伽玛射线暴高能光子辐射的理论研究

伽玛射线暴是来自宇宙空间的伽玛射线爆发现象。近几年，由于多个卫星项目对KeV到MeV辐射的观测，伽玛射线暴的研究取得了较大进展。然而，人们对伽玛射线暴在更高能段的行为了解甚少。Fermi卫星已开始上天观测，将为我们研究伽玛射线暴在GeV能段的性质提供了难得的机遇。本项目拟结合Fermi对伽玛射线暴的观测，研究下面几个方面的问题：1）借助Fermi从KeV到GeV的观察能谱和光变特征，研究伽玛射线暴瞬时阶段高能光子的辐射机制；2）研究不同类别的伽玛射线暴，特别是低光度伽玛射线暴在余辉阶段的GeV-TeV辐射性质，包括研究不同阶段的高能质子通过强子过程产生的高能伽玛光子辐射，并与电子的逆康谱顿过程进行比较；3）研究X 射线耀变，包括短时标伽玛射线暴的X 射线耀变的高能辐射性质； 4）研究不同类别的伽玛射线暴产生的高能粒子辐射，包括研究它们是否是超高能宇宙线的源。

本项目按计划顺利完成，取得的主要成果有两方面：一）揭示了Fermi 卫星观测到的伽玛暴早期阶段高能光子的起源。主要包括：1）我们研究了Fermi/LAT探测到的伽玛暴在早期阶段的高能辐射起源，发现外激波过程产生的流量不足以解释瞬时阶段高能辐射的流量，因而早期高能辐射必须来自某种内部耗散过程。我们的工作第一次提出有力证据支持早期阶段的高能辐射来自内部起源。后来Maxham 等人对多个暴的分析结果支持了我们的结论。2）我们还研究了伽玛暴早期余辉中的电子逆康普顿散射的Klein-Nishina 效应对高能辐射行为的影响，发现在很大的参数空间下逆康普顿辐射对高能余辉的贡献很小，并发现此效应可以影响高能余辉衰减的斜率。二）研究了极高能宇宙线传播的观测效应。主要包括：1）利用Fermi/LAT观测到的河外伽玛射线背景辐射强度，得到了高红移处的极高能宇宙线的产生率的重要信息，并进一步计算得到了宇宙极高能中微子的辐射强度的严格上限。2）研究了巨超新星模型产生的极高能宇宙线当传播到地球时的能谱和化学组成，发现与国际Pierre Auger宇宙线天文台的观测相符合。3）我们通过研究改正了Icecube 团组对理论预期的中微子流量的错误计算，指出目前IceCube的观测结果并未能排除伽玛暴产生中微子辐射的标准模型，同时研究了IceCube的观测对伽玛暴火球重要属性的限制。.本项目在国际一流天文期刊上发表论文11篇（项目负责人为第一作者或通讯作者），被引用100多篇次。负责人在执行期间获教育部自然科学一等奖（第四完成人）。