近日，中国科学院云南天文台博士研究生聂萌与研究员毛基荣在国际天体物理期刊《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上发表了题为“Linear Polarization of Synchrotron Radiation from Very-small-pitch-angle Electrons”的研究论文。

同步加速辐射是宇宙中重要的辐射机制之一，广泛存在于脉冲星、伽马射线暴及其他高能天体环境中。当相对论电子在磁场中运动时，辐射不仅携带电子能量分布和磁场强度的信息，其线偏振特征还能反映电子的运动状态和磁场结构。传统同步辐射理论通常假设电子的投射角远大于电子辐射张角，然而，在实际天体环境中，受磁场有序结构、粒子加速及辐射冷却等过程的影响，电子可能几乎沿磁场方向运动，形成极小投射角的高度各向异性分布。在这一极端条件下，传统同步加速辐射理论不再适用，需要建立相应的偏振理论模型。

研究人员基于极小投射角同步加速辐射的理论公式，通过对电子能量分布进行积分计算，系统研究了非热幂律电子、热麦克斯韦电子以及混合电子能量分布所产生的线偏振特征，并与传统同步加速辐射进行了比较。研究覆盖射电、光学、X射线和伽马射线波段，重点分析了磁场强度、电子能量谱指数、电子温度及热与非热电子分布连接位置对偏振度的影响。研究发现，热电子和非热电子的极小投射角同步辐射均能够产生显著的线偏振，但线偏振度通常低于传统同步辐射。对于非热幂律电子，偏振度在较宽频率范围内近似保持不变，同时在低频区域呈现特征性峰值，并在高频端出现截止；对于热麦克斯韦电子，偏振度随频率呈现近似单峰分布，其峰值可达到约70.7%，且峰值频率随磁场强度和电子温度的增加而向高频移动。对于热与非热电子共存的混合分布，随着两种电子分布连接位置的变化，辐射偏振由非热电子主导逐渐向热电子主导过渡，并在不同波段表现出复杂的参数依赖关系。

该研究系统揭示了极小投射角条件下不同电子能量分布的同步辐射线偏振规律，表明电子投射角是影响同步辐射偏振特征的重要物理因素，为理解传统同步辐射理论难以描述的偏振现象提供了新的理论参考。研究结果有助于进一步认识脉冲星以及伽马射线暴等高能天体中的粒子能量分布及磁场环境，并为未来利用多波段偏振观测区分不同辐射机制提供理论依据。进一步结合偏振辐射转移、退偏振及法拉第旋转等物理效应，有望建立更加完整的同步加速辐射偏振模型。

该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和云南省兴滇英才支持计划的支持。

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图1: 不同电子能量分布下同步辐射的能谱与线偏振特征。左、中、右三列分别对应非热幂律电子、热麦克斯韦电子及热与非热混合电子能量分布；上、中、下三行分别展示电子能量分布、辐射能谱和线偏振度。实线和虚线分别表示极小投射角同步辐射与传统同步辐射的计算结果。