耀变体多波段电磁辐射和高能中微子辐射的研究

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由于其相对论性喷流指向地球,耀变体(blazar)是活动星系核中性质最为极端的一个特殊子类。与此同时,耀变体也是宇宙中最为明亮的电磁辐射源之一,被广泛地认为是高能宇宙线和高能中微子的起源天体之一。随着越来越多的可以提供高质量观测数据的空间和地面望远镜的建成,我们对喷流内相对论性粒子的辐射机制有了进一步的认识。在这篇毕业论文中,我们以观测现象为基础建立了耀变体喷流的辐射模型,研究了多波段的辐射性质,喷流功率以及高能中微子辐射。在本文的第一章中,首先简要地介绍了耀变体的多信使观测,其次详细的归纳了喷流内的辐射过程,最后总结了研究中最常见的三种喷流模型:单区模型、结构化喷流模型以及标准Blandford-K?nigl模型。在第二章里,我们研究了Te V蝎虎天体在传统的宇宙线与光子作用(pγ)模型中所需求的最小喷流功率。我们筛选了一批难以用传统单区模型解释其能谱分布的Te V蝎虎天体。基于pγ反应效率与γγ吸收光深间的联系,我们发现得到的最小喷流功率会超过其中心超大质量黑洞的爱丁顿光度,这对传统的单区pγ模型提出了挑战。同时我们还讨论了这些耀变体中心超大质量黑洞的吸积模式以及可能的Te V辐射起源。我们进而提出多辐射区或者宇宙线与介质作用(pp)模型可能是这类天体的Te V辐射起源。在第三章中,我们提出了双区pp相互作用模型,并将其应用在解释Ice Cube 170922A事件与TXS 0506+056成协事件上。在这个模型中,高能中微子是通过喷流中的极高能宇宙线与进入喷流的宽线云相互作用产生。在这个情形下,喷流仅需要一个中等的功率,比传统的光介子模型需要的喷流功率要小得多。与此同时,通过引入另一个远离中心黑洞的辐射区,从光学至伽马的多波段耀发可以很好的被解释。在我们的模型中,中微子辐射的持续时间比多波段暴发时间要短,因此中微子事件不一定与电磁波段暴发相关,但是我们的模型预言在有强的中微子辐射时,几Ge V以上的能谱会变硬。在第四章中,我们深入地讨论了传统的单区pγ模型在解释Ice Cube170922A事件与TXS 0506+056成协时存在的困难,并进而提出了双区pγ模型。对于单区模型,高能中微子通过喷流中的pγ过程产生,但是中微子的流量却被X波段观测数据限制的很低。在我们的工作中,通过引入两个物理上截然不同的辐射区(一个离宽线云非常近的内辐射区、一个离宽线云非常远的外辐射区),我们探讨了TXS 0506+056是否能产生足以解释Ice Cube 170922A的中微子流量。宽线云贡献的外光子场在进入喷流时由于受到多普勒效应的影响,其光子能量密度会剧增,因此内辐射区的pγ反应效率很高,可以产生足够的中微子辐射以及伽马射线。而外辐射区主要通过电子的同步辐射和SSC散射产生光学至伽马波段的辐射。两个区截然不同的物理条件抑制了电磁级联辐射在X波段的贡献,并得到了一个更高的中微子流量。在本节中,我们与传统的单区模型进行了仔细的对比,并提出在下一代中微子探测器的帮助下,我们可以对单区模型和双区模型进行区分。在第五章中,我们简要介绍了M 87喷流的VLBA观测结果,并以此为基础建立了一个自洽的包含大量辐射区的含时轻子模型并重新研究了耀变体的多波段辐射和光变曲线。这个模型包含了数十万个辐射区,每一个辐射区中的电子都会通过同步辐射、IC散射以及绝热损失等损失能量,产生辐射。我们应用这个模型研究了平的射电辐射谱、多普勒因子危机以及Gaia-VLBI的偏离等传统单区模型难以解释的观测现象。最后一章中,我们总结了本论文的工作,并讨论了后续可开展的工作。
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