共動坐標(biāo)系中伽瑪暴νFν譜的峰值能量分布*

程再軍，林一清

(1. 廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門　361024; 2. 福建省高校光電技術(shù)重點實驗室，福建 廈門　361024)

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共動坐標(biāo)系中伽瑪暴νFν譜的峰值能量分布*

程再軍1,2，林一清1,2

(1. 廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門361024; 2. 福建省高校光電技術(shù)重點實驗室，福建 廈門361024)

伽瑪暴能譜νFν的峰值能量Ep是伽瑪暴一個很重要的觀測物理量，各種儀器觀測的伽瑪暴νFν譜的峰值能量Ep分布都很寬。根據(jù)初始洛倫茲因子Γ0，把伽瑪暴νFν譜的峰值能量Ep修正到共動坐標(biāo)系，發(fā)現(xiàn)Ep在不同坐標(biāo)系中分布的寬窄程度沒有顯著差別，說明觀測的峰值能量Ep分布比較寬應(yīng)該不是多普勒放大作用，可能是伽瑪暴峰值能量Ep的真實分布。

伽瑪射線；暴；峰值能量；觀測

伽瑪射線暴(Gamma-Ray Bursts, GRBs)是人們觀測到的一種來自宇宙學(xué)距離的伽瑪射線在短時間內(nèi)忽然增強的極端高能爆發(fā)現(xiàn)象，具有極高能、強爆發(fā)和瞬時性等特征。自伽瑪暴被發(fā)現(xiàn)以來，不同衛(wèi)星的觀測和地面望遠(yuǎn)鏡的余輝跟蹤讓我們對伽瑪暴有了本質(zhì)的認(rèn)識。對伽瑪暴瞬時能譜和譜隨時間演化的研究，為研究伽瑪暴的輻射機制提供了有利的證據(jù)。不同的伽瑪暴具有不同的光變曲線，但是其能譜卻非常相似，伽瑪暴的能譜大部分是非熱連續(xù)譜，部分暴有一個很長的高能尾巴，有的甚至延伸到千兆電子伏[1]。伽瑪暴的能譜反映了能量的大小和爆發(fā)源區(qū)域的粒子分布，能譜的變化能反映輻射區(qū)域的一些基本物理信息，只有完全了解伽瑪暴的起源，才能理解輻射區(qū)域的物理機制，也就能理解這些爆發(fā)現(xiàn)象。當(dāng)前的理論幾乎沒有提供對這些暴數(shù)據(jù)的指引，但是暴的時間和譜的特征為這些爆發(fā)時間的起源提供線索并對物理模型提供限制，因此，研究伽瑪暴的能譜對理解伽瑪暴的本質(zhì)非常重要[2]。

伽瑪暴能譜νFν的峰值能量Ep是伽瑪暴一個很重要的物理量，它與一些觀測量(如流量、光度或各項同性能)之間的相關(guān)性不僅可以作為理解伽瑪暴的一個重要線索，有一些關(guān)系還可被用來限制宇宙學(xué)參數(shù)[1]。如：2004年文[3]發(fā)現(xiàn)各向同性Eiso和靜止系中峰值能量Ep,z(Ep,z=Ep(1+z))之間存在緊密的聯(lián)系。同時，初始洛倫茲因子Γ0對于理解伽瑪暴物理是一個很重要的參數(shù)。理論上，預(yù)測的Ep,z不僅僅依賴于各向同性光度Liso，也依賴于外流初始的洛倫茲因子Γ0。伽瑪暴一些變量之間的關(guān)系已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，而這些關(guān)系對于理解伽瑪暴非常有用[4]。伽瑪暴的輻射譜很寬，如果觀測儀器的能量波段足夠?qū)?，那么一個典型暴的瞬時輻射能譜大致為高能段和低能段兩段冪律譜，并且大都可以由Band函數(shù)給出很好的擬合，高能段和低能段都有一個譜指數(shù)，在中間Ep處平滑地連接[5]。

1　樣　本

樣本包含了從2005年1月到2015年4月Swift衛(wèi)星伽瑪暴預(yù)警望遠(yuǎn)鏡(Swift/BAT)觀測的已知紅移的長暴，共199個[4]。選取的這些伽瑪暴數(shù)據(jù)樣本，它們的各向同性能Eiso(或者各向同性光度Liso)都可以從文獻中查找或者根據(jù)觀測數(shù)據(jù)計算得出。峰值能量的計算比較復(fù)雜：由于BAT覆蓋的范圍很窄，只有15～150 keV，所以BAT觀測到的只是伽瑪暴譜中很小的一部分，絕大部分的暴Ep超過了BAT的觀測范圍，因此BAT譜可以用一個簡單的冪律函數(shù)擬合(F∝ν-b)，而譜指數(shù)b與Ep強相關(guān)[1,7]，即

logEp=(2.76±0.07)-(3.61±0.26)logb .

根據(jù)譜指數(shù)b算出Ep，再根據(jù)Ep,z=Ep(1+z)計算出觀測系中的峰值能量Ep,z。根據(jù)上面得到的Swift暴的Ep以及譜指數(shù)(高能部分的參數(shù)取典型值β=-2.3)，把這些暴的流量通過k修正得到1～104keV能段的流量，得到這些Swift/BAT暴的各向同性光度Liso。再根據(jù)多變量(各向同性光度Liso、初始洛倫茲因子Γ0和觀測系中峰值能量Ep,z)之間的關(guān)系式[4]：

logΓ0=(3.33±0.38)+(0.46±0.07)logLiso,52-(0.43±0.15)×logEp,z，

2　Ep分布

根據(jù)以上樣本的數(shù)據(jù)做出共動系和觀測系中峰值能量Ep的分布，如圖1。從圖1(b)中發(fā)現(xiàn)暴的分布很寬，從16 keV到大約6 638 keV，集中在200 keV附近，那么觀測的Ep分布很寬，到底是伽瑪暴的真實物理分布，還是由于多普勒放大造成的？基于這樣的考慮，根據(jù)公式算出共動坐標(biāo)系中的Ep，并畫出它們的分布，如圖1(a)。從圖中可以看到，共動系中峰值能量的分布也很寬，從90 eV到160 keV，最高峰在5 keV左右。圖中虛線是對兩個分布進行高斯擬合的結(jié)果，高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差和等值半寬值(如圖右上角)也表明兩種分布的寬窄程度沒有顯著差別。

3　結(jié)論和討論

伽瑪暴的光譜信息提供了與伽瑪暴發(fā)生的物理過程最直接的信息。伽瑪暴能譜νFν的峰值能量Ep是伽瑪暴一個很重要的物理量，峰值能量Ep的分布及其與其它一些暴特征量之間的相關(guān)性對伽瑪暴的輻射機制和能源產(chǎn)生提供依據(jù)。不同觀測儀器觀測到的Ep分布沒有本質(zhì)的不同，都有很寬的分布，從大約幾keV到MeV[6]。樣本中伽瑪暴的峰值能量Ep從16 keV到大約6 638 keV，集中在200 keV。根據(jù)初始洛倫茲因子把它修正到共動坐標(biāo)系后，發(fā)現(xiàn)峰值能量Ep在共動系和觀測系中分布的寬窄程度沒有顯差區(qū)別，在共動系中的分布也很寬，從大約90 eV到160 keV左右，這個結(jié)果表明觀測系中的Ep分布很寬可能是伽瑪暴峰值能量Ep的真實物理分布，而不是由于多普勒放大作用產(chǎn)生的。在今后的工作中將進一步研究伽瑪射線暴能譜的其他特性，從而深入揭示伽瑪暴的輻射機制、伽瑪暴產(chǎn)生的物理條件以及內(nèi)外激波的關(guān)系等問題。

圖1不同坐標(biāo)系中暴的Ep分布，圖(a)為共動系中的分布，圖(b)為觀測系的分布，虛線為高斯擬合的結(jié)果

Fig.1Epdistribution in jet-comoving frame (a) and observed frame (b), dashed lines represent the results of Gauss fitting

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The Peak Energy Distribution of the νFνSpectra in the Rest Frame

Cheng Zaijun1,2, Lin Yiqing1,2

(1. School of Optoelectronic and Communication Engineering,Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China,Email: 2011111002@xmut.edu.cn; 2. Fujian Provincial Key Laboratory of Optoelectronic Technology, Xiamen 361024, China)

Gamma-Ray; Bursts; Peak Energy; Observations

國家自然科學(xué)基金 (61504113)；國家自然科學(xué)基金 (U1231101) 資助.

2016-04-25；

2016-05-16

程再軍，男，講師. 研究方向：半導(dǎo)體物理. Email: 2011111002@xmut.edu.cn

林一清，女，教授. 研究方向：天體物理. Email: yqlin@xmut.edu.cn

P172.3

A

1672-7673(2016)04-0389-03

CN 53-1189 /P ISSN 1672-7673