伽马暴的多波段余辉辐射研究

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伽马射线暴(简称伽马暴)是天空中伽马射线突然增强的现象,是宇宙中能量最高的天体爆发事件。自1973年伽马暴的发现被公开之后到现在,对伽马暴的研究已接近半个世纪,期间关于伽马暴的起源和辐射机制等方面的研究取得了很大的进展。。伽马暴在观测上和物理起源上被区分为长、短暴。观测上以T90=2s为界限,小于2s的是短暴,大于2s的是长暴;物理起源上,长暴来自大质量星坍缩,短暴来自双星并合。在标准模型中,双星并合或大质量星坍缩之后形成的中心引擎向外发射相对论性的抛出物,不同速度的抛出物之间相互碰撞形成瞬时辐射。抛出物继续向外运动与外部介质相互作用产生外激波,形成余辉辐射。尽管关于余辉辐射的标准模型已经建立,但观测上仍有很多现象不能用标准模型解释,例如,X射线闪耀、X射线平台、光学鼓包等,因此在解释观测时我们需要考虑更多的因素,比如喷流的结构和侧向膨胀、能量注入、观测角效应、不同类型的外部环境介质以及只有部分电子参与激波加速等等。本论文主要研究伽马暴多波段余辉的光变行为,通过模型拟合观测数据给出伽马暴的重要物理参数的限制结果,分析伽马暴喷流和中心引擎以及周围介质的特性。第一章作者首先介绍了从Vela时代到多信使时代,伽马暴在观测上和理论上的研究历史以及一些重要事件。然后,作者对伽马暴的观测特点、激波模型、辐射机制以及喷流的集束效应和结构等进行了具体的描述。第二章介绍了作者硕士期间的主要工作内容。作者对GRB 050820A和GRB 070125的多波段余辉光变进行拟合,并对余辉动力学演化的重要物理参数给出了较好的限制。基于参数拟合结果,作者对伽马暴的环境、中心引擎以及喷流的结构进行了讨论,分析了侧向膨胀和电子被激波加速比例参数ξN对拟合结果的影响。对于GRB 050820A,拟合结果显示观测角θv~0,其喷流张角极小,只有0.8°,尽管各向同性能量极高(~1055 erg),但经过角度修正后大约是1051 erg。该暴的环境介质密度非常小,只有约10-7 cm-3,表明GRB 050820A可能是起源于一个质量损失率较低的低金属丰度的大质量恒星。同时我们发现是否考虑侧向膨胀以及ξN对拟合结果影响很小。对于GRB 070125,我们发现只有在考虑侧向膨胀和ξN的情况下才能很好地拟合余辉光变。拟合结果给出观测角为~2.8°,喷流张角约为5.4°,总能量E~1051 erg,介质密度~0.1-10 cm3,ξN~0.1。拟合中我们考虑了三种喷流结构:均匀喷流、高斯喷流和幂律型喷流,结果表明GRB 050820A和GRB070125的喷流结构更可能是均匀的。除此之外,作者也讨论了这两个暴的中心引擎。最后,作者对工作的主要结果进行了总结,提出多波段拟合和寻找具有结构化喷流的伽马暴过程中遇到的难题,以及未来的方向,并对伽马暴未来的发展作出了展望。
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