伽玛射线暴瞬时辐射谱的研究

Gamma-ray burst is one of the most active areas in astronomy research. Due to its elusive behaviors, however, some fundamental issues of gamma-ray bursts remain to be fully resolved. One of these issues is the radiation mechanism of prompt emission. This project intends to study the spectrum of prompt emission based on the model of relativistic turbulence and our previous work. The focus of this project lies on the small bump in the low energy band, the spectral index α of the Band function, and GeV flux, which are observed in the prompt phase. Results, which may be found during the execution of this project, are shown as follows. (1) The spectra of prompt emission based on the model of relativistic turbulence are presented. (2) How to construct a small bump and a spectral index α in the low energy range of the Band function can be understood. (3) The expected luminosity of GeV emission in the synchrotron self-Compton radiation mechanism can be effectively suppressed.

伽玛射线暴的研究是目前天文学最活跃的研究领域之一。然而，鉴于其难于琢磨的特性，在伽玛暴的研究中仍存在着一些没有完全解决的基本问题，其中就包括瞬时辐射的形成机理。本申请项目拟基于我们先前的工作，研究相对论湍流模型的瞬时辐射谱，主要关注瞬时辐射谱中的低能段小鼓包、谱指数α及GeV辐射流量。通过本申请项目的展开，预期能够获得如下结果：(1) 给出相对论湍流模型的瞬时辐射谱；(2) 对低能段小鼓包、(Band谱)谱指数α的形成机理有进一步的理解；(3) 在同步自康普顿辐射模型下获得一种有效降低GeV辐射流量的方案。

伽玛射线暴这一爆发现象的观测和理论研究一直是天体物理学重要的研究对象，是引力波探测项目LIGO和Virgo、中微子探测项目IceCube等前沿探测项目的观测目标源之一，并于2017年取得了一些重要的观测结果。纵然如此，伽玛暴的一些基本问题仍然没有完全解决，主要涉及瞬时辐射物理、喷流动力学、中心引擎等问题。本项目的研究目标在于进一步研究伽玛暴瞬时辐射及其相关的喷流动力学过程。鉴于此，我们所开展的研究工作及取得的成果有：(1) 充分研究了瞬时辐射的快速下降段，理论给出了快速下降段的谱演化、流量演化公式，并基于数值模拟进行验证，这些结果深化了人们对于瞬时辐射特征的理解；基于这些理论结果并结合观测数据，给出了伽玛射线暴的辐射区位置、喷流洛伦兹因子、中心引擎的长时标演化等重要信息。(2) 针对瞬时辐射，我们构建了一种估计喷流洛伦兹因子演化的方法，并应用于GRB 160625B的第二个脉冲，得到了喷流洛伦兹因子随观测时间的演化，这个方法有助于人们研究伽玛暴喷流的组分；同时，基于外激波的能量注入行为，我们估计了(有先驱辐射的)瞬时辐射的喷流洛伦兹因子，并研究了X射线耀发的喷流洛伦兹因子、辐射效率等参数。(3) 研究了瞬时辐射的光变，通过类比活动星系核、X射线双星、伽玛射线暴，提出瞬时辐射的光变可能来自于超吸积盘。