宇宙学新探针:伽玛暴中的L-T-Ep相关关系

许帆   黄永锋


自从1998年Riess等人利用Ia型超新星作为标准烛光发现宇宙加速膨胀以来,通过大量的超新星及微波背景辐射数据天文学家们已经能够比较精确限制我们宇宙的能量组分。这些研究表明我们的宇宙的几何结构非常平坦暗能量约占宇宙能量密度68%驱动着宇宙加速膨胀暗物质约占27%,提供大部分引力;而普通重子物质只提供5%左右能量密度(图1)关于暗物质和暗能量这两种成分的物理本质,我们今天还所知甚少。

1 利用2013Planck卫星测量微波背景辐射估计出的宇宙物质占总能量密度的比例其中,暗能量大约68%,重子物质只占5%左右,其余27%为暗物质

图片来自 https://www.ucl.ac.uk/astrophysics/research/cosmology/dark-energy


然而,Ia型超新星往往受到宿主星系中尘埃遮挡消光的严重影响,以及其前身星的寿命很长,只能获得较为邻宇宙的距离信息。因此,天文学家们希望借助其天体进一步对宇宙学参数进行限制。伽玛射线暴(以下简称伽玛暴)高能γ光子不会到星际消光的影响,同时它们的产生在理论上甚至可以超过红移10,因此伽马暴非常适合用来研究高红移宇宙

通过伽玛暴来限制宇宙学参数的方法类似于Ia型超新星一般是利用伽玛暴观测参数间的相关关系,将伽玛暴的强度转化为标准烛光。如果这些的相关关系存在红移演化,必须通过适当的方法消除红移演化之后,才能比较准确地对宇宙学参数进行限制。

在伽玛暴的观测特征中,持续月甚至年量级的余辉可以提供非常多的物理信息部分伽玛暴X射线余辉呈现出一个亮度衰减比较缓慢的平台期对于此类事例,徐明和黄永锋在2012年发现X射线平台期的光度与平台期的持续时间大致成反比,而与伽玛暴主暴的各向同性能量近似成正比(Xu & Huang 2012)2019年汤晨涵和黄永锋等人通过174SWIFT伽玛暴构成的大样本,进一步证实了该关系(Tang et al. 2019)。这个关系各向同性能量上面的指数接近于1,意味着X射线光度各向同性能量近似正比由于这两个物理量本身都正比于距离的平方而宇宙学参数的效应基本上都隐含在距离中因此上述关系对宇宙学参数非常不敏感导致该关系对宇宙学的限制作用较弱,不太适合用于宇宙学的研究。

2  多种探针对非平坦宇宙学模型参数的限制结果其中灰色部分是单独使用伽玛暴得到的限制结果,中心红色区域是联合了多种探针对宇宙学参数的综合限制结果。

图片来源于参考文献[3]


最近,针对具有X射线平台期的伽玛暴,我们又发现了一个新的三参数相关关系,其中引入的一个新参数Ep是伽玛暴主暴的峰值光子能量(Xu et al. 2021)与上一段中的关系不同,此式中的峰值光子能量对距离的依赖很弱意味着这个新关系对宇宙学参数要敏感得多可有效地作为一种新的宇宙探针,对宇宙学参数给出有意义的限制。不过由于伽玛暴参数往往误差较大单纯使用该关系得到的宇宙学参数仍有很大的不确定性通过联合应用多种宇宙学探针我们对宇宙学参数给出了更好的限制(见图2),最终我们得到的暗能量的比例大约为71%(Xu et al. 2021)该项研究成果已于2021年10月22日在《天体物理学》(The Astrophysical Journal)正式发表博士研究生许帆为该文第一作者,黄永锋教授为通讯作者。


参考文献

Tang, C.-H., Huang, Y.-F., Geng, J.-J., & Zhang, Z.-B. 2019, ApJS, 245, 1

Xu, M., Huang, Y. F. 2012, A&A, 538, A134

Xu, F., Tang, C.-H., Geng, J.-J., et al. 2021, ApJ, 920, 135