射被‘磁凍結(jié)’了。大量的低頻光子時(shí)是無用的‘垃圾光子’。這說明普通逆康普頓散射在強(qiáng)磁場中變得很不重要。

磁凍結(jié)：磁場太強(qiáng)，低頻光子擾動(dòng)不了被束縛很緊的電子。13再說共振的逆康普頓散射

如果在電子靜止參考系ERF中，入射光頻率特別是當(dāng)，則有共振的逆康普頓散射。

記為RICS，用以區(qū)別共存的ICS。RICS性質(zhì)特殊，很重要。因?yàn)镼ED共振截面，亦即具有極高的輻射效率。例如：

，。因此，若周邊有足夠多能共振吸收的光子（即滿足匹配條件），電子會(huì)很快耗盡能量變成輻射。

14許多學(xué)者對此工作有貢獻(xiàn)，Herold,Dermer,Daughty&Harding,Gonither,

喬國俊，夏曉陽，吳鑫基，鄧勁松等。我們的貢獻(xiàn)：

1.把強(qiáng)磁場逆康普頓散射分解，共振和非共振，分別處理,

根據(jù)：兩部分物理性質(zhì)很不同，出現(xiàn)的頻段也不同。見上述圖（嚴(yán)格論證了：強(qiáng)磁場中，共振部分遠(yuǎn)比非共振部分重要）

2.不用QED,改用經(jīng)典Quantum

用半量子的共振散射截面(含時(shí)微擾論)代替復(fù)雜的QED截面，精確一致。而所得RICS諸公式，數(shù)學(xué)大為簡化，RICS物理更加清晰，便于實(shí)用。

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我們所利用的半經(jīng)典量子回旋散射截面公式在情況下是推廣QED結(jié)果的一個(gè)很好的近似，但我們的公式簡潔實(shí)用。16RICS的基本公式1.電子靜止系中，微分共振散射截面公式入射光子頻率，和分別為入射角和散射角。為洛侖茲輪廓因子：172.共振條件在ERF中，在觀測者系中，183.單個(gè)電子的RICS輻射譜功率

令為以最大散射頻率為單位的無量綱頻率(光子能量),則單個(gè)電子RICS譜功率為

其中此處代表能量為的單個(gè)電子無量綱的RICS輻射譜，示于圖3。

19由圖可見，RICS譜有很好單色性——在最大散射頻率(or

)處，有尖銳極大!并有延伸到的弱的‘尾巴’。所以，常用‘準(zhǔn)單色近似’，。

圖3.能量是的快電子的RICS輻射譜。它和普通的逆康普頓散射譜不同。注意在極大頻率處有一尖銳高峰。以及拖著一條弱的低頻尾巴，一直到，仍有較好單色性。204.RICS效率上式中的一個(gè)積分。

可看作是RICS效率的量度。因?yàn)榘怂泻细竦能浌庾?，頻率為共振頻率5.RICS輻射總功率所以。212.3.RICS機(jī)制應(yīng)用在GRB研究中的優(yōu)越性１.RICS最突出的優(yōu)點(diǎn)是其極高的輻射效率

為此，估計(jì)電子的特征射程(電子沿磁軸方向飛行后，幾乎耗盡全部動(dòng)能，轉(zhuǎn)換為RICS光子）。顯然，射程越短，RICS機(jī)制的輻射效率就越高。估計(jì)如下：

單個(gè)能量為的相對論電子的RICS輻射功率是：(1)

22

由(1)式得到，電子沿磁軸方向單位路程的能量損失為(2)故(3)由此得特征路程為(4)由(4)式可見，在一般周邊軟光子場中，特征飛行距離都非常小。例：在中子星表面附近，存在黑體輻射場，溫度為取典型值，。則按Planck公式，頻率處的共振強(qiáng)度為，從而。23特征路程驚人的短??！沿磁軸方向，穿過極短的路程，電子即耗盡其動(dòng)能，全變成RICS輻射??！RICS的高效率令人意外?。?！

高效率保證了一種可能性：RICS機(jī)制在ray波段產(chǎn)生的輻射總能量足以達(dá)到與GRB觀測值相比較，。

以下給出論證，能量估計(jì)：在流行的火球模型中，引力能釋放來自‘吞沒’和大質(zhì)量星的‘坍縮’。，引力能大部分由典型溫度為的中微子氣體帶出(Ruffertetal.1997,A&A)。24中微子對將做兩件事：a.由于中微子氣體的高壓，結(jié)合中子星強(qiáng)偶極磁場的定向作用，會(huì)形成噴流，內(nèi)、外激波。b.對的湮滅會(huì)形成大量相對論電子對，使強(qiáng)RICS過程似乎不可避免！！大約0.2—0.3%，甚至0.7%的對能量將轉(zhuǎn)變成電子對的動(dòng)能，故?。?！(Ruffertetal.1997,A&A)由于RICS的高效率，它全部都變成輻射，足以與GRB的觀測之匹配。25RICS的其他優(yōu)點(diǎn)：

RICS輻射能量高度集中于ray波段(見圖3單電子RICS譜圖)。RICS輻射高度準(zhǔn)直，只沿相對論電子運(yùn)動(dòng)方向，即磁軸方向。故可避免來自‘磁湮滅’和‘湮滅’的強(qiáng)吸收??！傳統(tǒng)的‘致密性困難’不再存在。沿磁軸有一光學(xué)薄的‘透明隧道’。26大量電子集體RICS譜總有折斷的冪律譜形，而不問周邊軟光子場是什么場。而且‘拐點(diǎn)’總在處（唯一條件是電子能譜為冪律）。

(Liuetal.2006MNRAS)

最后，RICS機(jī)制可以自然導(dǎo)出Amatirelation??！27III.Amati關(guān)系的推導(dǎo)

基本想法:假如早期ray果然來自RICS，則觀測到的表觀的各向同性輻射總能量和觀測譜的拐點(diǎn)峰能必然都依賴于同一個(gè)參量：電子平均能量.消去參量,即可得到統(tǒng)計(jì)關(guān)系。推導(dǎo)：

記GRB的真實(shí)RICS輻射能量為，RICS輻射所張小立體角為，則表觀的各向同性ray輻射能量將放大，即

(5)28

對于平均能量是的相對論電子束，其RICS輻射的半張角是。因此(7)故(8)由于RICS的極高效，使得的總動(dòng)能(假定對所有GRBs都一樣)會(huì)全部