伽玛射线暴与高能中微子辐射

发布时间：2017-12-09 06:24

  本文关键词：伽玛射线暴与高能中微子辐射

  更多相关文章： 伽玛射线暴 中微子 宇宙线 弥散背景辐射

【摘要】：伽玛射线暴(GRB)是在宇宙学距离上短时标的伽玛射线的爆发现象。在上世纪六十年代首次被发现后,科学界一直对它保持着高度的研究兴趣。随着几颗伽玛暴探测卫星的升空,人们对伽玛暴这种现象的认识也得到了前所未有的提升。随着观测数据日益丰富,我们不但可以多波段地去研究某个特定的伽玛暴事件,也能从统计上得到伽玛暴的一些性质。然而,即使如此,我们还需要清醒地认识到在这个领域仍然存在许多有争议的问题,例如中心引擎到底是磁星还是黑洞,能量提取机制,瞬时辐射能谱的解释,喷流的形成与动力学演化等等,这些都是值得我们以后继续深入研究的课题。现代天文学已经进入了多信使研究阶段,除了电磁辐射,我们还可以通过其他信使来研究某个天体物理现象。目前已有许多大型观测设备建成并投入使用,例如南极IceCube中微子天文台,Pierre Auger宇宙线观测站,以及Advanced LIGO引力波探测器均已开始记录数据,它们各自都有非常令人瞩目的观测结果。丰富的观测使得高能天体物理的前沿显得生机勃勃,也对理论模型提出了更高的限制和要求。本文所做的研究即是在这种背景下展开的,而其中我们主要侧重于高能中微子方向。本论文的主要内容包括以下六个章节。第一章是对目前伽玛暴、中微子、宇宙线观测和理论的综述,主要包括伽玛暴不同时期的的观测仪器以及观测亮点介绍,中微子探测原理、观测现状、产生机制以及振荡理论,极高能宇宙线的观测现状、加速理论与候选天体等,另外也介绍了长暴的塌缩星模型与喷流在前身星包层中穿行的动力学。第二章是以喷流在GRB前身星包层中穿行的动力学作为基础,我们首次在考虑到喷流准直效应的情况下计算了这个过程中的中微子辐射。与以往文献中近似锥形喷流的处理方法相比,我们的计算更加精确。我们考虑了低光度伽玛暴(LL-GRB)与超长伽玛暴(UL-GRB),它们分别属于不同的准直情形,取典型参数后,我们发现它们在喷流突破之前均能产生PeV能量的中微子,得到了它们的中微子能谱并预测了 IceCube能观测到的中微子数,对于LL-GRB和UL-GRB分别为4.2 × 10~（-3）和8.3 × 10~（-2）。虽然目前不容易观测到单个事件,但是随着以后IceCube的升级与观测时间的累积我们有希望能观测到GRB的中微子precursor。另外,我们发现星包层不同的密度分布对中微子的能谱有一定影响,以后或许能够通过中微子能谱的观测来限制GRB前身星的性质。第三章则是在第二章的基础上,我们更进一步讨论了这些高能中微子的振荡现象,预测了它们到达我们观测者时三味中微子的比例。由于低光度伽玛暴的喷流在穿行时产生的中微子能量能达到PeV,它们的相互振荡性质与之前工作研究的MeV-TeV中微子大有不同。对于这些高能中微子,相互转化中绝热近似的假设不再成立,我们需要修正能级交叉效应。我们发现对于PeV中微子,其在物质中的混合角趋近于零,这使得相互转换的概率变为常数,因此我们观测者观测到的三味中微子的比例趋于定值φ_(ν_e):φ_(ν_μ):φ_(ν_τ)(?)0.30:0.37:0.33。然而,考虑到中微子真空振荡参数的不确定性以及质量秩序的未知,这个具体值可能会不同。对于subPeV以及更低能量的中微子,三种味道的比例会依赖于包层密度分布,因此我们也可以根据观测到的比例来限制前身星的性质。在下面的两个章节,我们则是从IceCube观测到的高能中微子本身出发,讨论它们可能的起源。第四章我们重新考虑了恒星形成星系和星暴星系中的超新星遗迹加速宇宙线产生中微子的模型,其中首次考虑了超新星遗迹(SNR)随时间的演化,并发现了不同的宇宙线能量注入率会对中微子能谱产生影响。更重要的是,我们创新性地引入了高红移Pop Ⅲ超新星遗迹作为宇宙线的加速源,由于它们的距离很远,伴随的伽玛射线在星系际空间传播时会被河外背景光充分吸收,因此不会对弥散伽玛背景产生很大贡献,有利于缓解在恒星形成星系/星暴星系(SFR/SBG)模型中伴随伽玛射线过剩的矛盾。最后我们得到了低红移源与高红移源双成分拟合的结果,可以很好地解释IceCube观测到的弥散中微子流量,且不违反Fermi LAT观测弥散伽玛背景给出的限制。另外,引入Pop Ⅲ的贡献也使得整个图像更完备。在第五章中,我们首次提出了双白矮星并合的模型来作为高能中微子的起源,并详细计算了它对高能弥散背景的贡献。假设初始质子谱为幂律形式,最终的中微子的能谱形状主要由两个抑制因子决定,其一是除pp与pγ过程以外的其他质子冷却机制带来的抑制,其二是由π介子冷却造成的对中微子流量的抑制。由于总的宇宙线注入功率存在一定不确定性,我们考虑了保守情形与乐观情形。如果取乐观参数,我们很有可能探测到距离在Mpc尺度上的单个双白矮星并合事件的中微子辐射,而且此时所有并合事件对IceCube弥散中微子流量有很大贡献。重要的是,双白矮星并合事件属于"隐藏的宇宙线加速器",伴随的伽玛射线在源内就被吸收了,因此在我们模型框架下不会与Fermi-LAT弥散伽玛射线背景观测产生任何矛盾。第六章作为本论文的结尾,我们总结了目前在高能天体物理前沿的若干重大问题,并对未来的研究作出了展望。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P172.3;P141.8

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本文编号：1269407