X射线和伽玛射线天文学中的康普顿软化和双光子湮灭过程的分析-天体物理专业论文.docxVIP

X 射线和伽玛射线天文学中的 康普顿软化和双光子湮灭过程的研究 摘 要 辐射转移是天体物理辐射理论的一个重要的组成部分 辐射转 移过程是传播中介质和辐射的相互影响过程 即两者之间的能量交 换过程 各种介质例如等离子体或中性气体对辐射传播过程有 着显著的影响 穿过介质时 辐射强度 辐射谱形和偏振状态等都 可能发生改变 研究辐射的传播性质 对理论工作和实测都有重要 意义 本文的目的是针对 X 射线和伽玛射线天文学中辐射转移的两 个重要课题 康普顿软化和双光子湮灭过程做进一步研究 当硬的 X 射线穿过 冷”的等离子体时所发生的康普顿软化是 X 射线天文学中一种重要的辐射转移过程 本文先介绍了两种定量处 理 康普顿 化的动力 学扩散方程 Kompaneets 方程 和推 广 的 Kompaneets 方程 Kompaneets 方程的适用条件是 h?  ???kTe  e???m c 2 e 亦 即只能 处理康 普 顿硬化过程 推广 的 Kompaneets 方程在 h?????m c 2 及 kT ???m c 2 条件下广泛成立 因此不仅能处理康普顿硬 e e e 化过程 而且也适用于较宽松的康普顿软化过程 后者在目前快速 发展的 X 射线和 ??射线天文学中十分重要 基于此方程 我们对天 体物理中常见辐射谱Gauss 型发射谱线 黑体辐射谱 幂律辐射谱 和热轫致辐射谱在康普顿软化情况下的谱演化进行了数值求解 为验证方程求解结果的正确性 我们又介绍了处理光子 电子非弹 性散射的 Monte Carlo 模拟方法 并将推广 Kompaneets 方程方程的 数 值 求解 结果 同 Monte Carlo 模 拟结果做比较 证 实了推广的 Kompaneets 方程的正确性和有效性 这个推广的方程必将在天体物 理学和辐射物理学中具有重要的意义和潜在的应用价值 双光子湮灭造成的 ??射线吸收是 ??射线天文学辐射转移理论的一 个重要内容 本文通过相对论变换, 将目前 QED 理论给出的仅在动 量中心参考系中表示的双光子湮 灭截面推广到实 验室系(观测者 系) 并用湮灭前两光子的能量 h? h?? 及夹角??表示此截面, 以便于 ??射线天文学中的实际应用 进一步, 在各向同性周边辐射场的一 般前提下, 求出方向平均的简化截面公式??(?,?? ) , 得出方向平均的湮 灭阈值条件和湮灭概率最大时两个光子能量的匹配条件 进一步确 认在 ??射线天文学中, 双光子湮灭截面和 ??光子-电子的康普顿散射截 面确有可比性 并完成了天体物理中几种常见低频辐射场如热韧致 辐射 场 黑体辐 射 场以及非热 的幂律 场 中双光子湮灭 吸收系 数 k????η????~ η??的计算曲线, 以便今后在 ??射线天文学中的实际应用 关键词 辐射转移 康普顿散射 双光子湮灭 Monte Carlo 模拟,吸 收截面 吸收系数 STURDY ON THE DOWN-COMPTONIZAION AND TWO-PHOTON ANNIHILATION PROCESSES IN THE X-RAY AND GAMMA RAY ASTROPHYSICS Abstract The study of radiative transfer is an important research branch in the radiation theory in astrophysics. The radiation transfer means the interchange of energies between the radiation field and the medium. When the radiation passes through a medium, the mutual influence (the energy-interchange) of the two components is significant, which causes the changes of the emergent intensity, the spectrum profile, the polarization state, etc. Study on the propagation properties of radiation has an important significance for both the theoretical and the observational respects. In this thesis, I present some studies on two important r