伽玛 射线暴 （ 简称伽玛 暴１是宇 宙中最为猛 烈的高 能爆 发， 它是一 种随机 出现 的短 时标 脉冲式现 象 ，自 ２ ０世纪 ６ ０年代 被 Ｖ ｅ ｌ ａ卫星发现 以来 ， 一直都是 天体物理学家所关 注的研究热点 ．１ ９ ９ ７年
Ｂｅ ｐ ｐ ｏ Ｓ ＡＸ 卫星 首 先 发 现 了伽 玛 暴 的 余 辉 ， 后 来 又 帮 助 测 定 了伽 玛 暴 的红 移 ， 因 而确 定 伽 玛暴 是起 源 于
中心 能源 直接 相关 ， 因此对 它们 的研 究可以帮助更好地 了解中心 能源 的一些特性． 第 １章 ［ 口 １ 顾 ，伽１ 玛暴
的发现和研究史， 简 要 总 结 了 Ｃｏ ｍｐ ｔ ｏ ｎ 伽 玛 射 线 天 文 台 、Ｂｅ ｐ ｐ ｏ Ｓ ＡＸ 卫星 、 Ｓ ｗ ｉ ｆ ｔ＿ Ｊ Ｊ 星 、Ｆ ｅ ｒ ｍｉ伽 玛
ｉ ｎ １ ９ ６ ０’ ｓ ｂ ｙ Ｖｅ ｌ ａ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ． ＧＲＢｓ ｈａ ｖｅ ｂｅ ｃ ｏ ｍｅ ａ ｈ ｏｔ ｔ ｏ ｐ ｉ ｃ ｆ ｏ ｒ ａ ｓ ｔ ｒ ｏ ｐｈ ｙｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ．Ｉ ｎ １ ９ ９ ７
Ｇａ ｍｍａ — Ｒ ａ ｙ Ｂ ｕ ｒ ｓ ｔ ｓ （ ＧＲ Ｂ ｓ ） ａ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｓ ｔ ｖ ｉ ｏ ｌ ｅ ｎ ｔ ｈ ｉ ｇ ｈ — ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｅ ｘ ｐ ｌ ｏ ｓ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ．
宇宙学距离上的现 象， 现在通 常认为， 持续时标长于 ２ ｓ的长暴起源于大质量恒星 的坍缩 ， 而 时标短十
２ Ｓ的短暴来 自双致 密星 的并合． 对伽玛暴的研究 可以帮助人们 了解极端相对论 、极端高能条件下的物 理过程， 也可 以帮助其他领域 的研究， 如限制宇宙学模 型等．
本文 讨 论 的 是 伽 玛 暴可 能 的辐 射 机 制 以 及瞬 时辐 射 的 光 变 曲线 ． 由于 辐 射 机 制和 瞬 时 辐 射 与 爆 发 的
能 的 辐 射 机制 ． 我 们 发现 ， 如 果 磁 场 的 曲率 半 径 以及 电 予 的 回 旋 半径 取 适 当 的值 ， 同 步 曲 率 自康 普 顿 辐
射的能谱与 同步 白康普顿或 曲率 自康 普顿辐射都存在较大差异． 为 丫得到更加精确的图像， 我们还讨论 了电予的冷却 、电＿ 了漂移、种予谱低能 白吸收 以及散射 潜高能 Ｋｌ ｅ ｉ ｎ — Ｎｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ａ截 断 导致 的影 响． 我们 以 伽玛暴作 为我们 的讨论背景 ．所得的结果 可以被看 作是相对论性 电子在弯 曲磁 力线环境 下发生 自康普 顿散射的统一 图像， 可 以用于描述许多天体物理现象， 包括活动星系核 （ ＡＧＮ） 、脉冲星 ， 也包括伽玛暴． 我们存第 ４章 中模拟 Ｉ Ｃ ＭＡＲ Ｔ 模型框架 下伽玛暴 的瞬 时辐射光变 曲线． 这一模 型适 用十辐劓 区的磁化 予 较大但是又不太大的情 形． 我们证明， 这 一模 型可 以产 生变化较 大的光变 曲线 ， 它具备 快慢两种成分． 较人 的抛射物 中湍动磁重联 的过程会产生诸多的小型辐射元， 这些小辐 射元 被局域多 普勒增亮 的结果就足快速光变． 每个 Ｉ Ｃ ＭＡＲ Ｔ 事件磁重联随时 间的雪崩式失控增长以及 随后小型辐射 元的枯竭定义 丫宽 阔的慢成分． 一个伽玛暴 的光变 曲线通 常由数个 Ｉ ＣＭＡＲ Ｔ 事件组成， 它们 由中心能 源的不规则活动驱动 ． 通过改变模 型的参数 ， 包括初始洛 伦兹因子、重联区取向和长度分布、喷流张角 、 ｔ ２ ０ １ ３ － ０ ６ － １ ３获得博士学位， 导师 ： 南京大学戴予高教授 、 美 国内华达人学拉斯维 加斯分校 张冰 教授
ａ ｎ ｄ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ＧＲ Ｂ ｓ ． ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍａ ｊ ｏ ｒ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ ｍａ ｊ ｏ ｒ Ｇ ＲＢ — ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ｓ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｔ ｏ ｎ Ｇ ａ ｍｍａ — ｒ ａ ｙ Ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ， Ｂ ｅ ｐ ｐ ｏ Ｓ ＡＸ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ， Ｓ ｗ ｉ ｆ ｔ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ，
ａ ｎｄ ｐｒ ｏ ｍｐ ｔ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｃ ｕｒ ｖｅ ｓ ｏ ｆ ＧＲＢｓ ．Ｓ ｉ ｎ ｃ ｅ ｒ ａ ｄｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｃ ｈａ ｎ ｉ ｓ ｍｓ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｏ ｍｐ ｔ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｒ ｅ
Ｔｈｅ ｙ ａ ｒ ｅ ｒ ａ ｎｄ ｏ ｍｌ ｙ ｈ ａ ｐｐ ｅ ｎ ｅ ｄ． ｐ ｕｌ ｓ ｅ — ｌ ｉ ｋ ｅ ｐｈ ｅ ｎ ｏ ｍｅ ｎａ ｗｉ ｔ ｈ ｓ ｈｏ ｒ ｔ ｄ ｕｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｓ ．Ｓ ｉ ｎｃ ｅ ｉ ｔ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｙ
射线太空望远镜等重要的伽玛暴监测卫星得出的成果 ， 并总结了伽玛暴瞬时辐射与余辉的多波段观测特
性．
第 ２章介绍了当前 的伽玛暴标准模型 ， 即中心 能源抛射出火球 ， 火球内部速度不 同的壳层彼此碰撞 ， 产生 内激波， 将火球定 向运动动能转化为 内能， 最 终转化 为非热辐射 ， 产 生瞬 时辐射； 火球 与外部介 质相 ＿ 互作用， 产生 反外激波 形成观测到的余辉． 在此框架下 我们介绍了火球的特性、激波的演化 、町能
Ｎｏ ｗ ｉ ｔ ｉ ｓ ｗｉ ｄ ｅ ｌ ｙ ａ ｃ ｃ ｅ ｐ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｎｇ ｂ ｕｒ ｓ ｔ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｕｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｌ ｏ ｎ ｇ ｅ ｒ ｔ ｈａ ｎ ２ ｓ ａ ｒ ｅ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｌ ｌ ａ ｐｓ ｉ ｎ ｇ ｍａ ｓ ｓ ｉ ｖｅ ｓ ｔ ａ ｒ ｓ ， ｗｈｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｂ ｕｒ ｓ ｔ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｄｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｌ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈ ａ ｎ ２ ｓ ａ ｒ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｒ ｇ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍ ｐａ ｃ ｔ ｂ ｉ ｎａ ｒ ｉ ｅ ｓ ．Ｂｙ ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｉ ｎｇ Ｇ ＲＢ ｓ ， ｔ ｈ ｅ ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｉ ｎ ｕｌ ｔ ｒ ａ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｖ ｅ ｒ ｙ ｈｉ ｇ ｈ ｅ ｎｅ ｒ ｇ ｙ ｃ ｏ ｎ ｄｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｉ ｎ ｖｅ ｓ ｔ ｉ ｇａ ｔ ｅ ｄ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｓ ｏ ｎ ｏｔ ｈｅ ｒ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｓ ， ｉ ｎｃ ｌ ｕｄ ｉ ｎｇ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｓ ｍｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ，ｃ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｏ ｇ ｅ ｔ ｈｅ ｌ ｐｅ ｄ．
ｂｏ ｚ ｈａ ｎ ｇ＠ｐｍ ｏ． ａ ｃ ． ｃ ｎ
４期
张 博：高能辐射机制与伽玛射 线暴瞬 时辐射的研究
３ ５ ５
辐射区半径 、 观 测能段等 ， 就 可以产生观测所见形态与功率谱 （ Ｐ ＤＳ ） 各不相 同的光变 曲线． 我们还讨论
ｒ这 些 参 数 对 Ｐ ＤＳ产 生 的 影 响 ．
的辐射机制 以及一些后标准效应， 并对中心能源作了简要介绍． 另外 由于瞬时辐射的内激波模型仍然存
在很多难 以解决的 问题， 我们还介绍 了其他几种可能 的瞬 时辐射模型 包括 电磁模 型、湍流模型 、内部
碰 撞 诱 发 磁 莺 联 湍 流 模 型 （ Ｉ Ｃ Ｍ ＡＲ Ｔ ）等 ．
我们在第 ３章给 ｍ了洛 仑兹因予以幂 律分布的相对论性 电子产 生的同步 曲率 白康普顿 （ Ｓ ＣＳ Ｃ） 辐 射的能谱． 来 自相对论性 电子环绕弯 曲磁 力线运动 的同步 曲率辐射及其 自康普顿散射 是伽玛暴环境下可
ｒ ｅ ｄ ｓ ｈｉ ｆ ｔ ｓ ．Ｔｈ ｕｓ ｉ ｔ ｗａ ｓ ｆ ｏ ｕｎ ｄ ｔ ｈａ ｔ ＧＲＢｓ ａ ｒ ｅ ｔ ｈｅ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏｃ ｃ ｕｒ ｒ ｅ ｄ ａ ｔ ｃ ｏ ｓ ｍｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｄｉ ｓ ｔ ａ ｎｃ ｅ ｓ ．
ｔ ｈ ｅ Ｂｅ ｐ ｐ ｏ ＳＡＸ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ｄｉ ｓ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｅ ｄ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｏ ｗｓ ｏ ｆ ＧＲ Ｂｓ ，ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ｈｅ ｌ ｐｅ ｄ ｔ ｏ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ＧＲＢ
最后我们在第 ５章进行 了讨论 ， 并列 出了一些有待解决的 问题 以及 即将投入使用的观测仪器 ． 另外
我们征附录 Ａ 附 录 Ｂ 中分 别 列 出 了对 同步 曲率 辐 射 以及 Ｉ Ｃ Ｍ ＡＲ Ｔ 模型一些问题的具体推导．
Ｓ ｔ ｕｄｉ ｅ ｓ ｏｎ Ｈｉ ｇｈ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｒａ ｄｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｍ ｅ ｃ ｈａ ｎｉ ｓ ｍｓ ａ ｎｄ
ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ Ｇ ＲＢ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｓ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｌ ｙ．ｓ ｔ ｕｄ ｙｉ ｎｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｔ ｏ ｐ ｉ ｃ ｓ ｃ ａ ｎ ｈｅ ｌ ｐ ｕｓ ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ ａ ｂｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｕ ｎ ｄｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｎｄ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｓ ｏ ｍｅ ｐ ｒ ｏ ｐｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ ｅ ｎｇ ｉ ｎ ｅ ．Ｉ ｎ Ｃｈａ ｐ ｔ ｅ ｒ １ ， ｗｅ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｙ
第 ５ ５ 卷 第 ４ 期 ２ ０ １ ４