本文關(guān)鍵詞：毫秒磁星作為伽瑪射線暴中心引擎的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：從上世紀(jì)六十年代美國(guó)Vela衛(wèi)星無(wú)意中發(fā)現(xiàn)伽瑪暴到現(xiàn)在,伽瑪暴研究已經(jīng)持續(xù)了近半個(gè)世紀(jì)。伽瑪暴是一種短時(shí)標(biāo)的高能光子爆發(fā),持續(xù)時(shí)間從幾十毫秒到幾萬(wàn)秒。持續(xù)時(shí)間短于～2s的暴為短暴,長(zhǎng)于～2s的為長(zhǎng)暴。大量觀測(cè)已經(jīng)證實(shí),長(zhǎng)暴起源于大質(zhì)量恒星的死亡。短暴最可能的起源是致密雙星并合。一般認(rèn)為伽瑪暴的瞬時(shí)輻射來(lái)自中心引擎持續(xù)活動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)激波,而其余輝源于相對(duì)論拋射殼層與周?chē)橘|(zhì)的碰撞產(chǎn)生的同步輻射。多年來(lái)的研究使我們對(duì)長(zhǎng)暴與短暴的宿主星系有了較為詳盡的了解。長(zhǎng)暴通常發(fā)生在年輕的漩渦星系及不規(guī)則星系中,而且發(fā)生在恒星形成區(qū)。至今沒(méi)有在年老的橢圓星系中發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)暴。而短暴既可能發(fā)生在年輕的星系中,也可能發(fā)生在年老的橢圓星系中。理論上來(lái)講大多數(shù)長(zhǎng)暴都應(yīng)該伴隨有超新星爆發(fā),而觀測(cè)上也不斷發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)暴與超新星成協(xié)事件。對(duì)于短暴,理論預(yù)言應(yīng)該存在一種新星,即所謂的kilonovao這是因?yàn)殡p中子星在并合過(guò)程中會(huì)向周?chē)鷴伾涑鲆徊糠指缓凶拥奈镔|(zhì),這些物質(zhì)通過(guò)快中子過(guò)程合成放射性核素。其衰變能加熱拋射物,形成kilonovao2013年發(fā)現(xiàn)的與GRB130603B成協(xié)的紅外增量可能是首個(gè)直接觀測(cè)到的kilonova,這為短暴的致密雙星并合假設(shè)提供了較有力的支持。目前,伽瑪暴的研究已經(jīng)進(jìn)展到可能最終確定其中心引擎究竟為黑洞還是中子星的階段。這需要系統(tǒng)研究中子星與黑洞兩種不同中心引擎所導(dǎo)致的電磁輻射、引力波輻射、中微子輻射的異同。本文第一章詳細(xì)闡述了有關(guān)進(jìn)展。有關(guān)黑洞作為中心引擎的研究已經(jīng)頗為豐富。過(guò)去十年間廣義相對(duì)論數(shù)值模擬取得了非�？斓倪M(jìn)步。這些模擬發(fā)現(xiàn)黑洞可產(chǎn)生相對(duì)論噴流,因而可作為伽瑪暴的中心引擎。然而,有一些觀測(cè)特征似乎不能輕易糅合到黑洞模型中去。如伽瑪暴常存在持續(xù)數(shù)百秒甚至數(shù)萬(wàn)秒的X射線平臺(tái)、短暴的延展輻射、X射線耀發(fā)等。對(duì)于這些特征最簡(jiǎn)潔的假設(shè)就是他們由磁星的轉(zhuǎn)動(dòng)能驅(qū)動(dòng)。為了研究中心引擎為磁星時(shí)伽瑪暴瞬時(shí)輻射及其余輝的輻射特征,研究人員在過(guò)去十年間做了大量研究。本文所做的研究就是在這樣的背景下進(jìn)行的。通常我們對(duì)伽瑪暴的觀測(cè)是先看到其瞬時(shí)輻射,然后觀測(cè)到余輝。但如果中心引擎為磁星的話,快速轉(zhuǎn)動(dòng)的磁星會(huì)向拋射物注入Poynting流。這種能量注入可使得位于短暴噴流張角之外的觀測(cè)者觀測(cè)到來(lái)自磁星的電磁信號(hào)。在第二章我們假設(shè)來(lái)自磁星的Poynting流會(huì)很快變成正負(fù)電子對(duì)主導(dǎo)的極端相對(duì)論星風(fēng)。星風(fēng)加速拋射物,拋射物又推動(dòng)周?chē)橘|(zhì),形成正向激波。與此同時(shí),相對(duì)論星風(fēng)受到拋射物阻擋,形成反向激波。正反激波產(chǎn)生同步輻射。我們發(fā)現(xiàn),最近發(fā)現(xiàn)的光學(xué)暫現(xiàn)源PTF11agg可非常干凈地解釋為毫秒磁星驅(qū)動(dòng)的反向激波輻射。PTF11agg不伴隨伽瑪暴,也未有X射線探測(cè)。這類(lèi)暫現(xiàn)源構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)特的觀測(cè)窗口。在研究PTF11agg時(shí)我們沒(méi)有考慮拋射物對(duì)反向激波輻射的吸收,對(duì)拋射物動(dòng)力學(xué)也做了許多簡(jiǎn)化處理。在第三章,我們對(duì)拋射物動(dòng)力學(xué)做了嚴(yán)格計(jì)算。發(fā)現(xiàn)該嚴(yán)格解與上述簡(jiǎn)化處理很接近。我們也考慮了拋射物對(duì)反向激波的吸收,發(fā)現(xiàn)在光學(xué)波段,在取得PTF11agg的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí),拋射物已經(jīng)透明,因而我們對(duì)PTFllagg的處理是正確的。我們?cè)诘谌聦?duì)拋射物的不透明度做了細(xì)致的研究。雙星并合之后拋射出去的物質(zhì)是很純的快中子物質(zhì),對(duì)這種物質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室研究非常困難。如果我們能從天文觀測(cè)上得到其某些性質(zhì),那將是極為重要的。我們探討了通過(guò)觀測(cè)不同電磁波段來(lái)研究其性質(zhì)的可能性。物質(zhì)的不透明度對(duì)溫度、入射光的波長(zhǎng)都很敏感。我們發(fā)現(xiàn),在反向激波早期階段,X射線的不透明度主要來(lái)自電子湯姆森散射,光學(xué)波段不透明度主要來(lái)自bb(束縛-束縛)躍遷,而紫外波段的不透明度則很可能來(lái)自bf(束縛-自由)躍遷。因此將會(huì)觀測(cè)到紫外電離突破。我們?cè)敿?xì)計(jì)算了X、紫外、光學(xué)等各個(gè)波段的輻射。我們發(fā)現(xiàn),用這種多波段觀測(cè)只能得到不透明度的一個(gè)較為松散的限制。前兩章沒(méi)有考慮逆康普頓散射對(duì)電子冷卻的影響。我們知道,反向激波中的電子極端相對(duì)論的,其逆康普頓散射不容忽視。為此我們?cè)诘谒恼驴紤]逆康普頓散射。對(duì)于同步輻射,逆康普頓散射會(huì)影響同步冷卻頻率,使該頻率降低。我們發(fā)現(xiàn),第三章的動(dòng)力學(xué)與逆康普頓散射共同作用的結(jié)果是使冷卻頻率與第二章計(jì)算PTF11agg時(shí)得出的冷卻頻率非常接近。目前有多個(gè)望遠(yuǎn)鏡可探測(cè)高能伽瑪光子。本章我們計(jì)算了毫秒磁星驅(qū)動(dòng)的反向激波的逆康普頓散射,為利用高能光子探測(cè)器探測(cè)并合后毫秒磁星的誕生提供理論依據(jù)。計(jì)算發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡如Fermi/LAT、CTA可探測(cè)到來(lái)自～1 Gpc處的毫秒磁星的輻射。這種輻射持續(xù)的時(shí)間是磁星的自轉(zhuǎn)減慢時(shí)標(biāo),大約為一天。第五章對(duì)伽瑪暴研究領(lǐng)域目前較為熱點(diǎn)的問(wèn)題展開(kāi)了一些討論,這些問(wèn)題的解決無(wú)疑將大大推動(dòng)伽瑪暴的研究。
【關(guān)鍵詞】：伽瑪射線暴 高能輻射機(jī)制 逆康普頓散射 同步輻射 光變曲線
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：P172.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 致謝9-14
• 第一章 伽瑪射線暴研究現(xiàn)狀14-112
• 1.1 伽瑪射線暴的觀測(cè)特性14-30
• 1.1.1 伽瑪暴的發(fā)現(xiàn)14-15
• 1.1.2 伽瑪暴的光變曲線15-20
• 1.1.3 Band譜20-21
• 1.1.4 長(zhǎng)暴與短暴的分類(lèi)21-23
• 1.1.5 伽瑪暴的起源23-29
• 1.1.6 空間探測(cè)器29-30
• 1.2 激波物理30-38
• 1.2.1 非相對(duì)論激波：謝多夫(Sedov)自相似解30-32
• 1.2.2 相對(duì)論激波32-33
• 1.2.3 粒子加速33-37
• 1.2.4 隨機(jī)磁場(chǎng)的產(chǎn)生37-38
• 1.3 輻射機(jī)制38-50
• 1.3.1 同步輻射38-45
• 1.3.2 逆康普頓散射45-50
• 1.4 伽瑪射線暴火球模型50-73
• 1.4.1 火球的產(chǎn)生與加速51-55
• 1.4.2 伽瑪暴涉及到的時(shí)間55-56
• 1.4.3 瞬時(shí)輻射的內(nèi)激波模型56-58
• 1.4.4 余輝標(biāo)準(zhǔn)模型58-68
• 1.4.5 噴流68-73
• 1.4.6 火球動(dòng)力學(xué)演化：統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)模型73
• 1.5 伽瑪暴更為精細(xì)的效應(yīng)73-78
• 1.5.1 等時(shí)面效應(yīng)73-76
• 1.5.2 曲率效應(yīng)76-78
• 1.5.3 環(huán)境因素與密度跳變78
• 1.6 伽瑪暴的中心能源78-98
• 1.6.1 黑洞吸積模型80-95
• 1.6.2 磁星周?chē)奈e盤(pán)95-98
• 1.7 雙中子星并合98-106
• 1.7.1 引力波的直接探測(cè)98-99
• 1.7.2 核合成99-100
• 1.7.3 Kilonovae(也稱(chēng)Macronovae)100-104
• 1.7.4 正向激波104-106
• 1.8 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系106-109
• 1.8.1 τ_(lag)-L_(iso)相關(guān)性：Norris關(guān)系106-107
• 1.8.2 V-L_(iso)相關(guān)性：Fenimore-Reichart關(guān)系107
• 1.8.3 E_peak)-E_(iso)關(guān)系式：Amati關(guān)系107-108
• 1.8.4 E_peak)-E_(iso)關(guān)系式：Yonetoku關(guān)系108
• 1.8.5 E_peak)-E_(iso)相關(guān)性：Ghirlanda關(guān)系108
• 1.8.6 E_peak)-E_(iso)-t_(break)相關(guān)性：Liang-Zhang關(guān)系108
• 1.8.7 E_peak)-E_(iso)-T_(0.45)相關(guān)性108-109
• 1.8.8 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的局限性109
• 1.9 伽瑪射線暴宇宙學(xué)109-112
• 第二章 PTF11agg作為雙星并合后毫秒磁星驅(qū)動(dòng)的反向激波輻射的第一個(gè)證據(jù)112-120
• 2.1 引言112
• 2.2 模型112-116
• 2.3 數(shù)值計(jì)算和暫現(xiàn)源PTF11agg116-119
• 2.4 總結(jié)與討論119-120
• 第三章 雙星并合后毫秒磁星驅(qū)動(dòng)的反向激波輻射與電離突破120-134
• 3.1 引言120-122
• 3.2 反向激波輻射122-127
• 3.3 電離突破127-130
• 3.3.1 不透明度的估計(jì)127-129
• 3.3.2 來(lái)自反向激波的紫外線電離突破129-130
• 3.4 討論130-132
• 3.5 總結(jié)132-134
• 第四章 通過(guò)高能輻射來(lái)探測(cè)并合后毫秒磁星的誕生134-148
• 4.1 引言134-135
• 4.2 逆康普頓散射對(duì)同步輻射的影響135-138
• 4.3 探測(cè)新生磁星138-144
• 4.3.1 逆康普頓譜及其光變曲線138-142
• 4.3.2 數(shù)值計(jì)算142-144
• 4.4 總結(jié)與討論144-145
• 4.5 附錄：逆康普頓散射解析解145-148
• 第五章 問(wèn)題與展望148-152
• 5.1 中心引擎148-151
• 5.2 快速射電暴及其他課題151-152
• 附錄A 相對(duì)論激波自相似解的推導(dǎo)152-164
• A.1 自相似解的分類(lèi)152
• A.2 激波跳躍條件152-155
• A.3 方程組的簡(jiǎn)化155-157
• A.4 自相似變量的引入157-158
• A.5 以自相似變量取代r158-161
• A.6 能量注入與反向激波161-162
• A.7 存在介質(zhì)密度梯度時(shí)的激波162-164
• 參考文獻(xiàn)164-196
• 發(fā)表文章目錄196-197

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本文編號(hào)：360404