伽玛暴的光球辐射
伽玛暴的主流模型要借助所谓的火球，也就是大量能量短时间内集中在较小区域内的产物。源自火球光球层的黑体辐射成分长期以来都是理论家与观测家所追寻的目标，而该成分的真身至今仍旧疑云重重。光球辐射这个话题之前也是在站里零星提到过，最近撰写伽玛暴高能辐射综述期间又重新回顾了一遍，汇总成本文。
根据最经典的理论，伽玛暴火球的成分不可能是纯光子。因为纯光子火球会发出黑体辐射，明显与伽玛暴非热的能谱相悖。另外由于火球体积小能量高，内部的双光子湮灭反应光深很大，就算初始是纯光子，演化过程中也必然有一定比例的光子转化为正负电子对，因而引入额外成分。不过当电子对产生后，部分低能光子就会随之被散射到更高能段上，加大了双光子湮灭反应的光深，最终产物依旧是不符合观测的黑体谱，由此就带来了伽玛暴火球的致密性问题。
解决致密性问题的一个渠道是进一步引入少量重子成分，让火球通过膨胀将相当一部分热能转化为重子物质的定向运动动能，然后动能经过各种耗散过程再转化为内能加速电子，产生所见的非热辐射谱。由于火球的湮灭光深很大程度上取决于整体运动速度（洛伦兹因子），重子的相对论性运动可以让辐射区迅速扩大，帮助克服致密性疑难。
但就算如此，重子物质也不可能拥有全部的火球能量，最终还会有相当一部分热能保留在火球的光子成分中。一旦火球膨胀到足够大，光深降到1之下以后，这部分能量就会作为黑体辐射逃逸出去，产生伽玛暴的光球辐射，如果观测者直视喷流，所见的黑体谱峰值处在硬X射线到伽玛射线的能段上。这里的光球，指的就是火球光深降为1处对应的半径。在重子物质主导的内激波模型框架下，光球辐射的能量密度在数量级上并不亚于非热辐射。
针对观测上光球成分缺失的问题，理论家的意见分为两派。一派是提倡磁场主导的伽玛暴中心能源模型，除了磁场存在可以大大抑制重子火球的辐射，进而顺理成章地解释并未露面的黑体成分之外，还可以连带解决重子主导的内激波模型辐射效率偏低、低能谱指数过陡等问题。另一派则认为，我们所见的拐折幂律形式的Band谱其实就是高度变形的热谱，只是由于在伽玛暴源区光球之下存在强烈的能量耗散过程，黑体辐射的形态被大大改变并加宽了；同时耗散也会大大提升辐射效率，解决传统内激波模型的困难。
为了敲定伽玛暴的光球辐射问题，最好的方法就是在真实爆发中搜寻可能的光球成分。虽然有研究者曾经拟合了数据存档中的伽玛暴能谱，发现用变形热谱解释倒也说得过去，不过谁的说服力也比不上GRB 090902B：
GRB 090902B的全能段能谱。（图片来源：Ryde et al. 2010）
大抵说来，GRB 090902B的能谱由低能峰与贯穿全能段的幂律谱组成，其中后者明显具有非热起源。但是这个暴的低能峰比起其他暴来说窄得可怜，用Band谱拟合的效果并不好。相反，最佳拟合模型是准黑体谱，特征温度相当于290 keV。说是“准”，是因为它的形态比单温度黑体谱还是要宽一些，因此称之为多色黑体更加合适，其成因可以归结为伽玛暴光球在高纬度区域的扭曲变形。
在演化上，GRB 090902B的黑体成分时间愈早，则所占比例愈高，最初6秒内达到了86%，极早期甚至接近100%，之后则随时间下降，对应爆发抛射物的整体洛伦兹因子增长过程。这个暴的辐射区明显分为光球与非热两部分，前者半径只有1012厘米的量级，贡献了全能段幂律谱的后者则要大得多，达到了1016厘米。
比较一下理论对光球辐射的预言，是不是很像？只不过下图中最右侧的康普顿化光球辐射在GRB 090902B的能谱中并不存在。
慢速耗散模型的预言的光球辐射、康普顿化光球辐射以及激波加速同步辐射共动系能谱的比较。（图片来源：Rees & Mészáros 2005）
但是且慢，不要高兴得太早。GRB 080916C是非热谱到底的经典案例，它的全能段能谱可以用单一的Band谱形式很好地拟合。变形的光球辐射固然可以让黑体峰加宽，但面对GRB 080916C这种跨越6个数量级，延伸到十几GeV之上的超宽Band谱就有点勉为其难了。何况GRB 080916C并不具备额外的幂律成分，而且这样的谱形才是伽玛暴高能辐射的主流。如果光球成分存在于这个暴的能谱中，它必然遭到了强烈的抑制，而最有效的抑制机制就是引入强磁化环境——为了保证它的光球成分不会露面，磁场能流与物质流之比（磁化因子）必然超过20甚至更高。不过需要特别说明的是，这种限制的一大前提是全能段Band谱起源于同样的辐射区与辐射机制。但是有理论家提出了双辐射区模型，也可以再现单一的Band谱，所以这样的方法也要慎用。
GRB 080916C的能谱（实线）与不同磁化因子预言的光球辐射成分（虚线）。（图片来源：Zhang & Pe’er 2009）
无论如何，宽阔的Band谱应该也与黑体谱起源于不同的辐射区，不过具体细节不是本文的重点，暂且不予追究。由此有研究者就提出了伽玛暴高能辐射的统一模型，认为所有的能谱都是Band谱、黑体谱与额外的幂律谱三大成分叠加的结果，只是并非所有的爆发都具备这三种成分。不过这个模型提出之时，Band谱与黑体谱的叠加还尚未发现实例……
现在呢？现在研究者在GRB 110721A的低能段能谱中发现了双峰结构，正对应Band谱与黑体谱的叠加。这个暴的黑体温度在40 keV左右，且随着时间的推移温度呈拐折幂律式衰减。之前有称康普顿望远镜BATSE仪器观测的爆发也存在光球辐射成分，且温度同样表现出了拐折幂律衰减行为。虽说这个结论并未得到公认，但GRB 110721A的观测提升了先前分析的可信性。
GRB 110721A的能谱，可见低能段的双峰结构。（图片提供：Axelsson et al. 2012）
不过必须说明的是，虽然费米的LAT望远镜现在已经探测到了近百个具有高能辐射的伽玛暴，低能段的GBM监视仪以及雨燕卫星也可以每年探测200余个伽玛暴，但明确具备黑体成分的，至今还只有GRB 090902B与GRB 110721A两个。虽说根据伽玛暴数量相对持续时标导数分布的统计表明，伽玛暴抛射物激波突破前身星的时标与物质主导抛射物相符，光球成分普遍存在才是理所应当的，但随后抛射物成分是否会存在演化还是尚不明确的。也许真实的伽玛暴成分多样，磁场或物质主导皆可，因此是否具备光球辐射也就要视情况而定了。
