伽玛射线暴的观测和理论以及双成分喷流的磁驱动模型

论文摘要

伽玛射线暴（Gamma-ray Bursts, GRBs，简称伽玛暴）是迄今为止人们观测到的最剧烈的高能天体物理现象，其剧烈程度可能仅次于宇宙大爆炸。自从20世纪60年代被发现以来，伽玛射线暴就以其短时标、高能量、远距离、复杂光变和谱态等显著特征而引起人们的广泛关注。半个世纪以来，伽玛射线暴研究领域在观测和理论两个方面都取得了许多令人瞩目的成就，但仍然有许多新老问题有待解决，比如前身星问题、中心引擎喷流的产生和加速机制，喷流的物质组分和结构等等。本文主要介绍了伽玛射线暴的观测进展和标准的火球激波模型，提出了一个建立在Blandford-Znajek机制和Blandford-Payne机制共存基础上的磁驱动双结构喷流模型。本文首先对伽玛射线暴的观测进展进行了介绍。回顾了各个历史时期主要的观测卫星在伽玛射线暴观测方面取得的重要发现，对伽玛射线暴的时变特征、谱形特征、伽玛暴的分类以及根据观测数据统计得到的一些经验关系进行了概括。其次，本文对伽玛射线暴的标准模型——火球激波模型——进行了比较详细的介绍。详细介绍了火球的概念、火球演化的动力学过程和激波辐射理论，最终给出一个用来解释伽玛射线暴瞬时辐射和余辉辐射的光变曲线和谱形特征的标准火球激波模型的较为清晰的轮廓。然后，本文对伽玛射线暴中心引擎喷流的磁驱动机制——主要是Blandford-Znjek和Blandford-Payne机制——进行了简要介绍，继而对建立在BZ机制和BP机制共存基础上双结构喷流模型做了初步的定量计算。在该模型中，中心喷流由Kerr黑洞的BZ机制驱动，其喷流物质来自于吸积盘内区，外围喷流由发生在吸积盘上的BP机制驱动。在假定大尺度磁场位形和盘物质吸积率随盘半径分布函数的基础上，本文推导了磁驱动双成分喷流的内外Lorentz因子的解析计算公式，其中外围喷流（由BP机制驱动）的Lorentz因子取决于中心黑洞的自转、磁场位形以及盘风的强弱，中心喷流（由BZ机制驱动）的Lorentz因子取决于黑洞的自转以及盘内区物质进入中心喷流的比例。本文发现BZ喷流的Lorentz因子一般要比BP喷流的Lorentz因子大得多，这意味着BZ机制和BP机制可以做为双结构喷流的十分自然的起源。另外，通过对三个伽玛暴和三个活动星系核的双结构喷流的内外洛伦滋因子（Lorentzfactor）的拟合，本文发现这两类不同尺度天体的吸积盘可能有很大的不同，具体说来，活动星系核的吸积盘有很强的盘风，而伽玛射线暴中心引擎吸积盘的盘风则相对较弱。最后，对本文的主要内容和伽玛暴研究领域尚待解决的若干问题做了总结，对双结构喷流磁驱动模型的进一步细化做了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 什么是伽玛射线暴
• 1.2 黑洞吸积盘和磁驱动外流（喷流）——伽玛射线暴的中心引擎
• 1.3 论文结构
• 2 伽玛射线暴（Gamma-ray bursts）的观测现象
• 2.1 伽玛射线暴观测进展简述
• 2.2 观测事实和经验规律
• 3 伽玛射线暴的理论模型
• 3.1 基本物理
• 3.2 GRBs 标准模型（火球激波模型）简介
• 3.3 伽玛暴中心引擎的磁驱动模型
• 4 建立在 Blandford-Znajek 机制和 Blandford-Payne 机制基础上的双成分喷流模型
• 4.1 结构喷流与双成分喷流
• 4.2 双成分喷流模型
• 4.3 对若干 GRBs 和 AGNs 双成分喷流的拟合
• 4.4 结论与讨论
• 4.5 附录
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文目录