偏振光子的逆康普顿散射及其在天体物理中的应用

Synchrotron radiation and inverse Compton scattering are the most important radiation mechanisms in astrophysics. The aim of this project is to combine them together in order to solve some observed phenomena in gamma ray bursts (GRBs) and active galactic nuclei (AGNs) theoretically. In order to offer new ideas to explain the low energy spectra and some anomalous spectra in GRBs, we will solve the continuity equation of electrons in the presence of both the synchrotron and Compton scattering processes. According to the generic polarization theory at quantum level for initially polarized photons scattered by electrons, we will explain why the orientation of polarization changes 90 degrees, and predict polarizations of photons in blazars at all energy range. This is valuable for the scientific commission of the polarization-detection satellite. We will construct the theoretical model for blazars, and study blazars from aspects of spectra, light curves and polarizations in a comprehensive way. This project will help us in understanding the physical mechanism in AGNs.

同步辐射和逆康普顿散射是天体物理中两种最主要的辐射机制。本课题将这两种辐射机制结合起来研究，为解决伽马暴(GRB)和活动星系核(AGN)中一些观测现象提供理论基础。分析同步辐射和逆康普顿散射共同作用下的电子能谱，为解释伽马暴低能区能谱和反常能谱提供新的研究思路；根据量子水平下的一般偏振理论，研究初始有偏振的光子经逆康普顿散射所生成的偏振，阐明偏振面方位角转动90度的物理机制；给出耀变体中全波段光子偏振的理论预测，为偏振探测卫星的科学任务提供理论支持；构造活动星系核中耀变体的理论模型，从能谱、光变曲线和偏振三个方面对活动星系核进行综合研究，为加深认识活动星系核的物理机制奠定基础。

考虑同步辐射和康普顿散射的过程的电自连续性方程，得到解析的电子能谱指数解。发现对电子洛伦兹因子有依赖，也就是能谱具有曲率效应。讨论了快速冷缺和慢速冷缺两种机制下的伽玛暴能谱，发现均为双幂率普。基于新的电子谱，给出了四种辐射状态下对Band函数的谱指数的预测，通过详细讨论物理参数空间，解释了伽玛暴低端能谱指数为-1的情况可以通过三种模型来解释，分别是同步辐射和同步自康普顿的内激波模型，二是同步辐射和同步自康普顿的外激波模型，还有同步辐射和外康普顿散射的外激波模型。 讨论了GRB080916C的一个可能的由慢速冷缺到快速冷缺的辐射状态的变化。 研究了GRB100724B，GRB100826A和GRB130606B随时间演化的能谱，发现主暴期间所有伽玛暴的流量正比于峰值能量。在GRB100826A的第一个主暴中，发现峰值流量和峰值频率有5个sigma的置信度。而在GRB100826A和GRB130606B中发现峰值流量和峰值频率的关联度超过3个sigma。能谱指数和峰值能量也发现有3到4个sigma的置信度。这些关系都可以用同步辐射外加康普顿散射的辐射机制来解释。这些研究进展 获得了国内外同行的关注，对丰富了对伽马暴主暴的研究理论。. 研究了活动星系核喷流的外康普顿散射所生成高能光子的偏振，发现偏振度依赖于观测方位角，当方位角为洛伦兹因子的倒数是，偏振度最大，此时对应的流量也最大，可以预测高能伽马能段光子流量与偏振度有很高的正相关性。这个结果对高能偏振卫星的偏振观测提供理论基础。 研究了耀变体光学波段的光变理论，发现光学波段的辐射很可能是光深灰的，光学色指数的变化可以通过辐射区不同频率光子的光深不同而形成。这部分内容的研究还在进行，理论上能够更好的揭示光学光变现象，阐明光学波段辐射都是光学薄的同步辐射这一先验假设，为全波段能谱拟合提供更好的理论工具。