第十二讲伽玛射线暴

伽玛射线暴浅谈俞云伟天体物理研究所本文档共40页；当前第1页；编辑于星期三\14点18分本文档共40页；当前第2页；编辑于星期三\14点18分本文档共40页；当前第3页；编辑于星期三\14点18分不同辐射波段的太阳光学紫外X射线射电同一天体不同波段的辐射来自不同（温度）的区域和物理过程。本文档共40页；当前第4页；编辑于星期三\14点18分本文档共40页；当前第5页；编辑于星期三\14点18分不同波段望远镜看到的宇宙射电光学X射线伽玛射线本文档共40页；当前第6页；编辑于星期三\14点18分报告内容什么是伽玛暴伽玛暴基本观测性质分析火球模型激波物理辐射机制理论与观测的比较本文档共40页；当前第7页；编辑于星期三\14点18分一、什么是伽玛暴本文档共40页；当前第8页；编辑于星期三\14点18分一、什么是伽玛暴本文档共40页；当前第9页；编辑于星期三\14点18分一、什么是伽玛暴本文档共40页；当前第10页；编辑于星期三\14点18分1967年:第一个被发现的伽玛暴Vela卫星ScintillationX-rayDetectors–3-12keV,6-12keV,Area~26cm2CsIGamma-RayDetectors-150-750keV,Volume~60cm3本文档共40页；当前第11页；编辑于星期三\14点18分二、伽玛暴现象三个基本特征的分析Compton卫星BATSE本文档共40页；当前第12页；编辑于星期三\14点18分~100亿光年！银河系直径约10万光年比较：太阳一年所释放的总能量为Esun~1041erg，以太阳寿命100亿年计算，太阳一生能够释放的总能量约为Etotal~1051erg。伽玛暴的起源：宇宙学（发生于河外星系）或者太阳系周围？本文档共40页；当前第13页；编辑于星期三\14点18分FeIIFeIIMgIIMgIII谱线的红移红移的大小决定于辐射源相对于地球的退行速度，退行是因为宇宙在膨胀根据Hubble定律，退行速度与距离一一对应广义相对论标准宇宙学计算结果本文档共40页；当前第14页；编辑于星期三\14点18分光谱具有分段幂律形式，非热谱，说明辐射源物质及辐射本身没有达到热平衡。辐射源应该是光学薄的。辐射机制可能是电子的同步辐射或同步自Compton辐射。本文档共40页；当前第15页；编辑于星期三\14点18分结果说明：发出伽玛射线光子的辐射源具有极端相对论性的运动。伽玛暴是恒星级的天文现象。本文档共40页；当前第16页；编辑于星期三\14点18分伽玛暴是恒星级的天文现象。Msunc2=2*1054erg通过核反应释放能量产生伽玛暴是不可行的！只能是恒星级天体引力能的释放。GMsun2/Rsun=4*1058erg本文档共40页；当前第17页；编辑于星期三\14点18分三、火球模型火球的初始性质本文档共40页；当前第18页；编辑于星期三\14点18分真空环境下火球的膨胀和加速本文档共40页；当前第19页；编辑于星期三\14点18分能量不同，质量不同，速度不同的重子壳层发生膨胀。每个壳层都具有极端相对论性速度。相互之间的相对速度也具有轻度相对论性。壳层之间的碰撞形成在壳层中传播的激波，激波加速粒子，放大磁场，导致同步辐射。即为伽玛暴瞬时辐射。碰撞之后，中心能源抛出来的壳层合并为一个壳层，仍然具有相对论性的速度。将于环境中的介质发生作用。本文档共40页；当前第20页；编辑于星期三\14点18分瞬时辐射Ft多波段余辉辐射本文档共40页；当前第21页；编辑于星期三\14点18分BeppoSAX卫星1997年:GRB970228的多波段余辉观测X－rayoptical本文档共40页；当前第22页；编辑于星期三\14点18分四、激波过程

参考：

是长春《相对论流体力学》；

许敖敖和唐玉华《宇宙电动力学导论》

Landau《Fluidmachanics》；

什么是激波？波在介质中传播的速度是声速。当波的作用使波后物质的速度大于介质的声速时，将形成一个密度间断面。波只存在这个阶段面后的一个薄层当中。激波的传播过程是一个将宏观动能转化为无规动能（内能）和磁能的过程，最终使冲击波减速。本文档共40页；当前第23页；编辑于星期三\14点18分激波跳跃条件下游激波化物质上游未激波化物质激波本文档共40页；当前第24页；编辑于星期三\14点18分激波、磁场和粒子的加速激波通过一些不稳定性放大磁场，在磁场的作用下启动费米加速机制，使粒子加速。成为高能粒子的一个重要产生机制。相对论激波二流体Weibel不稳定性本文档共40页；当前第25页；编辑于星期三\14点18分激波、磁场和粒子的加速激波通过一些不稳定性放大磁场，在磁场的作用下启动费米加速机制，使粒子加速。成为高能粒子的一个重要产生机制。本文档共40页；当前第26页；编辑于星期三\14点18分激波、磁场和粒子的加速激波通过一些不稳定性放大磁场，在磁场的作用下启动费米加速机制，使粒子加速。成为高能粒子的一个重要产生机制。下游激波化物质上游未激波化物质激波本文档共40页；当前第27页；编辑于星期三\14点18分激波（冲击波）的演化本文档共40页；当前第28页；编辑于星期三\14点18分五、辐射机制：

天体为什么发光？怎样发光？

或者说我们怎样从理论上把光谱造出来！

参考：Rybicki&Lightman《radiativepeocessesinastrophysics》,

尤俊汉《天体物理中的辐射机制》，杨丕博《天体辐射理论引论》热辐射：（如：黑体辐射）线辐射：原子，分子层次同步辐射：相对论带电粒子在磁场中的辐射逆Compton辐射：相对论电子在辐射场中的辐射切仑科夫辐射轫致辐射其它过程（如：gp－pp0

gp－np+）本文档共40页；当前第29页；编辑于星期三\14点18分辐射总功率电动力学总功率告诉我们电子的辐射能力，但是我们更需要知道谱功率：即单位频率的辐射功率电场强度E推迟势傅立叶变换谱功率本文档共40页；当前第30页；编辑于星期三\14点18分单电子电子系对电子分布进行积分同步辐射谱单色近似下的理解同步辐射是射电天文学的基本过程，当然也可对高能辐射产生贡献本文档共40页；当前第31页；编辑于星期三\14点18分2、逆compton辐射在这个过程中，电子是静止的。光子将其部分能量转移给电子，使自身能量减小。光子频率变小回顾：compton散射本文档共40页；当前第32页；编辑于星期三\14点18分在实际的天体环境中，电子是运动的，甚至是相对论性的。那么情况又是怎样？我们只需要将对前面compton散射（即在靶核静止系）的讨论通过坐标变换转化到天体静止系（简化的表达式）。当gh

ni～mec2，得h

n～g2

h

ni

，可以看到，电子几乎将其全部能量转移给了出射光子。这也可以理解为是电子在辐射场中的辐射，即为逆compton辐射。本文档共40页；当前第33页；编辑于星期三\14点18分X-rayradiooptical六、观测对理论的检验——以余辉为例本文档共40页；当前第34页；编辑于星期三\14点18分六、观测对理论的检验——以余辉为例Meszaros,ARAA40（2002）137火球初始条件暴周环境动力学演化等时面效应谱和光变曲线电子能谱分布辐射机制磁场观测激波物理本文档共40页；当前第35页；编辑于星期三\14点18分Thankyou！本文档共40页；当前第36页；编辑于星期三\14点18分观测者系的时间缩短效应（说明性证明）vt1vt2DT1T2DRT1=t1+D/cT2=t2+(D-DR)/c=t1+Dt+(D-DR)/cDT=T2-T1=Dt-DR/c=Dt(1-b)在极端相对论情形下：1-b=1/2G2故暴源系观测者系本文档共40页；当前第37页；编辑于星期三\14点18分等时面效应1R2DD-RL从壳层同时发出的光子由于到达观测者的路径不同，将在不同的时刻被观测到。反过来说，观测者同时接受到的光子来自于壳层不同时刻的辐射