伽玛射线暴的高能光子及相关中微子、宇宙射线的研究

Gamma-Ray Bursts (GRBs) are brief events occurring at the cosmological distance, which have been detected at photon energies up to GeV。The high-energy gamma-ray observations by Large Area Telescope (LAT) on Fermi Space Telescope, which is launched in June 2008, open a new window for GRB study. The origin of the high energy gamma-ray photons still leaves as a mystery. GRB is considered as one of the main candidates accelerating cosmic rays to ultra-high energy. If the bayon ratio of the GRB ejecta is high enough, then the accelerated particles can interact with GRB photons, producing very high energy neutrinos emission, which is detectable by kilometer-size telescope. Therefore, the detections on ultra-high-energy cosmic rays and very-high-energy neutrinos provide more approaches on the GRB study. Our project aims to constrain GRB models via the multi-messenger approaches, such as the high-energy photons, neutrinos and cosmic rays emissions, by combining the latest observations of nowadays greatest telescopes.

伽玛射线暴(简称伽玛暴)是发生在宇宙学距离的强烈的伽玛射线爆发事件, 探测到的光子能量高达GeV。 2008年6月发射升空的Fermi空间望远镜上的大面积望远镜(Fermi/LAT)的高能伽玛射线观测为伽玛暴研究开启了一个新的电磁观测窗口。伽玛暴高能伽玛光子起源仍存在很多疑问。伽玛暴被认为是加速极高能宇宙射线的主要候选者之一。若伽玛暴外流物重子含量足够高，则被加速的粒子可与伽玛暴光子反应，产生可被千米尺度的中微子望远镜探测到的甚高能中微子辐射。因此极高能宇宙射线和高能中微子的探测为伽玛暴研究提供了更多的研究手段。本项目主要结合当前几大望远镜的最新观测结果，通过伽玛暴的高能光子辐射、甚高能中微子辐射及极高能宇宙射线等多信使手段的研究来限制伽玛暴模型。

伽玛射线暴(简称伽玛暴)是发生在宇宙学距离的强烈的伽玛射线爆发事件，其被认为是加速极高能宇宙射线的主要候选者之一。中微子和极高能宇宙射线是探测宇宙的最强的探针，极高能宇宙射线和高能中微子的探测为伽玛暴研究提供了更多的频道。我们的研究工作结合了对高能光子、高能中微子及甚高能宇宙射线的最新观测和最新研究结果，解释伽玛暴的多波段辐射机制，限制伽玛暴模型参数，研究伽玛暴起源的中微子，并通过中微子观测限制伽玛暴模型，及检验伽玛暴与极高能宇宙射线之间的联系。. 具体的，我们对Fermi、Swift等望远镜对伽玛暴光子辐射的多波段观测进行拟合，研究了伽玛暴的辐射机制，限制了伽玛暴外流的洛伦兹因子，并且限制了不同伽玛暴的不同的中心能源机制。通过IceCube望远镜对高能中微子的观测研究伽玛暴起源的中微子，并结合高能光子观测得出结论：普通伽玛暴不能贡献目前观测到的全部高能中微子。我们提出了与红超巨星成协的失败伽玛暴喷流模型，来解释IceCube最新的观测结果，限制了产生中微子的失败伽玛暴喷流的中心能源机制时标，并对未来中微子观测做出预言，并为IceCube数据处理提供了新的双成分模型。通过极高能宇宙射线的观测数据检验伽玛暴与极高能宇宙射线的联系，限制了单一伽玛暴作为Telescope Array极高能宇宙射线热斑起源的能量下限，以及能产生大量伽玛暴的恒星形成星系的远红外光度。我们首次建立了一个普适的数值方法，即蒙特卡洛贝叶斯推断方法，来分析Telescope Array 观测到的极高能宇宙射线热斑，从而推断出其可能的源候选体的坐标，并进一步限制宇宙射线传播路程中的磁场。这一普适的方法可被用于未来观测到的更多热斑上去。