浅说伽玛射线暴

特大质量恒星超爆——γ射线爆发——中子星与中子星火并然后坍缩成黑洞——黑洞吞吃中子星……宇宙中的大规模物质转换过程用"山崩地裂"、"石破天惊"都远不足以形容其万一。     

伽玛射线暴的层层迷团

几十年来,天文学家一直感到困惑的是,宇宙中不知道什么地方,突然像闪光灯一样亮了一下,又恢复了平静。当然,天文学家绝不会认为这是外星人在偷偷地向地球拍照,这是一次高能量的伽玛射线爆炸（见图1）。     

伽玛射线暴还是超新星？

“超新星”SN 2008D,第一个人们实时观测到的超新星爆发（见《天文爱好者》2008．7“宇宙信息”）,又给人们带来了新的惊喜。最新研究表明,它并不是一次纯粹的超新星爆发事件,也不是能量更高的伽玛射线暴,而是两者的混合体。     

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。     

发现和伽玛射线暴成协的超新星

伽玛射线暴是天空中某个方向上短时间在伽玛射线波段的猛烈爆发。今年3月29日世界时11时37分15秒,HETE-2卫星(高能暂现源探测器)在狮子座方向探测到了一个持续了25秒以上的伽玛射线暴GRB030329,并在很短的时间把其位置坐标传回了地面。地面上许多     

双黑洞并合与黑洞逆向吸积

黑洞是广义相对论理论预言的天体,也是很多天文现象,如类星体、活动星系核、喷流、吸积盘的中心引擎。根据广义相对论,宇宙中的黑洞可以由质量和自旋两个参数来描述。对比黑洞质量的测定,自旋的测量较为困难。但自旋的方向与很多天文现象密切相关。如果黑洞自旋方向与吸积盘的转动方向一致,将形成正向吸积的天文现象;反之,如果黑洞自旋的与吸积盘的转动方向相反,将形成逆向吸积的天文现象。利用宽线区尺度与光学光度之间的关系,最近的研究发现了逆向吸积盘的可能候选体。利用双黑洞并合的物理图像提出了一种逆向吸积盘的物理形成机制,并定量计算了相关的逆向吸积盘形成率。发现了超大质量双黑洞系统的质量比分布与类星体逆向吸积盘的形成率之间存在定量关系,该定量关系可以通过未来的空间引力波探测以及逆向吸积盘的探测进行检验。     

尘埃消光对伽玛射线暴余辉的影响

为了研究尘埃消光对伽玛射线暴余辉的影响,基于严格的Mie理论和最新的星际尘埃光学性质,进行了高精度的数值计算,并分析具有不同物理参数的尘埃所产生的消光曲线.结果表明,介质密度和金属丰度是决定消光总量的主要物理参数,而尘埃颗粒大小的分布则是产生不同消光曲线轮廓的重要物理参数.如果尘埃颗粒相互聚集形成导致尺度增大,将产生较平或者较灰的消光曲线,同时绝对总量将减少;相反,如果尘埃颗粒由于某种原因发生离解导致尺度变小,将产生较陡的消光曲线,同时消光总量将增加.这些结果将对理解光学暗暴的形成机制提供重要的启示.     

高能辐射机制与伽玛射线暴瞬时辐射的研究

<正>伽玛射线暴(简称伽玛暴)是宇宙中最为猛烈的高能爆发,它是一种随机出现的短时标脉冲式现象,自20世纪60年代被Vela卫星发现以来,一直都是天体物理学家所关注的研究热点.1997年Beppo SAX卫星首先发现了伽玛暴的余辉,后来又帮助测定了伽玛暴的红移,因而确定伽玛暴是起源于宇宙学距离上的现象.现在通常认为,持续时标长于2 s的长暴起源于大质量恒星的坍缩,而时标短于2 s的短暴来自双致密星的并合.对伽玛暴的研究可以帮助人们了解极端相对论、极端高能条件下的物     

GRB 130427A/SN 2013cq与伽玛射线暴-超新星成协

从1998年4月初步确认GRB 980425/SN 1998bw成协,至2013年9月确认GRB130831A/SN 2013fu成协,共有11对伽玛暴与超新星成协事件通过光谱学方法得到确认。对伽玛暴-超新星成协的详细研究大大深化了人们对伽玛暴与Ic型超新星的认识,并推进了人们对大质量恒星演化、死亡以及爆发机制的研究:对它们的多波段余辉的性质以及超新星光谱的观测与分析间接地揭示出伽玛暴-超新星中心引擎的性质。这些事件中,GRB 130427A/SN 2013cq具有特殊的重要性:它是近距离宇宙中唯一的高能、高亮度的伽玛暴,它的GeV辐射挑战了当前的伽玛暴辐射机制,伴随它的明亮光学闪提供了爆炸本性的有用线索,伴随它的SN 2013cq是伽玛暴成协的超新星中动能最大的超新星之一,对伴随它的中微子探测的零结果也对伽玛暴的瞬时辐射模型给出了有用的限制。总结了GRB 130427A/SN 2013cq的重要观测结果,这对于探索伽玛暴-超新星成协的本质及伽玛暴瞬时辐射和余辉的细节性质有非常重要的研究价值。     

软伽玛射线再暴体（SGRs）研究进展

对SGRs的主要观测特征－－在软伽玛射线波段的重复爆发及持久性的周期的X射线辐射－－进行了回顾，介绍了SGRs的一些理论模型，其中磁星（具有甚强磁场的中子星）模型较合理地解释了现有的观测事实。     

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.     

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。     

伽玛暴及其早期X射线余辉的观测特征

Swift卫星的X射线望远镜观测揭示部分伽玛暴的早期余辉光变曲线有一个缓慢衰减的成分,而相当一部分却没有这样的成分.研究比较这两种暴的观测性质发现两类暴的持续时间、伽玛辐射总流量、谱指数、谱硬度比峰值能量等物理量均没有显著差异.然而有该成分的那些伽玛暴谱比较软、早期X射线余辉比较弱、伽玛射线辐射效率显著高于没有这个成分的那些暴.结果表明两类暴的前身星和中心机制一致,是否呈现这个缓慢衰减成分可能取决于外部介质.     

ALMA探秘伽玛暴

宇宙中最剧烈的爆炸当属伽玛暴（Gamma—Ray Burst,简称为GRB）。我们知道光本质上就是电磁波。而电磁波具有一个宽泛的波长范围,不同的波长对应不同类型的电磁辐射。不同波长的辐射对应的能量也大不相同（图1）。波长越短的电磁波携带的能量越强。在实际的研究中,天文学家也主要是依靠遥远的天体发出的各种波长的电磁波来研究它们。图1中最右端、波长最短的电磁波即为伽玛射线。     

黑洞吸积盘理论进展

在已知的四种黑洞吸积盘模型中，Shapiro-Lightman-Eardley(SLE)盘是不稳定的，细（Slim)盘研究得还不够，较为成功的是最早建立的Shakura-Sunyaev盘（SSD）和近年成为热点的径移主导吸积流（ADAF）。SSD和ADAF看来分别适用于吸积流中离黑洞较远和较近的区域，故二者的结合即ADAF＋SSD模型有望对黑洞吸积流作出较为完整的描述，但这个结合模型也还有不少未解决的问题。     

黑洞吸积的双模式特征

黑洞吸积必定是跨声速的。对于静态、绝热吸积流,比能量E、比角动量L和质量吸积率M都是空间的常量。跨声速解的非奇异条件,F(E,L,M)=0,使独立参数减为只有两个。对于一对给定的E和L的符合条件E_c>E>E_(Barr)的值(这里E_c是一临界值,E_(Barr)是引力和离心力的联合势垒),上述非奇异条件给出两个不同的吸积率值,对应着两个不同的吸积流声速点位置。然而,物理上合理的整体解却是唯一的,它总是使两个吸积率值中之较小者得到实现。 对于一个不转动的黑洞,吸积以两种模式之一进行。一是类球吸积或称Bondi吸积,角动量的影响和相对论效应均微不足道;另一是盘吸积,这两个因素起决定性作用。两种模式之间的转换是基于声速点位置的间断性跳跃,而这种跳跃是由吸积流参数(例如角动量)的连续变化所引发。Bondi吸积可称为高态而盘吸积为低态,因为前者总对应着较高的吸积率。 随时间变化的吸积流很可能在这两种模式之间来回振荡,呈现出周期性或准周期性或无规则行为。这可以用来解释天鹅座X-1和若干活动星系核的光变现象,从而为黑洞的存在提供有力的观测依据。     

毫秒磁星作为伽玛射线暴中心引擎的研究

正伽玛暴是一种短时标的高能光子爆发现象.通常把持续时间短于～2 s的暴称为短暴,长于～2 s的暴称为长暴.大量观测已经证实,长暴起源于大质量恒星的塌缩,因而与超新星成协.短暴最可能的起源是致密双星并合.目前,伽玛暴研究的一个核心问题是确定其中心引擎究竟为黑洞还是中子星.本文第1章详细阐述了相关进展.数值模拟发现黑洞可产生相对论喷流,因而可作为伽玛暴的中心引擎.然而,有一些观测特征似乎     

Swift时代伽玛射线暴及其余辉的多波段研究

<正>伽玛射线暴(简称伽玛暴)是一种来自太空任意方向的伽玛射线(ε_γ≈0.1～1 MeV)脉冲式辐射现象,暴后一般伴随有长时间的低频余辉辐射.为了对早期余辉乃至瞬时辐射进行多波段观测,美国国家航空航天局(NASA)于2004年11月发射了专门用于伽玛暴研究的Swift卫星.该卫星工作以来,以其快速响应与精确定位的能力和多波段观测的手段取得了一系列令人瞩目的成就(本文第1章将对     

再探伽玛射线暴中能量与脉冲宽度的依赖关系

探索来源于BATSE(http://cossc:gsfc:nasa:gov/batse)的GRB(Gamma-Ray Burst,伽玛射线暴)观测数据的半峰宽度(FWHM)与能量之间的关系,基于64个用KRL函数模型(即,文[1]中的(22)式)能很好地拟合的FRDE(Fast Rise and Exponential Decay,快速上升指数下降)型脉冲样本。发现64个样本中有63个的半峰宽度(FWHM)与能量之间的关系属于平台—幂率—平台型结构或峰型结构。64个样本的半峰宽度(FWHM)与能量之间的关系在观测中可详细分为5种类型:a)有34个样本为幂率形式关系;b)18个样本为低能段平台关系;c)有7个样本为高能段平台关系;d)4个样本为峰型结构关系;e)另外有1个样本为其他结构。结果表明:GRB观测数据的半峰宽度(FWHM)与能量之间的确存在有幂率的关系。此结果进一步确认了文[2](Qin etal 2005)的观点,即半峰宽度(FWHM)与能量之间的关系是由于火球模型的多普勒效应(Doppler effect)导致的。     

伽玛暴宇宙学的研究

伽玛射线暴(简称伽玛暴,gamma-ray burst (GRB))是一种来自宇宙空间中的伽玛射线波段流量突然增亮的现象,最早由Vela卫星在1967年发现.1997年人们通过余辉测得了伽玛暴的红移,从而确定了其宇宙学的起源.伽玛暴宇宙学包括用长暴的标准烛光关系限制暗能量和宇宙学参数,用长暴研究高红移的恒星形成率,研究金属丰度的演化、尘埃及量子引力等.