伽玛射线暴的早期余辉理论及其应用

发布时间：2017-09-16 15:05

  本文关键词：伽玛射线暴的早期余辉理论及其应用

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【摘要】：伽玛射线暴(简称伽玛暴)是指来自宇宙空间的伽玛射线波段的突然爆发现象,它的持续时间从毫秒量级到几千秒不等。根据红移测量发现目前红移分布为0.0085-9.4,而其各相同性光度的典型值约为1051-1052 erg/s,是自宇宙大爆炸以来最为猛烈的爆发事件。自1967年被探测以来,伽玛暴及其相关爆发现象一直是天文学领域最热点问题之一。但是伽玛暴的研究历史却充满着机遇、惊喜和挑战。经过几十年的观测积累和理论方面的研究,伽玛暴的神秘面纱逐步被揭开。尽管该领域还存在一些不确定性因素,但是一个逐步清晰的伽玛暴理论框架已经构建开来,特别是余辉模型及其对于多波段余辉辐射的解释。本论文主要介绍伽玛暴的早期余辉理论模型及其应用,内容包括伽玛暴以及余辉理论模型,暴周环境,X射线耀发的洛伦兹因子的限定,喷流成分等。论文包含以下几部分：本文第一章介绍伽玛暴领域的综述,主要是伽玛暴及其余辉的观测和理论进展。首先介绍了不同阶段的伽玛暴以及余辉的观测进展,特别是在Swift卫星时期和Fermi卫星时期的最新观测现象。接下来详细的介绍了伽玛暴的内激波、极早期余辉的正反激波辐射过程。最后还对伽玛暴的前身星、中心引擎、伽玛暴的分类以及一些经验关系做了简单的介绍。第二章研究处在不确定的星际介质中的早期余辉辐射,且利用早期余辉辐射来限定伽玛暴的暴周环境。由于长暴起源于大质量恒星的塌缩,所以长暴的暴周环境应该是星风环境或者均匀介质情形。当伽玛暴的火球壳层扫过周围的星际介质的时候会产生两种激波：正向激波向前扫过周围的星际介质,而反向激波向后扫过壳层物质。在本章节中,我们主要讨论的是这两种激波的动力学演化和辐射。假设它们所处的环境是一般情形下的介质,其表达式为n∝ R-k(其中R是半径),且考虑了厚壳层和薄壳层两种情形。伽玛暴早期余辉中呈现减速“Onset”特征的认为是外激波-正向激波作用的结果。所以我们可以利用拟合这些“Onset”鼓包来确定伽玛暴的暴周环境。我们采用正向激波模型拟合了19个光学“Onset”样本,所限定的κ值在0.4-1.4的范围内,其中心值为1左右。这说明,长暴的暴周环境既不是κ=0的均匀介质环境,也不是κ=2典型星风环境。这也暗示了伽玛暴的前身星可能经历一种新的质量损失演化。第三章,在Swift卫星时期的X射线余辉中发现了耀发现象,该现象也是标准X射线余辉的一部分。我们利用两种方法来限定伽玛暴X射线余辉辐射的洛伦兹因子。第一种方法,我们利用X射线耀发的持续时间和喷流拐折时间来限定洛伦兹因子的下限。第二种方法,通过假设伽玛暴的喷流经历了充分的加速以后限定其洛伦兹因子的上限。我们重新估算了伽玛暴的初始洛伦兹因子,发现公式的理论系数是1.67(ISM情形)和1.44(Wind情形),而不是通常算采用的系数2.我们发现所限定的X射线的洛伦兹因子和能量的相关性,从统计上来看,均匀介质情形要比星风介质的情形要更为紧凑一些,但是都基本呈现出,满足瞬时辐射阶段的初始洛伦兹因子和各向同性能量的相关性。所以,我们的结论也表明,X射线耀发的起源和伽玛暴的瞬时辐射阶段一致。第四章,我们搜集了一批具有初始洛伦兹因子(r0,利用余辉的onset方法来限定)和喷流张角(θj,利用喷流拐折时间来限定)的伽玛暴样本。在本章节中,我们确认了Liang et al. (2010)中的Γ0-Eγ,iso相关性,以及Lu et al.(2012)中所提到的Γ0-Lγ,iso的相关性。在此基础之上,我们也得出了初始洛伦兹因子r0和喷流修正以后的各向同性能量(Eγ)以及喷流修正以后的各向同性平均光度(Lγ)之间的相关性。考虑了余辉的动能以后,我们发现初始洛伦兹因子r0和总的能量(γ段辐射加上余辉辐射)以及各向同性平均光度之间都基本存在相关性,尽管这两个相关性弥散有点大。同时我们也考虑了这两个经过喷流修正以后的关系,而这两个相关性是可以用来检验我们的伽玛暴中心引擎模型。通过进一步限定样本,要求这些伽玛暴样本的中心引擎尽可能的满足黑洞系统的要求。通过样本分析以及与伽玛暴中心引擎的两种理论模型的喷流驱动系统相比较,即：非磁化的双中微子湮灭驱动和高度磁化的BZ机制驱动,我们发现所选择的伽玛暴样本更符合BZ机制主导的高度磁化喷流模型,另外也讨论了伽玛暴的喷流成分的组成。第五章,我们把伽玛暴早期余辉辐射理论应用到了快速射电暴的余辉辐射。快速射电暴是一类新型的爆发现象,它的物理起源现在还不清楚。所以如果能探测到它的多波段余辉辐射将会是至关重要的,这样就可以确定它的距离以及物理起源。我们假设至少一些快速射电暴是宇宙学起源的,我们估算了它的多波段余辉辐射(包括X射线、光学和射电余辉),以及一组的能量和红移分布。我们主要考虑的是正向激波的辐射,但是也考虑了一些快速射电暴可能也存在明亮的反向激波的辐射。一般来讲,快速射电暴的余辉太弱而很难被现有的探测器探测到。由于快速射电暴的射电波段辐射效率比较低(所以就应该初始动能比较大),只有距离我们足够的近,我们才有可能探测到光学和射电余辉。我们也讨论了对于观测所带来的挑战以及利用未来即将升空的探测器来观测比较微弱的快速射电暴的余辉辐射,比如Large Synoptic Survey Telescope 和Expanded Very Large Array。最后,结合本文中所介绍的工作,简单介绍了目前伽玛暴领域所存在的亟待解决的问题和对伽玛暴发展前景的展望。
【关键词】：伽玛射线暴 同步辐射 非热辐射 黑洞 磁场
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P142.6
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-11
• 第一章 伽玛射线暴研究现状概述11-43
• 1.1 伽玛暴的观测进展11-18
• 1.1.1 发现时期(1967-1973)11-12
• 1.1.2 黑暗时期(1973-1991)12
• 1.1.3 BATSE时期(1991-1997)12-14
• 1.1.4 BeppoSAX时期(1997-2004)14-16
• 1.1.5 Swift时期(204-)16-18
• 1.1.6 Fermi时期(2008-)18
• 1.2 伽玛暴的瞬时辐射和余辉辐射现象18-43
• 1.2.1 火球演化和内激波的产生18-23
• 1.2.2 余辉模型23-27
• 1.2.3 多波段余辉的观测27-36
• 1.2.4 伽玛暴的分类36-39
• 1.2.5 经验关系39-43
• 第二章 暴周幂律衰减密度下的伽玛暴早期余辉辐射43-65
• 2.1 引言43-44
• 2.2 极端相对论火球壳层以及和它相互作用的周围介质的动力学演化44-50
• 2.2.1 厚壳层情形(ξ<1)47-49
• 2.2.2 薄壳层情形(ξ>1)49-50
• 2.3 正、反激波的辐射50-54
• 2.3.1 反向激波辐射51-52
• 2.3.2 正向激波辐射52-54
• 2.4 样本分析54-61
• 2.4.1 GRB 06060556-57
• 2 4.2 GRB 081203A57-59
• 2.4.3 GRB 07103159-61
• 2.5 讨论61-62
• 2.6 结论62-65
• 第三章 限定伽玛暴X射线余辉耀发的洛伦兹因子65-77
• 3.1 引言65-66
• 3.2 估算初始洛伦兹因子66-68
• 3.3 限定X射线耀发的洛伦兹因子的方法68-70
• 3.4 样本研究70-72
• 3.5 讨论72-73
• 3.6 结论73-77
• 第四章 洛伦兹因子和喷流修正后能量/光度的相关性以及对伽玛暴中心引擎模型的解释77-91
• 4.1 引言77-78
• 4.2 样本选取和一些相关性78-81
• 4.3 黑洞的中心引擎模型81-85
• 4.4 结论和讨论85-91
• 第五章 快速射电暴的多波段余辉辐射91-99
• 5.1 引言91
• 5.2 理论模型91-94
• 5.3 结果94-95
• 5.4 归纳和结论95-99
• 第六章 问题与展望99-103
• 参考文献103-117
• 文章目录117-119
• 致谢119-121

【参考文献】

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1 ;Short-living Supermassive Magnetar Model for the Early X-ray Flares Following Short GRBs[J];Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics;2006年05期

，

本文编号：863754