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河内γ射线源与甚高能宇宙线的起源

作　者: 李辉
导　师: 陈阳
学　校: 南京大学
专　业: 天体物理
关键词: 宇宙线电子甚高能超新星遗迹宇宙线起源脉冲星分子云非热辐射 γ射线源逆康普顿散射多波段观测银河系粒子辐射辐射机制 γ射线望远镜星际介质恒星轻子谱形 supernova 含时演化
分类号: P172
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

甚高能宇宙线的起源是世纪难题。自1912年宇宙线粒子被发现至今,我们依然不能对宇宙线加速的场所达成共识。目前,随着地面、空间γ射线望远镜竞相上阵,高能数据的积累使我们对这一世纪难题的探索有了渐渐清晰的脉络。本文的研究着重以目前的多波段非热数据为依据建立理论模型,探索可能对宇宙线起源有帮助的信息。第一章综述目前宇宙线发展的现状,以及宇宙线与河内γ射线源的密切关系、观测手段和基本观测事实。第二章用简短的篇幅介绍高能宇宙线的非热辐射过程以及粒子加速初步,并罗列与理论呼应的观测现象。这一张是后面章节的理论基础,且包含了许多理论上常用的估算方法。第三章主要围绕我们对宇宙线和河内γ射线源的工作展开。首先概述宇宙线在银河系内可能的加速场所：超新星遗迹和脉冲星风云。在简要介绍超新星遗迹的演化物理后,我们以年轻超新星遗迹RX J1713.7-3946为例,通过我们发展的能谱反推方法旁证了其多波段辐射的轻子起源。而对于年老超新星遗迹的γ射线的辐射起源,我们建立了宇宙线粒子的累积扩散模型,成功解释了超新星遗迹W28、G35.6-0.4的GeV和TeV能谱的特征,给出了其加速强子的证据。进一步考虑分子云的几何构型,我们提出了对遗迹激波和分子云相互作用这一类源的γ射线解释的统一模型,成功拟合了9个源的GeV和TeV辐射,并讨论了相应的参数选取。我们不仅解释了这类源中普遍存在的能谱在GeV能量附近的偏折,同时拟合了TeV能谱变陡的趋势。脉冲星风云是河内高能宇宙线加速的另一个候选场所。我们从高能粒子的能量连续性方程出发,建立了脉冲星风云含时演化的轻子辐射模型,并根据此模型唯象的解释了X射线和γ射线光度随时间演化的统计结果。最后,通过对G54.1+0.3的多波段非热辐射分析,我们指出了其γ射线流量不能用轻子起源很好的解释,需要引入强子辐射。这一结果也支持了脉冲星风云加速宇宙线质子的论点。第四章总结了目前甚高能宇宙线领域内一些尚未解决的问题,以及对今后工作的展望。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章引言  9-15
  1.1 宇宙线研究概述  9-10
  1.2 宇宙线能谱  10-11
  1.3 γ射线及其探测方法  11-15
第二章高能粒子的基本物理过程  15-35
  2.1 高能宇宙线的辐射机制  15-21
    2.1.1 与磁场的作用  15-17
    2.1.2 与光子场的作用  17-19
    2.1.3 与物质的作用  19-21
    2.1.4 不同机制的γ射线产生率的量级估算  21
  2.2 宇宙线的加速理论  21-35
    2.2.1 随机加速  22-23
    2.2.2 激波  23-24
    2.2.3 扩散激波加速  24-28
    2.2.4 DSA的非线性加速理论和观测效应  28-35
第三章超新星遗迹加速宇宙线质子的检验  35-79
  3.1 壳形超新星遗迹  35-68
    3.1.1 壳形超新星遗迹演化  37-40
    3.1.2 超新星遗迹和宇宙线的关联  40
    3.1.3 RX J1713.7-3946,一个热点  40-47
    3.1.4 强子空间扩散,独一无二的优势  47-48
    3.1.5 经典点源近似情况  48-50
    3.1.6 修正后的扩散模型  50-52
    3.1.7 长距离扩散示例：W28  52-56
    3.1.8 银道面上的的暗云?  56-60
    3.1.9 激波与分子云接触的情况  60-68
  3.2 脉冲星风云  68-79
    3.2.1 含时演化的轻子辐射模型  68-70
    3.2.2 G54.1+0.3,特别的源和可能的强子贡献  70-79
第四章总结与展望  79-83
  4.1 观测现象无法通过理论解释  79-80
  4.2 理论预言尚未通过观测证实  80-83
参考文献  83-102
攻读硕士学位期间完成的学术成果  102-103
致谢  103-105

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