[论文解读] The curvature radiation absorption cross section

Nicola Locatelli, Gabriele Ghibellini|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 1

一句话总结

本文利用爱因斯坦系数推导了曲率辐射的吸收截面，表明其在所有辐射角度下始终为正，与同步辐射不同。这排除了曲率辐射激微波器的可能性，解释了为何在脉冲星和快速射电暴等高亮度温度源中无法发生此类相干辐射过程。

ABSTRACT

When treating the absorption of light, one focuses on the absorption coefficient, related to the probability of photons to survive while traversing a layer of material. From the point of view of particles doing the absorption, however, the elementary interaction of the particle with the photon is best described by the corresponding cross section. We revisit curvature radiation in order to find the absorption cross section for this process, making use of the Einstein coefficients and their relations with spontaneous and stimulated emission and true absorption. We derive the cross section as a function of the emission angle psi (i.e. the angle between the instantaneous velocity vector and the direction of the photon), and the cross section integrated over angles. Both are positive, contrary to the synchrotron case for which the cross section can be negative for large psi. Therefore, it is impossible to have curvature radiation masers. This has important consequences on sources of very large brightness temperatures that require a coherent emission process, such as pulsars and Fast Radio Bursts.

研究动机与目标

• 利用量子电动力学的基本原理推导曲率辐射的吸收截面。
• 解决长期存在的关于曲率辐射是否能支持类似激微波器放大的模糊性问题。
• 从截面行为和放大潜力的角度，比较曲率辐射与同步辐射的异同。
• 阐明其对脉冲星和快速射电暴等高亮度温度天体物理源的启示。

提出的方法

• 应用爱因斯坦系数，建立曲率辐射中自发辐射、受激辐射与真实吸收之间的关系。
• 将吸收截面表示为相对于粒子瞬时速度方向的光子辐射角ψ的函数。
• 对所有辐射角度积分角度依赖的截面，获得总吸收截面。
• 利用发射与吸收过程之间的细致平衡关系，确保与热力学平衡原理的一致性。
• 分析不同角度下截面的符号，以评估其放大潜力（即激微波器作用的可能性）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在任何条件下，曲率辐射是否能支持相干放大（即激微波器作用）？
• RQ2 曲率辐射的吸收截面如何依赖于辐射角ψ？
• RQ3 经过角度积分后的总吸收截面是多少？是否始终为正？
• RQ4 为何像脉冲星和快速射电暴这样的高亮度温度源不会表现出曲率辐射激微波器？
• RQ5 曲率辐射的吸收行为与同步辐射在本质上存在哪些根本性差异？

主要发现

• 曲率辐射的吸收截面在所有辐射角ψ下严格为正。
• 与在大ψ角下可能出现负截面的同步辐射不同，曲率辐射无法支持净放大。
• 由于不存在负截面，排除了曲率辐射激微波器的可能性。
• 该结果解释了为何曲率辐射不能成为脉冲星和快速射电暴中相干、高亮度温度辐射的机制。
• 所推导的截面与能量守恒及爱因斯坦系数的细致平衡一致。
• 截面的角度积分结果为有限正值，确认了该过程不具备放大特性。