TeV BL Lac天体同步自康普顿过程的理论分析*

蒋德坤， 卢方武

(玉溪师范学院 物理系，云南 玉溪 653100)

1 引 言

BL Lac天体具有明显的双峰结构，主要有两类模型来解释：一类是轻子模型，该模型认为BL Lac天体的双峰结构主要是由相对论喷流中的相对论电子引起的[1]；另一类是重子模型，认为其双峰结构是由喷流中的质子和质子之间的相互作用或者质子和光子之间的相互作用而引起的[2].轻子模型的基本假设是：相对论喷流中的相对论电子受磁场的作用产生同步辐射，同步辐射产生的光子继续和喷流中的相对论电子发生逆康普顿过程，从而产生更高能的光子，这种模型又称为同步自康普顿模型[3].论文中，考虑BL Lac天体的双峰结构是由轻子引起，假设相对论电子在喷流中以幂律形式分布，通过理论分析和数值计算的方法得到同步自康普顿过程的辐射能谱，并将理论应用于BL Lac天体PKS 2155-304，对其能谱进行拟合，从理论上分析和讨论BL Lac天体的辐射过程，以期对BL Lac天体的辐射过程提出合理的解释.

本文的第二部分将对同步自康普顿过程进行理论分析；第三部分通过数值计算的方法得到同步自康普顿过程的辐射能谱并将其应用于PKS 2155-304；第四部分对结果进行分析和讨论.

2 同步自康普顿过程

2.1 同步自康普顿过程的δ近似

喷流中的相对论电子在磁场的作用下发生同步辐射，通过δ近似得到同步辐射的流量可表示为[3]：

(1)

(2)

是相对论电子的洛伦兹因子.

(3)

(4)

(5)

其中uB=UB/mec2,根据(4)式得到同步辐射光子的数密度：

(6)

将其转化为能量密度

(7)

对于同步自康普顿过程，考虑光子和电子是均匀的各向同性分布，则发射系数为

(8)

上式中的FC(q,Γe)可表示为[4]

(9)

其中

(10)

且q的取值范围为：

(11)

对于能量γ′,其取值范围满足：

(12)

(13)

通过(8)式知同步自康普顿过程的辐射流量vFv可表示为

(14)

(15)

2.2 同步自康普顿过程的精确计算

Crusius和 Schlickeiser 1986年给出了同步辐射中发射系数的精确表达式[5]：

(16)

上式中，e是基本的电荷量，h是普朗克常数，

K5/3(t)是分数阶的贝塞尔函数.于是同步辐射的流量为

(17)

再根据(7)式和(8)式，得到同步自康普顿过程的发射系数：

(18)

图1 同步辐射精确计算(实线)和δ近似(虚线)情况下不同谱指数所对应的能谱

同样，在观测坐标系下同步自康普顿的辐射流量为：

(19)

由于同步辐射和逆康普顿过程产生的光子会发生相互作用，导致部分能量损失，需考虑喷流内部γγ相互作用.

各向同性的同步自康普顿过程，吸收光深[6]：

(20)

将吸收过程的散射截面代入上式，吸收光深可表示为

(21)

其中

(22)

图2 PKS 2155-304的能谱拟合.

再根据(7)式得到吸收光深的表达式

(23)

2.3 精确计算和δ近似的比较

为分析同步辐射δ近似的误差，假设电子的分布为：

(24)

3 PKS 2155-304的能谱拟合

PKS 2155-304是一类典型的BL Lac天体，其红移为z=0.116[7].假设喷流内相对论电子的分布满足：

拟合过程中，由于伽马射线光子在宇宙传播过程中将会损失一部分能量[8]，引用Stecker 2006年所提出的吸收理论[9]，分析PKS 2155-304的辐射能谱，如图2所示，其中能谱数据来源于Swift[10]和H.E.S.S[11]2006年所探测到的.虚线部分是未考虑宇宙背景吸收情况下的能谱，实线部分是考虑吸收过程后的辐射能谱.在高能部分，由于吸收作用，能量有一个很明显的下降过程，未考虑吸收时，理论计算下的能谱比观测数据相比偏高，而考虑吸收过程后，可以得到很好的拟合结果，因而高能伽马射线的吸收过程是一个不可或缺的因素.

4 结果分析

对BL Lac天体的同步自康普顿过程进行理论分析，通过数值计算的方法对BL Lac天体PKS 2155-304进行能谱拟合.在计算过程中，讨论了同步辐射在δ近似情况下和精确计算情况下能谱的差异，同步辐射在δ近似情况下可以对能量不是特别高的伽马射线进行能谱拟合；在能谱拟合过程中，考虑辐射区域内部的伽马射线吸收以及伽马射线在宇宙传播过程中的吸收过程.由图2可以看出，考虑吸收过程后，能谱的高能部分有一个明显的下降过程，且能够较好的对能谱进行很好的拟合，说明在辐射过程中，高能部分的吸收是不可忽略的.论文中只限定了辐射区域内部的逆康普顿过程，而产生逆康普顿过程中的光子也有可能来源于喷流和喷流外部.

参 考 文 献:

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