伽玛射线暴瞬时辐射相关的喷流动力学研究

In this project, we study the dynamic processes of jet associated with the prompt emission of gamma-ray bursts (GRBs). The jet's fluctuations, internal shock model, and the evolution of Poynting flux dominated jet are explored. Combined with observational data, we explore the radiation physics of GRBs' jet. (1) We try to obtain the fluctuations of jet and investigate the origin of these fluctuations. In addition, the fluctuations presented in the X-ray bumps of GRBs are also explored. (2) In the "photonsphere + internal shock" model, the radiation from the photonsphere and that from the internal shocks are detached in order to study the dynamics of photonsphere and internal shocks. (3) The evolution of Poynting flux dominated jet is estimated and the observational characteristics of Poynting flux dominated jet are our focus. The formations of Band function spectrum are also studied. (4) The radiation efficiency, Lorentz factor, and the dissipation location of jets producing the X-ray flare, the X-ray bump, and the internal plateau are studied. The similarities of these jets and the jet producing prompt emission are also explored.

本项目研究重子火球、磁主导喷流涉及瞬时辐射的喷流动力学过程，主要包括喷流涨落、内激波动力学、磁主导喷流动力学，并结合观测数据，探究瞬时辐射物理。(1) 获得伽玛暴喷流自身的涨落行为并探究其起源，解释X射线鼓包上的涨落行为。(2) 在“光球层+内激波”辐射主导的伽玛暴中，分离光球层、内激波辐射成分，探究光球层辐射物理及内激波动力学过程。(3) 研究磁主导喷流的动力学演化，给出磁主导喷流的独特观测特征及Band谱的形成机理。 (4) 研究伽玛暴X射线耀发、X射线鼓包、内部平台的喷流辐射效率、洛伦兹因子、辐射区位置等信息，并探究这些喷流与产生瞬时辐射的喷流的异同点，以了解伽玛暴喷流的耗散机制。

伽玛暴瞬时辐射的物理，历经五十余年仍未解。本项目按照计划针对瞬时辐射物理及其相关的喷流动力学开展研究工作，取得一系列研究成果，有：(1) 研究了瞬时辐射Band谱物理，包括发现随时间快速增加的电子注入率能够在同步辐射框架下产生类似Band函数的辐射谱；构建方法以拟合观测数据得到产生辐射的电子能谱，应用于研究GRB 180720B和GRB 160509A，发现得到的电子能谱在低能段为鼓包，而非幂律函数。(2) 研究伽玛暴喷流光球层辐射的涨落，基于此分析具有黑体辐射成分的伽玛暴，揭示喷流动力学。(3) 针对引力波暴及其电磁对应体GW170817/GRB 170817A/AT 2017gfo开展系统性研究，包括基于GRB 170817A与GW170817的时间延迟，揭示喷流发射时刻；拟合AT 2017gfo观测数据发现其中可能存在脉冲星风云辐射成分，暗示该双中子星并合剩余致密产物为中子星；对比分析GRB 170817A晚期余辉与(喷流拐折前)具有晚期鼓包的伽玛暴余辉，揭示这类特殊余辉可能来源于结构化喷流在自由星风-激波化星风的暴周环境中穿行；提出喷流的进动可能是结构化喷流的一种起源。(4) GRB 160625B是近年观测到的亮暴之一，我们系统研究了其第二次爆发的第一个脉冲，包括基于此脉冲的高能截断能谱，提出方法估计喷流洛伦兹因子演化，发现相应喷流的洛伦兹因子不随时间改变；揭示该脉冲所呈现的奇特谱延迟的物理，并系统研究了Fermi卫星所观测到的92个形态较好的瞬时辐射脉冲的谱延迟和辐射物理；基于外激波动力学，揭示相应喷流的体洛伦兹因子。除此之外，我们也参与完成了多项相关研究工作，包括基于具有喷流拐折的余辉观测数据，揭示喷流动力学参数；基于GRB 120729A等单脉冲暴，揭示类似单脉冲暴从瞬时辐射到余辉均起源于外激波同步辐射；针对GRBs 140423A、150910A、110715A、170714A等开展独立的个暴分析研究和针对X射线余辉开展大样本统计研究，揭示伽玛暴辐射物理、中心引擎和暴周环境。项目执行期间，共计在天文国际权威刊物ApJL、ApJ、MNRAS上发表SCI论文24篇(第一和或通讯作者12篇)，培养硕士生14名、博士生1名，5名硕士生均在ApJL/ApJ/MNRAS上发表研究论文1-2篇。