引力波暴/伽玛射线暴的TeV光子和中微子研究

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1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波(gravitational wave,GW)的存在,自此之后,科学家们从未停止对于引力波是否真实存在的追寻。上个世纪60年代,伽玛射线暴(gamma-ray burst,GRB)在一次偶然中发现以来,科学家们一直在探索伽玛射线暴的起源与成因。后来,经过科学家的不懈努力,终于发现了长伽玛射线暴(Long GRB)与超新星爆发(Supernova)直接的联系,从而确认了长伽玛射线暴起源自大质量恒星塌缩。同时,短伽玛射线暴(Short GRB)则提出了由双致密星合并产生的假说,然而这个观点并没有直接的观测证据来证明它,一直到协调世界时2017年8月17日12:41:04,激光干涉引力波天文台(LIGO/aLIGO)与室女座引力波天文台(Virgo)第一次观测到了来自双中子星并合的引力波信号,1.7s过后,Fermi卫星在相同的方位上探测到了一个短伽玛射线暴。由此,超新星、伽玛射线暴、引力波暴等高能暂现源之间的联系建立了起来。激光干涉引力波天文台(LIGO/aLIGO)探测到了来自于双黑洞并合事件以及双中子星并合产生的引力波信号,那么对于这些引力波事件而言,它们同样可能产生具有大空间角度分布的达到相对论性速度的抛射物。本文中,我们将探讨来自于这种大角度分布抛射物的高能光子辐射。我们从中发现,如果双致密星并合事件处于一个环境物质密度相对较大的氛围下,以逆康普顿散射过程(inverse-Compton process)产生的TeV能量的光子是能够被地基大气切连科夫辐射探测器(ground-based Imaging Air Cherenkov Telescopes)捕获到的,尤其是即将开始建设的下一代地基伽玛射线天文台,切连科夫望远镜阵列(Cherenkov Telescope Array,CTA),能够有较好的探测灵敏度从而探测到可能的TeV光子信号。在双黑洞并合的情况下,由于驱动天体的质量比较大,所能提供的能量较多,对于提供TeV光子辐射的星周介质密度要求并不是很严格,而对于质量较小的双中子星并合以及中子星-黑洞并合事件,则会要求更大的介质密度以产生足够强的TeV光子信号。所以,对于双致密星并合事件可能产生的TeV辐射的探测,能够对这些事件的发生环境做出一定的限制条件,从而对于揭露双致密星并合事件的最终起源提供一定的证据。现在,对于伽玛射线暴的来源,我们已经有了相对深刻的认识,但是对于这些恒星级质量的天体如何产生高能辐射的物理机制,并不是十分的清晰。对于伽玛射线暴的辐射机制,已经形成了一些相对成熟的解释模型。同时,伽玛射线暴被认为是理想的加速能量达到1020eV的极高能宇宙线的起源天体之一,而对于伽玛射线暴本身来说,在相对较小的空间尺度内,蕴含有大量的高能伽玛光子和极高能宇宙线,那么势必会最终产生极高能中微子的辐射,同时,现有的不同伽玛射线暴瞬时辐射模型之间,对于伽玛射线暴的空间尺度、电子数量、加速极高能宇宙线的总能量,都有着不一样的假设,那么最终从不同模型出发,得到的来自于伽玛射线暴的中微子也会有不同的特征。IceCube中微子探测器是现在地球上中微子探测能力最强的一个大型观测站项目,它能够用来观测能量约1011-1021eV的中微子的信号。自2010年12月完全建成以来,已经收集了多年的高能中微子的观测数据,但是时至今日,IceCube仍然没有探测到与伽玛射线暴或引力波暴成协的极高能中微子事件,因此,这就可以对现在主流的伽玛射线暴瞬时辐射模型做出一定的限制。本文中,我们利用IceCube提供的在累积模式(stacking mode)下给出探测的伽玛射线暴,结合swift、Fermi等卫星项目的伽玛射线暴探测数据,将伽玛射线暴瞬时辐射的内激波(Internal Shock)模型、内部碰撞主导的磁重联与湍动(ICMART)模型、重子耗散光球(Baryonic photosphere)模型、磁耗散光球(Magnetic photosphere)模型等带入计算,得出理论中微子流量,与IceCube探测极限做比较,进而对不同模型下的伽玛射线暴基本参数做出限制。我们从中可以得出,对于内激波和重子耗散光球模型,现有的探测事实能够对参数空间做出一定的限制,特别是重子耗散光球模型,对于通常伽玛射线暴假设的理论参数,已经不足以支持中微子未被探测到的现实;而对于初始抛射物含有磁场能量的ICMART和磁耗散光球模型,仍然能很好的符合IceCube的结论,特别是当初始磁化率加大的时候,也即增加初始抛射物磁能所占比重时,伽玛射线暴中微子的流量显著下降。对于已公布的IceCube7年的观测数据中,存在着130个短伽玛射线暴,我们将它们与GRB170817A/GW170817并列,单独对短暴做出分析,得到了与上述结果趋势相一致的结论。最后我们也引入伽玛射线暴观测上得到的,瞬时辐射光度Liso、各向同性能量Eiso、瞬时辐射峰值能量Epeak与洛伦兹因子Γ存在的关系,由此对于伽玛射线暴加速极高能宇宙线的能力做出限制。
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