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2016-12-15

GRB 160625B抛射物从火球主导到磁能主导的转变

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 11:34 pm

伽玛暴的抛出物成分是解密爆发中心能源的关键所在。虽然物质主导的内激波模型一直都是最流行的,部分伽玛暴表现出的黑体辐射也为之添加了佐证,但磁能为主的新理论也是层出不穷,而且照样获得了越来越多的观测证据支持。也许真实的伽玛暴情况多样,两种可能性皆有。而最近一篇关于GRB 160625B的论文则是提出了另一种更复杂的可能性:同一起伽玛暴在不同阶段的支配性因素不同。

GRB 160625B的光变曲线。(图片来源:Zhang et al. 2016

GRB 160625B很有意思。这个位于红移1.406处的伽玛暴有着超过3×1054尔格的各向同性能量,是距离已知的所有爆发中第五明亮的。对于能谱分析来说,这一点尤其重要,因为这使得高分辨率时间分辨谱的获取成为了可能。更特别的是,它让费米伽玛射线空间望远镜的伽玛暴监视仪GBM触发了不止一次,而是两次。这两次触发彼此间隔3分钟8秒多,从光变曲线上看,第一次触发单看颇似短暴,持续时间不足1秒;又有些类似于其他伽玛暴常见的“前兆辐射”,流量在急增后随即复归于本底,只是大部分前兆不如这次这样明亮,往往不足以触发探测器。

发生在第一次触发过后180多秒的第二次触发持续了35秒多,由若干子峰组成。而仔细观察光变曲线的话,还可以看到在此之后大约339秒,又出现了流量较弱未能触发探测器的第三组信号,持续时间几乎是第二次触发的二倍。它们一同构成了GRB 160625B的三次“子暴”。历次子暴都遵循Amati和Yonetoku关系,与常规长暴一致,所以它们都应该是源于大质量恒星坍缩的,不应当单凭持续时标就将第一次子暴视作单独的一次短暴,这不过是场流量较强的前兆而已。

GRB 160625B的三次子暴在Amati与Yonetoku关系统计图上的位置,图中黑色数据点表示长暴,红色表示短暴,青、蓝、紫色数据点表示GRB 160625B的子暴。(图片来源:Zhang et al. 2016

GRB 160625B真正最值得关注的地方是各次子暴的能谱。短暂的第一次子暴拥有典型的黑体谱,可以用普朗克函数很好地拟合(不过带有高能指数截断的幂律谱拟合效果也不赖);更且它还具备丰富的时间分辨信息,能追踪出热辐射的演化,大致有着特征温度先升后降的趋势。虽然黑体成分之前在其他爆发的前兆中也数次显露过端倪,这后一条对于伽玛暴来说还是头一遭。

作为对比,第二次子暴的全过程都只能用Band谱来描述,谱指数和峰值能量都落在了典型长暴的范围内,而且峰值能量一开始还呈现了由硬到软的演化。第三次子暴则因为流量过低,光子数量较少,时间分辨谱普遍只能用单一的幂律函数来拟合,只有两个时间段明显的高能截断,由此可以限制出辐射的峰值能量。后两次子暴的谱形说明,在此期间,占据支配因素的是磁场而非物质。

GRB 160625B三次子暴的能谱演化和光变曲线。每张图片最下两行分别为GBM的碘化钠和锗酸铋探测器记录下的光变,上方为谱参数的演化,对于第一次子暴来说是黑体特征温度,第二子暴从上到下依次为Band谱的高低能谱指数以及峰值能量,第三子暴为幂律谱指数和峰值能量。(图片来源:Zhang et al. 2016

这是因为现有判断伽玛暴抛出物主导因素的主要方式就是借助瞬时辐射的能谱。如果是物质主导,那么能谱中应该会表现出明显的准黑体成分,更确切地说,对于时间积分谱而言是多温黑体谱的叠加,而在时间分辨谱中则是更典型的普朗克黑体谱。这种热辐射源自暴源的光球层,也就是中心能源周围光深降至1的表面。在黑体谱的基础上,快慢抛出物碰撞形成的内激波加速粒子,也带来了非热的幂律谱成分。而倘或主导因素是电磁能量,黑体辐射会被严重抑制,只剩下了非热谱。GRB 160625B这样从黑体过渡到非热辐射的明显趋势,在伽玛暴中尚属首次。

这样的趋势反映了爆发中心能源的何种变化?也许第一次子暴正对应前身星核心的坍缩。坍缩过程中的高速吸积过程形成了物质主导的喷流,喷流顶出星周包层,造就了热辐射为主的前兆。随后中心能源复归短暂的平静,背后的原因于黑洞而言可能是磁场屏障的阻碍,于磁陀星则是发射磁能主导喷流之前所需的冷却过程。然后要么是黑洞周围堆积了过多的吸积物足以打破屏障,要么是磁陀星已经经历了足够的冷却,第二波磁化抛出物进入了视野,发出了非热光子。至于最后的第三子暴,应该就跟X射线余辉中常见的耀发一样,是中心能源后期活动所致了。

GRB 160625B的光学(红色)与高能(黑色)瞬时辐射流量演化的比较。图中的光学数据来自Pi of the Sky的两台照相机。(图片来源:Zhang et al. 2016

GRB 160625B还有其他一些值得一提的地方,比如最高能量达到15.3 GeV的瞬时辐射高能光子,几乎与卫星触发同时的地面光学观测等。与著名的“肉眼伽玛暴”GRB 080319B相似,GRB 160625B的光学瞬时辐射流量要比高能外推的结果高很多。当年对GRB 080319B的解释是,光学源自同步辐射,而高能成分源自同步自康普顿散射。但对于具有大面积望远镜GeV探测的GRB 160625B来说,这一模型因伴有并未观测到的GeV能段二阶同步自康普顿成分而行不通。或许它相对高能存在延迟的光学瞬时辐射源自距离中心能源更远处(如反向激波或残余的内激波),而非瞬时辐射区本身。

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