中心能源作用下的并合新星与超亮超新星研究

发布时间：2020-09-02 12:30

　　传统的超新星或者类超新星暂现源,比如理论上的千新星,被认为是由放射性衰变供能。通常放射性衰变加热率与抛射物质量以及放射性元素含量有关,因而对超新星峰值光度存在一定的限制。除了放射性衰变,另一种可能的供能方式一中心能源供能,也扮演着重要作用。一颗高速旋转的磁星作为中心能源,在并合新星与超亮超新星研究中被广泛采用。由于来自磁星的能量注入,使得并合新星与超亮超新星的光度一般要高于千新星与传统超新星。除了作为并合新星与超亮超新星的中心能源,历史上,毫秒磁星早已被认为是伽马射线暴(伽马暴)的可能中心能源。一颗长时间存活的磁星有助于解释伽马暴余辉辐射中的平台与耀发现象。根据持续时间的长短,伽马暴可以分为长暴与短暴。长暴普遍被认为与大质量恒星塌缩相关,而短暴起源于双致密星并合。GRB111209A/SN2011kl是有史以来发现的第一例伽马暴—超亮超新星成协。GRB111209A/SN2011kl的成协,将伽马暴研究与超亮超新星研究联系起来。在2017年,引力波信号GW170817的探测直接验证了短暴可以形成于双中子星并合。除了短暴,并合后形成的并合新星也可以作为引力波信号的电磁对应体。由于准各向同性的辐射特征,同时又比传统意义上的千新星更为明亮,并合新星被认为是最为理想的引力波信号电磁对应体。作为统一的中心能源,磁星供能将伽马暴,并合新星与超亮超新星研究联系了起来。因此,通过借鉴伽马暴理论,本文主要探究磁星供能模型在并合新星与超亮超新星中的应用。基于磁星供能模型,本文主要介绍了我们在并合新星与超亮超新星方面的四个的工作。(1)在光学巡天中发现并合新星可以一定程度上估计双中子星并合率,从而指导引力波的探测。作为直接的尝试,我们从PS1-MDS巡天中发现了可能的并合新星候选体。(2)如何从众多的光学暂现源中区分出并合新星需要更好的方法。由于来自中心磁星的能量注入,在并合抛射物中会形成向外传播的激波。在穿出抛射物时,会形成短时标的明亮的激波突破辐射。这可以作为并合新星特殊的前兆辐射,有助于快速分辨出可能的并合新星候选体。(3)并合新星本身作为引力波信号的电磁对应体,有助于对双中子星引力波信号的证认。GW 170817的发现让我们第一次有机会深入研究双中子星并合的过程。从千新星和并合新星的区别出发,我们利用中心能源模型重新对与引力波成协的AT2017gfo进行了多波段拟合,发现并合新星模型可以更自洽的解释AT2017gfo。我们的结果显示相应的并合产物应该是一颗长时间存活的大质量中子星,这对目前多数的中子星状态方程来说是一个不小的挑战。(4)除了双中子星并合,我们也尝试寻找超亮超新星中心能源与伽马暴中心能源之间存在的区别与联系。初步的统计结果显示,超亮超新星磁星与伽马暴磁星在磁场强度上存在明显的区别。基于磁星供能模型,通过引入耀发式的能量注入,我们拟合了SN2015bn光变曲线的多次起伏特征。这预示出中心能源的长时标活动性。通过与伽马暴耀发对比,发现两者在时标和光度上存在一定的联系。因此,尽管具有不同的磁场强度,超亮超新星磁星与伽马暴磁星一定程度上也存在着相关性。基于此,我们尝试在一个统一的框架里讨论了由磁星驱动的各种爆发现象。将来一个统一的磁星供能模型的建立是非常有意义的。
【学位单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P145.3
【部分图文】：

瞬时辐射,伽马,能谱特征,光变

图１．１．１：典型的伽马暴瞬时辐射光变与能谱特征，图片取自Ｐｉｒａｎ邋（１９９９）。逡逑由此也解开了人们研究伽马射线暴的序幕。逡逑由于最开始的观测能力有限，人们对伽马暴这种天文现象的认知存在局限性，研究缓慢。１９９１年Ｃｏｍｐｔｏｎ伽马射线天文台（ＣＧＲＯ）的升空，人们迎来了伽马暴研究的明。搭载Ｃｏｍｐｔｏｎ—同升空的ＢＡＴＳＥ探测器观测能段位于２５－２０００ｋｅＶ，具有较氋的时分辨率和能量分辨率。ＢＡＴＳＥ在升空后的十年间观测到了２７０４个伽马暴，极大的拓展了马暴样本数量（Ｐａｃｉｅｓａｓｅｔａｌ．邋１９９９）。首先ＢＡＴＳＥ发现大多数伽马暴瞬时辐射的光变精细结构，如图１．１．１所示。同一个伽马暴可能包含几次短时标间断性的暴发，而每一发的光变都呈现出多次脉冲式的结构。单次脉冲的持续时间远远小于伽马暴本身的时间。伽马暴瞬时辐射这种脉冲式的光变特征提供了一个研究其产生机制的线索。，ＢＡＴＳＥ得到了瞬时辐射的能谱特征。如图１．１．１所示，瞬时辐射能谱大致可以分为幂律谱。利用两段形式的幂律函数可以较好的拟合瞬时辐射能谱，通常将其称为Ｂａｎｄ数（Ｂａｎｄｅｔａｌ．邋１９９３）。逡逑基于统计分析，ＢＡＴＳＥ还得到另外两个非常重要的信息。根据伽马暴样本在天球上

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博士学位论文逡逑ＤＯＣＴＯＲＡＬ邋ＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ逡逑，有助于我们理解伽马暴的产生机制。虽然ＢＡＴＳＥ具有较高的时间和能量分辨率，不能获得精确的伽马暴红移。因此我们期望对伽马暴进行多波段观测，以期得到测信息，帮助我们加深对伽马暴的认识。除了ＢＡＴＳＥ之外，Ｃｏｍｐｔｏｎ上还搭载了器ＥＧＲＥＴ。ＥＧＲＥＴ具有较高的观测能段，２０ＭｅＶ－３０ＧｅＶ。ＥＧＲＥＴ从数个伽马射中探测到了高能光子辐射（Ｓｃｈｎｅｉｄｅｔａｌ．邋１９９２，邋１９９５等）。高能光子的发现显暴具有多波段辐射特征。相较于高能辐射，我们更期望于低能辐射，甚至于光学于低能光子与高能光子观测设备聚焦原理的完全不同，使得光学观测需要精确的。然而ＢＡＴＳＥ尽管具有较好的时间和能量分辨率，但空间定位能力较差，不足以射时标内引导光学设备对伽马暴进行观测。逡逑

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，导光学设备对伽马暴进行观测。逡逑２７０４邋ＢＡＴＳＥ邋Ｇａｍｍａ－Ｒａｙ邋Ｂｕｒｓｔｓ逡逑＋９０逡逑－９０逡逑：：＾ｈｂｈｐｈｉ逡逑１0－７邋１0－６邋１0－５邋＾０＾Ａ逡逑Ｒｕｅｎｃｅ，５０－３００邋ｋｅＶ邋（ｅｒｇｓ邋ｃｍ－２）逡逑Ｅ伽马暴在银河系坐标天球中的分布，图片取自ｈｔｔｐｓ：／／ｇａｍｍａｒａｙ．ｎｓｓｔＡＴａｏ

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