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伽马暴脉冲光变曲线与能谱的关系

贾兰伟  
【摘要】: 伽马暴是一种来自宇宙深处的伽马射线在短时间内突然增强的现象,是目前观测到的宇宙间最剧烈的爆发现象。伽马暴在1967年首次被探测,由于它的极端高能,极短时标,巨大的辐射能等观测特征,使得现有天体物理学模型面对新的挑战,对伽马暴的研究因此具有巨大的诱惑力。本文首先对伽马暴领域的主要研究成果(包括观测的与理论的成果)进行了综述,然后详细介绍了本人在攻读博士学位期间从两个不同的角度来探讨伽马暴光变曲线与伽马暴能谱之间的关系所做的两个研究工作。 第一个工作是探讨局域脉冲(local pulse)的半峰全宽FWHM与幂率指数α之间的关系。统计研究发现伽马暴脉冲的半峰宽度与能量存在指数约为α=0.4的幂率关系。这表明,至少在脉冲形态中,光变曲线与能谱之间是存在着联系的。以往的研究涉及到的脉冲数据为直接的观测值,而由于火球曲率效应的作用,该观测值是火球不同地方产生的局域脉冲的叠加。要了解光变曲线和能谱之间更本质的联系,我们应以局域脉冲为研究对象。我们想知道局域脉冲到底与什么物理量存在联系。我们将研究对象锁定在典型伽马暴单峰源中,这些源的光变曲线呈现快速上升指数下降的形态(通常称为FRED形态)。我们选择七个在其它文献中已被详细研究的单峰源,其中六个单峰源的局域脉冲已通过考虑曲率效应的辐射流量公式对观测数据的拟合而获得,而余下的一个我们采用同样的方法求得其局域脉冲。此外我们求出这些源的幂率指数α并根据所给的局域脉冲求得其半峰宽度FWHM。我们发现局域脉冲的FWHM与幂率指数α之间存在反相关关系。这一关系未曾被火球曲率效应所预言,亦没有其它模型做出过预言。该关系来源于对七个源的研究,需要更大的样本对之进行验证。不管怎样,探讨局域脉冲的特性与观测脉冲宽度对能量的依赖程度之间的关系为我们提供了一个研究伽马暴光变曲线与伽马暴能谱关系的新的视角。本工作的创新之处是首次探讨由拟合得到的火球局域脉冲与由观测值得到的幂率指数之间的关系,所得二者之间存在的相关关系即为新发现的一种关系。 第二个工作是利用由Kocevski et al.(2003)给出的著名的伽马暴脉冲样本检验Qin et al.(2006)做出的有关伽马暴脉冲硬度系数演化规律的若干预言。这是从另一个角度来研究伽马暴光变曲线与伽马暴能谱之间关系的一个工作。Qinet al.(2006)研究了火球曲率效应模型中谱硬度在一个脉冲中随时间变化的规律,据此做了若干预言。为了能够讨论谱硬度在一个脉冲中的演化细节,他们定义了一个称为RHR(raw hardness ratio)的物理量,发现RHR曲线随相应的源其谱的硬软程度而呈现不同形态,其中非常硬的源其RHR曲线表现为一个无凹陷的完整的脉冲,而硬谱源其RHR则表现为一个在其下降段有凹陷的脉冲,而软谱源其RHR曲线仅有凹陷而无脉冲。在他们的工作中,仅有少数几个观测例子得到讨论。他们所预言的现象是否能够在一个较大样本中得到证实还不得而知。为了对Qin et al.(2006)的预言在统计上做出检验,我们选择了由Kocevskiet al.(2003)给出的著名的伽马暴脉冲样本,此样本中的脉冲光变曲线已在前人的工作中被证实是与火球曲率效应所预言的观测特征相吻合。从该样本我们得到66个伽马暴脉冲。这些脉冲的已减除背景的光变曲线数据由BATSE网站提供。根据Qin et al.(2006),我们对去背景的光变曲线数据加入一个给定的常量背景数据,利用这些数据求得RHR(这样可以保证硬度比的定义中不会有分母为零的现象出现)。在得到的66个源的RHR曲线中,除了两个可能因为谱硬度信号过低无法辨认外,其余64个源均呈现Qin et al.(2006)所预言的形态。仿照Qin et al.(2006),我们将这64个源分为三类:第一类源的RHR呈现出无凹陷的完整的脉冲,第二类源的RHR为一个在其下降段有凹陷的脉冲,而第三类源的RHR曲线仅有凹陷而无脉冲。在Qin et al.(2006)的预言中,这三类源的谱硬度是不同的,其中第一类最硬,第二类次之,第三类最软。为了检验这一预言,我们计算它们的硬度比HR。与RHR不同的是,HR是个时间积分,能够较粗略地判断谱的软硬程度。(注意,在我们的分类中,我们仅仅根据RHR曲线的形态而不是RHR的数值,如RHR的峰值,进行判断。)我们做了这三类源的HR分布图并对这些分布做了K-S检验,发现第二类源确实比第三类源硬,第一类源数目太少(3个源)未能做统计检验,但从它们的HR值还是看得出来它们是相对较硬的。此外,我们的研究还证实了Qin et al.(2006)中的另一个基于火球曲率效应的预言,即第一和第二类源的RHR峰值先于光变曲线的峰值出现。我们的一个意外发现是RHR曲线的最小值比传统采用的HR对分辨脉冲的软硬程度更为敏感。我们建议根据RHR的曲线的形态或(和)RHR的最小值,fm2将伽马暴脉冲分为三类。普遍的观点认为,伽马暴脉冲产生于内激波或外激波。激波通过同步辐射将部分运动能转化为辐射能。脉冲的硬度很可能与激波强弱有关与磁场强度有关。因此将脉冲如此分类将在一定程度上把光变曲线和物理过程联系了起来。这一工作的创新点是从统计上检验由曲率效应预言的伽马暴脉冲硬度比演化曲线的形态及其分类,所得到的RHR曲线的最小值比传统采用的HR对分辨脉冲的软硬程度更为敏感的结论为首次发现。


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