活动星系核中的粒子加速与高能辐射研究

The high energy characteristics of gamma-ray active galactic nuclei (AGN) are one of the most important frontiers in high energy astrophysics research. Recent observations, especially observations of Fermi/LAT, have found many new gamma-ray AGNs. These observations provide a lot of useful information for theoretical researches. It is generally accepted that the high energy radiation from AGN originates from jets. And the high energy emission is related to the particle acceleration processes. We propose to use observations of Fermi/LAT, in combination with multi-bands data, by making using of our developed the stochastic particle acceleration model to investigate: (1) particle acceleration processes and high energy emission mechanisms in AGN, more quantitative acceleration and radiation models, and the statistical characteristics of gamma-ray AGNs; (2) the EBL model and the unknown redshift of AGNs; (3) the origin of ultra-high energy cosmic rays. With more and more AGNs being observed by Fermi/LAT, we will develop our model accordingly, and apply it to gamma-ray AGN observations. The research will boost our quantitative understanding of basic physical processes (especially the problem of particle acceleration) in AGNs.

伽玛射线AGN的高能物理特性的研究是当代高能天体物理研究的前沿课题之一。近年来的观测，特别是Fermi/LAT的观测，发现了许多新的伽玛射线AGN。这些观测为理论研究提供了大量有用的信息。目前认为AGN的高能辐射主要来自喷流，而高能辐射与高能粒子的加速有关。本项目拟使用Fermi/LAT已观测到的伽玛射线AGN，结合多波段的数据，利用我们已经建立的随机粒子加速模型，开展：（1）AGN高能粒子加速过程以及高能辐射机制的仔细研究，构建更为实际的加速和辐射模型，并开展伽玛射线AGN的统计研究；（2）限制EBL模型和红移未知AGN的红移；（3）极高能宇宙线的AGN起源。由于Fermi/LAT不断地获得伽玛射线AGN的观测结果，我们将尽快地深化和发展我们的模型，并应用于伽玛射线AGN中。以上工作将加深我们对AGN的基本物理过程（特别是粒子加速问题）的定量认识。

研究 AGN 内部物理过程和辐射机制是天体物理发展的重要方面。粒子加速是高能天体物理和等离子体物理中的一个基本问题，目前Fermi伽马射线望远镜的持续观测结果大大促进了这方面的研究。Fermi 伽马射线望远镜已观测到1千多个 AGN， 观测到的 AGN 的高能辐射及其多波段的辐射为研究粒子加速机制和辐射机制提供了极为有用的信息。本项目基于AGN 的高能伽马射线的观测数据以及多波段观测数据，结合我们前期的理论研究，主要开展了伽马射线 AGN 的多波段非热辐射和高能粒子加速的研究。我们发展了包含二级Fermi加速、一级Fermi加速以及绝热膨胀的含时演化的数值程序。我们把该数值程序用于AGN中研究粒子加速，通过结合公开的数值程序cloudy，对宽线区的几何、大小和加速区的位置等参数进行了约束。我们进行了各种比较：四种湍动谱指数，不同的能量扩散系数，不同的注入谱型等。基于Fermi伽马射线望远镜观测到的AGN大样本，我们对blazar天体的多波段能谱及粒子加速过程进行了详细研究。我们还利用公开的pencil程序，进行了一些相关的数值模拟，包括磁流体发电机模拟中的磁场结构，各向同性的螺旋形磁流体湍流模拟等等。在部分子程序中，我们成功地结合进我们的数值程序，为进一步构建包含动力学演化的粒子加速模型奠定了一定基础。对TeV catalog中的blazar天体，结合Fermi望远镜的观测数据。我们通过比较两种谱型：指数截断幂律和对数抛物线，发现大部分源用指数截断幂律谱型能获得更好的拟合结果。这对随机粒子加速过程提出了一定的挑战。我们通过构造多成分的模型，对2009 年12 月耀变体3C 454.3 耀发态五个不同阶段的同时性多波段能谱及低态能谱进行了研究。我们的结果表明磁场密度和电子密度随着远离中央黑洞而衰减，我们认为该耀发活动可能是一个新的辐射区的喷流产生的。