利用LHAASO和Fermi-LAT研究天体物理中的高能伽马射线辐射.doc

利用LHAASO和Fermi-LAT研究天体物理中的高能伽马射线辐射对天体中伽马射线的研究不仅能够帮助我们理解一些天体源中的辐射机制,还可以帮助我们探索宇宙线和暗物质领域的一些未解之谜。它与带电宇宙线粒子以及暗物质有着密切的联系。在本文的工作中我们探讨了宇宙线膝区的结构、预研了高海拔宇宙线观测站LHAASO对河外伽马射线源的观测、利用太空伽马射线望远镜Fermi-LAT在矮星系中寻找伽马射线辐射,并且借助伽马射线信号研究暗物质。宇宙线在一百多年前被人们发现,但是它的起源与加速机制等诸多问题至今都还没有被彻底解决,其中一个重要原因是它带电,在传播过程中受到星际磁场的影响而偏转。对宇宙线粒子能谱的测量是人们了解宇宙线的一个重要途径,随着探测技术的逐步提高,人们对宇宙线的能谱已经有了一个较为清晰的认识。在非常宽泛的一个能量范围内,宇宙线呈现出幂率谱的形态,但在某些特殊的能量段上却又有着特殊的结构,膝区便是这种特殊的结构之一。关于宇宙线膝区的结构和成因有很多理论分析,但还没有下最后的定论,其中一个重要原因是各实验对如此高能量段上的宇宙线能谱测量的精度还不够。ARGO-YBJ在不久前借助其地面探测器阵列和用于LHAASO的原型成像切伦科夫望远镜联合观测到了质子与氦核在膝区附近的联合能谱,而此前Tibet-Ⅲ实验也发布过膝区附近的全粒子能谱,我们基于这两个实验的观测结果,在马尔科夫链蒙特卡洛模拟算法的帮助下用参数化的唯象模型解释了膝区的结构。将来对宇宙线膝区各单成分粒子能谱的精确测量可以检验我们的模型。作为新一代高能伽马射线及带电宇宙线粒子的的复合型探测器阵列,LHAASO的建成将会给我们带来更加优质的实验数据。我们根据LHAASO的水切伦科夫探测器阵列WCDA的仪器性能模拟参数,首次预测了其对河外伽马射线天体活动星系核AGN的探测情况。在LHAASO-WCDA对AGN可探测数量上的预测,我们用两种不同的方法给出了估测值。其中第一种方法是根据Fermi-LAT和地面探测器实验的现有观测结果的统计特性来做预测,而第二种方法则是借助模型将Fermi-LAT观测到的AGN外推到更高的能段来做预测。两种方法给出的结果非常一致,我们在文中详细讨论了这两种预测方法的一些局限性。此外,我们还就LHAASO-WCDA对AGN能谱与光变曲线的观测结果做了预测。通过预测分析我们发现LHAASO在测量伽马射线源的能力上与原ARGO-YBJ实验相比有着显著的提高。在大视场巡天以及长期观测等方面,LHAASO比切伦科夫望远镜实验有着明显的优势。作为伽马射线太空望远镜,Fermi-LAT是迄今为止最成功的探测器。对某些天体中的伽马射线搜寻可以帮助我们寻找到暗物质。暗物质是宇宙的主要组成成分之一,已经有很多证据证明了暗物质的存在,暗物质已经成为了现代物理学中最重要的问题之一。由于暗物质不发生电磁相互作用因而难以被发现,关于暗物质的探测通常有三种途径：对撞机探测、直接探测以及间接探测。通过天体中的伽马射线辐射寻找暗物质便是一种间接探测的方法。而在众多的天体中,矮星系对于借助伽马射线寻找暗物质来说有着独特的优势,一方面是因为矮星系中有着较高的暗物质密度,另一方面是因为矮星系中几乎没有重子物质产生的伽马射线背景。如果在矮星系中发现了异常的伽马射线超出现象,则说明此信号来源于暗物质。即使在矮星系中没有发现显著的伽马信号超出,也可以对暗物质的一些性质比如湮灭截面等作出限制。通常用Fermi-LAT分析伽马射线给出的暗物质湮灭截面限制是假设湮灭截面与暗物质粒子运动速度无关的,而我们在分析过程中使用了速度相关的湮灭截面形式,我们使用了三种典型的截面形式,在不同的参数下给出了不同的限制。在用Fermi-LAT最新版本的数据Pass8分析一颗新发现的矮星系时,我们不仅假设它为点源,还假设了它为几种不同程度的扩展源,经分析发现几种空间形态的假设下结果差异不大且均没有发现显著的伽马射线超出。此外,我们还给出了基于这一颗矮星系的观测对速度无关暗物质湮灭截面的限制。