宇宙红外背景辐射与高能光子
好吧，本文的诱因是在某某科幻论坛的第二次争吵。说实话，这第二架吵得本人和另一位同行是气不打从一处来，贴主自我感觉十分良好不说，实在也找不到原贴有哪句话没有毛病，就算是写文以正视听，都是无从下手。不过既然帖子中说什么宇宙背景辐射干扰低能段的天体测量所以低能段不能做精确观测，要精确就只能上高能，这一句正好撞上了本人正在调研的红外背景相关课题，正视听的事情就以此为例吧，虽然是迟来了一个多月。
其实红外背景辐射还是有些偷换概念，人家本来说的是3K微波背景嘛。不过打算讲的关键点差不多，也就是这个背景光子对高能观测的影响，所以偷换得也还算合情合理。
之前分长波和短波两部分介绍过宇宙背景辐射的概况，里面提到过一点：红外背景辐射的研究渠道之一是高能伽玛源。这次终于可以好好说一说这究竟是怎么一回事了（为了彻底说明问题，公式是免不掉的，不过不看公式应该不影响大意的理解，不喜者请跳过）。问题的核心是双光子湮灭反应，也就是两个光子相撞，产生正负电子对的过程。反应式如下：
这里的是来自天体的高能光子，而
指背景光子。根据质能和动量守恒，这个反应的发生条件是
，其中
和
分别代表参与反应的高低能光子能量，
指高能辐射源的红移，
是与光子碰撞角度有关的参量，迎面碰撞时等于1。这个反应一旦发生，观测到的辐射谱就是原始谱再乘以反应光深的指数式了（见下式，其中
为观测流量，
为实际流量，
为光深）。
反应光深与背景光子密度、入射光子能量以及高能辐射源的距离等参数有关，背景光子密度越大光深也越大，具体形式比较复杂，可以参考Stecker & De Jager 1993中的第三式，偷个懒，就不在这里复述了。显然只要光深大于一，观测上就表现为光谱的截断。根据这一点，自然也就可以由高能谱型来限制红外背景了。
不同红移的高能光子与红外背景（红色）与微波背景（黑色）相互作用的反应光深，可见对于高能光子来说，因双光子湮灭而出现光谱截断几乎是必然的。图中的红外背景采用了Tanja Kneiske等人在2002和2004年提出的模型。（图片来源：Ichiki et al. 2008）
微波背景与红外类似，对高能光子也存在这种影响。所以不要想当然地以为微波背景辐射只会影响同波段的观测，而其他波段就可以免遭干扰。从上面来看，高能光子实际上受的干扰更大：同波段只不过是背景与前景的叠加，要是较真的话直接扣除就是了，何况微波背景有着绝佳的黑体谱型，其强度、形状与在天空中的各向异性程度都有过非常详细的观测，想扣除当然不难；而在高能波段，只要待测天体距离远一些，这可就是直接cutoff了，无论是总流量还是谱形都会发生明显变化，不知道这还要怎么个精确法？不过本人承认，若只针对河内，这个效应倒是不严重，毕竟那TeV光子的平均自由程好歹也是百十Mpc的量级，但是问题在于，银河系里总共才有多少高能源，对于精确全面的测量来说够用吗？就算数量足够，坐标系统的确立也是离不开河外源的。再说宇宙背景辐射绝对不是微波的专利，而是覆盖整个电磁波谱的，难道就此把类似的影响通通忽略掉了？说辐射强度的话，能量最低的射电背景倒是最弱，可是射电差不多是第一个被该贴主否定掉的波段。
若只是想正视听，写到这里也足够，但这还不是全部，下面要继续说一说测量的过程。从原理可见，利用高能辐射来探测低能背景光子的强度所需要的前提条件，一是背景辐射的大致谱形，二是高能源的本征谱。不幸的是对于红外背景研究来说，这二者都不是那么容易确定的东西，所以往往需要大量的假设。对高能天体还好办一些，一般可以设为幂律谱，但还是存在如本征吸收或者光谱自身的截断导致cutoff的问题，需要对天体本质有深入了解才能完全解决（这样说来通过红外背景也可以反推高能辐射的情况）。而红外背景辐射不比微波背景，其形式并不很确定，假设的谱形更是五花八门，早年常见的包括幂律（对应尘埃辐射）和黑体（对应恒星辐射），也有直接用探测的结果或是恒星和星系演化模型的预言，不过给本人的印象最为深刻的倒是利用与模型无关的假设，将整个谱分布化为分段直线（如Stanev & Franceschini 1998）。
之前读过厚厚一叠用耀变体的高能信号限制宇宙背景的文献，这里就以此为例加以说明。耀变体是活动星系核的一种，从地球的视角看去，基本就是沿着其喷流径直向下看，所以可以看到非常剧烈的光变。对于红外背景的探测来说，常用的观测目标包括马卡良421与501，都属于早年仅有的高能伽玛射线耀变体之列。在新一代空间探测器和地面切伦科夫望远镜问世后，又有一批可供利用的新源陆续浮出水面，不过研究方法换汤不换药，为了说明方法，这两个马卡良星系也足矣。BTW，马卡良421与501的红移都不算大，一个是0.031，一个是0.034。低红移的额外好处是可以不考虑红外背景演化的效应；高红移源给出的就不再是背景辐射了，而是该红移处的星系际辐射场。
两个星系的全波段光谱如下所示，左图为马卡良421，右图为马卡良501：
上图光谱中明显的双峰结构一般被解释为同步辐射（低能峰）及其自康普顿散射（高能峰）。研究红外背景所用的其实只是以上两图最右端的部分（1025赫兹相当于1010电子伏特也就是10 GeV的量级），这一段的光谱可以用幂律来拟合，能谱指数大约是2点几的样子。下面就要做假设了：首先是对于耀变体的本征谱来说，这个幂律一直延伸到TeV量级；其次是中间没有突然的变化。从上面两图来看这也没有什么错误，但图中所用的数据还比较新，要知道高质量切伦科夫望远镜的问世还是近年的事情，对于更早的研究工作来说，这两条还真的就是大胆假设了。
因为假设是没有突变，那么从GeV往上，本征谱就大致应该是单纯的幂律。如果观测数据中存在流量的突降，就可以将其成因归为红外背景的湮灭；若不存在，由于高能区出现流量猛增的可能性较小而且现有理论难以解释，基本可以认为观测到的就是未经吸收的本征谱，因此双光子反应的光深小于1。在后一种情况中，给定了背景辐射的谱型，就可以由光深求出背景流量的上限了；如果是前者，求出的则是下限。如果有了对多个源的观测，还是有可能给出背景辐射真实情况的。
真正操作是另一回事。首先是不同仪器之间的归一化，其次是所利用的红外背景辐射模型，此外还有数据本身的质量。当然关于耀变体本征谱的真实面貌，那是又一个问题。因此不同小组得出的结论往往有着明显的差异，比如下图：
图片来源：Hauser & Dwek (2001)
由于上图出自2001年的一篇综述文章，所以图中数据可能略有过时，不过大差不差。图中各条曲线附近的字母代表其原始参考文献，本文没有必要一一列出，有兴趣者查阅Hauser & Dwek (2001)就是了；黄色区域则是当时利用各种直接间接的方法综合得到的红外背景谱可能范围。其实就个人来说，倒以为这种差异还不算太离谱，毕竟也在一个数量级之内。
双光子湮灭还不算完，后面还有个pair echo效应可能会添油加醋一下，也就是双光子湮灭产生的正负电子对再度散射背景光子，这一过程会产生延迟辐射，并且还有可能存在级联反应，同样会影响光变行为，对瞬变伽玛源来说尤其如此。
说到这里，光子湮灭的问题讲得差不多了，不过文中还是回避了一点：与量子引力相关的新物理。某些理论认为，双光子湮灭并不会象传统理论的预言那样大规模发生，所以单纯利用高能源的光谱也不一定能限制低能背景辐射。不过这种新理论是怎么一回事，说实话本人没整太明白，何况现在这样的说法也不是主流，干脆就回避到底吧，只在此提上一句可能性而已。
除了利用高能数据之外，另一条间接探测宇宙红外背景的渠道是河外红外辐射源计数，原理是背景强度无论如何不会小于这些源的叠加；还有本人不是很熟悉的起伏分析，如果没有理解错，大致是根据各向异性分布的情况来推测背景辐射起源的信息，并给出对模型的约束；另外就是根据宇宙线的光子—π介子反应来提出的限制。
说了一堆间接探测，有没有手段可以进行红外背景的直接测量呢？有，但是很困难。最大的技术挑战是绝对定标，换句话说是准确测量天空中的辐射强度相对绝对零点的差异；天然的挑战则是强烈的前景干扰，从太阳系内的尘埃到宇宙学距离上的星系不一而足。早年探空火箭的观测给出了一些上限，第一颗红外天文卫星IRAS发现了可能的信号，COBE则是第一次确认了红外背景的存在，日后又有多项空间以及地面计划作了很多工作。至于辐射流量的具体数值，如上图所示，在整个红外波段，大致是每平方米每立体角几十纳瓦特的量级。
根据星系演化和恒星形成理论和最新数据，现在有了更加精确的红外背景辐射谱模型。不过它们的问题仍旧存在，包括有些模型（如一度流行的Stecker和Malkan的那一套东西）似与费米望远镜的高红移伽玛暴观测有所矛盾，所以基本可以被排除掉。所以关于红外背景的研究，仍然需要说套话，仍须努力。
正文完毕，容我发一下牢骚，其实是从一年多之前就积下的牢骚。当初自然是说那个松鼠会文集序言事件，姑且这么称呼吧。这序言看后的唯一感想是愤怒，也成了日后本人脱离该会的导火索之一。别的不提，要求内行的科普作者谦卑而不对外行受众提要求，原本已经无理，何况该序言的作者可是一点也不谦卑，堂而皇之地乱指责自己并不了解的领域的专家这种事情好象也做过不止一两次了。
姑且将本人这次连带先前就银河系结构相关问题的争吵看成是某种回应吧，实在没有兴趣也不觉得有必要在自己熟悉的东西上面还低三下四作谦卑状，尤其是在面对虽然错误百出但是自我感觉奇好的受众的时候。某种意义上说，个人倒以为作者的过度谦卑会让不知自己斤两的读者群进一步扩大。至于某些明明自己的言论能把内行气到半死，还一个劲地抱怨内行口吻如何如何让人生气外加倒打一耙的家伙，本人已经是无话可说，不提谦卑不论口气，这些人起码来点自知之明好不好？当然如果某些家伙读过本文又构思出了什么新的大作，除非是本文没有把问题讲清楚，本人自然会道歉并修正，不过第三次争吵那可是没准的事情，大不了就算是再义务讲解一回。虽然thming说过论坛不过是茶馆不必当真，于本人来说真还不甘心。
