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2013-10-11

伽玛暴的持续时标问题

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 3:34 pm

传统上一般认为,伽玛暴的瞬时辐射反映了致密星+黑洞组成的中心能源的活动期,其持续时标是通过T90来描述的,也就是光子的时间累计流量占总流量5%到95%之间的时间。另一个类似但不太常用的指标是T50,也就是占总流量25%到75%之间的时间。这两个参数是在康普顿时代被发扬光大的,最初对应的能段也以该望远镜的爆发触发仪器BATSE为准。但是在康普顿伽玛射线天文台退役后,很现实的问题出现了:后续的爆发监测卫星性能各不相同,伽玛暴的持续时标要如何定义?另外这个时标能否直接反映中心能源的行为?

对于前一个问题,如今仍在沿用T90和过T50的定义。很明显,这个时标其实是与探测器性能密切相关的,在不同能段长度不尽相同,所以不同卫星给出的同一个爆发的T90往往也存在较大差异。对于后一个问题,由于余辉阶段存在X射线耀发以及早期平台期,现在越来越多的人意识到,在瞬时辐射过后,中心能源并没有完全停歇下来,只是活动强度以及喷流能量随之间推移逐渐减弱,无法继续在高能段探测到而已,单纯凭借瞬时辐射的T90来定义中心能源的活动期显然是不太合适的。

因此Zhang et al. 2013就试图定义出一个新的时标来描述伽玛暴的活动。文章的基础是对雨燕卫星观测到的爆发大样本进行多波段(尤其是X射线)分析,而不是仅仅集中在伽玛射线能段。这个时标被称作tburst,也是一个可观测量,它可以被视为中心能源真正的活跃时标。

tburst的定义很简单:在此时间段内,观测到的信号主要源自中心能源的相对论性喷流经由内部耗散过程发出的辐射,而非由外激波过程主导的余辉辐射。这个时标与传统的T90最大的区别在于,它并不局限于伽玛射线能段的观测,X射线耀发等明显由中心能源引发的余辉阶段成分也是必须要加以考虑的。当然为了保险起见,称这个参数为中心能源活跃时标的下限更合适一些,因为不排除此后中心能源再度活跃的可能性。

在观测上,tburst的终点是用X射线余辉光变曲线上外激波辐射最终占据主导的时刻来判断的,对应陡降阶段的结束期。由于大多数(本文样本中的6成左右)伽玛暴X射线余辉都存在陡降,因此通常tburst是要比T90长上很多的。对于不具备陡降的那些爆发来说,认为tburst与T90等同即可。只是在实际操作中,由于信号强度的问题,判断陡降的结束时刻还是有些难度的,本文在此不赘述。

tburst的分布与T90存在相当大的差异,前者更长,分布的峰值对应316秒,其中还有17.6%的爆发tburst超过1000秒,5.4%超过10000秒,这两个比例都算不上太小。不过这种分布并不对称,而是在1000秒处存在明显的数量突降,随后连接有一个长长的长时标尾。但是考虑雨燕卫星的轨道高度较低,对某个伽玛暴观测期间经常会发生地球的遮掩事件而无法连续观测,因此爆发时间的估计未必准确,而是往往只能得到下限,这一分布图也不能完全当真。

tburst的分布图,其中红线表示借助X射线数据判断的样本,蓝线表示短暴。(图片来源:Zhang et al. 2013

由此文章尝试去回答了另一个问题:超长暴是否应归为普通的伽玛暴,还是说另列一类?这些爆发的例子包括GRB 101225A、GRB 111209A,GRB 121027A、GRB 130925A等等。与普通长暴20秒的典型T90值相比,这几个另类的瞬时辐射持续时标要长得多,可以用小时计数。有人认为考虑它们长得反常的行为,它们的前身天体或许与普通伽玛暴不尽相同,更可能是起源于半径超大的蓝超巨星的。当然,为了证实这样的观点,进一步的详尽观测是必需的,就好像当年凭借多波段后续观测将长短暴明确区分开来一样。何况这几个超长暴多半在统计学上也不是太禁得起推敲,只有两个T90超过了万秒,其他至少在雨燕卫星看来,都属正常。

由tburst分布图可知,虽然长时标尾的确存在,但这很可能只是地球遮掩导致的选择效应,而并非全新的一类。虽然使用tburst进行分析并不能完全排除超长暴存在的可能性,但也没能明确说明引入这个新品种的需要。何况从多波段光变曲线来看,超长暴和普通暴的区别不是很大,前者可能只是中心能源延展辐射更亮的普通爆发而已;对与超新星成协的若干爆发的分析也说明,前身天体的尺度与伽玛暴的时标不一定直接相关。

若干超长暴与普通伽玛暴(但tburst较长)的伽玛射线和X射线光变曲线比较,可见二者之间存在共性。(图片来源:Zhang et al. 2013

至于如何让中心能源活跃数千乃至上万秒,就是另一个值得探讨的话题了。单峰分布则可以归结为前身星较为平滑的质量和尺度分布。不过个人对这篇论文的最大疑问是,很多人将余辉的平台期视作中心能源能量注入所致,为何文中选择用陡降而非平台期的终点来定义tburst?如果换用后者的话,时标显然要长上更多,不解中……

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