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伽玛射线暴(简称伽玛暴)是一种来自遥远太空中的伽玛光子的短时标强烈闪耀。看起来,它随机出现,不可预测,空间方向上完全杂乱无章。通常,它们以一个简短的伽玛光子的爆发形式开始出现在探测器的视野中,然后再以一种余辉的形式出现在其他各个波长较长的电磁辐射波段中,例如包括X射线,紫外线,可见光,红外线,以及射电波段。一般说来,它们中的大多数在被探测到的数天至几个月内都会渐渐衰减,直至完全消失。
本文第一章介绍伽玛暴自从大约四十年前被发现以来的主要观测进展。一般说来,已知伽玛暴的观测特性非常复杂,而美国国家航空航天局的Swift卫星观测到的最新结果则揭示了其更加复杂的一面。尤其是在X射线余辉中体现出来的多样性,并不能完全用简单的经验模型来描述。
本文第二章将回顾伽玛暴领域的相关理论研究。Swift卫星的观测进展,给本来比较成功并看似成熟的理论模型带来了很多难题,使得理论解释变得越来越复杂,并时而相互矛盾。可以说,对于伽玛暴这种天体物理现象,一个明确而又能够自洽的理论解释善未形成。
本文第三章研究了伽玛暴标准模型框架下的正反冲击波模型,并以此分析了2005年5月25日爆发的GRB050525A的早期光学辐射。这项工作中用到的方法已经被广泛应用。一般认为,对早期光学辐射的研究,能够为伽玛暴本身的起源提供重要信息。
本文第四章研究了天体物理中的尘埃对X射线的散射。特别讨论了作者和导师2007年首创的尘埃散射模型,以此来解释伽玛暴的早期X射线辐射。当前,人们普遍认为伽玛暴的早期辐射来源于中心能源喷发出的相对论性的火球冲击波当中。然而,Swift卫星的最新结果给后面这种标准理论模型带来了很多挑战,人们很难对此自洽的给出理论解释。
有趣的是,我们发现伽玛暴周围的大质量恒星星风云对暴本身发出的X射线的散射可以提供某种形式的X射线余辉。这种理论模型给出的光变曲线显示了一种独特的规律,即,早期平滑下降,渐渐变陡至一种快速下降,而这种特性正是Swift的主要最新观测结果之一。尤其是,这种早期平滑下降的特性是之前标准理论模型很难自洽解释的。到目前为止,在标准理论模型框架下所能给出的最好解释需要假定伽玛暴的中心能源能够提供一个可以延续的能量输出,而不是原来假定的类似超新星的那种一次性爆发式的能量输出。同时,我们的模型还对喷流缺失现象提供了一种自然的理论解释,后者的出现对标准模型的框架结构都带来了挑战。
最后在本文第五章中,我们简单回顾了本文的主要内容,并解释了同行对本工作提出的一些质疑。我们初步讨论了解决相关问题的方法,并对将来工作做一展望。