【摘 要】
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伽玛射线暴(以下简称为伽玛暴)是一种发生在宇宙学尺度上的高能爆发现象,它在极短的时间内释放出了极高的能量。爆发的瞬时辐射阶段能量主要集中在伽玛射线波段,所以称之为伽玛暴。人们在20世纪60年代末偶然发现了这种现象;在经过了半个多世纪的研究之后,对伽玛暴的研究取得了长足的进展。通过对爆发后持续时间较长的多波段余辉辐射的观测和研究,学者们建立了伽玛暴余辉辐射的标准模型,大大加深了对伽玛暴物理起源、辐射
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伽玛射线暴(以下简称为伽玛暴)是一种发生在宇宙学尺度上的高能爆发现象,它在极短的时间内释放出了极高的能量。爆发的瞬时辐射阶段能量主要集中在伽玛射线波段,所以称之为伽玛暴。人们在20世纪60年代末偶然发现了这种现象;在经过了半个多世纪的研究之后,对伽玛暴的研究取得了长足的进展。通过对爆发后持续时间较长的多波段余辉辐射的观测和研究,学者们建立了伽玛暴余辉辐射的标准模型,大大加深了对伽玛暴物理起源、辐射机制、中心引擎的性质、周围环境的结构等认识。长伽玛暴与超新星成协的观测结果帮助人们建立了长暴的大质量恒星塌缩模型;2017年观测到的短伽玛暴与引力波事件成协则表明双中子星的并合过程至少是部分短伽玛暴的起源。伽玛射线暴及其余辉的相关研究综合了伽玛射线、X射线、紫外线、光学、红外线、毫米波、射电等电磁波段的观测途径。此外,人们也相信伽玛射线爆发过程也能产生一些非电磁波信号,包括引力波、宇宙射线和中微子等。伽玛暴的相关研究在高能天体物理领域有着举足轻重的地位。在刚刚开启、方兴未艾的“多信使天文学”时代,相信这种极端天体物理现象可能会给我们带来更多惊喜。近年来,Fermi/LAT卫星对伽玛暴的观测表明,在伽玛射线暴的瞬时辐射阶段,存在着能量高达Ge V的光子。大多数人认为伽玛暴瞬时辐射能谱的主要成分是由同步辐射贡献的,但简单的同步辐射模型难以解释观测到的高能光子。一般认为,能量如此之高的光子的产生过程与逆康普顿散射息息相关。本文主要研究了伽玛射线暴瞬时辐射阶段高能辐射的逆康普顿散射起源,讨论其产生的条件与可观测性,也简要讨论了另一种宇宙中特殊爆发现象快速射电暴的起源问题。本文的具体组织结构如下:本文的第一章作为引言,主要介绍了伽玛暴相关研究的历史和观测性质。伽玛暴根据持续时长可以划分为长暴和短暴,而这两者大致能对应大质量恒星塌缩和双致密星并合这两种天体物理起源。在伽玛暴的瞬时辐射中,人们发现瞬时辐射的能谱中可能存在着三种不同成分,包括分段幂律形式的Band谱、(准)热成分谱和额外的幂律形式的高能谱。本文也介绍了这部分额外的高能谱在时间上的一些特征,包括高能光子的延迟到达等。在这一章的最后,我们简要介绍了另一种宇宙学距离上、同样可能和致密星相关的特殊爆发现象:快速射电暴。第二章则讨论了伽玛暴瞬时辐射物理起源的相关研究,主要包括伽玛暴中相对论性电子的加速机制和瞬时辐射的物理机制。电子加速机制目前主要有内激波模型和Poynting流主导喷流模型两种。伽玛暴瞬时辐射的辐射机制,由于所谓“快冷却问题”的存在,变得比较复杂。由于伽玛暴低能能谱比快冷却情形下要更“硬”,因此瞬时辐射的产生过程不太可能是简单的幂律形式分布电子在恒定磁场中冷却的形式。我们介绍了前人在这个问题上的相关工作,包括考虑磁场随半径的增加而衰减带来的影响以及辐射区域内逆康普顿散射的作用,指出把这些现象考虑进来的必要性。我们在前人工作的基础上,研究在同时把逆康普顿散射和磁场的衰减考虑在内的情况下,伽玛暴瞬时辐射能谱中逆康普顿散射的高能光子成分能否被观测到。我们计算了若干组典型参数下电子谱和相应的能谱及它们随时间的演化,发现能够被观测到额外的逆康普顿散射成分的情况下,低能能谱谱指数相对较低;最后则讨论了计算和观测的一些对比,以及计算过程有待改进之处。第三章则介绍了我们提出的快速射电暴的一种可能的产生机制。有假说认为,现在观测到的一部分中子星可能实际上是奇异星。由于奇异夸克物质本身的性质,奇异星表面可能会存在一个由正常重子物质组成的壳层。当壳层的质量超过临界值的时候,壳层会塌缩,转化为奇异物质。如果奇异星本身具有很强的磁场并且在自转,奇异物质转化过程中释放能量的一部分可能诱发相干辐射,从而产生快速射电暴。第四章中,我们对文章的工作做了总结,也对未来此领域的发展做了展望。我们希望将来能有更多的观测结果、更好的理论研究,来揭开伽玛暴瞬时辐射的神秘面纱。
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