博文

[转载]【研究进展】中科院紫金山天文台吴雪峰课题组：伽玛射线暴的主暴爆发机制

已有 2301 次阅读 2020-11-26 19:07 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

伽玛射线暴的主暴爆发机制

伽玛射线暴瞬时辐射阶段的自组织临界性现象表明，它们可能是由磁重联事件引起的。

戴子高

南京大学天文与空间科学学院，南京210023

E-mail: dzg@nju.edu.cn

伽玛射线暴（简称伽玛暴，英文缩写GRB）是发生在宇宙学距离上的伽玛射线闪耀（最新综述文章参见[1]）。根据瞬时辐射持续时标，伽玛暴一般分为两类：短时标（<2秒）、能谱偏硬的伽玛暴（简称短暴），和长时标（>2秒）、能谱偏软的伽玛暴（简称长暴）。观测结果表明，大质量恒星的核心坍缩产生长暴，而中子星与中子星或黑洞与中子星的双星并合则产生短暴（例如，2017年首次发现的两颗中子星并合产生的引力波事件GW170817及其电磁对应体）。在伽玛暴主暴阶段之后，探测到了多波段（X射线、光学和无线电）余辉，特别是在余辉早期阶段，观测到了大量伽玛暴存在X射线耀发。两个重要的问题出现了：伽玛暴主暴瞬时辐射物理机制是什么？与X射线耀发是否有相似的起源？

王发印和我[2]首次统计分析了已知红移的伽玛暴X射线耀发，发现其与太阳耀斑在三个统计特征上（能量、持续时间和等待时间）具有相似的幂律分布。这意味着这两种不同起源的爆发可能是由类似的自组织临界（SOC）过程驱动的（例如，文献[3]中提出的作为伽玛暴核心引擎的强磁化毫秒脉冲星周围的磁场重联事件）。基于分形扩散自组织临界雪崩模型，人们广泛认为太阳活动的能量和持续时标分布归因于磁重联过程[4-6]。

最近发表在Frontiers of Physics上的一篇论文中，吕芬和她的合作者[7]得到了多脉冲伽玛暴（每个伽玛暴至少包含三个脉冲）脉冲的各向同性能量、等待时间和峰值计数率的幂律分布，以此尝试揭示伽玛暴主暴的爆发机制。他们的样本由CGRO/BATSE卫星观测到的93个伽玛暴中的454个脉冲组成。这些物理量的微分分布和累积分布结果表明与具有三维物理结构的SOC系统基本一致，意味着伽玛暴主暴的物理机制可能是磁重联过程（见图1）。预计在未来一个更大的具有已知红移的伽玛暴样本将进一步证实这个结论。

Fig. 1 磁重联事件的示意图[8]。高自旋中子星内部的交叉自转会导致极向磁场的卷绕(a)，由此产生的环形场足够强，足以浮起并穿过恒星表面(b)。磁重联驱动的耀发事件随后发生(c)，产生伽玛射线暴和X射线耀发。

References

1. P. Kumar and B. Zhang, The physics of gamma-ray bursts & relativistic jets, Phys. Rep. 561, 1 (2015)

2. F. Y. Wang and Z. G. Dai, Self-organized criticality in X-ray flares of gamma-ray-burst afterglows, Nat. Phys. 9, 465 (2013)

3. Z. G. Dai, X. Y. Wang, X. F. Wu, and B. Zhang, X-ray flares from postmerger millisecond pulsars, Science 311(5764), 1127 (2006)
4. P. Bak, C. Tang, and K. Wiesenfeld, Self-organized criticality: an explanation of the 1/f noise, Phys. Rev. Lett. 59(4), 381 (1987)

5. E. T. Lu and R. J. Hamilton, Avalanches and the distribution ofsolar flares, Astrophys. J. Lett. 380, L89 (1991)

6. M. J. Aschwanden, A statistical fractal-diffusive avalanche model of a slowly-driven self-organized criticality system, Astron. Astrophys. 539, A2 (2012)

7. F. Lyu, Y. P. Li, S. J. Hou, J. J. Wei, J. J. Geng, and X. F. Wu, Self-organized criticality in multi-pulse gamma-ray bursts, Front. Phys. 16(1), 14501 (2021)

8. W. Kluzniak and M. Ruderman, The central engine of gamma-ray bursters, Astrophys. J. Lett. 505(2), L113 (1998)

点击下载pdf全文：

1. F. Lyu, Y. P. Li, S. J. Hou, J. J. Wei, J. J. Geng, and X. F. Wu, Self-organized criticality in multi-pulse gamma-ray bursts, Front. Phys.16(1), 14501 (2021)

2. Zigao Dai, The prompt phase mechanism of gamma-ray bursts, Front. Phys. 16(1), 14502 (2021)