伽玛射线暴及其中心致密天体的多信使研究

The multi-wavelength study of gamma-ray bursts (GRBs) has acheived great sucsesses in the past decade. Recently, the developments in the neutrino and gravitational wave (GW) detections are bringing about the birth of the multi-messager era of GRB researches. Based on our previous works, we propose this project which includes three aspects of studies as follows: (1) Since the central compact objects of some GRBs are usually suggested to be millisecond magnetars, we will design a scenario to explain how a newly born neutron star (NS) can become a magnetar. With the obtained structure and strength of the stellar magnetic field, we will further estimate the deformation of the star and its consequent lasting GW radiation. (2) For the electromagnetic countparts of the GW bursts during double NS mergers, we will investigate the mergernova emission by considering the intermidiate energy release from the magnetar and the fall-back accretion onto the magnetar. More importantly, the interaction between the magnetar wind and the merger ejecta will be analyzed carefully by following a careful calculation of the wind dissipation and emission. Finally, we will also consider the mergernova afterglow emission in a wind bubble evironment. (3) The recent IceCube detection has provided a strigent constraint on the GRB neutrino emission. We will reestimate the contribution to the cosmic diffuse neutrino emission by GRBs with a temporal evolving seed photon spectra and the lastest GRB statistical results.

伽玛暴的多波段研究迄今已取得了巨大的成就。近年随着中微子、引力波等探测能力的提升，伽玛暴的多信使研究时代业已到来。在此背景下，基于申请人现有研究基础，拟开展如下几项工作：（1）鉴于某些伽玛暴中心致密天体常常被认为是毫秒磁星，拟建立模型描述新生中子星转变为磁星的可能机制。进而基于对磁场结构和强度的认知，计算星体的形变及其导致的持续引力波辐射。（2）针对双中子星并合引力波辐射的电磁对应体问题，首先探讨毫秒磁星间歇性能量释放等过程对并合新星（mergernova）辐射的影响，其次在厘清磁星星风的耗散和辐射过程的基础上，研究星风和并合抛射物相互作用的细节特征。最后，考察在特殊环境下的并合新星余辉辐射。（3）现有IceCube观测已为伽玛暴中微子辐射提供了重要限制。拟在伽玛暴时间演化能谱的观测基础上计算时间演化的中微子辐射谱，并结合最新伽玛暴统计结果，细致评估伽玛暴对宇宙中微子背景辐射的贡献。

本项目的立项，最主要是为了因应伽玛射线暴（特别是双中子星并合引力波事件）多信使研究时代的逐渐开启，计划对相关多信使辐射过程特别是引力波事件的电磁对应体开展理论预研究。而在项目的执行期间，国际上对引力波及其电磁对应体的探测均取得了历史性的突破，从而极大地丰富了和更加具体化了本项目的研究内容。一方面，在原有研究基础上，本项目从模型角度深入分析了中子星星风与并合抛射物相互作用的具体动力学过程，预言了抛射物细致的多波段辐射特征（特别是X射线激波突破辐射）。另一方面，着重结合最新天文观测（光学暂现源巡天观测和引力波事件电磁对应体观测）结果，利用中子星供能的并合新星模型为PS1暂现源和GW170817引力波事件的光学对应体AT2017gfo做出了合理解释，通过对观测候选体的认证实现了对并合新星模型的有效检验和限制。这些研究结果的重要意义在于：（1）为GW170817引力波事件及AT2017gfo辐射起源提供了一种全新的物理认识，（2）为并合产物的属性和物态提供了强烈的限制（论证了双中子星并合产生大质量中子星的重大可能性），（3）为近年发现的一些特殊暂现源提供了可能的理论解释。此外，基于超亮超新星和快速射电暴方向的重大观测进展，本项目还适时拓展了本项目的研究内容。一是揭示了超亮超新星中心磁星的统计性质及耀发行为，为统一超亮超新星和长伽马暴等极端恒星爆发现象奠定了重要的基础。二是限制和检验了快速射电暴的多种起源模型，如年轻中子星活动、双致密星并合、超导宇宙弦爆发等。