摘要
伽玛射线暴（Gamma-RayBurst，简称‘GRB’或‘伽玛暴’)是指来自宇宙空间中任意方向的伽玛射线在短时间内突然爆发的现象。伽玛暴在数秒内释放的各向同性能量达到～1051-1054erg，它是目前为止人类发现的宇宙中最剧烈的电磁爆发现象。自从1967年美国的军事卫星Vela首次探测到来自太空的伽玛暴以来，伽玛暴已经逐渐被天文学家所了解。尤其是近年来伽玛暴领域取得了诸多突破性进展。例如，2017年8月人类首次观测到短伽玛暴(GRB170817A)与双中子星并合产生的引力波暴(GW170817)成协，这标志着多信使天文学的诞生！GRB170817A是一个独特的短伽玛暴，其瞬时辐射的各向同性能量仅为Eγ,iso～6×1046erg，且余辉的光变曲线具有长达～160天的缓慢上升段。另外，伽玛暴的偏振探测也取得较大进展，我国的伽玛暴偏振探测仪POLAR探测到一个伽玛暴样本的偏振，平均偏振度约10％，且发现GRB170114A在单脉冲内存在偏振角演化的现象。 本论文的第一章为引言部分，第二章和第三章分别是伽玛暴的观测和理论模型介绍。第二章主要介绍伽玛暴的瞬时辐射和余辉的观测，包括伽玛暴的空间分布和爆发率，瞬时辐射和余辉阶段的观测光变曲线和观测谱。第三章介绍伽玛暴的两个主流模型，包括火球模型（重子物质主导）和坡印廷流主导模型，主要介绍这两种模型如何解释伽玛暴和余辉的观测。 GRB170817A作为首个被发现与引力波成协的伽玛暴，其独特的长时间缓慢上升的余辉光变曲线难以用典型的均匀喷流模型或均匀的暴周介质来解释，因此本论文的第四和第五章的研究将致力于解决该问题。第四和第五章分别从暴周环境效应和喷流结构效应着手对该问题进行研究。我们在第四章中系统地研究了不同暴周环境及不同视角下的余辉光变曲线，采用解析近似的方法给出不同暴周环境下偏轴观测伽玛暴在各个喷流演化阶段的解析光变指数，并采用数值计算的方法给出相应的光变曲线。最后，将该模型应用到低光度伽玛暴中，对GRB170817A等五个低光度伽玛暴余辉的光变曲线做拟合。我们发现轻微偏轴观测下能对包括GRB170817A在内的四个低光度伽玛暴的光变曲线做出较好的拟合，但暴周环境并不完全一致。虽然GRB170817A的余辉光变曲线可以在暴周介质分布为n∝R-1.6的环境中做出较好的拟合，但是该拟合给出的参数难以满足射电余辉图像的观测限制。即便如此，我们通过该工作认识到纯粹的暴周环境效应也可以产生长时间缓慢上升的特殊余辉光变，如果在将来观测到类似的余辉光变，我们需要考虑其可能的暴周环境起源。 对喷流结构的研究，有助于我们揭示中心天体的性质、喷流产生机制以及伽玛暴的辐射机制等。在第五章中，我们从喷流结构效应着手解释GRB170817A的独特余辉光变。不同于典型的均匀喷流，我们采用一种分层喷流模型（有径向结构的准直喷流）对GRB170817A余辉的光变数据做出了较好的拟合，并根据观测给出的射电余辉的观测角尺度和流量中心的移动进一步对模型参数做出限制。在该分层喷流模型下，长时间缓慢上升的余辉光变起源于喷流的径向结构，而晚期余辉流量的快速下降则是起源于喷流的边缘效应。这提示我们，不仅对于GRB170817A，如果在将来观测到类似的长时间缓慢上升且晚期余辉流量快速下降的伽玛暴，分层喷流模型应当作为一种可能的候选模型。 研究伽玛暴的偏振对我们了解伽玛暴的喷流结构、辐射区的磁场结构、辐射机制等有重要意义。我们在第六章中研究伽玛暴瞬时辐射的偏振，主要研究伽玛暴在不同磁场模型下的瞬时辐射偏振，包括时间分辨和时间平均的偏振。我们的计算结果显示，在典型参数下衰减磁场的时间平均偏振度(～0.6)高于常数磁场模型(～0.5)。这为我们在观测上分辨这两种磁场模型提供了契机，未来高精度的偏振探测器将可能分辨这两种模型。另外，我们还发现在环形磁场（衰减磁场）中，伽玛暴在单脉冲内会发生两次偏振角改变90度的现象，这与目前观测到的GRB170114A和GRB160821A的偏振角改变大体一致。但考虑到目前观测到类似偏振角改变的伽玛暴数目还很少且探测器的精度不够高等问题，目前还难以确定伽玛暴的偏振角改变是否起源于这种环形磁场模型。如果未来高精度的偏振探测器探测到更多类似的偏振角改变再综合衰减磁场下给出的类Band谱，我们将有可能确定伽玛暴辐射区的磁场结构及其辐射机制。 第七章为结论与展望，主要对本论文的研究内容作简要的总结并对当前伽玛暴领域的一些基本问题和将来探测器可能带来的进展进行展望。
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