Crab脉冲星风云的最高能辐射研究

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宇宙线的起源是物理学和天文学中未解决的基本问题之一,延伸到Pe V能区的宇宙线能谱表明银河系存在Pe V量级粒子加速器(Pevatrons),发现并证认银河系极高能(Eγ≥100 Te V)伽马射线源是寻找银河宇宙线源的关键。脉冲星风云是典型的银河Te V伽马射线源,西藏羊八井ASγ实验在2019年首次探测到了来自Crab星云的能量大于100 Te V的伽马射线光子,打开了亚Pe V天文学窗口。即将完成建设的国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站LHAASO,其未全部完成建设的子阵列KM2A最近也探测到了来自Crab风云大于100 Te V的伽马射线辐射,这些观测资料对深入理解脉冲星风云中所发生的高能物理过程提供了宝贵的信息。在本论文中,利用Zhang et al.所提出的解释脉冲星风云非热辐射的模型,我们研究了来自Crab脉冲星风云的高能辐射。在该模型中,一部分高能粒子直接来自于脉冲星磁层,而另一部分来自于脉冲星风云中激波加速的粒子,相对论性粒子可用不同谱指数的分段幂律谱描述。模型同时考虑了高能粒子随时间的演化,以及粒子的冷却和逃逸、磁场随时间的演化等物理过程,通过求解含时演化方程,获得了任一时刻的粒子谱,通过同步辐射和逆康普顿散射过程产生从射电到Te V伽马射线的多波段辐射。我们的研究结果表明,该模型能较好的解释Crab脉冲星风云从射电到数百Te V的多波段辐射,低能段主要贡献来自于同步辐射,而高能段主要贡献来自于软光子的逆康普顿散射,软光子包括宙微波背景辐射光子,星云红外光子和同步辐射所产生的光子,其中同步辐射产生的软光子占主导。与之前的文章对模型参数的限制不同,我们利用来自Crab的最新的观测数据进一步限制模型参数;并试图利用这个模型对其做相应的解释。我们的计算结果与观测基本吻合。因此,我们认为对与来自Crab的超高能伽马射线,其主要起源于脉冲星风云中的高能电子与同步背景光的逆康普顿过程;最后,我们利用拟合的参数计算了大于100 Te V的伽马射线流量约为7.13×10-11erg cm-2s-1。
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