相对论性轴子-光子转换的傅里叶形式体系及其天体物理应用

我们研究了光子与相对论性类轴子粒子(轴子)在具有背景磁场 ${\bf B}$ 的等离子体中的弱混合。我们表明,在轴子-光子耦合的最低阶下,转换概率 $P_{\gamma \to a}$ 由垂直于粒子轨迹的磁场分量的一维功率谱给出。等价地,我们将 $P_{\gamma \to a}$ 表达为磁场自相关函数的傅里叶变换,并在实空间磁场性质与能量依赖的转换概率之间建立对应。对于质量大于等离子体频率的轴子($m_a>\omega_{\rm pl}$),我们利用该形式体系解析求解了一般磁场中微扰轴子-光子混合问题。在 $\omega_{\rm pl}/m_a$ 沿轨迹任意变化的一般情形下,我们表明,对“共振”转换标准形式体系的朴素应用会给出高度不准确的结果,而细致的计算通常会给出至少与共振贡献同样大的非共振贡献。此外,我们展示了基于快速傅里叶变换的技术如何提供一种计算轴子-光子混合的新的高效数值方法。我们结合我们的结果简要讨论了星系团中的磁场建模,并特别论证了最近提出的用于研究轴子-光子混合的“规则”模型(具体应用于 Perseus 星系团)与观测不一致。我们的形式体系提出了寻找轴子印记的新方法,并将对具有百分级灵敏度的光谱仪十分重要,这包括 Chandra 的现有 X 射线观测以及即将到来的 Athena 任务。