伽玛射线暴极早期光学余晖的观测和相关物理的研究

伽玛射线暴（GRB）被认为是宇宙中最激烈的恒星级天体爆发事件，是一个高能量、高红移的剧烈事件。它能在数十秒内爆发出10⁵⁴erg能量，红移从紧邻宇宙到宇宙初期（目前测量得到的最大光谱红移达到了8.3）。近年来，伽玛暴多波段余晖的后随观测，极大的加深了人们对伽玛暴的理解。特别是在爆发的极早期阶段，详细研究喷流内部的各种辐射成分以及其演化，对主流的内外激波模型进行很强地限制。通过对余晖早期光谱的观测，还能直接测量伽玛暴的红移，为深入研究各种经验统计关系，并据此以伽玛暴为手段进行宇宙学测量提供可能。联合光学和高能光变及能谱数据，深入探究伽玛暴的内部物理过程、相对论喷流特性、及其与暴周环境的相互作用等。国家天文台魏建彦研究员领导的研究团队利用兴隆基地的2.16米、80厘米等望远镜等对伽玛暴进行后随观测。通过分析观测数据，研究其光变行为，探究其辐射机制和物理起源，获得了多项重要研究成果。

取得的成果：

1) GRB090529A的多波段余晖平台的起源问题：能量注入到星风介质中？

能量注入模型通常用来解释伽玛暴X射线余晖的平台。但是同时在光学波段看到平台或者缓慢辐射的事例极少。我们利用80厘米望远镜（TNT）对GRB 090529A的光学余晖观测数据中，发现该暴从极早期的缓慢衰减（衰减指数小于等于0.5）加速到正常衰减阶段（衰减指数约为1），与同时期的X射线光变行为类似。如图 1所示。正常衰减过程符合星际介质下的正向激波辐射。但是多波段缓慢衰减阶段的数据则表明外部介质可能是星风介质，且有能量注入的过程。这样光变拐折过程同时对应能量注入的停止以及外部介质密度的改变。在文中我们也讨论了对光变拐折的其他可能解释，比如演化的微物理参数模型或者相对于喷流的偏轴观测等。

图 1 GRB 090529A的光变曲线，红色、紫色，蓝色点为TNT的观测数据

2) GRB 121011A：伽玛暴正向激波的开始过程的“教科书”

图 2中红色点是TNT望远镜对GRB121011A的观测数据。从暴后150多秒开始，光变曲线以指数为1.57的幂律形式增亮。在暴后539秒达到峰值。然后以1.3左右的指数衰减。整个过程特别光滑，可以被很好地理解为相对论喷流与外部介质的相互作用过程中产生的正向激波过程。通过光变上升速度的分析，确定该暴周围介质密度介于均匀介质和星风介质之间。不同于Swift卫星观测到的大部分长暴的多波段余晖。在这个暴中，没有探测到其它辐射诸如反向激波、能量注入等成分。该暴的光变行为可以当作标准的正向激波与外部介质产生正向激波的“教科书”行为。

图 2 GRB 121011A的光变曲线。红色点是TNT观测得到的光学余晖测量点

3) GRB111228A的多波段观测对模型和暴周环境的限制

极早期多波段的观测对于揭示伽玛暴伽玛暴内部引擎活动和暴周环境有很大的作用。我们使用了包括兴隆基地的TNT望远镜在内的国内国际多台设备详细观测了GRB 111228A。观测数据从暴后95秒一直持续到150个小时。详细分析了从光学到高能瞬时辐射数据。结果表明，该暴周围的介质呈现很低的尘埃气体比。低介质密度（n约为0.1每立方厘米）暗示喷流可能产生于寄主星系外围或者热介质中。

图 3 GRB 111228A的多波段观测数据。早期红色点都是来自于兴隆TNT的观测

4) 通过极早期余晖光谱测定了GRB 140629A的红移为2.23

伽玛暴的红移基本都是利用国外大口径望远镜对伽玛暴的余晖或寄主星系进行光谱测量确定的。魏建彦团队利用TNT望远镜对GRB 140629A进行早期余晖观测，同时利用兴隆2.16米望远镜在暴后1小时左右成功获取了极早期余晖光谱，精确测量了该暴的红移为2.23,并且发现一些金属成分的电离度较高。这是利用我国望远镜第一次获得了伽玛暴的光谱，证实了利用国内2米级望远镜进行伽玛暴光谱测量的可能性。对GRB140629A的能谱分析还发现，这个暴偏离能量-能谱经验关系，但是却符合亮度-峰值能量-洛伦兹因子的关系。

图 4 GRB 140629A的多波段光变曲线

5) GRB110530A的早期余晖光变行为异常

TNT的早期光学余晖光变显示在正向激波开始增亮并衰减后，又有一次增亮过程，被理解为是一次延缓的能量注入，如图 5所示。在X射线也有存在这样的过程。通过模型和数据的联合分析，发现该暴喷流的辐射效率约为1%，磁化参数非常低。所以该暴的喷流应该是由物质主导的。

图 5 GRB 110530A的多波段光变曲线，红色五角星点为TNT的测光点

6) 在GRB140512A的早期数据中探测到了与瞬时辐射和反向激波相关的辐射成分

如图 6所示，红色点是兴隆TNT的观测数据。在极早期光变行为与高能X射线和伽玛射线的耀发过程在时间和亮度上高度相关，被认为是来自于喷流内部激波相互作用产生的瞬时辐射。随后光学波段又有增亮过程，认为是来自反向激波辐射。反向激波辐射阶段的磁化因子达到999，说明喷流内部反向激波辐射区磁能占主导地位。将GRB 140512A与早期由反向激波辐射主导的GRB 090102和GRB 130427A进行比较，发现光学亮度和行为的不同可能归咎于喷流内部能量、初始洛伦兹因子和暴周环境等。

图 6 GRB 140512A的多波段光变曲线（上图）。红色点来自于兴隆TNT的观测。下图是瞬时辐射时期光学和高能的联合谱分析

相关论文列表：

[1]Multi-wavelength observations of GRB 111228A and implications for the fireball and its environment, Liping Xin et al., 2016, ApJ, 817, 152

[2] GRB 110530A: Peculiar Broad Bump and Delayed Plateau in Early Optical Afterglows, Zhong S.-Q., Xin Liping et al., 2016, arXiv, arXiv:1607.08454，(已接收)

[3]Very Bright Prompt and Reverse Shock Emission of GRB 140512A, Xiao-Li Huang, Liping Xin et al., 2016, submitted to ApJ(正在二审阶段)

[4]PHOTOMETRIC AND SPECTROSCOPIC OBSERVATIONS OF GRB 140629A, Liping Xin et al., 2016, submitted to ApJ

[5]Optical light curve of GRB 121011A: a textbook for the onset of GRB afterglow in a mixture of ISM and wind-type medium, Liping Xin et al., 2015, RAA, 16, 1

[6]The shallow-decay phase in both optical and X-ray afterglows of swift GRB090529A: Energy injection into a wind-type medium, Liping Xin et al., 2012, MNRAS, 422, 2044

[7]GRB 071112C: A Case Study of Different Mechanisms in X-Ray and Optical Temporal Evolution, Urata Y; Tung.Y.H; Lin, H. M.; Xin L. P.; et al., 2012, ApJ, 748, 44H