1.1 История исследования космических гамма-всплесков.
2 июля 1967 года американские спутники-шпионы, следившие за наземными ядерными испытаниями, зарегистрировали всплеск гамма-излучения продолжительностью 8 секунд, произошедший не в земной атмосфере [26]. Его временной характер не соответствовал вспышке гамма-излучения при взрыве ядерной бомбы. Солнечное происхождение исключалось, о способности генерации таких гамма-вспышек известными объектами во Вселенной ничего известно не было.
С этого момента начинается история явления, названного астрофизиками космическими гамма-всплесками (cosmic gamma ray bursts). История научного исследования, однако, начинает свой отсчет с публикации об обнаружении этих объектов [25], появившейся лишь в 1973 году, с задержкой из-за секретности материалов. В публикации сообщалось о регистрации американскими военными спутниками «Вела» 16 всплесков гамма-излучения в интервале энергий 0.2−1.5 МэВ продолжительностью от 0.1 до 30 секунд с потоком энергии (1. Ч- 20) х Ю-4 эрг/см2 с июля 1969 по июль 1972 года.
Этап активного исследования космических гамма-всплесков начался в 1978 году с одновременным стартом российского эксперимента «Конус» на межпланетных станциях «Венера» [33] и американского эксперимента Pioneer Venus Orbiter [31], в ходе которых регистрировались гамма-всплески.
Спецификой изучения гамма-всплесков — неизвестно когда и неизвестно где внезапно возникающих вспышек — явилось то, что гамма-детекторы, в отличии от астрономических приборов для наблюдений в других областях спектра, не могут определить координаты объекта с хорошей точностью. Достигнутая точность локализации составляет от нескольких угловых минут до градусов.
При такой точности локализации попытки отождествить гамма-всплески с известными объектами, излучавшими в других диапазонах спектра, были достаточно сложны. Из-за отсутствия таких отождествлений источники гамма-всплесков были неизвестны, невозможно было оценить расстояние до них и их светимость, и происхождение гамма-всплесков оставалось загадкой десятки лет их активного исследования.
Единственное отождествление [15] - необычного по сравнению с остальными гамма-всплеска 5 марта 1979 годя с остатком сверхновой — лишь запутало исследователей, так как этот всплеск вместе с несколькими другими был отнесен позднее к особому классу явления — источникам мягких повторяющихся гамма-вспышек (soft gamma repeaters) — и в современное понятие гамма-всплесков не входит.
Запутало ситуацию также появившееся указание на наличие в спектрах гамма-всплесков синхротронных линий, свидетельствующих в пользу связи гамма-всплесков с нейтронными звездами нашей Галактики [2], что не подтвердилось дальнейшими экспериментами [19], и является предметом дискуссий до сих пор.
В силу быстрой переменности излучения гамма-всплесков и их большой энергетики, их источниками с самого начала исследования предполагаются компактные объекты и явления связанные с ними.
К 1991 году было зарегистрировано около 300 гамма-всплесков, главным образом, благодаря эксперименту «Конус» и PVO. Были известны спектры, кривые блеска, продолжительности, потоки. Всплески не концентрировались к плоскости Галактики и к какому-либо конкретному направлению, и демонстрировали случайное распределение по небесной сфере [33]. Для статистических анализов выборка известных гамма-всплесков была слишком мала.
В 1991 году начал осуществляться американский эксперимент Burst and Transient Sources Experiement (BATSE) (см. раздел 1.3) — крупнейший, ныне действующий, эксперимент по исследованию гамма-всплесков. В рамках этого эксперимента ежегодно регистрируется ~300 гамма-всплесков и к настоящему моменту накоплены данные о ~ 2500 гамма-всплесках [35].
Главным результатом этого эксперимента стало установление пространственного распределения гамма-всплесков: изотропного, но неоднородного, с уменьшением числа источников на более далеких расстояниях [19], [36]. Такой характер пространственного распределения может давать лишь космологическая популяция источников или популяция источников в обширном гало нашей Галактикй со спадающей к периферии плотностью при некоторых ограничениях. Все остальные гипотезы происхождения гамма-всплесков были отброшены.
Последние годы появилась методика исследования гамма-всплесков путем одновременных наблюдений их областей локализации всеми имеющимися наземными и внеатмосферными телескопами во всех диапазонах спектра. В частности была создана система наблюдений Gamma.
Ulysses.
Comptoa GRO ' ' S '.
XTE% лпи^ ^ ШЛ ihW/. y / / / фгтАТ/С * /km^^J yLL ! / ! ' a" W ц I, «t II' fr к 4 'к, J < r ш A ' А 'ЙШ1.
JlSyfil.
•". •< Г, JT—-TI'%.
ТЙ v ¡-[.Л «Сгь-ЪVU4 WQM^&MMU. vs) и f Г».- ч< rtHfitiiht. vw?"ччцмичтц^ак^шмаг^шщ! л «?K&K&a^^-imiu их* Ё^^^Ш4^ ai^PkJ о1?» «-F4» «» ** «w мигай"' aE^tfirtWWifeiM^^ii.». «.
Рис. 1: Схема международной системы наблюдений Gamma Ray Bursts Coordinates Network (GCN). ray bursts Coordinates Network (рис.1), благодаря которой координаты зарегистрированного прибором BATSE или другими гаммаили ретге-новскими телескопами гамма-всплеска, сообщаются всем телескопам для наблюдений в других областях спектра.
Важнейшую роль в исследовании гамма-всплесков сыграл итало-голландский спутник BeppoSAX [42] с рентгеновскими и гамма-детекторами на борту. Именно благодаря его успешной работе [10], [11], удалось впервые наблюдать излучение из областей локализации гамма-всплесков в других диапазонах спектра. Для гамма-всплеска, произошедшего 28 февраля 1997 (GRB970228), наблюдалось оптическое и рентгеновское излучение [39], [12], для гамма-всплеска, произошедшего 8 мая 1997 года (СШ3 970 508) — оптическое, рентгеновское и радиоизлучение [6], [43], [18]. К настоящему моменту уже для более чем десятка гамма-всплесков появились данные об активности их источников в других диапазонах спектра.
Следствием обнаружения оптического излучения источников гамма-всплесков явилось то, что были определены расстояния до них по красному смещению линий в спектре. Источники находятся на космологических расстояниях, определенные г лежат в пределах от ~0.0085 до ~3.9 [20]. Таким образом, часть гамма-всплесков (если не все) имеет космологическое происхождение.
Доказательств того, что некоторые гамма-всплески имеют галактическое происхождение, на данный момент нет. Однако, нельзя исключить существования, наряду с космологической, галактической популяции гамма-всплесков, поскольку космологическое происхождение доказано лишь для небольшого процента всплесков.
Благодаря действующей методике одновременных наблюдений источников гамма-всплесков во всех диапазонах спектра за последние годы достигнут сильный прогресс в понимании природы гамма-всплесков (см., например, [38], [41]). Наиболее популярной гипотезой их рождения является столкновение компактных объектов — нейтронных звезд или нейтронных звезд и черных дыр — в двойной системе [1], [14], [37].
4.3 Выводы.
Был проведен угловой анализ нового каталога гамма-всплесков ОК, превосходящий все прежние каталоги свой численностью (3678 всплесков) и чувствительностью (потоки до 0.1фот/см2/с). Проверялась крупно.
100 а 80 с К.
60 о.
I*.
0.3 Г/0.5 | 0.3 /.
JI Г’м 111III I I 111III I I 1111 I I 1 м I [ I.
100 о 80 с «.
1 I I I |||-1ул—I I II I I |-1−1—I I I I | I |-1−1—I I I I П|-1−1—I миг I.
О.ЗV — N I 0.3 I IМАХ: 0 55 I в) э1дта=2 N N.
0.3? 0.2.
0.1 ^ , — «» 'Г" ГУгггЬ. I I 11 и! I1 I 1 11 111 Т" I м 1111 — «I I I I м.
0.001.
0.01 0.1 1 Р100, фот/см2/с.
Рис. 27: Линии уровня допустимой доли гало популяции в общей статистике каталога ОК: а) sigma=l, б) sigma=2. Рисунки приведены в одинаковом масштабе.
1оё Р.
Рис. 28: Остаточное распределение logN-logP (крупные темные квадратики) в случае примеси в статистике гамма-всплесков (ОК — пустые квадратики) евклидовой компоненты (мелкие темные квадратики). масштабная изотропия, избыток всплесков в направлении галактики М31, а также была оценена допускаемая новой статистикой доля гамма-всплесков популяции галактического гало и так называемой «евклидовой компоненты» .
Полученными результатами подтверждается отсутствие анизотропии в распределении гамма-всплесков по небу для новой выборки известных гамма-всплесков.
Максимально допустимая доля гамма-всплесков популяции галактического гало в общей статистике ОК оценивается ~ 60%. Однако доля выше 50% достигается лишь для узкого интервала светимостей.
Оцененный допустимый вклад «евклидовой компоненты» в общую статистику ОК составляет ~ 23%, что превышает полученное Коммер-сом и др. значение для их выборки.
Для гамма-всплесков ОК с порогами, выше триггера ВАТЭЕ (0.2фот/см2/с), ограничения как на долю «гало-популяции», так и на «евклидову компоненту» более жесткие.
Заметим, что все полученные результаты сделаны для ОК, выборка которого — неполная для всплесков короче 1 с. В реальном же случае диаграмма в частности, на основе которой были сделаны оценки допустимой доли всплесков галактического гало и «евклидовой компоненты», для всей выборки гамма-всплесков с потоками до 0.1 фот/см2/с может несколько отличаться от полученной для ОК, прежде всего на потоках слабее 1 фот/см2/с. Кроме того, на слабом конце диаграммы играют роль селективные эффекты, обусловленные достаточно низким временным разрешением записей ВАТЭЕ (см. [3]), не учтенные методом тестовых всплесков.
Интересно сравнить полученные результаты с поиском активности источников гамма-всплесков в других областях спектра и подтверждением природы их происхождения. Число хорошо локализованных всплесков (главным образом, благодаря ВерроБАХ), для которых возможным было обнаружить такую активность, на 17 декабря 1999 года составляет 41 [21]. Одно событие, совпадающее со сверхновой, в расчет не берем. Из оставшихся в 14 случаях наблюдалось оптическое послесвечение. Хотя космологическая природа установлена для 9 из 14, логично предположить, что все 14 (14 из 40, то есть ~ 35%) — космологические. Оставшаяся часть ~ 65%, то есть соответствует полученной расчетами допустимой доли всплесков из галактического гало. Заметим, однако, все эти 40 всплесков столь мало отличаются по своим свойствам, что неестественно подозревать для них разное происхождение.
5 Заключение.
Представленная работа включала в себя несколько разделов:
• поиск нетриггерных гамма-всплесков в записях BATSE,.
• создание электронного каталога гамма-всплесков,.
• угловой анализ на основе данных этого каталога.
Основными результатами поиска явились найденная выборка нетриггерных всплесков и — как их часть — выборка слабых всплесков с потоками ниже порога триггера BATSE (0.2 фот/см2/с) самого чувствительного эксперимента по гамма-всплескам. Вместе с найденными триггерными всплесками поиск дал 3678 гамма-всплесков — самую крупную на сегодняшний день однородную выборку. Полученная диаграмма logN-logP для этой выборки, исправленная на надежно оцененную эффективность нахождения всплесков в поиске, продлена теперь до потоков 0.1 фот/см2/с и способна положить ограничения на некоторые модели. Важным результатом являются также яркие нетриггерные всплески, которые полезны для сравнения с данными наблюдений других экспериментов и дальнейших исследований. Результаты поиска опубликованы в работах [52], [53], [54].
Созданный по результатам поиска объединенный однородный каталог триггерных и нетриггерных гамма-всплесков, оформленный как общедоступный архив в ИНТЕРНЕТ, предоставляет богатый материал для изучения свойств гамма-всплесков с потоками до 0.1 фот/см2/с, что почти в 2 раза ниже порога триггера BATSE. Каталог превосходит объемом своей выборки все существующие на сегодня каталоги гамма-всплесков. Особой ценностью архива является оперативность его пополнения новыми обработанными данными действующего эксперимента BATSE. Описание архива дано в работе [5].
Анализ углового распределения нового каталога ОК подтвердил изотропность пространственного распределения гамма-всплесков и положил ограничения до максимально допустимую долю «гало-популяции» в общей статистике ~ 60% на основе 3678 гамма-всплесков с потоками до 0.1 фот/см2/с. Результаты опубликованы в работах [4], [46].
Поиск нетриггерных гамма-всплесков был осуществлен в коллективе соавторов: Б. Е. Штерна, Д. А. Компанееца, М. Степанова, А. Бережного и Р. Свенссона по инициативе Б. Е. Штерна. Работа состояла из нескольких этапов:
1. предварительный — перекачка данных ВАТЭЕ из ИНТЕРНЕТОВского архива, запись их на компакт-диски и разработка алгоритма поиска,.
2. создание программного обеспечения,.
3. сканирование данных,.
4. обработка данных сканирования.
Этап 1 был выполнен автором совместно с Б. Е. Штерном и М.Степановым. Программное обеспечение создано Б. Е. Штерном. Автором было отсканировано ~ 60% данных, оставшаяся часть — Б. Е. Штерном, Д. А. Компанеецем и А.Бережным. Этап 4 осуществлен автором совместно с Б. Е. Штерном и Р.Свенссоном.
Электронный каталог гамма-всплесков был создан автором совместно с Б. Е. Штерном.
Угловой анализ по данным каталога был сделан по инициативе автора и совместно с Б. Е. Штерном.
Результаты, выносимые на защиту:
• новый объединенный каталог триггерных и не-триггерных гамма-всплесков (3678 событий с потоками до 0.1фот/см2/с), найденных в 1024 миллисекундных непрерывных записях эксперимента ВАТБЕ [на паритетных началах с Б.Е.Штерном],.
• подтверждение изотропности пространственного распределения гамма-всплесков по данным нового каталога 3678 гамма-всплесков с потоками до 0.1фот/см2/с,.
• ограничение на допустимую долю в общей статистике наблюдаемых гамма-всплесков всплесков из протяженного галактического гало ~ 60% по данным нового каталога 3678 гамма-всплесков с потоками до 0.1фот/см2/с.