伽玛射线暴:各向同性火球还是柱形喷流?

作者:黄永锋;谭长宜;戴子高;陆埮 刊名:天文学报 上传者:周军妮

【摘要】多数伽玛射线暴的光学余辉衰减较平缓且光变曲线未见明显拐折,通常认为它们产生于各向同性火球, GRBs 970228、970508、971214、980329及980703等就是典型的例子.但柱型喷流模型其实也能对这类伽玛射线暴的余辉给出极好的拟合,因此它们完全有可能产生于柱形喷流,而并非一定是来自各向同性火球.

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1引言伽玛射线暴发现至今已30多年[川,但其机制现在仍是一个谜.1997年余辉的发现是一个重大突破吲,它证实了绝大多数长暴的宇宙学起源.然而这一领域里的许多基本问题仍然很不清楚,一个最具代表性的问题就是伽玛射线暴涉及到多大的能量.如果假设伽玛射线暴的辐射是各向同性的,那么一次典型的伽玛射线暴在7射线波段内的辐射能量约为10511052ergs,高的甚至可达1054ergs以上(近期综述可参见文[3,4]).但伽玛射线暴完全有可能产生于极端相对论性的喷流,从而其能量可比各向同性情形降低2到3个数量级.伽玛射线暴中的喷流通常被认为是锥形的,半张角为0.1弧度或更小,其余辉通常是早期按S。(t一_1.一一。规律变暗,晚期则衰减加快,变成S。(__l_一卅。【扣j.而标准的火球模型则认为伽玛射线暴的辐射是备向同性的【一剖,在主暴发生之后,其余辉的衰减始终较平缓,即S。(一_'t一一。。。,不会有衰减加快的现象出现_引.目前观测上发现多数伽玛射线暴余辉按一___一_1心规律平缓衰减,但也有部分伽玛射线暴余辉光变曲线中存在着明显的拐折,表现出锥形喷流的特征.因此人们普遍认为多数伽玛射线暴来自各向同性火球,另一部分则来自锥形喷流.有趣的是,在对活动星系核的观测中,人们发现很多喷流是柱形的而不是锥形的,即它们在很长距离上始终保持着几乎不变的截面积。引.尽管这种柱形喷流的产生及准170天史学报43卷直机制目前尚不清楚,但我们有理由相信,伽玛射线暴现象中也可能存在着这种柱形喷流….最近Cheng等就详细讨论了伽玛射线暴中柱形喷流的余辉特征.在本文中,我们将Cheng等的理论模型同具体的观测资料进行比对,发现余辉按S。(一一一。规律衰减的伽玛射线暴,其光学光变曲线能很好地用柱形喷流模型拟合.由此我们提出:余辉平缓衰减的这类伽玛射线暴也有可能是来自柱形喷流,而不一定是产生于各向同性的火球.2模型Cheng等蚓已对柱形喷流的余辉特征作了较详细的讨论,本文中我们将采用该模型.下面对模型作一简单介绍.2.1动力学方程伽玛射线暴的抛出物质在星际介质中会受到减速作用,产生激波并形成余辉辐射减速过程可很好地用下面的方程描述m。,]:d吖d,ny2一l其中7是激波过后介质宏观运动的洛仑兹因子,"z、址i和e分别是扫过的星际介质质量、抛出物的质量和辐射效率,e=0对应绝热的激波,而e=1对应高度辐射的激波.我们已经证明此式既适用于相对论阶段,也适用于非相对论阶段m。“.一般,余辉的早期激波是高度辐射的,几小时之后就会变为绝热,而光学余辉一般在5到8小时之后才被发现,所以下面的计算中一律取e=O.激波半径(R)、扫过的星际介质质量(川)以及柱形喷流的截面半径(n)的演化可由下列方程描述-718,0’]:d”z.、面。m小p,(2)筹:多c7(7+历i),(3)djnj.一j_=2,上(7+、//7。一1),(4)其中是观测时间,以伽玛射线暴主暴结束时刻为起点;=、//了F了/7;c、m。和”上分别是光速、质子质量和喷流在侧向的膨胀速度."上的取值通常认为有两种可能:(i)"上三0,即喷流无侧向膨胀;(ii)"上三c。,即喷流以当地声速cs朝侧向膨胀,此时c。可由下式给出[’0]:cb们_1)(7叫再杀可c2,(5)其中辛是绝热指数:(47+1)/(3^,).方程(1)一(4)可以很完备地描述柱形喷流的动力学演化过程.但在数值计算时会碰到取初值的问题,此处先作一说明.按照标准火球模型要求,喷流初始时应是极端相对2期黄永锋等:伽玛射线暴:各向同性火球还是柱形喷流?论性的,我们将7的初值设为固

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