GRB的突发伽玛射线暴来自共振逆康普顿散射机制

GRB的突发伽玛射线暴来自共振逆康 普顿散射机制 陈磊(1)刘当波(2)黄永锋(3)尤峻汉() 中科院上海天文台 2.上海交通大学物理系 3.南京大学天文系

GRB的突发伽玛射线暴来自共振逆康 普顿散射机制 陈磊(1) 刘当波(2) 黄永锋(3) 尤峻汉(2) 1.中科院上海天文台 2.上海交通大学物理系 3.南京大学天文系

L.引言 ■GRB:宇宙空间中强的突发性的伽玛射线点源 ■GRB的流行模型一一火球模型,要点 1.早期的伽玛射线主暴来自:内激波 2.Xray和光学余辉则来自:外激波 3.伽玛射线的辐射机制:同步辐射(有人同时 考虑逆康普 所需相对论电子(快电子) 来自内激波的碰撞

I. 引言 GRB：宇宙空间中强的突发性的伽玛射线点源 GRB的流行模型——火球模型,要点: 1. 早期的伽玛射线主暴来自：内激波 2. X-ray和光学余辉则来自：外激波 3. 伽玛射线的辐射机制：同步辐射(有人同时 考虑逆康普顿散射)----所需相对论电子(快电子), 来自内激波的碰撞

标准模型: the Fireball Model 外激波 内激波 Afterglows burst 初始火球 Inter e y Stellar Medium ~101km R~10k E>1052 ergs M<105M 108km 1000

标准模型：the Fireball Model main burst Inter￾Stellar Medium ~108 km γ~1000 内激波 初始火球 e + , e- γ p R~10 km E>1052 ergs M>1 Afterglows

■然而,同步辐射(和逆康普顿散射)制面临困难, 与观测矛盾。 例 1.关于伽玛射线谱。为何观测的伽玛射线谱总是 折断的幂律形谱? Stern& Poutanen2004, MNRAS 2.特别是其中有“死线问题’。即伽玛射线谱低 能部分的谱指数同题。 Preece 1998,2000, Ap J; Lloyd-Ronning petrosian 2000. ApJ 同步机制要求:低能谱(即上升谱部分)很平。 谱指数必须满足条件a13(或光子谱指数-2/3) 而观测谱指数常常明显大于1/3.很陡!!

然而，同步辐射(和逆康普顿散射)机制面临困难， 与观测矛盾。 例如： 1. 关于伽玛射线谱。为何观测的伽玛射线谱总是 折断的幂律形谱？Stern & Poutanen 2004, MNRAS 2. 特别是, 其中有‘死线问题’。即伽玛射线谱低 能部分的谱指数问题。Preece 1998, 2000, ApJ; Lloyd-Ronning & Petrosian 2000, ApJ 同步机制要求：低能谱(即上升谱部分)很平。 谱指数必须满足条件 (或光子谱指数 )。 而观测谱指数常常明显大于1/3，很陡！！！   1 3   − 2 3

观测中GRB的y-rays能谱 Schaefer et al192 05910717-16396 07 91120273731 05 ++ 100 200 5001000 1000 2000 T 0291043061721 91050325454 01 2 000 50010002000500010000 8191001-097364 91081440182 01 200 50010002000 100 200 00 1000 9108146927 91081469275 2 1002005001000200050001000010020050010002000500010000

观测中GRB的  −rays能谱(Schaefer et al. 1992, ApJ)

3.观测到偏振( Villis et al.2005 A&A: Coburn&Bos,2003Nt423,415 Kalemci et al, 2007; ApJ) GRB021206:伽玛光子的线偏振度高达(80±20)%? 4.Amat关系:E∝E2(Am200 MNRAS,3723:202kA 390, 81; Yonetoku et al, 2004, Ap/, 609, 935; Sakamoto et al., 2004, ApJ, 602, 875) 10000 ◇ Short g 1000 炒 100 060505 50724 1g 060614 10 1 10 51 52 10 53 10 Eiso (erg)

3. 观测到偏振(Willis et al. 2005 A&A; Coburn & Boggs, 2003, Nat, 423, 415; Kalemci et al, 2007; ApJ) GRB 021206: 伽玛光子的线偏振度高达(8020)% ？ 4. Amati 关系: (Amati, 2006, MNRAS, 372, 233; 2002, A&A, 390, 81; Yonetoku et al., 2004, ApJ, 609, 935; Sakamoto et al., 2004, ApJ, 602, 875) Fig. 2 2 peak iso E   

5.能量转换效率很低.( Piran199,Phys.Rep) 中间过程多,复杂链条:并合形成火球(引力能释 放5×103e)火球膨胀形成抛射(激波)一内 激波碰撞形成相对伦电子一同步辐射或递康普 顿散射形成兀-射线一多普勒移动,形成y-ayd 链条中,多少引力能转换成最终的y-ays?

5. 能量转换效率很低.(Piran 1999, Phys. Rep) 中间过程多. 复杂链条: 并合形成火球(引力能释 放 )—火球膨胀形成抛射(内激波)—内 激波碰撞形成相对论电子—同步辐射或逆康普 顿散射形成X-射线—多普勒移动，形成 rays. 链条中，多少引力能转换成最终的 rays? erg 53 ~ 510  −  −

我们建议: 既然传统的辐射机制在解释这些观测事实时遇到 困难,就应寻求新的伽玛射线辐射机制并尝试新 模型来解决这些目前存在的问题。 要点:用强磁场相对论电子的共振逆康普顿散射 (RICS代替流行的同步辐射(以及普通逆康普顿散 射ICS)解决这些困惑 >我们认为:这是探讨GRB的y翔ys起源的很有希望 的新路!

我们建议： ➢ 既然传统的辐射机制在解释这些观测事实时遇到 困难，就应寻求新的伽玛射线辐射机制并尝试新 模型来解决这些目前存在的问题。 ➢ 要点: 用强磁场相对论电子的共振逆康普顿散射 (RICS) 代替流行的同步辐射(以及普通逆康普顿散 射ICS)解决这些困惑。 ➢ 我们认为: 这是探讨GRB的 rays起源的很有希望 的新路!  −

I共振逆康普顿散射(RICS及其在 GRB中的作用 2.1.先说观测对y-ray辐射机制的限制 i).要求该辐射机制非常高效,以和观测匹配; ii).该机制的辐射波段必须主要在y-ay波段 ii).它产生的yay光子能够躲避强吸收(如 磁湮灭和y-y湮灭),顺利逃出 即不只产生γτay光子,还能跑出来(即可以解决‘致密性 难题)

II. 共振逆康普顿散射(RICS)及其在 GRB中的作用 2.1. 先说观测对 ray辐射机制的限制 i). 要求该辐射机制非常高效,以和观测匹配; ii).该机制的辐射波段必须主要在 ray波段; iii).它产生的 ray光子能够躲避强吸收(如 磁湮灭和 湮灭), 顺利逃出. 即不只产生 ray光子, 还能跑出来(即可以解决‘致密性’ 难题).  −  −  −  −  −

iv).它产生的y-ray辐射应当是偏振的, 用以说明观测 V).可以容易地复制出观测到的折断的非 热幂律谱,且不求助于复条的假定 Vi).最后,它能够解释 Amati relation的 物理本质,容易由它导出统计关系EEk 以下论证:RC5机制满足以上条件

iv). 它产生的 ray辐射应当是偏振的， 用以说明观测； v). 可以容易地复制出观测到的折断的非 热幂律谱，且不求助于复杂的假定； vi). 最后，它能够解释Amati relation的 物理本质，容易由它导出统计关系 以下论证：RICS机制满足以上条件。  − 2 peak iso E   