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伽玛暴 X 射线耀发. 吴雪峰       中国科学院紫金山天文台  紫台-南大“粒子-核-宇宙学联合研究中心” 合作者 : 陆埮、戴子高、冯珑珑、黄永锋、王祥玉、张冰. 首届黑洞天体物理前沿问题年度研讨会 北京高能所 2006-4-23. 内容. 1997-2005 伽玛暴研究进展 X 射线耀发的中心能源机制 X 射线耀发时变的“滞后内激波和外激波”解释. 内容. 1997-2005 伽玛暴研究进展 X 射线耀发的中心能源机制 X 射线耀发时变的“滞后内激波和外激波”解释. 伽玛暴现象. 伽玛暴的空间各向同性分布. 伽玛暴光变曲线.

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Presentation Transcript

伽玛暴X射线耀发

吴雪峰

      中国科学院紫金山天文台

 紫台-南大“粒子-核-宇宙学联合研究中心”

合作者: 陆埮、戴子高、冯珑珑、黄永锋、王祥玉、张冰

首届黑洞天体物理前沿问题年度研讨会 北京高能所 2006-4-23


内容

  • 1997-2005伽玛暴研究进展

  • X射线耀发的中心能源机制

  • X射线耀发时变的“滞后内激波和外激波”解释


内容

  • 1997-2005伽玛暴研究进展

  • X射线耀发的中心能源机制

  • X射线耀发时变的“滞后内激波和外激波”解释




伽玛暴光变曲线

  • 轮廓

    复杂、无规则

  • 持续时间

    ~ 毫秒 – 千秒

  • 光变时标

    ~ 1毫秒, 甚至 ~ 0.1毫秒



2类伽玛暴:长暴和短暴

长暴

短暴

2 s


长暴余辉的发现

1997年Science十大科技进展之一

第一个伽玛暴余辉:GRB970228

t -1.3

Costa et al., 1997, Nature, 387, 783


Grb 990123
GRB 990123光学闪的发现

1999年Science十大科技进展之一

t -2.0

t -1.1

Akerlof et al., 1999, Nature, 398, 400


Grb 030329 sn 2003dh
GRB 030329 和超新星SN 2003dh成协的发现

2003年Science十大科技进展之一

Hjorth et al., 2003, Nature, 423, 847


短暴余辉的发现

2005年Science十大科技进展之一

GRB 050509B

X射线余辉

GRB 050709

光学余辉

faint SN Ic

t -1.33+-0.45

Gehrels et al., Nature 437, 851

Hjorth et al., Nature 437, 859


短暴的基本性质

1. 红移较低 (050509b,z=0.225;050709,z=0.16;050724,z=0.257;050823,z=0.722;051221,z=0.546);

2. 典型的各向同性能量为1048 – 1050 erg, 比长暴低2-3个量级(051221除外,1051.3 erg,MHD?,Prof.Wang DX );

3. 不与超新星成协(无超新星增量成分);

4. 宿主星系为年龄较老、恒星形成较少的椭圆星系或不规则星系(051221 SFR较高,1.5Msun/yr);

5. 短暴发生在宿主星系外围(051221除外);

 基本支持 NS-NS(NS-BH) 并合模型 !


伽玛暴-余辉的过渡:GRB tail辐射

t -3.15+-0.22

t -0.82+-0.07

Tagliaferri et al., Nature 436, 985


伽玛暴-余辉的过渡:GRB tail辐射

t -3.15+-0.22

t -0.82+-0.07

1/

tail emission

Tagliaferri et al., Nature 436, 985


翻译自Gehrels, Piro & Leonard 2002, Scientific American


翻译自Gehrels, Piro & Leonard 2002, Scientific American


翻译自Gehrels, Piro & Leonard 2002, Scientific American


标准模型下的余辉光变曲线

均匀星际介质

自由星风

X-ray

X-ray

radio

radio

Wu, Dai, Huang & Lu 2005, ApJ, 619, 968


高红移伽玛暴GRB [email protected]=6.295

Haislip, et al., 2006, Nature, 440, 182


高红移伽玛暴GRB [email protected]=6.295

t=3.4days,

t = 4 hrs,

Kawai, et al., 2006, Nature, 440, 184


X射线耀发:BeppoSAX的早期观测

GRB 011211

GRB 011121

Piro et al., 2005, ApJ 623, 314


X射线耀发:Swift的发现

t9.5

t-9.5

t-1.6

t-0.8

XRF 050406

GRB 050502B

t-0.5

长暴

Burrows et al., 2005, Science 309, 1833


X射线耀发:Swift的发现

短暴

GRB 050709

GRB 050724

Villasenor et al., Nature 437, 855

Barthelmy et al., 2005, Nature 438, 994


X射线耀发和变平的基本性质

1. Swift探测到的X射线余辉中有1/2存在X射线耀发;

 中心能源间歇性“重启动” !

2. 一个暴内的X射线耀发次数不定;

3. 一次X射线耀发能/瞬时伽玛暴辐射能0.1 – 1.0;

4. 耀发的时标t<<余辉时标t ,且越晚的耀发其t 越长;

5. 短暴中X射线耀发出现在t >100秒,

 对 NS-NS(NS-BH) 并合模型提出了挑战 !

6. Swift探测到的X射线余辉中有2/3存在X射线变平,

 中心能源对余辉的持续能量注入 !

7. X射线闪和变平反相关;


早期X射线余辉的分类

无flare

有hump

有flare

无hump

无flare

无hump

有flare

有hump

O’Brien et al., 2006, astro-ph/0601125


内容

  • 1997-2006伽玛暴研究进展

  • X射线耀发的中心能源机制

  • X射线耀发时变的“滞后内激波和外激波”解释


快转塌缩星核心碎裂模型

stellar core

X射线耀发出现的时间:

King et al., 2005, ApJ 630, L113


伴星激波加热模型

— 短暴100s后的X耀发

t=10s

t=42s

t=184s

MacFadyen et al., astro-ph/0510192


超吸积模型

B H

引力潮汐力矩>粘滞力矩,吸积盘中形成环形间隙,

其中的团块质量为:

Perna, Armitage, & Zhang, ApJL (astro-ph/0511506)


其它模型:

1. 黑洞“磁势垒”模型;

(Proga & Zhang, astro-ph/0601272)

2. 火球中子、质子退耦模型

(Dermer & Atoyan, astro-ph/0601142)



双中子星并合成大质量中子星的

磁重联模型(短暴)


大质量中子星存在的可能性分析:理论

Morrison, Baumgarte, & Shapiro,

2004, ApJ, 610, 941


大质量中子星存在的可能性分析:观测

Morrison, Baumgarte, & Shapiro, 2004, ApJ, 610, 941

2.8Msun的中子星有可能存在


B-field

(initially poloidal)

大质量中子星

可忽略

core

crust

Dai, Wang, Wu & Zhang, 2006, Science, 311, 1127


大质量中子星

B-field

(poloidal)

core

B-field

(toroidal)

crust

Dai, Wang, Wu & Zhang, 2006, Science, 311, 1127


磁浮力达到临界值

大质量中子星

B-field

(poloidal)

core

B-field

(toroidal)

crust

Dai, Wang, Wu & Zhang, 2006, Science, 311, 1127


净力密度:

浮出中子星表面的时间:

B-field

(poloidal)

core

B-field

(toroidal)

crust

Dai, Wang, Wu & Zhang, 2006, Science, 311, 1127


浮出物的能量和最大质量:

浮出物洛仑兹因子

下限:

B-field

(poloidal)

core

B-field

(toroidal)

crust

Dai, Wang, Wu & Zhang, 2006, Science, 311, 1127


理论上:

观测上:

(050709,050724)

B-field

(poloidal)

core

crust

Dai, Wang, Wu & Zhang, 2006, Science, 311, 1127


内容

  • 1997-2006伽玛暴研究进展

  • X射线耀发的中心能源机制

  • X射线耀发时变的“滞后内激波和外激波”解释


GRB 050502B

t9.5

t-9.5

t-0.8

Burrows et al., 2005, Science 309, 1833


X射线耀发的t_0效应

Wu, Dai, Wang, Huang, Feng & Lu, astro-ph/0512555



X射线耀发:滞后的内、外激波模型

晚期

喷出物

早期

喷出物

早期喷出物的外激波(LES)?

晚期喷出物追上早期喷出物

-内激波,抑或能量注入?

内激波:

X射线耀发(LIS)?

内激波:

伽玛暴?

滞后内激波模型(LIS):Burrows et al. 2005;

Zhang et al.2005,Fan & Wei2005;

滞后外激波模型(LES): Piro et al.2005, Galli & Piro2006;



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