500m口径球面射电天文望远镜(FAST)对高红移伽玛暴余辉的探测

伽玛射线暴(简称伽玛暴)可以发生在很远的宇宙深处,其余辉(尤其射电余辉)的长时标发射使得长期观测成为可能,从而可测量其红移并证认宇宙学起源和研究寄主星系性质。随着红移的增大,伽玛暴射电余辉的流量密度也会随之减少,这对高红移伽玛暴的探测造成一定的困难。然而,500 m口径球面射电天文望远镜(FAST)具有很高的探测灵敏度,利于对暗弱的高红移暴的观测。我们利用余辉动力学模型分析了射电余辉流量密度随红移(距离)的变化关系,以此评估FAST对高红移射电余辉的观测能力,同时预测其对不同类型伽玛暴射电余辉的探测率。     

特殊伽玛暴及伽玛暴的特殊辐射成分

伽玛射线暴(伽玛暴)的探测从其被发现以来,已经获得了大量的伽玛射线观测结果以及多波段的余辉观测结果,但是X射线能区的爆发阶段的瞬时辐射还比较缺乏观测数据.爱因斯坦探针(EP)是软X射线能区(0.5–4 keV)的大视场(1.1 sr)望远镜,为伽玛暴的X射线瞬时辐射的观测带来全新的时间窗口.本文讨论了EP对富X射线辐射的特殊伽玛暴或伽玛暴的特殊辐射成分进行了预期研究,特别是研究了X射线闪、低光度伽玛暴、超长伽玛暴和伽玛暴的先兆辐射.我们发现,EP预期能每年探测到约810个伽玛暴类爆发事件,其中95%为能谱较软的X射线闪,将近1%为典型伽玛暴;EP预期能每年探测到0.2–8个低光度伽玛暴,具体探测率依赖于低光度暴能谱硬度的分布;EP预期每年至少能探测到20–200个超长伽玛暴;EP有望探测到大量的、目前人们非常缺乏了解的伽玛暴先兆辐射,至少每年80个事件.综合这些情况,预计EP将对伽玛暴的分类、前身星特性、爆发机制和喷流特性等方面的研究具有重要意义.     

伽玛射线暴的高能辐射

伽玛暴是宇宙中最剧烈的恒星级高能爆发现象,一般被认为产生于大质量恒星死亡(一些爆发时标长于2 s的伽玛暴在观测上被证实与一类特殊的超新星成协)或者双致密星(比如双中子星系统)并合(这类并合时标很短,可产生时标短于2 s的伽玛暴).工作在8 ke V–300 Ge V能段的Fermi伽玛射线空间望远镜自2008年升空工作之后,伽玛暴瞬时辐射和高能辐射研究取得了重要进展.本综述将介绍Fermi卫星在过去几年内关于伽玛暴领域的一些重要观测结果,并着重介绍这些观测对探索伽玛暴物理(伽玛暴外流体的光球辐射、磁化、Ge V高能辐射起源),特别是Fermi卫星大面积望远镜(LAT)的高能(100 Me V)辐射观测对限制伽玛暴初始速度/洛伦兹因子,限制宇宙河外背景光模型以及检验光速不变原理等方面的主要研究进展.     

高红移星系的结构与形态研究

本文主要介绍近年来利用哈勃空间望远镜第三代宽场相机的近红外成像对高红移星系结构形态的研究.对红移1-3区间内宁静星系的研究发现其结构较近邻等质量宁静星系更致密,且有很显著的随红移演化趋势.最近的观测证据建议高红移致密宁静星系可能遵循从内而外的演化图像,干子并合可能在其演化过程中扮演了很重要的角色.在红移z1,正常恒星形成星系的结构演化符合等级成团模型的预言.高红移星暴星系,包括极亮红外星系、尘埃遮蔽星系和亚毫米星系等,多数显示了并合的形态特征,表明主并合可能是触发高红移星暴星系中剧烈星爆活动的主要机制.对高红移活动星系核宿主星系结构形态的研究显示了不同的结果:中低光度X射线选活动星系核宿主星系与比较样本中的正常星系相比并不具有显著更高的并合比例;而高光度类星体宿主星系却具有很高的并合比例.该结果表明主并合可能只在高光度活动星系核的核活动触发过程中扮演主要角色.诸多观测事实表明星暴星系、致密恒星形成星系、类星体和致密宁静星系可能处于同一演化序列之上,是高红移大质量星系演化过程中的不同阶段.     

SWIFT伽玛暴的谱延迟距离指示器

早期研究发现,BASTE长暴的相对谱延迟RSL是一个有用的宇宙距离指示器。本文从SWIFT卫星数据中,挑选10个单脉冲长伽玛暴(T90>2.6)作为样本,对样本进行降噪和去除背景,用交叉相关函数分析1,3能道的谱延迟,通过拟合研究各脉冲参数Asymmetry,Fm,Fp,tm,FWHM,τ31和相对谱延迟的关系,发现相对谱延迟和红移具有很好的相关性,这充分表明SWIFT长暴的相对谱延迟仍然是一个很好的红移指示器。     

已知红移Fermi/LAT暴的谱能关系

Fermi卫星的GBM可以更精确地测量Epeak,以及LAT在GeV能段的定位和观测,提供了一个独特的研究伽玛暴谱能关系之一Eiso-Epeak关系的机会.根据9个具有红移的Fermi/LAT暴的谱能关系,发现长暴的这个关系满足一定的关系,而短暴却不满足.     

高红移Lyα发射线星系观测研究

高红移Lyα发射线星系的研究是理解宇宙恒星形成历史和早期星系形成的关键.作为高红移宇宙的重要组成部分,Lyα发射线星系是研究星系形成、宇宙恒星形成和结构形成历史以及宇宙再电离时期的重要探针.近20年随着8–10 m级地面望远镜和红外设备的发展,利用窄带测光技术和光谱观测,人们对Lyα发射线星系的研究取得了巨大进展.本文主要介绍由窄带测光技术选取的红移2以上的Lyα发射线星系的成团性质、恒星星族和发射线星云性质、恒星形成性质、紫外连续谱和Lyα发射线形态,与莱曼断裂星系的关系,对宇宙恒星形成率密度的贡献,以及极高红移Lyα发射线星系对宇宙再电离时期的限制等方面的研究进展.     

已知红移 Fermi/LAT 暴的谱能关系 林一清

Fermi卫星的GBM可以更精确地测量Epeak,以及LAT在GeV能段的定位和观测,提供了一个独特的研究伽玛暴谱能关系之-Eiso-Epeak关系的机会．根据9个具有红移的Fermi／LAT暴的谱能关系,发现长暴的这个关系满足一定的关系,而短暴却不满足．     

Swift/BAT伽玛暴的经验谱能关系

我们选取76个红移已知Swift伽玛暴(含有61个长暴和15个短暴),分析了各向同性能量,光度和峰值能量之间的相关性,研究发现Swift长暴存在Amati关系,而短暴存在Ghirlanda关系和Amati关系。我们还发现了Swift/BAT长暴和短暴的Ep.i-Lp关系都分别存在且是一致的,并且符合Zhang,DaiHuang之前利用多个卫星数据得到的结果。     

爱因斯坦探针:探索变幻多姿的X射线宇宙

爱因斯坦探针(Einstein Probe,EP)是一颗面向时域天文学的、发现型的X射线天文探测卫星,是中国科学院空间科学战略性先导专项十三五规划的空间科学卫星系列任务之一.展望未来十年,时域天文学将进入一个前所未有的、多波段和多信使的大视场监测的黄金时代.在软X射线窗口,灵敏且快速的全天监测为我们提供了一个难得的科学机遇.EP卫星将在这一能段窗口开展时域巡天监测,旨在发现和探索宇宙中的X射线暂现源和爆发天体,并发布预警以引导其他天文设备进行后随跟踪观测.EP的科学载荷包括一台宽视场软X射线监视器(3600平方度,0.5–4 keV)和一台后随观测X射线望远镜(0.3–8 keV).卫星具有快速机动反应能力以及暂现源警报的快速下传功能.由于采用了新颖的微孔龙虾眼X射线聚焦成像技术,其探测灵敏度和空间分辨率比目前在轨运行设备提高了1个数量级,将能监测更远、更大的宇宙空间范围.预期EP将在以下三方面做出贡献:高能暂现天体的系统性巡天监测,发现隐身的沉寂黑洞并测绘宇宙黑洞的分布、研究其形成演化和物质吸积过程,搜寻来自引力波事件的X射线信号并精确定位等.此外,EP的探测目标还将包括从中子星、白矮星、超新星、宇宙早期伽玛暴、X射线闪到恒星耀发等众多的天体和现象,涉及广泛的天体物理学分支.卫星计划于2022年底左右发射.运行寿命为3年,目标5年.     

Fermi/GBM伽马暴的谱能关系

选取10个已知红移的单峰Fermi/GBM长暴,采用交叉相关函数计算第1与第3能道之间的相对能谱延迟(R_(SL)).研究发现,伽马暴的R_(SL)s分别与峰值光度和红移相关,所得结果与已报道文献中利用BATSE暴得到的结果相符合.这意味着R_(SL)与峰值光度和红移的相关关系不受探测仪器选择效应的影响.这表明R_(SL)可以作为一个可能的宇宙红移探测指示器用于宇宙学参数的测量.利用这些Fermi/GBM伽马暴样本,通过重新分析发现峰值能量与峰值光度、各向同性能存在较强相关.这些关系与从BATSE暴中得到的结果不一致,而与从Swift暴得到的结果符合.     

单峰结构的GRB光变曲线的FWHM与E_p之间的关系

探讨了观测有红移数据并具有单峰结构的伽玛射线暴(GRB)光变曲线的半高全宽(FWHM)与其光子峰值能量Ep之间的关系。用CGRO卫星与Swift观测到的具有单峰结构的并能被半经验公式——KRL模型所拟合,而且在BeppoSAX卫星、Swift和观测站观测有红移数据的25个FWHM数据与相对应的Ep进行相关分析。结果表明:单峰GRB光变曲线的FWHM与光子峰值能量Ep的对数值之间有很好的线性相关性,相关系数R=-0.77。这表明GRB的光变曲线结构与其峰值能量有密切的关系,光变曲线的FWHM越宽,则峰值能量越低。     

高能伽玛射线观测研究进展和展望

高能伽玛射线辐射位居宇宙电磁辐射频带的高端,联系宇宙天体巨大能量释放和相对论性粒子加速及其非热辐射过程,是探索极端条件下物理过程的重要天文窗口,也是研究"世纪之谜"——宇宙线起源问题的重要手段.随着新一代探测器的稳定运行,天基和地基伽玛射线探测均取得了丰硕成果.在100 Me V能段,2008年上天的Fermi卫星已将伽玛射线源由三百增加到三千多个.在100 Ge V能段,地面切伦科夫望远镜HESS,MAGIC,VERITAS和地面EAS阵列Tibet ASγ,Milagro,ARGO-YBJ,自2003年以来已将伽玛射线源由十多个提升到一百六十个,同时,下一代探测器CTA和LHAASO也在稳步推进中,未来将把地基探测能力提升一个量级以上.本文主要介绍各家实验概况及其取得的重要观测进展,然后分类概括各种类伽玛射线源(脉冲星及其风云、超新星遗迹、伽玛射线双星、活动星系核、伽玛射线暴及其他伽玛射线源)的观测研究现状,并对未来CTA和LHAASO实验进行展望.     

从谱演化方面的信息探讨GRB 061007的暴周环境

GRB 061007是一个明亮的、长时标的伽玛射线暴(简称伽玛暴),其红移为1.261.一方面,Swift/XRT观测到的数据显示,此暴X射线波段的光变曲线呈现出单一幂率形态,且幂率指数αXRT=1.68±0.01.另一方面,经由Faulkes Telescope South(简写为FTS)提供的BVRi'多波段光学余辉数据,作者分析发现其各波段光变曲线的幂率指数αOptical均在1.6左右.拟合得到的2个波段幂率指数如此相近,也就意味着此暴的X射线波段和光学波段具有同一起源.作者通过分析X射线波段和光学波段的谱演化情况,探究GRB 061007的暴周环境.分析的结果显示,X射线波段的谱指数β没有演化,而光学波段的谱有向蓝端演化的趋势.根据其光学波段谱的演化趋势,推测此暴的暴周环境不是均匀介质,而应是星风环境.     

引力波事件GW170817的电磁对应体

2017年8月17日,激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到来自双中子星合并的引力波GW170817.伴随GW170817的短伽玛射线暴与千新星也分别在1.74 s后和10.9 h后被伽玛射线卫星和光学望远镜探测到.对这些电磁对应体的观测与研究首次证实双中子星并合会产生大量重元素并形成千新星.通过相关理论与观测的比较,人们对于双中子星并合的中心引擎、短伽玛暴喷流的特性以及并合产生的抛射物性质等一系列重要的天体物理学问题进行了空前深入的研究.本文介绍伴随GW170817的各类电磁波对应体的性质,并探讨这些电磁波对应体的物理起源.     

研究GBM和BAT同时触发的暴

结合Swift和Fermi两个卫星的各自优点,选择Fermi/GBM和Swift/BAT同时触发的伽玛暴观测数据,发现GBM暴持续时间的平均值比BAT暴要小,但是它们的持续时间分布、伽玛暴本身的流量分布以及光子峰值能量分布(log N-log P分布)之间不存在系统性差异.所以,不同仪器的观测差异可能是由于仪器本身的灵敏度引起的,与暴的性质无关.     

从谱演化方面的信息探讨 GRB 061007 的暴周环境

GRB 061007是一个明亮的、长时标的伽玛射线暴（简称伽玛暴）,其红移为1．261．一方面,Swift／XRT观测到的数据显示,此暴X射线波段的光变曲线呈现出单一幂率形态,且幂率指数αXRt=1．68±0．01．另一方面,经由Faulkes Telescope South（简写为FTS）提供的BVRi’多波段光学余辉数据,作者分析发现其各波段光变曲线的幂率指数αOptical均在1．6左右．拟合得到的2个波段幂率指数如此相近,也就意味着此暴的X射线波段和光学波段具有同一起源．作者通过分析X射线波段和光学波段的谱演化情况,探究GRB061007的暴周环境．分析的结果显示,X射线波段的谱指数JB没有演化,而光学波段的谱有向蓝端演化的趋势．根据其光学波段谱的演化趋势,推测此暴的暴周环境不是均匀介质,而应是星风环境．     

暗物质粒子探测卫星及邻近的电子宇宙射线源

在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,紫金山天文台等单位正在建造"暗物质粒子探测卫星"(DAMPE),预期将于2015年底发射升空.暗物质粒子探测卫星是一个高能伽玛射线、宇宙线探测器,有望在1-10 TeV的电子宇宙射线能谱测量以及GeV-TeV伽玛射线线谱搜寻方面取得重要进展.在本文中,我们扼要介绍暗物质粒子探测卫星探测器的主要组成及功能,并介绍紫金山天文台的科学组在邻近电子宇宙射线源方面的研究进展.     

GRB 980703射电、光学和红外余辉的数值模拟研究

GRB 980703有丰富的多波段余辉观测数据. 特别是它的射电余辉非常明亮以至于在爆发后1000多天还能被观测到. 此外, 它的多波段余辉光变曲线中没有特殊的特征, 也就是说没有增亮、平台、快速衰减或缓慢衰减等现象. 以上这些特点使得GRB 980703成为伽玛暴研究领域中一个十分难得的样本. 在本文中利用GRB 980703的观测数据来详细地检验伽玛暴余辉的标准火球模型, 计算结果表明火球模型可以满意地解释伽玛暴多波段余辉光变曲线的行为. 拟合得到的GRB 980703的物理参数如下： 喷流的半张角约为Θ0≈0.23 radian; 暴周围环境介质密度约为n≈27cm-3; 火球各向同性总能量约为E0≈3.8×1052 ergs; 伽玛暴寄主星系对视线方向的消光贡献约为AV≈2.5 mag.     

哈勃参量限制宇宙的backreaction效应

主要研究不均匀宇宙下的平均宇宙模型对宇宙加速膨胀的解释. 首先, 通过对该尘埃宇宙模型下的backreaction效应和Larena等提出的模板度规结合, 得出了如下结论:FLRW 度规对早期宇宙的演化能进行准确描述, 但到晚期大约a_D>0.1之后与backreaction模型区别明显.其次,选择通过有效哈勃参量来限制宇宙学参量.由于不能得到准确的尺度因子和红移关系,于是近似选择 FLRW 度规代替模板度规进行限制.限制结果发现(1σ stat), 与其他观测如超新星遗迹探测(SNLS)和Ⅰa型超新星等符合的很好. 最后, 通过限制结果的最佳拟合值对此模型下的宇宙学参量进行了分析, 表明宇宙的backreaction效应可以很好解释宇宙加速膨胀, 因此值得对此模型进行进一步的研究.