本文關鍵詞：伽瑪射線暴與高能中微子輻射

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【摘要】：伽瑪射線暴(GRB)是在宇宙學距離上短時標的伽瑪射線的爆發(fā)現象。在上世紀六十年代首次被發(fā)現后,科學界一直對它保持著高度的研究興趣。隨著幾顆伽瑪暴探測衛(wèi)星的升空,人們對伽瑪暴這種現象的認識也得到了前所未有的提升。隨著觀測數據日益豐富,我們不但可以多波段地去研究某個特定的伽瑪暴事件,也能從統(tǒng)計上得到伽瑪暴的一些性質。然而,即使如此,我們還需要清醒地認識到在這個領域仍然存在許多有爭議的問題,例如中心引擎到底是磁星還是黑洞,能量提取機制,瞬時輻射能譜的解釋,噴流的形成與動力學演化等等,這些都是值得我們以后繼續(xù)深入研究的課題。現代天文學已經進入了多信使研究階段,除了電磁輻射,我們還可以通過其他信使來研究某個天體物理現象。目前已有許多大型觀測設備建成并投入使用,例如南極IceCube中微子天文臺,Pierre Auger宇宙線觀測站,以及Advanced LIGO引力波探測器均已開始記錄數據,它們各自都有非常令人矚目的觀測結果。豐富的觀測使得高能天體物理的前沿顯得生機勃勃,也對理論模型提出了更高的限制和要求。本文所做的研究即是在這種背景下展開的,而其中我們主要側重于高能中微子方向。本論文的主要內容包括以下六個章節(jié)。第一章是對目前伽瑪暴、中微子、宇宙線觀測和理論的綜述,主要包括伽瑪暴不同時期的的觀測儀器以及觀測亮點介紹,中微子探測原理、觀測現狀、產生機制以及振蕩理論,極高能宇宙線的觀測現狀、加速理論與候選天體等,另外也介紹了長暴的塌縮星模型與噴流在前身星包層中穿行的動力學。第二章是以噴流在GRB前身星包層中穿行的動力學作為基礎,我們首次在考慮到噴流準直效應的情況下計算了這個過程中的中微子輻射。與以往文獻中近似錐形噴流的處理方法相比,我們的計算更加精確。我們考慮了低光度伽瑪暴(LL-GRB)與超長伽瑪暴(UL-GRB),它們分別屬于不同的準直情形,取典型參數后,我們發(fā)現它們在噴流突破之前均能產生PeV能量的中微子,得到了它們的中微子能譜并預測了 IceCube能觀測到的中微子數,對于LL-GRB和UL-GRB分別為4.2 × 10~（-3）和8.3 × 10~（-2）。雖然目前不容易觀測到單個事件,但是隨著以后IceCube的升級與觀測時間的累積我們有希望能觀測到GRB的中微子precursor。另外,我們發(fā)現星包層不同的密度分布對中微子的能譜有一定影響,以后或許能夠通過中微子能譜的觀測來限制GRB前身星的性質。第三章則是在第二章的基礎上,我們更進一步討論了這些高能中微子的振蕩現象,預測了它們到達我們觀測者時三味中微子的比例。由于低光度伽瑪暴的噴流在穿行時產生的中微子能量能達到PeV,它們的相互振蕩性質與之前工作研究的MeV-TeV中微子大有不同。對于這些高能中微子,相互轉化中絕熱近似的假設不再成立,我們需要修正能級交叉效應。我們發(fā)現對于PeV中微子,其在物質中的混合角趨近于零,這使得相互轉換的概率變?yōu)槌?因此我們觀測者觀測到的三味中微子的比例趨于定值φ_(ν_e):φ_(ν_μ):φ_(ν_τ)(?)0.30:0.37:0.33。然而,考慮到中微子真空振蕩參數的不確定性以及質量秩序的未知,這個具體值可能會不同。對于subPeV以及更低能量的中微子,三種味道的比例會依賴于包層密度分布,因此我們也可以根據觀測到的比例來限制前身星的性質。在下面的兩個章節(jié),我們則是從IceCube觀測到的高能中微子本身出發(fā),討論它們可能的起源。第四章我們重新考慮了恒星形成星系和星暴星系中的超新星遺跡加速宇宙線產生中微子的模型,其中首次考慮了超新星遺跡(SNR)隨時間的演化,并發(fā)現了不同的宇宙線能量注入率會對中微子能譜產生影響。更重要的是,我們創(chuàng)新性地引入了高紅移Pop Ⅲ超新星遺跡作為宇宙線的加速源,由于它們的距離很遠,伴隨的伽瑪射線在星系際空間傳播時會被河外背景光充分吸收,因此不會對彌散伽瑪背景產生很大貢獻,有利于緩解在恒星形成星系/星暴星系(SFR/SBG)模型中伴隨伽瑪射線過剩的矛盾。最后我們得到了低紅移源與高紅移源雙成分擬合的結果,可以很好地解釋IceCube觀測到的彌散中微子流量,且不違反Fermi LAT觀測彌散伽瑪背景給出的限制。另外,引入Pop Ⅲ的貢獻也使得整個圖像更完備。在第五章中,我們首次提出了雙白矮星并合的模型來作為高能中微子的起源,并詳細計算了它對高能彌散背景的貢獻。假設初始質子譜為冪律形式,最終的中微子的能譜形狀主要由兩個抑制因子決定,其一是除pp與pγ過程以外的其他質子冷卻機制帶來的抑制,其二是由π介子冷卻造成的對中微子流量的抑制。由于總的宇宙線注入功率存在一定不確定性,我們考慮了保守情形與樂觀情形。如果取樂觀參數,我們很有可能探測到距離在Mpc尺度上的單個雙白矮星并合事件的中微子輻射,而且此時所有并合事件對IceCube彌散中微子流量有很大貢獻。重要的是,雙白矮星并合事件屬于"隱藏的宇宙線加速器",伴隨的伽瑪射線在源內就被吸收了,因此在我們模型框架下不會與Fermi-LAT彌散伽瑪射線背景觀測產生任何矛盾。第六章作為本論文的結尾,我們總結了目前在高能天體物理前沿的若干重大問題,并對未來的研究作出了展望。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P172.3;P141.8

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本文編號：1269407