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伽玛暴发现距今已经40多年,期间人们提出了许多种模型试图解释这一极高能量的天文现象。经过了多年的观测和研究,特别是BeppoSAX卫星发现了伽玛暴的余辉后,伽玛暴的标准模型(火球+内外激波)逐步建立。但随着更高分辨率卫星的上天,观测到了一些难以用标准模型完美解释的伽玛暴。超导宇宙弦目前只是弦论场论等理论的产物,没有实际观测到,对宇宙弦特别是较短的圈的结构和性质并不十分清楚,特别是圈的长度这一非常重要的参数在各个模型下差异较大。本文重新审视了在上个世纪80年代提出,最近又在发展的超导宇宙弦伽玛暴模型,从观测出发,指出了以往模型中的缺漏之处,更加全面的考虑了超导宇宙弦伽玛暴模型的各种参数,并用GRB090423之类的超高红移伽玛暴对超导宇宙弦的长度,运动的速度和周围的磁场等参数进行了限制。因为弦论,宇宙弦这些理论一直缺乏观测证据,如果某些极高红移的伽玛暴确实由宇宙弦引发,那我们的工作将对宇宙弦的研究,甚至弦论的发展有积极的影响。此外我们从宇宙弦理论出发,推导出了超导宇宙弦伽玛暴候选体的参数空间。
第一章介绍了研究需要的物理理论和伽玛暴的基本性质。首先推导了相对论流体力学,得到了能量和动量的分量表示和守恒方程。利用守恒方程求解了伽玛暴火球的演化,利用能量流和动量流的守恒推导了激波跳变条件,进而计算了余辉的辐射光谱。在这章中,我们还从恒星坍塌模型的示意图出发,引出了对恒星坍塌,双星合并,磁星这些伽玛暴中心能源机制的简单探讨和对内外激波,坡印廷流这些能量耗散和辐射机制的讨论。
第二章的内容是宇宙弦的物理图像和基础理论。首先介绍了宇宙弦的起源,并以Abelian Higgs模型举例解释了生成宇宙弦的Kibble机制。宇宙弦的振动,辐射和演化都以图像的方式作了演示。之后介绍了宇宙弦的基本物理参数,解释了本文的研究对象--超导宇宙弦的超导来源和电场性质,并解释了超导宇宙弦伽玛暴辐射的源头--尖端(cusp)的来源和特性。
第三章是我们在超导宇宙弦伽玛暴方向上的工作。我们指出了现有模型的缺陷,特别是宇宙弦伽玛暴的张角明显偏小的问题。超导宇宙弦伽玛暴的余辉也是一个未被讨论的问题,我们针对Cheng等人的模型,讨论了余辉的一些性质。最后我们利用GRB090423的观测值对超导宇宙弦的参数进行了限制并反向的从超导宇宙弦理论出发,计算了宇宙弦引发的伽玛暴候选体的参数特征。
附录收录了另外一项工作:在标准的伽玛暴余辉模型中,通常假设经过费米一级加速后电子形成单幂律能谱分布dn/dγe∝γe-p(p~2.3)。但在一些伽玛暴事件中观测到了平缓的电子能谱(比如p<2)。在这项工作中,我们给出了单幂律谱和分段幂律谱两种情况下的具有平缓电子能谱的伽玛暴余辉的解析光变曲线。并以GRB060908为例进行了讨论。