短伽马射线暴喷流的结构及其形成——以GRB 170817A为例

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伽马射线暴(简称伽马暴)是一种起源于特殊大质量恒星塌缩或双致密星并合的剧烈爆发现象,其辐射来自于爆发产生的极端相对论性喷流。喷流从中心引擎(爆发残留的黑洞或中子星)出发后,将首先穿越前身星物质,与其发生相互作用从而约束喷流的截面并形成角向结构。喷流的结构中原则上还可包含包裹在它周围的茧状结构,尽管两者物理来源不同,但观测上无法做出区分。因此,广义的喷流结构应可以包含两个独立的结构成分。GRB 170817A是人类观测到的第一个与引力波事件成协的短伽马暴,证实了短暴的致密星并合起源。GRB 170817A的低光度和特殊的余辉光变行为表明这是一个喷流主轴方向大角度偏离观测者视线方向的事件,因而为了解短暴喷流的结构提供了机会。而有关的统计研究表明,产生GRB 170817A的喷流成分和产生于其它更远距离伽马暴的喷流成分并不能被单一的高斯结构函数统一描述。因此,基于理论预期和观测限制两个方面的考虑,我们建议采用双高斯函数来描述短暴喷流的角向结构。一方面,我们从余辉辐射角度检验了双高斯喷流结构的合理性。在偏轴观测下,首先被观测到的应是来自喷流外侧能量较低区域的辐射。其后,随着喷流的减速和相对论集束效应的减弱,视线将越来越接近喷流的核心区域,从而使观测到的辐射流量不断增强。当整个喷流的辐射均进入视线时,辐射达到峰值,其后按正常衰减模式演化。因此,偏轴余辉的光变曲线原则上就直接反映了喷流的角向结构。我们通过对理论模型和观测数据的比较,展示了双高斯结构和GRB 170817A多波段余辉数据的相容性。并且,相比于单高斯结构,双高斯更能说明余辉数据在最开始的时候存在的上扬趋势。另一方面,基于对双中子星并合抛射物的结构假定,我们计算了原始喷流和抛射物的动力学相互作用,揭示了在这种相互作用下形成GRB 170817A双高斯喷流结构的可行性。并据此发现GRB 170817A事件中的抛射物质量很可能不应过大于0.02M☉,这对于理解其成协千新星(AT 2017gfo)的辐射以及判断并合产物的属性具有重要意义。
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