伽玛暴余辉快速衰减成分的衰减斜率和瞬时辐射关系

　　0、 引言

　　伽玛射线暴( GRBs) 简称伽玛暴,是一种极高能的爆发天体现象. 人们对其研究已经有四十多年的历史,但目前伽玛暴的中心引擎和辐射机制等众多问题仍然不清楚,所以对伽玛暴进行研究仍具有重要的意义和价值.Swift卫星升空之后,观测到了大量的 X 射线余辉样本,为人们研究伽玛暴提供了丰富的观测数据.

　　通过对 swift 时代之前以及 swift 时代余辉样本的研究,人们成功地解释了伽玛暴的余辉的起因和辐射机制. 伽玛暴的余辉来自外激波,由同步辐射所产生. 通过对大量 X 射线余辉光变样本的统计研究,人们总结出标准余辉光变样本的图像,包含五个成分,分别为: 快速衰减成分、缓慢衰减成分、标准余辉成分、喷流拐折成分以及 X 射线耀发成分. 在一个暴中,其 X 射线光变可能包含以上的所有五种成分,也可能只包含其中一种成分. 以上各个成分都有大量的研究.

　　研究表明,快速衰减成分的特点是: 起始时间大约在暴后几十秒,终止时间大约在暴后几千秒; 光变的衰减指数从 2 到 9 不等,通常分布在 4 左右; 整个过程中有很强的谱演化,通常情况下谱是由硬变软.

　　本文从数据统计的角度对伽玛暴余辉中的快速衰减成分进行研究和讨论,印证了快速衰减成分是由激波的高纬度辐射所引起的; 通过对快速衰减成分的衰减斜率和瞬时辐射的各向总能量之间关系的研究,发现它们之间有很强的相关性,各向同性能量越高,其高纬度辐射的现象越明显,该结果再一次支持了快速衰减成分是由激波的高纬度辐射所产生的.

　　1、 样本的选取及数据分析

　　随着观测到伽玛暴 X 射线样本的增多,其光变形状的种类更加多样化和复杂化. 为了研究它们的共性,我们选取其中一类样本进行研究,我们选取样本的标准是: 第一,样本的余辉光 变曲线是标准余辉光变; 第二,样本的红移被定出. 我们的数据包含了从 2004 年 12 月到 2014 年 8 月,共 30 个样本. 样本的 X射线光变数据是从英国 Swift 卫星科学中心直接获得,能谱的分析也是直接利用该卫星科学中心服务器所提供的远程分析软件.

　　我们以 GRB 090618为例,对其快速衰减成分的能谱进行分析,图 1 上表示了该暴 X 射线余辉的部分光变,快速衰减成分起始时间大致是 120 秒,终止时间大致是 250 秒; 用单幂律函数对快速衰减成分进行拟合,其结果为 6. 33,图 1 下半部分表示的是能谱的演化,可以看出其快速衰减部分的能谱有着逐渐变软的趋势,既能谱有很强的演化.

　　快速衰减成分是紧接着瞬时辐射之后的余辉辐射,有些时候又叫做暴的尾巴,一般情况下是单幂率衰减,所以我们用单幂律函数对样本的快速衰减成分进行拟合; 其结果如表1,最小衰减斜率为2. 11,最大衰减斜率为 6. 33,对该结果做高斯分布,发现其中心值大约为 3. 69,具体见图 2.

　　伽玛暴的总能量非常巨大,其典型值大约为 102erg. 通常我们计算伽玛暴各向同性能量的公式为:

　　其中: Eiso为伽玛暴瞬时辐射的各向同性能,DL为光度距离,Fγ为伽玛暴瞬时辐射的积分流量,z 为红移. 其中红移 z 我们是从伽玛暴的预警网站( Gamma - ray Coordination Network,简称 GCN) 上获取; 伽玛暴的积分流量 Fγ我们仍然直接使用 Swift 项目组分析的结果,其网站最后算得的伽玛暴各向同性能的结果是以 10^52 erg 为单位,具体结果见表 1.

　　我们对伽玛暴的各向同性能量与快速衰减的衰减指数之间关系做研究,发现它们之间存在很强的相关性,具体如图 3,用单幂律函数进行拟合,得到幂律指数的斜率大约为 0. 15,相关系数为 0. 52. 瞬时辐射的能量越大,对应的快速衰减成分的衰减指数越大; 说明暴的能量越大,喷流的相对论运动的速度越大,即洛伦兹因子越大和相对论性效应越明显,此时激波的弧面曲度也就越大,高纬度辐射的效果也就越显著,引起的衰减指数也就越大.

　　2、 结果与讨论

　　伽玛暴余辉中快速衰减成分已经被人们大量所研究,目前普遍认为该成分是因为激波面的高纬度辐射所产生的. 一般情况下认为激波面是个弧形曲面,瞬时辐射来自曲面的中部,这部分到达观测者的时间相对比较早,辐射光子的能量相对比较高. 瞬时辐射过后,高纬度的辐射逐渐到达我们观测者,由于相对论效应,这部分辐射要比瞬时辐射的光子的能量低,随着时间的推移,其更高纬度的辐射达到观测者,则辐射出的光子能量更低以及流量更弱,所以该过程我们观测到的光变将急剧下降,并且其能谱有逐渐变软的趋势,这些结果与快速衰减成分的衰减斜率比较大和能谱逐渐变软等观测现象相一致.

　　首先我们分析了伽玛暴余辉中快速衰减成分的可能起源,我们认为快速衰减成分可能是激波的高纬度辐射所引起的,并以 GRB 090618 这个暴为例展示了快速衰减成分的光变和能谱的演化图,由图可知该阶段谱是逐渐变软,与高纬度辐射起源相一致.

　　其次,我们分析了瞬时辐射的各向同性能与快速衰减成分的衰减指数之间的关系,发现它们之间有很强的相关性. 结果表明: 瞬时辐射的能量越大,快速衰减的指数越大,高纬度辐射越明显. 更为详细的结果我们下一步将通过数值计算来印证.