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耀变体(Blazars)的多波段能谱分布及其不同波段间光变和延时的观测,特别是近年来高能辐射探测器HESS,MAGIC,VERITAS,FermiLAT,Suzaku等的观测结果,为人们提供了耀变体喷流内粒子加速和高能辐射机制等各种物理过程的大量信息。本论文在对耀变体的基本观测特性、喷流内的物理过程和辐射模型较为仔细评述的基础上,通过构建考虑了随机粒子加速的含时自康普顿辐射模型,研究了耀变体的多波段辐射特性和光变等物理过程,提出了耀变体伽玛射线波段快速光变的一种解释方法。
主要的研究内容和成果如下:(1)提出了涉及随机粒子加速过程的含时自康普顿模型,研究了耀变体喷流内可能发生的物理过程并计算了耀变体的高能辐射光变和多波段能谱分布。在该模型中,动量空间中的粒子动量扩散过程被作为粒子随机加速过程,该过程用动量扩散方程描述。假设低能粒子被注入到存在随机起源的均匀磁场的球形区域,在该区域内粒子被二阶费米加速机制加速到更高的能量,高能粒子通过同步辐射和逆康普顿散射过程损失能量,相对论性电子逆康普顿散射的目标光子来源于同步辐射软光子。(2)仔细研究了不存在粒子注入和逃逸情况下不同初始粒子能量分布的动量扩散方程的稳态和含时演化解,还研究了存在连续粒子注入和逃逸情况下,不同注入粒子能量分布的粒子谱演化特征。研究结果表明,在不存在粒子注入和逃逸情况下,粒子加速和辐射冷却仅改变初始粒子谱,加速和辐射冷却平衡导致热或准热的粒子能量分布。在存在粒子连续注入和逃逸情况下,粒子连续注入和逃逸导致粒子谱主要与注入粒子谱有关。在低能注入粒子谱情况下,加速和逃逸导致形成幂率粒子能量分布。(3)该模型被成功应用于解释三个典型耀变体源Markarian501,3C273和PKS2155-304的闪耀和能谱分布特征。根据观测光曲线,耀变体的辐射能谱被分为低光度(宁静)状态和高光度(耀发)状态,高光度状态光子谱由注入新鲜电子和低光度状态下稳定电子混合分布产生。假设在耀发前耀变体源的粒子分布处于稳定状态。为了得到稳定的粒子分布和光子谱,给定初始粒子/注入粒子分布,进而使系统演化达到稳态。利用耀变体源在闪耀前的稳态粒子分布做为初始条件,改变辐射包物理参数得到了源在闪耀过程中的光曲线和平均辐射能谱。研究结果表明,由该模型重构的耀变体源的多波段辐射能谱和辐射流量变化与观测结果符合较好。