Гамма-всплески, найденные в архивных записях эксперимента BATSE: Однородный каталог и анализ пространственного распределения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат физико-математических наук Тихомирова, Яна Юрьевна

• Тихомирова, Яна Юрьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тихомирова, Яна Юрьевна

1 Введение

1.1 История исследования космических гамма-всплесков

1.2 Современные статистические данные по гамма-всплескам

1.3 Наблюдения в рамках эксперимента ВАТБЕ.

2 Поиск нетриггерных гамма-всплесков в записях эксперимента ВАТБЕ

2.1 Постановка задачи.

2.2 Описание поиска.

2.2.1 Содержимое используемых данных.

2.2.2 Применяемые критерии.

2.2.3 Описание процедуры

2.2.4 Метод тестовых всплесков.

2.2.5 Основные результаты.

2.3 Обсуждение результатов.

2.3.1 Обсуждение достоверности найденных всплесков

2.3.2 Ошибки локализации.

2.3.3 Сравнение с результатами других поисков.

2.3.4 Значение полученных результатов.

3 Новый каталог гамма-всплесков, найденных в записях эксперимента ВАТБЕ.

3.1 Новый каталог гамма-всплесков как результат поиска нетриггерных всплесков в данных ВАТЭЕ.

3.2 Архив каталога в ИНТЕРНЕТ.

3.3 Значение каталога для дальнейших исследований.

4 Анализ пространственного распределения гамма-всплесков на основе нового каталога

4.1 Проверка изотропии.

4.1.1 Постановка задачи.

4.1.2 Используемые тесты.

4.1.3 Результаты.

4.2 Ограничения на возможный вклад субпопуляции в гало в общую статистику гамма-всплесков.

4.2.1 Постановка задачи.

4.2.2 Применяемая модель.

4.2.3 Результаты.

4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гамма-всплески, найденные в архивных записях эксперимента BATSE: Однородный каталог и анализ пространственного распределения»

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'%<utÏ Г• *• i"""w- « ',*--у*-" '»'if.» ■ ■ • -•«■•

ТЙ v ¡[.Л »Сгь-Ъ -VU4 WQM^&MMU . v -s) и f Г».- ч< rtHfitiiht.vw¡»ччцмичтц^ак^шмаг^шщ! л »¿K&K&a^^-imiu их* Ё^^^Ш4^ aî^PkJ о1?" »-F4"»« ** " w мигай»' aÉ^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 гамма- или 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 (СШ3970508) - 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].

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Тихомирова, Яна Юрьевна

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

10

100

200

100 о 80 с «

60

40

20

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.З -V - \ 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 11111 Т" I м 1111 -- " I I I I м

0.001

0.01 0.1 1 Р100, фот/см2/с

10

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тихомирова, Яна Юрьевна, 2000 год

1. Блинников С.И., Новиков И.Д., Переводчикова Т.В. и др., 1984, ПАЖ, н. 10, стр. 177.

2. Мазец И.П., Голенецкий С.В., Аптекарь P.JI. и др., 1980, ПАЖ, н. 6, стр. 706.

3. Тихомирова Я.Ю., 1997, КИ, н. 35/6, стр. 610.

4. Тихомирова Я.Ю., Штерн Б.Е., 2000, ПАЖ, н. 26/7-8, а также 1999, Препринт ФИ АН 61.

5. Штерн Б.Е., Тихомирова Я.Ю., 1999, Препринт ФИАН 48.

6. Band, D.L., Mattesori, J., Ford, L., et al., 1993, ApJ, V.413, P.281.

7. Bond, M.E., 1997, IAUC 6654.

8. Briggs M., 1993, ApJ, V.407, P. 126.

9. Briggs M.S., Paciesas W.S., Brock M.N. et al., 1994 in: Gamma Ray Bursts, eds. G. J.Fishman, AIP Conference Proceedings (New York), V. 307, P. 44.

10. Briggs M.S., Pendleton G.N., Kippen R.M. et al., 1999, ApJS, V.122, P.503.

11. Costa, E., Feroci, M., Frascati, et al., 1997, IAUC 6572.

12. Costa, E., Feroci, M., Piro, L., et al., 1997, IAUC 6649.

13. Costa, E., Frontera, F., Heise, J., et al, 1997, Nature, V. 387, P.783.

14. Djorgovski S.G., Kulkarni S.R., Frail D.A. et al., 1998, AAS Meeting, V. 192, 33.10.

15. Eichler, D., Livio, M., Piran, T. et al., 1989, Nature, V. 340, P. 126.

16. Evans, D., Kiebesadel, FL, Baros, J. et al., 1979, IAUC 3356.

17. Fishman, G.J., 1994, in: The second Compton symposium, eds. Fichtel C., Gehreis N., Norris J., AIP Conference Proceedings (New York), V. 304, P.22.

18. Fishman, G.J., Meegan, C.A., 1995, Annual Review of A&A, V.33, P.415.

19. Frail, D.A., Kulkarni, S.R., 1997, IAUC 6662.

20. Gehreis, N., Chipman, E., Kniffen, D.A., 1994, in: The second Compton symposium, eds. Fichtel C., Gehreis N., Norris J., AIP Conference Proceedings, V. 304, P. 3.

21. Greiner, J., webpage, http://www.aip.de/People/JGreiner/grbgen.html.

22. Goddart Space Flight Center, electronic archive, 1999, ftp://cossc.gsfc.nasa.gov/pub/data/batse/daily/.

23. Hakkila, J., Meegan, C. A., Pendieton, G. N, et al, 1996, ApJ, V. 422, P. 659.

24. Hakkila, J., Meegan, C. A., Pendieton, G. N, et al., 1998, in: Gamma Ray Bursts, 4th Huntsville Symposium, eds. Meegan, C.A., Preece, R.D., Koshut, T.M., AIP Conference Proceedings, V. 428, P. 236.

25. Hartmann D., Epstein R.I. 1989, ApJ, V. 346, P.960.

26. Klebesadel, R.W., Strong, I.B., Olson, R.A. 1973, ApJL, V. 182, P. L85.

27. Klebesadel, R.W. 1988, in: Physics of Neutron Stars and Black Holes, ed. Tanaka Y., Universal Academy Press, Tokyo, P. 387.

28. Kommers, J. M., Lewin, W. H. G., Kouvelioutou, C. et al.,1997, ApJ, V. 491, P. 704.

29. Kommers, J. M., Lewin, W. H. G., Kouvelioutou, C., et al.,1998, xxx.lanl.gov electronic archive, astro-ph/9809300.

30. Kommers, J. M., Lewin, W. H. G., Kouvelioutou, C. et al., 1998, "Current Non-triggered Supplement to the BATSE Gamma-Ray Bursts Catalogs", electronic archive, http://space.mit.edu/BATSE/.

31. Kouveliotou, C., et al., 1993, ApJL, V. 413, P. L101.

32. Laros, J.G., Hurley, K.C., Fenimore, E.E., et al., 1998, ApJS, V. 118, P.391S.

33. Loredo T.J., Wasserman I.M, 1998, ApJ, V.502, PP. 75, 108.

34. Mazets, E. P.; Golenetskii, S. V.; Ilinskii, V. N.; et al., 1981, Astrophys. & Space Sei., V. 80 (1), P.3.

35. Meegan C.A., Pendleton G.N., Briggs M.S. et al. 1996, ApJS, V. 106, P.65.

36. Meegan C.A., Pendleton G.N., Briggs M.S. et al. 1999, http: / / gammaray.msfc.nasa.gov/batse / grb / data/ catalog/.

37. Paciesas W.S., Meegan C.A., Pendleton G.N. et al. 1999, ApJS, V.122, P. 465.

38. Paczynski B. 1991, Acta Astronomica (ISSN 0001-5237), V. 41, N.3, P.157.

39. Paczynski B. 1998, in: Gamma Ray Bursts, 4th Huntsville Symposium, eds. Meegan, C.A., Preece, R.D., Koshut, T.M., AIP Conference Proceedings, V. 428, P.783.40. van Paradijs, J., Groot, P. J., Galama, et al., 1997, Nature, V. 386, P. 686.

40. Pendleton, G.N., Briggs, M.S., Marc Kippen, R., et al., 1999, ApJ, V.512, P.362.

41. Piran, T. 1999, Physics Reports, V. 314, P. 575.

42. Piro, L., 1997, A AS, V. 191, 55.01.

43. Piro, L., Costa, E., Feroci, M., et al, 1997, IAUC 6656.

44. Rubin, B.C., Horack, J.M., Brock, M.N., et al., 1993, in: Compton Gamma Ray Observatory, eds. Friedlander, M., Gehrels, N., Macomb, D.J., AIP Conference Proceedings (New York), V. 280, P.719.

45. Tikhomirova, Ya., Stern, B. E., Svensson, R. 2000, MNRAS, submitted; also Preprint of Lebedev Physical Institute of RAS, N 8 (in english).

46. Tavani, M., 1998, ApJ, V. 497, P. 21.

47. Schmidt, M., Higdon, J.C., Hueter, G.; 1988, ApJ, V.329, P.85.

48. Schmidt, M. 1999, A&A Suppl., V. 138, P. 409S.

49. Stern, B. E., Beloborodov, A., Poutanen, J., 2000, in preparation.

50. Stern, B. E., Poutanen, J., Svensson, R. 1999, ApJ, V. 510, P. 312.

51. Stern, B. E., Tikhomirova, Ya., Stepanov, M. et al. 1999, A&A Suppl., V. 138, P. 413S.

52. Stern, B. E., Tikhomirova, Ya., Kompaneets, D. et al. 1999 in "Gamma Ray Bursts: The First Three Minutes", edited by J. Poutanen, R. Svensson, ASP Conf. Ser., V. 190, P. 253.

53. Stern, B. E., Tikhomirova, Ya., Stepanov, M. et al. 1999, ApJL, submitted; also Preprint of Lebedev Physical Institute of RAS, 43 (in english).

54. Stern, B. E., Tikhomirova, Ya., Kompaneets, D. et al. 2000 in: "The fifth Huntsville Gamma Ray Bursts Symposium", AIP Conference Proceedings, New York.