0、 引言
伽瑪射線暴\\( GRBs\\) 簡稱伽瑪暴,是一種極高能的爆發天體現象. 人們對其研究已經有四十多年的歷史,但目前伽瑪暴的中心引擎和輻射機制等眾多問題仍然不清楚,所以對伽瑪暴進行研究仍具有重要的意義和價值.Swift衛星升空之后,觀測到了大量的 X 射線余輝樣本,為人們研究伽瑪暴提供了豐富的觀測數據.
通過對 swift 時代之前以及 swift 時代余輝樣本的研究,人們成功地解釋了伽瑪暴的余輝的起因和輻射機制. 伽瑪暴的余輝來自外激波,由同步輻射所產生. 通過對大量 X 射線余輝光變樣本的統計研究,人們總結出標準余輝光變樣本的圖像,包含五個成分,分別為: 快速衰減成分、緩慢衰減成分、標準余輝成分、噴流拐折成分以及 X 射線耀發成分. 在一個暴中,其 X 射線光變可能包含以上的所有五種成分,也可能只包含其中一種成分. 以上各個成分都有大量的研究.
研究表明,快速衰減成分的特點是: 起始時間大約在暴后幾十秒,終止時間大約在暴后幾千秒; 光變的衰減指數從 2 到 9 不等,通常分布在 4 左右; 整個過程中有很強的譜演化,通常情況下譜是由硬變軟.
本文從數據統計的角度對伽瑪暴余輝中的快速衰減成分進行研究和討論,印證了快速衰減成分是由激波的高緯度輻射所引起的; 通過對快速衰減成分的衰減斜率和瞬時輻射的各向總能量之間關系的研究,發現它們之間有很強的相關性,各向同性能量越高,其高緯度輻射的現象越明顯,該結果再一次支持了快速衰減成分是由激波的高緯度輻射所產生的.
1、 樣本的選取及數據分析
隨著觀測到伽瑪暴 X 射線樣本的增多,其光變形狀的種類更加多樣化和復雜化. 為了研究它們的共性,我們選取其中一類樣本進行研究,我們選取樣本的標準是: 第一,樣本的余輝光 變曲線是標準余輝光變; 第二,樣本的紅移被定出. 我們的數據包含了從 2004 年 12 月到 2014 年 8 月,共 30 個樣本. 樣本的 X射線光變數據是從英國 Swift 衛星科學中心直接獲得,能譜的分析也是直接利用該衛星科學中心服務器所提供的遠程分析軟件.
我們以 GRB 090618為例,對其快速衰減成分的能譜進行分析,圖 1 上表示了該暴 X 射線余輝的部分光變,快速衰減成分起始時間大致是 120 秒,終止時間大致是 250 秒; 用單冪律函數對快速衰減成分進行擬合,其結果為 6. 33,圖 1 下半部分表示的是能譜的演化,可以看出其快速衰減部分的能譜有著逐漸變軟的趨勢,既能譜有很強的演化.
快速衰減成分是緊接著瞬時輻射之后的余輝輻射,有些時候又叫做暴的尾巴,一般情況下是單冪率衰減,所以我們用單冪律函數對樣本的快速衰減成分進行擬合; 其結果如表1,最小衰減斜率為2. 11,最大衰減斜率為 6. 33,對該結果做高斯分布,發現其中心值大約為 3. 69,具體見圖 2.
伽瑪暴的總能量非常巨大,其典型值大約為 102erg. 通常我們計算伽瑪暴各向同性能量的公式為:
其中: Eiso為伽瑪暴瞬時輻射的各向同性能,DL為光度距離,Fγ為伽瑪暴瞬時輻射的積分流量,z 為紅移. 其中紅移 z 我們是從伽瑪暴的預警網站\\( Gamma - ray Coordination Network,簡稱 GCN\\) 上獲取; 伽瑪暴的積分流量 Fγ我們仍然直接使用 Swift 項目組分析的結果,其網站最后算得的伽瑪暴各向同性能的結果是以 10^52 erg 為單位,具體結果見表 1.
我們對伽瑪暴的各向同性能量與快速衰減的衰減指數之間關系做研究,發現它們之間存在很強的相關性,具體如圖 3,用單冪律函數進行擬合,得到冪律指數的斜率大約為 0. 15,相關系數為 0. 52. 瞬時輻射的能量越大,對應的快速衰減成分的衰減指數越大; 說明暴的能量越大,噴流的相對論運動的速度越大,即洛倫茲因子越大和相對論性效應越明顯,此時激波的弧面曲度也就越大,高緯度輻射的效果也就越顯著,引起的衰減指數也就越大.
2、 結果與討論
伽瑪暴余輝中快速衰減成分已經被人們大量所研究,目前普遍認為該成分是因為激波面的高緯度輻射所產生的. 一般情況下認為激波面是個弧形曲面,瞬時輻射來自曲面的中部,這部分到達觀測者的時間相對比較早,輻射光子的能量相對比較高. 瞬時輻射過后,高緯度的輻射逐漸到達我們觀測者,由于相對論效應,這部分輻射要比瞬時輻射的光子的能量低,隨著時間的推移,其更高緯度的輻射達到觀測者,則輻射出的光子能量更低以及流量更弱,所以該過程我們觀測到的光變將急劇下降,并且其能譜有逐漸變軟的趨勢,這些結果與快速衰減成分的衰減斜率比較大和能譜逐漸變軟等觀測現象相一致.
首先我們分析了伽瑪暴余輝中快速衰減成分的可能起源,我們認為快速衰減成分可能是激波的高緯度輻射所引起的,并以 GRB 090618 這個暴為例展示了快速衰減成分的光變和能譜的演化圖,由圖可知該階段譜是逐漸變軟,與高緯度輻射起源相一致.
其次,我們分析了瞬時輻射的各向同性能與快速衰減成分的衰減指數之間的關系,發現它們之間有很強的相關性. 結果表明: 瞬時輻射的能量越大,快速衰減的指數越大,高緯度輻射越明顯. 更為詳細的結果我們下一步將通過數值計算來印證.
