yabo88vip登陆

双星中的伽马射线暴


作为(wei)宇宙中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)最剧(ju)烈的(de)爆发现象,伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)射线暴(bao)(bao)(bao)(bao)(以下简称伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)(bao))往(wang)(wang)往(wang)(wang)依据其瞬时辐(fu)射持续时间长(zhang)短分(fen)为(wei)长(zhang)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)(bao)和短伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)(bao)两(liang)种。目(mu)前人们普遍认为(wei)长(zhang)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)(bao)一般起(qi)源于(yu)大(da)质(zhi)量(liang)恒星(xing)(xing)(xing)演化(hua)末期的(de)剧(ju)烈坍缩,而(er)短伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)(bao)则起(qi)源于(yu)双(shuang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)星(xing)(xing)(xing)或中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)星(xing)(xing)(xing)与黑洞(dong)并(bing)(bing)合。大(da)部分(fen)的(de)大(da)质(zhi)量(liang)恒星(xing)(xing)(xing)都处于(yu)双(shuang)星(xing)(xing)(xing)甚(shen)至多(duo)星(xing)(xing)(xing)系统(tong)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong),长(zhang)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)前身(shen)星(xing)(xing)(xing)应(ying)当(dang)也不例(li)外。实际(ji)上,对于(yu)大(da)质(zhi)量(liang)恒星(xing)(xing)(xing)演化(hua)产生长(zhang)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)具体机制,就(jiu)存在单星(xing)(xing)(xing)化(hua)学(xue)均匀(yun)演化(hua)通道(dao)与双(shuang)星(xing)(xing)(xing)演化(hua)通道(dao)两(liang)种解释,其中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)所谓单星(xing)(xing)(xing)化(hua)学(xue)均匀(yun)演化(hua)也往(wang)(wang)往(wang)(wang)指的(de)是等效(xiao)单星(xing)(xing)(xing)——即(ji)间距较远、相互(hu)影响较弱的(de)双(shuang)星(xing)(xing)(xing)。短伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)(bao)则被(bei)认为(wei)主(zhu)要起(qi)源于(yu)双(shuang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)星(xing)(xing)(xing)并(bing)(bing)合或中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)星(xing)(xing)(xing)与黑洞(dong)并(bing)(bing)合事件。产生短伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)双(shuang)致密星(xing)(xing)(xing)系统(tong)也可能(neng)存在于(yu)球状星(xing)(xing)(xing)团内的(de)多(duo)星(xing)(xing)(xing)系统(tong)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)。


尽管人们(men)在(zai)(zai)研究伽(jia)(jia)(jia)马暴起源时时人们(men)会考虑存(cun)在(zai)(zai)伴(ban)(ban)星(xing)(xing)(即(ji)"致(zhi)密星(xing)(xing)并合"模型)的(de)(de)可(ke)能性,但对于(yu)是在(zai)(zai)研究伽(jia)(jia)(jia)马暴产(chan)生之后的(de)(de)辐(fu)射、演化与观(guan)测(ce)特(te)征时,此前的(de)(de)大部分工作则往(wang)往(wang)往(wang)往(wang)忽视了若伽(jia)(jia)(jia)马暴有了其(qi)存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)伴(ban)(ban)星(xing)(xing)的(de)(de)可(ke)能影响(xiang)存(cun)在(zai)(zai)所(suo)带来的(de)(de)影响(xiang)。,特(te)别(bie)是,尤其(qi)是伴(ban)(ban)星(xing)(xing)如果位于(yu)伽(jia)(jia)(jia)马暴的(de)(de)相对论性喷流张(zhang)角(jiao)范围之内(图1),则给伽(jia)(jia)(jia)马暴的(de)(de)辐(fu)射带来的(de)(de)遮挡(dang)、反射、以及伴(ban)(ban)星(xing)(xing)本身被伽(jia)(jia)(jia)马暴辐(fu)射激发产(chan)生次级辐(fu)射等的(de)(de)情况(kuang)还未曾被仔细地研究。


图1:双星中伽马暴(bao)的(de)几何构型。研究人员假设(she)伴星位于伽马暴(bao)喷流(liu)的(de)初(chu)始张角范(fan)围内。观(guan)测(ce)者可(ke)(ke)能(neng)在喷流(liu)轴(zhou)(zhou)上,也可(ke)(ke)能(neng)偏(pian)轴(zhou)(zhou),甚至是从背(bei)后观(guan)测(ce)喷流(liu)。不同构型下,观(guan)测(ce)者将看到(dao)不同的(de)现象。图片来源见文献(xian)[1]。


在(zai)近(jin)期发表的(de)(de)(de)一篇论文项(xiang)工(gong)作中(zhong)(zhong),南京大学硕士研究(jiu)(jiu)生邹泽城等(deng)人首次详(xiang)细研究(jiu)(jiu)了(le)双(shuang)星(xing)中(zhong)(zhong)伴星(xing)位于(yu)主星(xing)产生的(de)(de)(de)伽马暴喷流(liu)(liu)张角中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)情形(图1)。文中(zhong)(zhong)此项(xiang)工(gong)作考(kao)(kao)虑(lv)(lv)了(le)位于(yu)正(zheng)轴(zhou)、偏轴(zhou)或反向喷流(liu)(liu)内的(de)(de)(de)观测(ce)者,以及位于(yu)伽马暴辐(fu)射(she)区内、外的(de)(de)(de)伴星(xing)共六种几(ji)何组合结构,得(de)到(dao)了(le),详(xiang)细研究(jiu)(jiu)了(le)不(bu)同几(ji)何构型下其对(dui)应(ying)(ying)伽马暴的(de)(de)(de)观测(ce)特(te)(te)征,还考(kao)(kao)虑(lv)(lv)了(le)包括正(zheng)轴(zhou)时伴星(xing)的(de)(de)(de)遮挡效(xiao)应(ying)(ying)和偏轴(zhou)时伴星(xing)的(de)(de)(de)反射(she)效(xiao)应(ying)(ying)(见(jian)图2)。这些观测(ce)效(xiao)应(ying)(ying)特(te)(te)征可以被用于(yu)研究(jiu)(jiu)伽马暴前身星(xing)系统的(de)(de)(de)性质。

图(tu)2:双星中伽马暴观测(ce)特征(zheng)示意(yi)。在(zai)不同的(de)(de)几何(he)构型下,观测(ce)者可(ke)看(kan)到(dao)不同的(de)(de)现象。观测(ce)者在(zai)轴(zhou)上视线(xian)被部分遮挡时,可(ke)看(kan)到(dao)较暗弱的(de)(de)主暴。观测(ce)者偏(pian)轴(zhou)时,可(ke)看(kan)到(dao)反射成分。而当(dang)观测(ce)者在(zai)背离喷流运动方向时,仍可(ke)以在(zai)晚期看(kan)到(dao)显著的(de)(de)反射成分。图(tu)片来源见文献[1]。


其(qi)中,尤其(qi)有(you)趣的(de)(de)是,若伴(ban)星(xing)位(wei)于伽马(ma)(ma)(ma)暴(bao)辐射区外,偏轴观测(ce)者将能(neng)(neng)够(gou)看观测(ce)到伴(ban)星(xing)反射原伽马(ma)(ma)(ma)暴(bao)产生的(de)(de)辐射。这(zhei)种(zhong)反射成分具有(you)较(jiao)低(di)的(de)(de)能(neng)(neng)量、较(jiao)软的(de)(de)能(neng)(neng)谱(pu)和较(jiao)长(zhang)的(de)(de)持续(xu)时间(jian),从(cong)因而可能(neng)(neng)会被(bei)观测(ce)者误认为是一(yi)(yi)个暗弱的(de)(de)伽马(ma)(ma)(ma)暴(bao)。这(zhei)一(yi)(yi)反射模型(xing)可以解释至少一(yi)(yi)部分未知起源(yuan)的(de)(de)低(di)光(guang)度(du)伽马(ma)(ma)(ma)暴(bao)。例(li)如,历史上著名的(de)(de)低(di)光(guang)度(du)伽马(ma)(ma)(ma)暴(bao)GRB 980425就可能(neng)(neng)是一(yi)(yi)个原本各向同性能(neng)(neng)量1054erg、峰(feng)值(zhi)能(neng)(neng)量1MeV的(de)(de)伽马(ma)(ma)(ma)暴(bao)被(bei)反射之后(hou)的(de)(de)结果(见图(tu)3)。


图3:"反射"伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)、低光度伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)与普通(tong)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)的(de)(de)Amati关(guan)系图。图中可见不(bu)同类型的(de)(de)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)分(fen)布在不(bu)同的(de)(de)区(qu)域(yu)。但(dan)需要(yao)注意(yi)的(de)(de)是,一些暗弱(ruo)且能谱较软的(de)(de)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)完全有可能是比较强的(de)(de)伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)经反射后产生(sheng)的(de)(de)。例如(ru),橙色(se)箭头(tou)从(cong)一个伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)指向其对应(ying)的(de)(de)"反射"伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao),它恰好与著名的(de)(de)低光度伽(jia)(jia)马(ma)(ma)(ma)暴(bao)(bao)GRB 980425吻合。图片来源见文献[1]。


这项工作的初始创意源自于yabo88vip登陆张彬彬老师开设的高年级科研特色课程《引力波及相关天体物理课程》的课程大作业,。经拓展研究后,该工作以Gamma-Ray Burst in a Binary System为题在2021年10月份发表于美国《天体物理学报》[1]。yabo88vip登陆的硕士研究生邹泽城同学为论文第一及通讯作者,张彬彬老师与黄永锋老师为论文共同通讯作者,云南天文台的赵晓红老师合作参与了此项工作。该论文在预印本阶段受邀将标题与摘要发布于国际天文学联合会"大质量恒星委员会"(IAU Commission G2 on Massive Stars)的简讯(Massive Stars Newsletter)[2]。本工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、江苏省双创计划、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的支持。



参考文献(xian):

[1] Zou, Ze-Cheng, Zhang, Bin-Bin, Huang, Yong-Feng, & Zhao, Xiao-Hong. 2021. Gamma-Ray Burst in a Binary System. ApJ, 921, 2.

[2]