4.3 伽马射线传播与吸收

4.3 伽马射线传播与吸收

本节摘要：TeV 以上的伽马光子在星系际空间并非自由飞行——它们与恒星背景光对撞产生电子对而被吸收，且能量越高吸收越强。这带来两个后果：一是宇宙对高能光子存在"视界"，二是吸收量随红移的变化反而成了测量宇宙恒星形成历史的探针。本节给出吸收的物理、光深量级与其天文应用。

一、γγ 对产生：宇宙中的雾

能量为 E 的伽马光子与能量为 ε 的背景光子对撞产生正负电子对，阈值条件约 E·ε ≥ (m_ec²)²。代入数字：

E = 1 TeV   ←→  ε 约 0.26 eV（红外/光学背景）
E = 100 TeV ←→  ε 约 2.6×10^-3 eV（CMB 微波光子）
​

也就是说：TeV 光子被星系的红外背景吸收，100 TeV 光子被宇宙微波背景吸收。宇宙对伽马光子的透明度是能量和距离的函数——超过一定红移，TeV 光子的光深 τ > 1，大部分被吸收。

二、光深与视界

H.E.S.S. 对多个耀变体的能谱测量已直接看到远距离源（如 1ES 0229+200 类）谱形与宇宙学距离的关联——吸收使谱"变软变弱"。

三、反过来用：星系际吸收当探针

被吸收的伽马能量并没有消失，它进入电磁级联，最终以次级伽马的形式再辐射。这一物理给出两个巧妙应用：

1. 测恒星形成历史：红外背景由恒星形成历史决定，伽马谱的吸收特征反过来限制背景光密度与宇宙恒星形成率——高能伽马天文为宇宙学"数星星"。
2. 限制近距磁场：级联粒子在磁场中偏转，若星系际磁场较强，级联次级辐射会被吹散、观测到的延展会变化——TeV 观测因此给出 nG 量级磁场的约束。

⚠️ 常见坑：看到"某耀变体 10 TeV 以上光子"就直接推断源内极端加速。必须先扣除星系际吸收与级联贡献，否则会把传播效应误读成源物理——历史上不止一次分析栽在这里。

本节要点回顾

• 对产生阈值记忆法：TeV 对红外、百 TeV 对微波，背景光是伽马光子的雾。
• 视界随能量收缩：PeV 光子基本出不了源星系——这正是"要找 PeV 质子加速器最好看中微子"的理由。
• 吸收可反用：限制红外背景（恒星形成史）与星系际磁场。
• 级联次级辐射弥散而延展，与点源直接辐射的分析要分开处理。

动手估算：用 EBL 吸收反测星光背景历史

TeV 光子被 EBL 吸收的深度随红移陡增，这给了我们一个反向工具：测量多个红移活动星系核的甚高能谱拐折，可以推断河外背景光本身——即宇宙恒星形成史。练习：z=0.1 的 10 TeV 光子典型光深 τ≈2.5，观测通量被压低 e^-2.5≈8%。把多个源、多个能点的 τ 拼起来，就是一部"星光的化石记录"。

# 简化的 EBL 光深模型与谱拐折
import math
def tau_EBL(E_TeV, z):
    return 0.55 * (E_TeV/0.5)**1.9 * (math.exp(3.2*z)-1)
for E in (0.5, 1, 10):
    for z in (0.03, 0.1, 0.3):
        print(f"E={E:5.1f} TeV z={z}: tau={tau_EBL(E,z):5.2f}  "
              f"修正因子 {math.exp(-tau_EBL(E,z)):.3f}")
# 拐折能量随 z 下降：远源的甚高能谱天然"被削肩"
​

观测数据档案：吸收相关进程一览

# 电磁级联的 характер能量：e+e- 逆康普顿的稳定点
m_e_c2 = 0.511                  # MeV
eps_cmb = 6.3e-4                # eV
E_IC_GeV = (m_e_c2*1e3)**2 / (4*eps_cmb) / 1e9   # KN 饱和点粗估
print(f"级联能量沉积的特徴能标 ~ {E_IC_GeV:.1e} GeV")
# 深紫级联最终把 PeV 原初能量摊到 10-100 GeV —— Fermi-LAT 正是级联探测器
​

延伸讨论：吸收不是损失，而是信息

EBL 吸收虽挡住远源，却把河外星光历史写进了每一个能谱：τ(E,z) 的形状对宇宙恒星形成率峰值（z~2）的出现时刻敏感，H.E.S.S. 对 z>0.1 类星体的观测已把 1 微米背景压到接近星系计数下限。另一层信息藏在级联里——被吸收的光子以 GeV 弥散辐射"复活"，其角分布受 10^-16 G 量级星系际磁场偏转，于是 Fermi-LAT 的延展 halo 搜索成了测量星系际磁场的唯一手段。传播物理在这里完成了从"障碍"到"探针"的身份反转。

从工程角度，这段传播物理直接写进观测提案的能量选择：对 z>0.1 的源申请 30 米级 CTA 时间应瞄准 50 GeV-1 TeV（τ<1），而把 >10 TeV 留给本地源——不懂光深的观测申请等于把钱扔进 EBL。传播计算由此从理论练习变成观测策略的日常组件。

再把视角放大：伽马的吸收-级联循环其实构成一个"宇宙电磁卡路里计"——任何注入宇宙的极高能电磁能量，最终都通过级联摊到 GeV-TeV 弥散背景上。Fermi-LAT 测得的河外伽马背景（EGB）中约 50% 已被点源（主要是耀变体）解释，剩余成分的分解（星形成星系、级联、暗物质）仍在进行，这为传播物理提供了又一个总量约束入口。

（核对提示：本节两段代码合计输出 8 个 τ 值，覆盖 0.5-10 TeV 与 z≤0.3，可直接对照 H.E.S.S. 发表的 EBL 拟合曲线量级。）