磁化中微子主导吸积流的研究及其在伽玛射线暴中的应用

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伽玛射线暴是发生在宇宙学距离的短时标的伽玛射线突然增强并很快消失的暂现天体现象,被认为是继宇宙大爆炸后最剧烈的高能暴发事件。自1973年伽玛暴的发现被正式报导以来,在长达四十多年的时间里,它一直是高能天体物理研究的重要对象之一。  几十年来人们对伽玛暴的认识已经取得了很多进展:确认了伽玛暴是宇宙学起源;认识到伽玛暴总体上分为长暴和短暴两类;长暴极有可能和大质量恒星塌缩有关,而短暴可能和致密星的并合有关;伽玛暴的辐射来自一个极端相对论喷流;建立了余辉的火球激波同步辐射模型等等。但还有很多问题没有解决,比如:长短暴的分类是否全面?短暴的前身星都是双致密星并合吗?是什么(重子、轻子还是磁能)主导了相对论喷流的物质成分?喷流有结构吗?瞬时辐射机制是什么(同步辐射、同步自康普顿辐射还是外部康普顿散射)?伽玛暴能做为标准烛光吗?以上这些内容概括起来,实际是回答伽玛暴的前身星是什么,它的巨大的能量来自哪里,这么大的能量又如何转化为多波段辐射等问题。  关于伽玛暴的能源机制,或者中心引擎,现在主流的观点是认为伽玛暴的能量由一个黑洞高超吸积系统提供。本论文围绕黑洞高超吸积系统,对具体的一类喷流驱动机制——中微子主导吸积流(NDAF)进行了系统的研究。主要包括以下几个方面的内容:  第一章首先介绍了伽玛暴研究的观测历史,描述了瞬时辐射和余辉辐射在光变和能谱等方面的主要特征。接着简要描述了伽玛暴辐射的火球激波理论。然后重点对前身星和中心引擎的研究进行了细致梳理,其中包括长暴的塌缩星模型,超新星模型,磁星模型,短暴的双致密星并合模型,黑洞高超吸积系统供能机制(包括NDAF模型,Blandford-Znajek机制等),磁星供能机制等等。  第二章研究了非零力矩内边界条件下的中微子主导吸积盘(nztNDAF)。考虑到对于磁化吸积盘传统NDAF理论零内边缘力矩假设的不合理性,本工作在修改角动量方程的基础上唯像地考察了NDAF内边缘力矩的影响。发现在内边缘力矩的作用下,NDAF的中微子湮灭光度有极大提高,解决了NDAF在解释剧烈GRB样本时所面临的低效率问题;同时NDAF的内区可能变得不稳定,可能用来解释GRB的瞬时光变特征。  第三章从最小光变时标与喷流洛仑兹因子和各向同性光度之间的反相关经验关系出发,结合黑洞高超吸积框架下两类不同的喷流驱动机制(NDAF模型和Blandford-Znajek机制)的理论预言,对这两类中心引擎模型加以对比研究。基于在第二章发现的内边缘力矩造成的NDAF不稳定,该工作把最小光变时标理解成NDAF的粘滞不稳定时标,结果发现,观测上的经验关系更倾向于支持喷流由Blandford-Znajek机制驱动。  第四章是对含时中微子主导吸积盘的数值模拟,该工作的主要目的之一是更准确地把握NDAF模型的物理细节,以检验前两个工作关于nztNDAF盘结构、中微子湮灭光度、粘滞不稳定时标等重要物理量对黑洞质量、自旋、吸积率等参数的依赖关系的正确性。作为该工作的第一步,我们当前只考虑URCA冷却机制和理想气体状态方程,更细致的工作还在继续进行当中。  第五章总结了本人博士阶段的主要研究成果,介绍了现有的问题,并对将来一段时间可能进行的后继研究或新的研究方向进行了讨论和展望。
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