第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼


  伽玛射线暴(简称伽玛暴)是在宇宙空间发生的短时标伽玛射线爆发现象。从1997年发现余辉起,许多空间卫星和地面望远镜的观测证实: 伽玛暴不仅是宇宙深处最剧烈的爆发现象,而且有长达数月到1年的低频辐射(余辉),甚至长伽玛暴(持续时标大于2秒)和短伽玛暴(持续时标小于2秒)分别起源于大质量恒星的塌缩和双中子星的合并。这些成果4次被Science杂志评为年度世界十大科技成就之一。近10年来,伽玛暴一直是高能天体物理的一大研究热点。在国家自然科学基金的持续支持下,南京大学戴子高教授等人研究了伽玛暴的余辉物理(如辐射模型、环境效应、能量注入和喷流结构等)、能源机制和宇宙学意义等,取得如下重要发现和突破性进展:

  (1)起源问题:开辟了研究起源的一个新途径,即通过研究环境性质来研究伽玛暴的起源,发现了星风环境和致密环境。两种环境均导致同一个结论: 长伽玛暴起源于大质量恒星的塌缩。这已是公认的观点。

  (2)能源机制: 提出了伽玛暴的中子星到奇异夸克星的相变机制,避免了以往模型普遍存在的重子污染问题,并用同一个相变机制解释了3类完全不同的高能暴(即伽玛暴、软伽玛重复暴和硬X射线暴)。

  (3)统一模型: 提出了余辉动力学演化的统一模型,可以完整地描述伽玛暴火球从极端相对论到非相对论的整个演化过程。

  (4)拐折成因: 发现火球膨胀从相对论到非相对论的转变可以解释一些余辉光变曲线上出现的拐折,由此定出的致密环境因含有起源的重要信息也倍受人们关注,并得到国际上X射线卫星和大望远镜观测的证实。

  (5)能量注入: 研究中心毫秒脉冲星对余辉的能量注入效应,很好地解释了一些复杂的光变曲线(包括近两年Swift卫星的观测结果)。

  (6)高能辐射: 提出利用伽玛暴爆发之后延时接收到的高能GeV光子谱来限制伽玛暴TeV光子的辐射机制,并研究了反向激波的逆康普顿散射效应。

  (7)统计分析: 开辟了伽玛暴宇宙学,即利用伽玛暴谱的峰值能量和总辐射能之间的相关性,限制暗能量和宇宙学参量,得到与超新星宇宙学相一致的结论。该课题目前成为新的研究热点。

  (8)X射线耀发: 最近在Science杂志上以Report的形式发表1篇文章提出了在短伽玛暴100秒后X射线耀发的新机制,即双中子星合并产生的强磁场毫秒脉冲星发生一系列磁重联过程。由于有较差自转的脉冲星可以在暴后通过磁重联继续释放能量,因此该模型克服了传统模型——黑洞加暂现盘的短寿命缺点。

  以上研究成果在国际、国内产生较大影响,特别是分别在国际天文和天体物理权威杂志Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics上发表的3篇评述文章、Weiler的新书《Supernovae and Gamma-Ray Bursts》中的3章、Piran在国际物理权威杂志Reviews of Modern Physics(2005)中的评述文章均大篇幅、多次引用这些工作。比如光学余辉的发现者van Paradijs等在2000年的《天文与天体物理年评》的评述文章中以近1.5页的篇幅详细介绍了余辉动力学演化的统一模型,并认为该模型“更精确”、“更普适”。有关伽玛暴余辉和能源机制的研究在2002年获教育部自然科学奖一等奖,2003年获国家自然科学奖二等奖。

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