伽玛射线暴与相关天体物理问题的研究

伽玛暴及其余辉的研究是天体物理中最前沿的领域之一。Swift和Fermi的观测为该领域注入了新的活力。尽管Swift卫星在过去五年里为我们提供了一个多波段研究伽玛暴的机会，回答了Swift之前的一些疑问，但同时也提出了更多值得研究的大问题，包括中心天体性质和能量产生、喷流的成份和演化、伽玛暴瞬时辐射区位置和机制、多波段余辉和X射线耀发模型、与伽玛暴相关的天体物理问题等。基于这样的现状，本项目将首先紧扣Swift和其它天文设备最新的观测开展研究，试图为这些迫切需要解决的问题提供一些可行的解决方案。本项目也将研究伽玛暴及其余辉的高能辐射过程，并将理论工作置于Swift和Fermi卫星的联合观测的限制之下，通过理论与多波段观测的比较，提出新的辐射模型，同时研究相关的天体物理问题（如高能伽玛光子的再辐射过程和带电粒子加速机制等）。本项目还将研究伽玛暴宇宙学，并用高红移伽玛暴研究早期宇宙的性质。

伽玛射线暴是来自宇宙空间的短时标的伽玛射线爆发现象，是研究极端条件下物理过程和宇宙演化的重要探针。1997年BeppoSAX卫星等发现多波段余辉。2004年发射的Swift卫星发现了早期X射线余辉和X射线耀发，2008年发射的Fermi卫星探测到高能辐射。这些新的观测发现为研究中心引擎、辐射机制、中微子辐射、伽玛暴宇宙学等关键问题提供了观测基础。本项目结合Swift和Fermi卫星等的观测数据对这些关键问题做了一系列研究，取得了如下重要成果：（1）首次统计研究了X射线耀发的辐射能量、持续时间和等待时间的分布，并把这些分布与太阳耀斑的相应分布做了比较，发现两类完全不同的爆发现象具有相似的分布，推断X射线耀发的触发机制可能是磁重联；（2）建议双中子星并合之后的天体是毫秒磁星，研究了磁星驱动的余辉辐射，并通过拟合PTF11agg的光学和射电余辉辐射，表明该暂现源很可能是双中子星并合之后的余辉辐射；（3）基于塌缩星模型，提出回落的超临界吸积盘供给中心磁星新的角动量，解释了早期余辉的增亮现象；（4）统计发现早期余辉平台的X射线光度、平台期的结束时间及伽玛暴的各向同性能量三个参数之间存在一个比较紧密的关系，证明了中心引擎是磁星；（5）发现外激波过程不足以解释Fermi/LAT观测到的瞬时高能辐射，因而早期高能辐射必须来自某种内部耗散过程，而晚期>10GeV的光子不能用同步辐射机制解释，指出这些光子应该起源于外部逆康普顿或同步自康普顿机制；（6）改正了Icecube团组对中微子流量的错误理论计算，指出目前IceCube的观测结果并不能排除伽玛暴重子火球产生中微子辐射的标准模型；（7）发现恒星形成星系中的巨超新星加速的宇宙线在传播时与周围气体物质碰撞能产生观测到的高能中微子；（8）计算了低光度伽玛暴的相对论喷流在穿越包层时产生的高能中微子能谱，发现该能谱与包层的密度分布有关；（9）利用伽玛暴的多个关系和其它天文观测限制了宇宙学参数和暗能量性质，发现物质密度的最佳值为0.31；（10）用星系对的数据和其它天文观测，指出void模型不能成立，证明暗能量必须存在；等等。本项目共发表SCI论文69篇，其中Nature Physics 1篇，ApJ系列42篇，MNRAS 11篇，A&A 5篇，PRD 4篇。另外，在人才培养方面，培养的博士生中有2人是全国优博论文获得者，1人获全国优青。