伽玛射线暴高能辐射及相关磁星模型的研究

Since the successful launch of Fermi satellite, more and more gamma-ray bursts (GRBs) have been detceted by Fermi-LAT telescope. These GRBs show plentiful details of high energy emission in GeV band. The origin of GRBs' high energy emission is still a controversial topic. The central engine of GRB is constrained to be a compact star, neutron star or black hole, by the observation of GRB's prompt emission. A magnetar is a neutron star with ultra high magnetic field, it can release its huge rotational energy by magnetic dipole radiation. A new born magnetar, with rotational period of millisecond and magnetic field higher than 10 to the power of 15 Gauss, may be the central engine of GRB. We will study the origin of GRB's high energy emission and the related magnetar model. The contents of the project are listed as follow: (1) Studying the overll light curve of GRB, from prompt emission to the afterglow, by combining the multiband observation of space and ground telescopes. (2) Studying the GRB cosmology with our new discovery of GRB luminosity correlation, which can be explained well by the model of energy injection from magnetar. (3) Studying the interaction between ultra-relativistic electron pairs and GRB photons, trying to expain the GRB high energy emission.

随着Fermi卫星的上天，越来越多的伽玛射线暴被观测到具有高能的GeV辐射，高能辐射的起源成为一个有争议的热点课题。伽玛射线暴的瞬时辐射特征要求其中心引擎必然是致密天体：中子星或黑洞。具有极高磁场强度的中子星- - 磁星，通过磁偶极辐射可提取其巨大的转动能。自转周期为毫秒量级、磁场高达十的十五次方高斯以上的磁星可能是伽玛射线暴的中心引擎。本项目拟对伽玛暴高能辐射起源及其相关磁星模型展开理论研究，具体内容包括：（1）结合空间及地面望远镜的多波段观测数据，对从瞬时辐射到余辉辐射的整个光变曲线给予全面解释；（2）磁星能量注入模型可以很好地解释伽玛暴余辉平台，我们曾发现此类伽玛暴子样本的多个观测量之间具有紧致关系，我们将以此作为一种宇宙学的标准烛光，进行伽玛暴宇宙学的研究；（3）研究磁星产生的极端相对论性电子与伽玛暴光子之间的相互作用过程，并用其来解释伽玛暴的高能辐射。

随着Fermi卫星对伽玛射线暴观测的数据不断增加，伽玛暴高能辐射及其各个观测量之间的关系显得尤为重要。本项目对伽玛暴观测量之间的关系做了详细研究，发现具有余辉平台结构的伽玛暴子样本，其伽玛暴静止参考系下的平台结束时标、此时刻的余辉X射线光度及暴本身瞬时阶段释放的各向同性伽玛射线能量三者之间存在一个紧致的三参数关系。通过增加样本数量，我们应用此关系对宇宙学参数进行了一定限制。本项目还详细研究了刚诞生的毫秒磁星的辐射问题，发现对于磁倾角快速演化的磁星，其辐射情况正好可以用来解释伽玛暴的整个光变曲线。应用此模型，我们很好地拟合了GRB 061121和GRB 090426的整个光变曲线。本项目还研究了磁星自转加快对伽玛暴辐射的影响，发现磁星辐射光度增加使得伽玛暴余辉光变曲线中产生一个增亮相。应用此模型，我们很好的解释了GRB 100814A的多波段观测。此系列研究引起了国内外同行的一定关注，特别是我们提出的伽玛暴三参数关系是我们所独创的，至今已被引用十多次。