Gamma暴余辉的相对论流体动力学演化和光变曲线

本文首先对Gamma暴的观测特性和物理过程作了简要的介绍 ,而后 ,对火球模型的相对论流体动力学机制和同步加速辐射机制作了论述。主要工作是 :具体研究火球所抛出壳层的相对论流体动力学演化 ,应用同步加速辐射机制 ,通过由共动坐标系到实验室坐标系的相对论变换 ,得到Gamma暴余辉的光变曲线。对于火球壳层的不同的动力学演化规律 ,各向同性或各向异性的壳层抛出形式 ,以及不同的外部介质环境 ,所得到的光变曲线都各不相同。通过对这些不同的光变曲线的比较 ,明确了Gamma暴余辉的整体的物理演化图象以及各种物理过程在Gamma暴余辉演化过程中所起的作用 ,并从余辉演化的方面进一步理解了Gamma暴的物理本质     

相对论电子的物理效应及其在高能天体中的应用

本文对相对论电子的辐射性质、能谱演化和加速机制等进行了简要的介绍。同时，对相对论电子在高能天体中的辐射作用和特性进行了简要的综述。本文给出了相对论电子在Blazar天体的射电辐射机制、光变机制、BL Lac天体的辐射机制以及γ暴的辐射机制等方面的应用研究成果。1、提出了相对论电子的光学薄同步辐射模型：解释Blazar天体的射电平谱：Blazar中心体的剧烈活动，使射电辐射区处于等离子体湍动状态，其中的相对论电子在湍动等离子体波的二交费米加速、激波加速、辐射损失、粒子逃逸和辐射区的绝热减速等物理过程作用下，形成较平的能谱，产生射电平谱。2、提出了新的Blazar天体光变模型：当Blazar天体爆发时，中心天体产生大量的相对论电子，注入喷流中；相对论电子产生同步辐射，并不断损失能量和逃逸辐射区，使它们的能谱快速变化，引起辐射发生快速光变。3、给出了BL Lac天体的等离子体反应堆模型：大量相对论电子从中心天体注入周围的等离子体反应堆中，通过同步辐射快速损失能量，同时这些电子同步吸收反应堆中不透明的光子，产生一个稳定、各向同性的幂律分布，其谱指数为γ＝3；然后，这些相对论电子通过等离子体反应堆的爆发或其表面扩散过程逃逸出来，辐射低频的同步辐射。模型解释了BL Lac天体的高频辐射表现出快速的谱变化性质，即流量减小时谱变陡。4、提出了相对论电子的内激波加速模型，解释γ暴的尖峰光变特性：在γ暴产生的相对论运动的壳层中，有内激波产生；激波在壳层中传播，耗散壳层的运动能，使其中的部分电子加速成为相对论电子。然后，这些电子通过同步辐射产生观测到的γ辐射。模型认为，γ暴中的每个尖峰辐射是一对内激波加速相对论电子的辐射过程，复杂的γ暴光变曲线是多对内激波辐射过程的叠加。     

逆康普顿散射对γ暴余辉的影响

γ暴余辉的发现是γ暴研究史上的一个重大突破,火球模型几乎可以较好地解释γ暴余辉的观测特性。但在标准的火球模型中,通常只考虑电子的同步加速辐射,没有考虑电子逆康普顿散射的贡献。这里我们详细计算了逆康普顿散射对γ暴余辉的影响,发现在一定的条件下,逆康普顿散射的影响是很重要的,它可以显著地改变辐射能谱,进而改变γ暴余辉的光变特性。     

脉冲星参数的取值对γ暴火球余辉的影响

用中心有脉冲星的γ射线暴的火球模型计算出GRB970228和GRB000301c两个γ射线暴的余辉辐射流，计算结果与观测结果相比较，符合的很好，解释了GRB970228和GRB000301c光学R波段余辉的光变曲线带‘拐折’的特征，讨论了中心脉冲星参数的取值对余辉的光曲线起的重要作用。     

γ射线暴光变曲线的研究

γ射线暴的光变曲线复杂多变,普遍认为是由内激波产生.由相对论运动学效应导出高速运动激波层发射的光子数与观测者接收到的光子数之间的转换关系,再运用内激波辐射的角度扩展得到单个脉冲的曲线方程和形状,其形状为典型的快上升指数下降.进而在合理的参数下用多壳层的连续碰撞模型对γ射线暴的一些观测光变曲线进行拟合,取得较好效果,由此可以解释更多类型的γ射线暴的光变曲线.     

伽玛射线暴:各向同性火球还是柱形喷流?

多数伽玛射线暴的光学余辉衰减较平缓且光变曲线未见明显拐折，通常认为它们产生于各向同性火球，GRBs970228,970508,971214,980329及980703等就是典型的例子，但柱型喷流模型其实也能对这类伽玛射线暴的余辉给出极好的拟合，因此它们完全有可能产生于柱形喷流，而并非一定是来自各向同性火球。     

内激波火球中e±的产生、湮灭及再辐射

在内激波伽玛暴(GRB)模型下,中心能源喷出一系列质量相当但整体Lorentz 因子相差悬殊的物质壳层,这些先后快慢的壳层发生激烈的碰撞并产生相对论性的激波,壳层中的电子被激波加热后通过同步辐射和逆康普顿散射发射高能γ光子.对于能量高达GeV的高能光子(观测者系)可能因为γ-γ碰撞产生电子对而被火球吸收.Pilla和Leob数值计算发现产生的电子对数目远高于火球本身的电子数目,Li等人最近也得到了类似的结果并以此来解释早期余辉中缺少光学闪.通过解析研究该过程中电子对的产生与湮灭随时间的演化后,发现对于一个典型的pulse,同步高能部分产生的e±数目早期较多,湮灭率也高;在后期由于受到最大同步辐射频率的限制,该成分不再对e±的产生有贡献.与之不同,逆康普顿散射成分对e±的产生的贡献近似与pulse的持续时标成正比.在典型的参数范围下,两种成分共同作用产生的电子对数目可达原火球携带的电子数目的10来倍.由于所产生的e±的Lorentz因子较小,相应的同步辐射不会影响到观测谱(至少在BATSE探测器的能段是这样),但再次逆康普顿散射后则可能影响到观测谱.由于电子对的质量远比质子质量小,所以对后期的火球动力学演化的影响不大.至少对于均匀介质环境,电子对的存在对于早期余辉的光学辐射影响不大.     

致密介质中柱状喷流的伽玛射线暴余辉

很多伽玛射线暴应当是产生于极端相对论性的喷流.关于喷流,绝大多数的讨论都是围绕锥状喷流展开.然而有观测发现,一些天体中的喷流在很长距离上始终保持着几乎不变的截面积,即表现为柱状喷流.研究致密介质环境中有侧向膨胀的柱状喷流的余辉,描述其动力学演化和辐射过程,分别得到解析解和数值解,并对两者进行了对比.研究的暴周星际介质是光学厚的,在初始的主暴阶段,喷流辐射出高度准直的高能射线,升华了暴周介质,形成一个在光学波段光学薄的柱状通道.余辉阶段,由于喷流是有侧向膨胀的,观测者只能收集到视觉面积占比例越来越小的光学辐射,理论上可得到衰减极为快速的光变曲线,流量随时间的衰减约为Svα t-p-1(p为电子幂律分布的谱指数).如此迅速的衰减使得光学余辉将难以被观测到,提供了一种对暗伽玛射线暴的解释.     

γ射线暴火球的演化与余辉

GRB主爆后，火球继续膨胀，根据暴后火球的动力学演化方程，考虑电子的分布随时间的变化，通过数值求解，得到光学R波段和X射线余辉与时间t的关系。计算结果与观测结果相比较，符合得很好。最后，还讨论了火球＋激波模型的不足。     

γ射线暴X射线耀发的研究进展

γ射线暴是宇宙中恒星尺度的最剧烈爆发现象。γ射线暴瞬时辐射结束后,进入余辉辐射阶段。X射线耀发是γ射线暴X射线辐射衰减过程中出现的短时标闪耀现象。X射线耀发的脉冲轮廓具有不对称性,其上升时标小于下降时标。在部分γ射线暴中,X射线耀发的亮度达到瞬时辐射的亮度。X射线耀发的持续时间与峰值时间具有线性关系。X射线耀发的光谱比X射线余辉的光谱硬。早期X射线耀发与晚期X射线耀发相比,其脉冲轮廓较窄,光谱较硬。X射线耀发产生的物理过程类似于γ射线暴瞬时辐射的物理过程。在火球(fireball)模型中,内部壳层之间发生碰撞,产生的内激波加速电子,电子的同步辐射产生X射线耀发。当火球扫过星际介质,外激波加速电子时,电子的同步辐射也可产生X射线耀发。在光球(photospere)模型中,能量耗散发生在光学厚的区域,热辐射的光谱峰值落在X射线能段附近,γ射线暴的喷流在光球半径处会产生X射线耀发。如果射线暴喷流由坡印亭能流主导,喷流就会与星际介质相互作用,磁场的不稳定性使磁场发生耗散,产生的能量形成X射线耀发。γ射线暴的喷流具有几何效应。一部分同步辐射可能发生在喷流辐射面的高纬度处。由于曲率效应(curvature effect),各向异性辐射与各向同性辐射相比,X射线耀发的峰值出现较晚。此外,在γ射线暴发生后,黑洞会间歇性地吸积外部介质。在吸积过程中,黑洞周围的磁场会调节吸积的速率和喷流中的能量,这是出现多个X射线耀发的原因。     

Blazars的聚束效应

本文对Blazars的聚束效应及相关的理论作了较全面的综述，指出了一 些有待进一步探讨的问题和需要进一步完善的理论，并对其中几个具体问题进行研究，得到了一些新结果。第一章简单介绍了活动星系核的特征、分类及其标准模型。第二章综述了Blazars的基本性质、对Blazars的谱特征、高光度、高偏振、激烈光变、超光速现象和高能辐射等作了介绍。第三章介绍了相对论喷流模型，以及利用相对论喷流模型解释Blazars的极端观测特性，如用相对论喷流模型从理论上解释了Blazars的高光度、剧烈光变及高能量转换率，偏振方向的快速变化，超光速现象，发射线和高能辐等能观测特性。同时介绍了喷流具有相对论性的观测证据并重点介绍了喷流的加速和减速两个理论模型。第四章是聚束效应的几项具体研究工作，首先分析了28个BL Lac天体，24个核优势高偏振类星体，29个核优势低偏振类星体，以及11个瓣优势低偏振类星体的射电和光学流量，证实具有相对论喷流的AGNs的Doppler提升效应确实存在，且很明显，光学和射电是高度聚束的。最小光变时标是一个及其重要的物理理，短时标光变能给人们提供大量的信息。但最小光变时标一般是在不同波段探测到的。利用加速模型，我们从理论上导出了一个联系各波段最小光变时标的公式，可把观测到的不同波段最小光变时标转换为同一波段的最小光变时标。利用该公式，把观测到的29个Blazars的不同波段最小光变时标转换为γ波段的最小光变时标，我们分析了这些对象光度与光变时标的关系，证实了Blazars的γ射线是高度聚束的。我们还研究了Blazars的偏振，发现偏振也是和聚束效应密切相关的，对Blazars的高能辐射也作了一些探讨，发现同步自康普顿模型能较好的解释Blazars天体的γ辐射。另外，提出一个新的喷流的电子注入模型，成功的解释了射电选Blazars天体在爆发时的谱硬化现象。     

伽玛射线暴及其余辉研究进展

伽玛射线暴是一种来自宇宙空间随机方向的短时间内伽玛射线突然增亮的现象。伽玛射线暴虽然早在1967年就由Vela卫星观测到,但直到1997年人们才通过余辉观测确定其寄主星系,并通过寄主星系的红移最终确定了伽玛射线暴的宇宙学起源。对伽玛射线暴研究概况进行了评述:详细介绍了伽玛射线暴及其余辉的观测进展,特别是近期Swift卫星和Fermi卫星带来的新发现;系统描述了伽玛射线暴标准火球模型、伽玛射线暴余辉物理(相对论性外流与暴周环境介质的相互作用过程、辐射产生机制等)及伽玛射线暴的前身星等。也对伽玛射线暴的未来研究进行了展望。     

r射线暴的时变分析

r射线暴是天空中突然的硬x射线r射线爆发现象，有着非常复杂的光变曲线。由于光变现象和辐射过程直接相关，因此，研究r射线暴的时变规律是非常重要的。对7射线暴的一些时变现象以及通过时变研究得出的分类、脉冲形状、功率谱、时间演化、光度等性质进行了总结，并对一些结果进行了讨论。     

具平缓电子能谱的伽玛射线暴的解析光变曲线

在标准的伽玛暴余辉模型中,电子通过费米一级加速后形成单幂律能谱分布dn/dγe∝γe-p(p≈2.3),但在某些伽玛暴事件中观测到了平缓的电子能谱分布(即p＜2).在单幂律谱和分段幂律谱两种情况下,分别给出了具有平缓电子能谱的伽玛暴余辉的解析光变曲线,并以GRB 060908为例进行了讨论.同时提出了伽玛暴低能谱危机的...     

γ射线暴的时变分析

γ射线暴是天空中突然的硬X射线/γ射线爆发现象,有着非常复杂的光变曲线。由于光变现象和辐射过程直接相关,因此,研究γ射线暴的时变规律是非常重要的。对γ射线暴的一些时变现象以及通过时变研究得出的分类、脉冲形状、功率谱、时间演化、光度等性质进行了总结,并对一些结果进行了讨论。     

γ射线暴研究概况

γ射线暴(简称γ暴)的研究自1997年以来由于余辉的发现而有了很大的突破。在此，对γ暴的观测作了简要的概述，而对γ暴的理论进展和存在问题进行了较为全面的评述，内容包括γ暴本身、余辉、能源机制、寄主星系、暴周环境、高能粒子和引力波辐射、宇宙学意义等。     

Blazars的聚束效应

本文对blazars的聚束效应及相关的理论作了较全面的综述 ,指出了一些有待进一步探讨的问题和需要进一步完善的理论 ,并对其中几个具体问题进行研究 ,得到了一些新结果。第一章简单介绍了活动星系核的特征、分类及其标准模型。第二章综述了blazars的基本性质 ,对blazars的谱特征、高光度、高偏振、激烈光变、超光速现象和高能辐射等作了介绍。第三章介绍了相对论喷流模型 ,以及利用相对论喷流模型解释blazars的极端观测特性 ,如用相对论喷流模型从理论上解释了blazars的高光度、剧烈光变及高能量转换率 ,偏振方向的快速变化 ,超光速现象 ,发射线和高能辐射等观测特性。同时介绍了喷流具有相对论性的观测证据并重点介绍了喷流的加速和减速两个理论模型。第四章是聚束效应的几项具体研究工作 ,首先分析了 2 8个BLLac天体 ,2 4个核优势高偏振类星体 ,2 9个核优势低偏振类星体 ,以及 1 1个瓣优势低偏振类星体的射电和光学流量 ,证实具有相对论喷流的AGNs的Doppler提升效应确实存在 ,且很明显 ,光学和射电是高度聚束的。最小光变时标是一个及其重要的物理理 ,短时标光变能给人们提供大量的信息。但最小光变时标一般是在不同波段探测到的。利用加速模型 ,我们从理论上导出了一个联系各波段最小光变时标的公式 ,     

长γ暴时域功率密度谱与光度的强相关

提供一个基于光变曲线的长γ暴光度的估计量．对BASTE记录到的12个已知红移的γ暴，利用时域上的时变分析方法计算了各暴的功率密度谱，用功率密度的峰值P表征光变曲线变化的剧烈程度．通过拟合发现在共动坐标系P与γ暴的各向同性峰值光度L之间存在着相关关系．这是继Norris等和Reichart等发现时间延迟与光度、变化率与光度的相关性之后又一个γ暴时变特征量与其光度之间的相关关系．     

视超光速源的统计分析

本文收集了视超光速源样本的有关观测数据，在同步加速自康普顿散射机制下导出了各源的多普勒因子，再利用视超光速源的相对论射束模型计算样本源的有关物理量，如射电光度和亮温度，并与它们的观测值作直接的比较，得到较好的相关结果。这些结果支持了活动星系核中具有相对论射束运动的假设。同时我们比较了样本源的射电、光学、Ｘ射线的发现它们之间有一定的相关性，说明在不同波段上的辐射机制可能存在某种联系。     

同步辐射瑞利-金斯波场对高能电子加速

由分析可知，在光学厚的介质中麦氏分布的极端相对论电子在磁场中能产生同步加速辐射，其辐射谱为瑞利—金斯谱．基于Fokker-Planck方程，这种波场对快电子的加速将产生幂律分布的电子能谱．考虑到日冕活动区的物理条件，在太阳耀斑中观测到的10Mev左右的电子能谱很可能就是由同步加速辐射加速快电子产生的．