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伽玛暴余辉及伽玛射线脉冲双星多波段辐射的研究

作　者: 孔思伟
导　师: 黄永锋
学　校: 南京大学
专　业: 天体物理
关键词: 伽玛暴伽玛射线脉冲双星余辉光变曲线星风脉冲星观测多波段观测辐射机制大质量恒星 Piran 火球模型致密天体星系核波段辐射辐射流量低能段恒星形成率近星点 BATSE
分类号: P172.3
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

伽玛射线暴(简称伽玛暴)是一种来自宇宙空间的短时标、高强度的伽玛射线爆发现象。它是宇宙大爆炸以后最剧烈的天文爆发现象。自从在1967年被偶然发现(1973年发表文章)以来,该爆发现象的起源及相应的物理过程一直是天文学家们研究的最前沿课题之一。1997年伽玛暴在低能段长持续时间的对应体一余辉被发现以后,伽玛暴相关问题的研究进入了黄金时期。目前人们已经观测到了余辉从射电到GeV伽玛射线能段的多波段辐射。对余辉多波段辐射的研究不仅可以检验和完善伽玛暴的标准模型,还有助于了解伽玛暴激波中的微观物理过程、辐射机制、周围环境结构及宿主星系特征等基本问题。除了发生在宇宙学尺度上的伽玛暴以外,银河系中的一些脉冲双星系统也会产生伽玛射线及其他多波段的辐射。这类系统是由脉冲星和年轻的大质量恒星组成,目前能够确定的只有PSRB1259-63/LS2883这一个系统。此外,虽然LS5039、LS I+61°303、HESS J0632+057及1FGLJ1018.6-5856这四个系统中致密天体的类型还不是很明确,但是很多人相信可能也是脉冲星。这类系统一般有着从射电到TeV伽玛射线的多波段辐射,且各波段的光变曲线是随轨道周期性变化的。在星风相互作用模型下对此类系统多波段辐射的研究可以帮助了解脉冲星风及大质量恒星星风的性质。本论文的研究内容是伽玛暴余辉及伽玛射线脉冲双星的多波段辐射,其中包括通过拟合伽玛暴多波段余辉来检验伽玛暴的统一动力学模型、对余辉中增亮现象的解释以及对伽玛射线脉冲双星PSR B1259-63/LS2883的多波段光变曲线的拟合。本文首先分别对伽玛暴及伽玛射线脉冲双星的研究现状做一简单的综述,随后对我们的几个具体工作进行详细的介绍,最后是对未来的工作做一些展望。论文的具体组成如下：第一章是对伽玛暴研究领域的综述。首先回顾了四十多年来对伽玛暴及其余辉的观测进展,其中包括了Swift卫星和Fermi卫星的最新观测结果。接下来从理论方面介绍了伽玛暴的标准火球模型和余辉的标准模型,包括动力学演化和辐射机制等等。最后还对伽玛暴的中心能源模型和伽玛暴宇宙学的研究进行了简单的介绍。第二章是对伽玛射线脉冲双星研究领域的综述。首先总结了PSR B1259-63/LS2883、LS5039、LSI+61°303、HESS J0632+057及1FGL J1018.6-5856这五个系统的多波段观测特征。随后对脉冲双星系统的星风相互作用模型进行了详细的介绍,具体包括星风作用产生弓激波的几何形状、激波中的磁场和电子分布、产生多波段辐射的各种辐射机制以及双星系统中光子湮灭过程等内容。第三章中我们通过拟合GRB980703的多波段余辉光变曲线对余辉的统一动力学模型进行了检验。该伽玛暴有着丰富的多波段观测数据,特别是它的射电余辉非常明亮以至于在爆发后1000多天还能被观测到。此外,它的多波段余辉光变曲线中没有特殊的特征,也就是说没有增亮、平台、快速衰减或缓慢衰减等现象。以上这些特点使得GRB980703成为伽玛暴研究领域中非常重要的样本之一,尤其是在研究深度非相对论阶段余辉行为中显得更加弥足珍贵。我们使用一个既适用于绝热情形又适用于高度辐射情形、既适用于极端相对论阶段又适用于非相对论阶段的余辉统一动力学模型对该伽玛暴的多波段余辉进行了拟合。计算结果表明余辉的统一动力学模型可以满意地解释GRB980703多波段余辉光变曲线的行为。通过拟合我们还得到了一些关于伽玛暴外流和周围环境的物理参数,并对GRB980703宿主星系的消光量进行了估计。第四章中我们提出了对伽玛暴余辉中增亮现象的一种可能的解释。随着观测数据的积累和观测技术的进步,尤其是在Swift卫星上天以后,人们在伽玛暴余辉中发现了许多标准余辉模型所不曾预言的特征,其中之一就是在许多伽玛暴余辉中发现了增亮现象。我们发现在余辉统一动力学模型中加入大质量恒星周围的星风泡环境及激波微观物理参数的变化可以较好地解释伽玛暴余辉中的一些增亮现象。我们研究了各个模型参数对伽玛暴余辉产生的影响,并利用该模型对GRB060206、GRB070311及GRB071010A的光学和X射线余辉光变曲线进行了拟合。第五章中我们对到目前为止唯一一个确定其中致密天体为脉冲星的伽玛射线双星系统一PSR B1259-63／LS2883的多波段观测进行了解释。该系统X射线和TeV伽玛射线能段的光变曲线的轮廓是类似的,均在近星点两侧呈双峰分布。最近Fenni卫星的观测结果表明该系统GeV伽玛射线辐射的光变曲线在近星点前没有明显的信号,但在近星点后出现了明显的耀发现象。这些多波段性质都很难用标准星风相互作用模型来解释。一些数值模拟结果表明在星风相互作用产生的弓激波的尾部,辐射物质的整体运动可以达到中等相对论性甚至极端相对论性速度。我们发现该区域中经Doppler增强的同步辐射可以很好地产生观测到的GeV伽玛射线能段的耀发现象。此外,我们还发现之前在Crab星云中发现的脉冲星风中能流的各向异性效应对产生X射线和TeV伽玛射线能段光变曲线的双峰结构有着至关重要的作用。我们用这两种效应对PSRB1259-63／LS2883的多波段光变曲线及能谱进行了很好的拟合。最后,第六章是作者对未来有关伽玛暴和伽玛射线脉冲双星工作的展望。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章伽玛射线暴研究现状综述  11-43
  1.1 伽玛射线暴的观测特征  11-30
    1.1.1 瞬时辐射  13-20
    1.1.2 多波段余辉  20-27
    1.1.3 其他相关观测  27-30
  1.2 瞬时辐射及余辉标准模型简介  30-40
    1.2.1 标准火球模型  30-32
    1.2.2 瞬时辐射的内激波模型  32-33
    1.2.3 极早期余辉的正反激波模型  33-35
    1.2.4 余辉的标准模型  35-39
    1.2.5 统一的动力学模型  39-40
  1.3 其他一些相关研究  40-43
    1.3.1 中心能源  40-41
    1.3.2 伽玛暴宇宙学  41-43
第二章伽玛射线脉冲双星研究现状综述  43-61
  2.1 伽玛射线脉冲双星的观测特征  43-53
    2.1.1 PSR B1259-63/LS 2883  44-46
    2.1.2 LS 5039  46-47
    2.1.3 LS I+61°303  47-48
    2.1.4 HESS J0632+057  48-50
    2.1.5 1FGL J1018.6-5856  50-53
  2.2 脉冲双星系统的辐射来源  53-61
    2.2.1 弓激波的形状  53-54
    2.2.2 激波中的磁场  54-55
    2.2.3 激波中的电子分布  55-56
    2.2.4 激波下游电子的辐射机制  56-57
    2.2.5 脉冲星风中冷电子的辐射  57-58
    2.2.6 高能光子湮灭过程  58-61
第三章 GRB 980703多波段余辉的拟合  61-69
  3.1 引言  61
  3.2 观测  61-62
  3.3 理论模型  62-64
  3.4 计算结果  64-65
  3.5 结论及讨论  65-69
第四章伽玛暴余辉中增亮现象的解释  69-79
  4.1 引言  69-70
  4.2 模型  70-73
    4.2.1 动力学及辐射过程  70-71
    4.2.2 暴周环境  71-72
    4.2.3 微观物理参数  72-73
  4.3 计算结果  73-75
  4.4 与观测的比较  75-77
    4.4.1 GRB 060206  75
    4.4.2 GRB 070311  75-76
    4.4.3 GRB 071010A  76-77
  4.5 结论及讨论  77-79
第五章脉冲双星PSR B 1259-63/LS 2883多波段观测的拟合  79-93
  5.1 引言  79-80
  5.2 模型  80-85
    5.2.1 激波的形状  81
    5.2.2 各向异性的脉冲星风  81-82
    5.2.3 磁化参数  82-83
    5.2.4 辐射过程  83-85
  5.3 计算结果  85-88
  5.4 结论与讨论  88-93
第六章问题与展望  93-95
  6.1 对伽玛暴瞬时辐射的研究  93-94
  6.2 对伽玛暴早期余辉的研究  94
  6.3 对伽玛暴偏振的研究  94
  6.4 对伽玛射线脉冲双星相关问题的研究  94-95
参考文献  95-113
在攻读博士学位期间发表论文情况  113-115
致谢  115-116

伽玛暴余辉及伽玛射线脉冲双星多波段辐射的研究

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