Закономерности во временных свойствах, космологическая эволюция и функция светимости гамма-всплесков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, доктор физико-математических наук Штерн, Борис Евгеньевич

• Штерн, Борис Евгеньевич
• доктор физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Штерн, Борис Евгеньевич

1. Введение

1.1. Основные исторические этапы в исследовании гамма-всплесков и современное состояние проблемы

1.2. Методологическая характеристика диссертации

1.3. Краткое обозрение диссертационного цикла работ

2. Архивные данные эксперимента BATSE

2.1. Общие сведения об эксперименте

2.2. Матрица отклика детектора

2.3. Триггер BATSE

2.4. Типы данных, их характерные дефекты и фоны

2.5. Каталог BATSE и основные результаты миссии

3. Приближенная масштабная инвариантность во временных свойствах гамма-всплесков и ее возможная интерпретация

3.1. Феноменология временной переменности гамма-всплесков

3.2. Средний временной профиль гамма-всплесков: растянутая экспонента

3.3. Средний спектр мощности Фурье гамма-всплесков

3.4. Феноменологическая модель лавины импульсов

3.5. Возможные интерпретации модели лавины импульсов

4. Зависимость временных свойств гамма-всплесков от яркости 45 4.1. Анализ данных

4.1.1. Вычитание фона

4.1.2. Поиск пика кривой темпа счета гамма-всплеска

4.1.3. Проверка устойчивости средннего профиля к систематике, зависящей от яркости

4.1.4. Подгонка среднего профиля растянутой экспонентой 52 4.2 Зависимость среднего профиля гамма-всплесков от яркости

4.2.1. Временные константы среднего профиля 56 4.2.1. Изменение формы склонов среднего профиля в зависимости от яркости

4.3. Корреляция между сложностью временного профиля и яркостью гамма-всплесков

4.3.1. Визуальный тест

4.3.2. Разделение всплесков на простые и сложные методом максимального правдоподобия

4.4. Интерпретация результатов и основные выводы

5. Поиск нетриггерных гамма-всплесков в архивных данных BATSE и большой однородный каталог

5.1. Сканирование данных

5.1.1. Подсадные гамма-всплески

5.1.2. Лабораторный триггер

5.1.3. Организация сканирования

5.2. Подгонка параметров гамма-всплесков

5.3. Идентификация гамма-всплесков

5.4. Оценка пиковой яркости гамма-всплесков

5.5. Каталог найденных гамма-всплесков и архив данных

5.5.1. Сравнение с каталогами BATSE и Коммерса

5.5.2. Всплески вблизи порога регистрации

5.5.3. Архив данных

5.6. Тесты на примесь событий другой природы в каталоге

5.6.1. Возможные типы примесей

5.6.2. Отношение жесткости

5.6.3. Угловое распределение

5.6.4. Зависимость от широты положения станции

5.6.5. Резюме

6. Первоочередные результаты статистической обработки нового каталога гамма-всплесков.

6.1 Распределение гамма-всплесков по пиковой яркости (log N - log Р)

6.2 Проверка изотропии распределения гамма-всплесков

6.3 Сверхдлинные гамма-всплески

7. Космологическая эволюция источников гамма-всплесков и их функция светимости

7.1 Использованные данные

7.1.1. Выборки экспериментов BATSE и Ulysses, их кросс-калибровка и объединенное распределение log N - log Р

7.1.2. Частота всплесков с высокой абсолютной яркостью

7.2 Подгоночные модели

7.2.1. Космология

7.2.2. Эволюция источников

7.2.3. Функция светимости 126 7.3. Процедура подгонки

7.4. Результаты

7.4.1. Спадающая эволюция источников

7.4.2. Результаты по функции светимости

7.4.3. Нижний предел на полную частоту гамма-всплесков 138 7.5 Резюме

8. Обнаружение гигантских рентгеновских вспышек Лебедя Х

8.1. Наблюдения вспышек и обработка сигнала

8.2. Сравнение гигантских вспышек с обычным состоянием Лебедя Х

8.3. Подтверждение гигантских вспышек Лебедя Хдругими авторами и современный статус проблемы

8.4. Возможная природа гигантских вспышек Лебедя Х

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности во временных свойствах, космологическая эволюция и функция светимости гамма-всплесков»

Явление гамма-всплесков остается загадкой намного дольше, чем любое другое крупное астрономическое открытие второй половины двадцатого века. Для сравнения молено взять близкие по времени (60-е годы) и по значимости открытия пульсаров и квазаров. Первое было объяснено практически сразу, второе было понято в общих чертах на протяжении нескольких лет. Гамма-всплески, будучи зарегистрированы впервые в конце 60-х и представлены научной общественности в 1973 г. (Klebesadle, Strong & Olsen, 1973), по сути, не поняты до сих пор.

В данном введении, относящемся к диссертации в целом, мы ограничимся только кратким историческим очерком и общей формулировкой современного состояния проблемы, чтобы обрисовать место данного исследования в общей картине с методологической и содержательной сторон. Более конкретные обзоры по отдельным направлениям представляемого цикла работ с соответствующей библиографией будут даны в главах диссертации.

1.1. Основные исторические этапы в исследовании гамма-всплесков и современное состояние проблемы

Перечислим основные события в исследовании гамма-всплесков, приведшие к современному статусу проблемы.

Открытие и первые исследования. Открытие (Klebesadle, Strong & Olsen, 1973) совершено американскими аппаратами "Вела", предназна-чеными для контроля над выполнением договора о запрещении ядерных испытаний в атмосфере и в космосе. Вскоре выяснилось, что зарегистрированные всплески гамма-излучения имеют внеземное происхождение и не связаны с Солнцем.

Следующий шаг в исследовании гамма-всплесков - эксперименты Конус на борту межпланетных станций "Венера-11" и "Венера-12" (Мазец и др., 1979), СНЕГ на борту тех же станций и спутнике "Прогноз 6" (Зен-ченко и др., 1979) и Pioneer Venus Orbiter (Evans et al., 1981). Эти эксперименты набрали значительную статистику гамма-всплесков, в которой уже начали проявляться интересные свойства явления (сложная временная переменность, нетривиальное распределение по яркости и т.п., см. ниже), однако для уверенных выводов об их происхождении данных не хватало. В частности, не хватало статистики, чтобы однозначно подтвердить или опровергнуть галактическое происхождение гамма-всплесков.

Согласно преобладающей точке зрения 70-х и 80-х годов, гамма-всплескам приписывалось галактическое происхождение, связанное скорее всего с нейтронными звездами (см., например, Бисноватый-Когап, Чечеткин, 1981, 1983; Fishman et al., 1978; Shklovsky к Mitrofanov, 1985). Выдвигались и предположения о космологической шкале расстояний до источников гамма-всплесков (Prilutski к Usov, 1975; Paczynski, 1986), но статус этой идеи долгое время оставался маргинальным.

Демонстрация изотропии и пространственной неоднородности распределения источников гамма-всплесков.

Данный результат проявился вскоре после запуска Гамма-обсерватории "Комптон" благодаря эксперименту по регистрации всплесков и тран-зиентных источников (Burst and Transient Source Experiment, BATSE, Fishman et al., 1989), функционировавшем на борту Гамма-обсерватории. Распределение всплесков по положению на небе и по яркости рисовало картину, в которой источники всплесков составляют сферически симметричное облако с плотностью, спадающей от центра к периферии, так, что мы находимся в центре этого облака. Такая картина поставила под сомнение галактическое происхождение гамма-всплесков, зато естественным образом вписывалась в космологический сценарий их происхождения. Последний постепенно стал превращаться из маргинального в общепринятый, хотя еще отстаивались галактические модели, главным образом, модель протяженного галактического гало (Fishman et al., 1978; Shklovsky к Mitrofanov, 1985), которые по мере накопления статистики требовали все больших натяжек.

Тем временем, на основе распределения гамма-всплесков по продолжительности, выяснилось, что существуют два класса гамма-всплесков, возможно, представляющие совершенно разные явления: короткие (до 2 секунд) и длинные (с пиком в районе десятков секунд) события (Kouveliotou et al., 1993). Следует отметить, что, несмотря на традицию цитировать результат BATSE как открытие двух классов гамма-всплесков, двугорбое распределение по продолжительности просматривалось уже в результатах эксперимента Конус-Венера, и было проинтерпретировано авторами этого эксперимента именно как наличие двух классов гамма-всплесков в работах Mazets et al. (1981) и Mazets et al. (1982). Все нижеследующее в данном обзоре относится к классу длинных гамма-всплесков.

Вопрос о происхождении коротких гамма-всплесков остается открытым.

Период примерно с 1993 до 1997 г. был, пожалуй, самым драматичным в истории исследования гамма-всплесков: появились очень сильные, но пока не общепризнанные, указания на их космологическую природу, при этом никто никогда не видел никаких проявлений гамма-всплесков в других диапазонах электромагнитного спектра или связанных с ними объектов. Возникла даже проблема, названная "no host problem", т.е. на месте хорошо локализованных гамма-всплесков, как правило, не находили ничего, что могло бы быть родительской галактикой (см, например, Larson et al., 1996). Согласно библиографическому исследованию, предпринятому Nemiroff (1994), число теоретических моделей гамма-всплесков превысило сотню. Однако, существовала лидирующая модель, к которой постепенно склонялась научная общественность: слияние системы двух нейтронных звезд. Впервые такая идея была высказана в работе Блинникова и др. (1984) и развита, уже когда появилось больше свидетельств в пользу космологического происхождения гамма-всплесков в работе Paczynski (1991).

Открытие послесвечения гамма-всплесков.

В феврале 1997 г. итало-голландский спутник Верро SAX зарегистрировал и хорошо локализовал рентгеновское послесвечение гамма-всплеска (Costa et al., 1997). Вскоре в области локализации был обнаружен транзиентный, слабеющий со временем оптический источник. Этот успех был впоследствии многократно повторен также и другими аппаратами. На месте послесвечений, как правило, находили слабые далекие галактики. Во многих случаях удалось непосредственно измерить красное смещение либо родительских галактик, либо линий поглощения в спектре послесвечения и оно оказывалось порядка единицы или больше. Космологическое происхождение гамма-всплесков (по крайней мере, той части, для которой удалось измерить красное смещение) было доказано непосредственно.

Накопление свидетельств в пользу связи гамма-всплесков со сверхновыми.

Когда утвердилась гипотеза о космологической шкале расстояний до источников гамма-всплесков, остались два наиболее реалистичных предположения по поводу их природы: слияние двойных нейтронных звезд (Блинников и др. 1984; Paczynski, 1991) и своеобразный тип сверхновой (был предложен термин "гиперновая"), связанный с коллапсом массивных звезд. (Woosley, 1993; Paczynski 1998). В середине 90-х более популярной была модель слияния нейтронных звезд. Однако, начиная с конца 90-х начали накапливаться свидетельства в пользу гипотезы гиперновой (плотная межзвездная среда у источника (Galama & Wijers, 2000 Piro et al., 2000), корреляция с областями звездообразования (Bloom, Kulkarni к Djorgovski, 2001) и т.п.). Наконец, событие 29 марта 2003 года (Hjorth et al., 2003) явилось веским аргументом в поддержку данной гипотезы: спектр послесвечения этого всплеска содержал элементы, свойственные сверхновым типа Ic SN (Matheson et al., 2003). Вряд ли этот факт можно считать полностью доказательным, но совокупность наблюдений делает гипотезу гиперновой самой правдоподобной.

Благодаря прогрессу последних лет мы твердо знаем о космологическом масштабе расстояний до источников гамма-всплесков и имеем веские основания предполагать, что они связаны с определенным типом сверхновых - коллапсирующими массивными звездами, предположительно звездами Вольфа-Райе (см., например, Postnov & Cherepashchuk, 2001). Существует также консенсус относительно сильной анизотропии излучения гамма-всплесков и ультрарелятивистского движения в источнике. Скорее всего, источник гамма-излучения является джетом с Лоренц-фактором Г ~ 100.

Этим фактически ограничивается область утвердившихся представлений о гамма-всплесках. Далее начинается область моделей и гипотез, подтвердить которые непросто. Так, источником излучающего джета может быть сверхплотный аккреционный диск, образующийся в центре звезды в момент коллапса, при том, что джет пробивается наружу через толщу звезды (см., например, Zhang, Woosley к Heger, 2004 и ссылки там). Однако, количественные исследования этого механизма достаточно сложны, и мы можем воспринимать данную модель не более, как правдоподобную качественную гипотезу. Непонятен механизм сложной временной переменности гамма-всплесков, и совершенно загадочен физический механизм излучения в мягком гамма-диапазоне, дающий наблюдаемые спектры.

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Штерн, Борис Евгеньевич

9. Заключение

В заключение просуммируем полученные результаты, а также попытаемся отразить их влияние на последующие работы других авторов. Все статьи, цитированные в этом Заключении, имеют ссылки хотя бы на одну из работ, вошедших в диссертацию.

1. Найдены закономерности в средних временных свойствах гамма-всплесков, свидетельствующие о приближенной масштабной инвариантности их переменности: растянуто-экспоненциальная форма среднего временного профиля и степенной характер среднего спектра мощности Фурье в диапазоне от ~ 0.02 до 1 Гц.

Показано, что средний выровненный по пику профиль гамма-всплесков хорошо описывается растянутой экспонентой с индексом, близким к 1/3 примерно на трех порядках изменения функции. Это является не средним "законом переменности", а статистическим распределением. Известно (см. обзор Laherrere, Sornette, 1998), что растянутые экспоненты в различных распределениях появляются там, где есть ограниченная масштабная инвариантность (при полной масштабной инвариантности распределения становятся степенными).

Средний профиль гамма-всплесков изучен в работах Stern (1996), Stern, Poutanen к Svensson (1997) и Stern, Poutanen к Svensson (1999). Во всех этих работах автору диссертации принадлежит основной вклад как в отношении идей, так и в их технической реализации.

Средний спектр мощности Фурье имеет наклон, близкий к -5/3, при этом наблюдается отчетливый завал в районе 1 Гц, носящий не инструментальный, а физический характер. Наклон -5/3 является характеристикой классического колмогоровского спектра, описывающего распределение энергии по пространственному масштабу вихрей в турбулентности. Совпадение может быть как случайным, так и причинно обусловленным, если гамма-всплески связаны с турбулентным магнитно-доминированным потоком. Низкочастотный завал в районе 0.02 Гц связан с ограниченной продолжительностью гамма-всплесков. Спектр мощности индивидуальных всплесков сильно флуктуирует, однако данная форма спектра мощности проявляется и в очень хаотических индивидуальных всплесках, состоящих из множества импульсов. Средний спектр мощности Фурье исследован в работах Beloborodov, Stern к Svensson (1998) и Beloborodov,

Stern к Svensson (2000). В этих работах лидирующая роль принадлежит А.Белобородову. Автором диссертации осуществлена подготовка данных и сделан существенный вклад в интерпретацию результатов.

Приведенные выше факты свидетельствуют о приближенной масштабной инвариантности временных свойств гамма-всплесков на 2 порядках величины - от долей секунды до десятков секунд, причем переменность на временах короче долей секунды для длинных всплесков явно подавлена. Данная инвариантность не обязательно проявляется в каждом конкретном событии, хотя в "богатых" временных профилях некоторых гамма-всплесков она проступает в отдельном событии. Скорее она видна в "синтетическом" временном профиле множества длинных событий или в средних характеристиках типа среднего профиля.

Этот результат не имеет очевидной прямолинейной интерпретации и может служить лишь указанием в пользу тех или иных моделей гамма-всплесков. Так, его трудно согласовать без натяжек со стандартной моделью внутренних ударных волн - когда последовательные сферические ударные волны излучают при столкновениях, догоняя друг друга. В этом случае, короткие временные масштабы возникают от столкновений на малых радиусах, большие - на больших радиусах. Однако, физика излучения должна слишком сильно зависеть от радиуса (в частности, компактность), поэтому трудно ожидать в этом случае столь широкой масштабной инвариантности.

Наоборот, результаты дают предпочтение моделям, где есть стохастическая генерация спектра масштабов, например, некая гидродинамическая неустойчивость или турбулентность. Естественно предположить, что широкий спектр масштабов расстояния транслируется в широкий временной спектр. Так, если мы имеем дело с ударными волнами в выбросе, внешними или внутренними, то это скорее всего сильно неоднородный выброс. Самым перспективным кажется пересоединение турбулентного магнитного поля в релятивистском выбросе - это роднило бы гамма-всплески с солнечными вспышками, которые имеют сходство во временной переменности. Соответствующие модели развиваются рядом авторов,наиболее активно М.Лютиковым, см. например, Lyutikov к Blackman, (2001), где обращается внимание на то, что пересоединение турбулентного поля обеспечивает требуемый широкий спектр временных масштабов и способно объяснить наблюдаемые закономерности.

Для интерпретации временных свойств гамма-всплесков разработана модель лавины импульсов, в которой индивидуальные профили гамма-всплесков получаются как случайные реализации одного стохастического процесса. При этом все многообразие временных профилей удается объяснить при фиксированном наборе параметров процесса, причем при таком наборе, который обеспечивает околокритический режим. Околокритичность, в свою очередь, обеспечивает разнообразие. Удивительно удачное описание временной переменности с помощью модели лавины импульсов, конечно не является доказательным, в том смысле, что работает процесс, описываемый именно такой математической схемой. Однако, это является наводящим соображением в пользу моделей, где возможны корреляции лавинного характера, в частности моделей пересоединения турбулентного магнитного поля. Модель лавины импульсов представлена в работе Stern к Svensson (1996). Автором диссертации в данную работу сделан основной вклад.

Данная модель впоследствии нашла несколько другое, хотя и сходное применение: с ее помощью описывают переменность рентгеновского излучения аккреционных дисков в рентгеновских двойных системах и активных галактических ядрах (Merloni к Fabian, 2001; Zycki, 2002; Uttley, 2004). Точка зрения, что рентгеновская светимость аккреционных дисков поддерживается диссипацией пересоединяющегося магнитного поля в короне дисков, является общепринятой. Оказывается, что модель лавины импульсов хорошо описывает корреляции на разных временных масштабах (Uttley, 2004). Модель применяется и для описания временных свойств солнечных вспышек (Aschwanden, Dennis к Benz, 1998), которые заведомо связаны с пересоединениями магнитного поля.

Найдены корреляции между пиковой яркостью и временными свойствами гамма-всплесков. Здесь мы имеем дело с двумя независимыми эффектами: более слабые всплески в среднем длиннее и их временной профиль в среднем морфологически проще. Первый эффект может иметь в качестве составляющей космологическую временную растяжку (из-за красного смещения), однако это с таким же успехом может быть и собственное свойство гамма-всплесков, причем отделить одно от другого вряд ли возможно.

Второй эффект несколько интереснее и информативнее. Он подтверждает точку зрения, что сложные гамма-всплески являются суперпозицией импульсов простой более-менее стандартной формы (FRED) с независимыми источниками энергии. С этой точки зрения, простой гамма-всплеск, состоящий из одного импульса, - примерно то же самое, что один из налагающихся импульсов в сложном гамма-всплеске. Данный факт опять хорошо вписывается в модель каскада импульсов. Оба эффекта найдены и исследованы в работах Stern, Poutanen к Svensson (1997) и Stern, Poutanen к Svensson (1999).

Эффект корреляции между сложностью и яркостью гамма-всплесков подтвержден в работе Reichart et al. (2001) на выборке гамма-всплесков с известными красными смещениями. В работе Lloyd-Ronning, Ramirez-Ruiz (2002) найдена корреляция между сложностью и жесткостью всплеска, точнее положением спектрального пика Ереа^.

Проведен наиболее полный поиск нетриггерных гамма-всплесков в непрерывных записях BATSE с использованием метода подсадных гамма-всплесков для калибровки результатов. Основным результатом обработки непрерывных записей BATSE явилось не столько увеличение статистики гамма-всплесков (в 1.8 раза для длинных всплесков), сколько расширение "проработанного" диапазона яркости до пиковых потоков 0.1 фот./см2/с. Поиск оказался гораздо более эффективным и результативным, чем аналогичная обработка архивных данных, предпринятая Д.Коммерсом при активной помощи членов команды эксперимента BATSE. И, самое важное, метод поиска с подсадными всплесками позволил откалибровать результаты и получить обоснованную зависимость эффективности обнаружения от яркости с учетом реальных фонов и дефектов данных.

Методика поиска и его результаты опубликованы в работах Stern et. al. (1999, 2000. 2001). Автором диссертации разработана идеология и методика поиска, написано программное обеспечение. Большой вклад принадлежит также Я.Тихомировой, участвовавшей в разработке методики и сделавшей наибольший вклад в проведение самого поиска, а также в систематизацию результатов.

Сформирован однородный каталог гамма-всплесков с известной зависимостью эффективности регистрации от яркости, включающий 3906 событий (каталог BATSE включает 2700 гамма-всплесков). Наиболее ценная часть каталога - длинные (> 2 с) гамма-всплески, таковых около 3300. Основное значение каталога в том, что благодаря большому яркостному диапазану и большой статистике, он позволяет получать научно значимые результаты при подгонке данных космологическими моделями гамма-всплесков. Основную работу по формированию каталога и его представлению в открытом доступе в сети сделала Я.Тихомирова.

Эти данные по нетриггерным гамма-всплескам уже используются другими авторами, в частности, в работе Firmani et al. (2004) делается попытка выявить эволюцию функции светимости гамма-всплесков, в работе Arefiev, Priedhorsky к Borozdin (2003) данные использовались для изучения статистики быстрых рентгеновских транзиентов. Каталог используется для отождествления с событиями, зарегистрированными в других экспериментах. В работе Hurley et al. (2005) многие нетриггер-ные гамма-всплески данного каталога были отождествлены с событиями других аппаратов межпланетной сети (INP), что позволило пополнить каталог триангулированных событий с хорошей локализацией. В работе Kippen et al. (2001) несколько событий нашего каталога отождествлены с событиями Верро SAX, классифицированными как рентгеновские вспышки (XRF) за их мягкий, по сравнению гамма-всплесками, спектр. Оказалось, что 8 из 9 рентгеновских вспышек, зарегистрированных Верро-SAX и попавших в поле зрения BATSE, содержатся в нашем каталоге. Каталог использовался для поиска нейтрино высоких энергий от гамма-всплесков: искались корреляции по направлению и времени между мюо-нами высоких энергий в данных эксперимента AMANDA и гамма-всплесками каталога ( Kuehn, 2005).

В работе Mitrofanov et al. (2004) предпринят новый поиск нетриг-герных всплесков. Он проводится с учетом наших наработок (например, подсадные всплески), но при более формализованной процедуре отбора событий, так, чтобы результаты были воспроизводимы при строгом повторении процедуры (наш поиск на некоторых этапах требовал визуальной оценки для классификации события).

Отчетливо выявлена космологическая эволюция числа источников гамма-всплесков на небольших красных смещениях {z < 1.5 — 2). К настоящему времени число гамма-всплесков в единицу времени на единицу сопутствующего объема упало со времен ранней Вселенной z ~ 1.5 по меньшей мере в 12 раз (на 90% уровне достоверности). Данные по вымиранию источников гамма-всплесков согласуются с данными по падению темпа звездообразования. Для выявления эволюции источников гамма-всплесков на больших красных смещениях данных оказалось недостаточно.

Этот результат был воспринят как достаточно тривиальный, поскольку утвердилась точка зрения о связи гамма-всплесков с коллапсирующи-ми звездами. В этом случае источники гамма-всплесков действительно повторяют историю звездообразования. Однако, факт эволюции источников гамма-всплесков относится к числу тех, которые должны быть проверены вне зависимости от того, насколько они предопределены общепринятыми взглядами. Результат до сих пор является единственным прямым надежным подтверждением связи гамма-всплесков со звездообразованием во времени. Кроме того, этот результат сильно ограничивает возможную примесь гамма-всплесков альтернативной природы, не связанной со звездообразованием (например, аннигиляция космических струн и т.п.). Tutukov (2003), приводя в пример данный результат, предложил использовать гамма-всплески как маркер звездообразования, что было бы особенно важно для больших красных смещений.

Результат опубликован в статье Stern, Atteia к Hurley (2002). Автор диссертации внес основной вклад в эту работу.

Определена собственная функция светимости гамма-всплесков в диапазоне шириной более 2 порядков величины по пиковой светимости, от L ~ 5 • 1049 эрг/с до L ~ 2 ■ 1052 эрг/с (изотропный эквивалент, полоса 50 - 300 кэВ). При светимости до ~ 1051 эрг/с она имеет вид степенного закона dn/dL ее La, где а лежит в интервале -1.3 - -1.5. При L ~ 1051 эрг/с функция испытывает завал, переходя либо к более крутому степенному закону, либо падая по экспоненте. Для того, чтобы отличить одно от другого, не хватает данных по ярким гамма-всплескам.

Этот результат до сих пор остается лучшей оценкой функции светимости, несмотря на прогресс в измерении красных смещений многих гамма-всплесков. Дело в том, что измерение красного смещения вносит сильный яркостный эффект селекции, и распределение по собственной светимости гамма-всплесков с известными красными смещениями сильно искажено.

Вместе с функцией светимости и эволюцией источников определена нижняя граница на полный темп гамма-всплесков в наблюдаемой части Вселенной (до поправки на угол расходимости излучения всплеска). Темп оказался выше, чем давали предыдущие оценки, сделанные на основе каталога триггерных событий BATSE. Он составляет минимум 2000 - 4000 (в зависимости от типа эволюции на больших красных смещениях) в год в объеме горизонта Вселенной при пиковой светимости выше 0.5Т 050 эрг/с. В современной Вселенной темп наблюдаемых гамма-всплесков (без поправки на анизотропию) составляет 0.13/год/Гпс3. Эти результаты опубликованы в работе Stern, Tikhomirova к, Svensson (2002), основной вклад сделан автором диссертации.

Результаты, кроме своего теоретического значения, полезны для оценки возможностей тех или иных экспериментов, (см., например, Gorosabel et al. (2004), где оцениваются перспективы ИНТЕГРАЛа по регистрации гамма-всплесков на больших красных смещениях).

Результаты получили развитие в работе Guetta, Granot, Begelman (2005), где выводится истинный (с поправкой на угол расходимости) темп гамма-всплесков для универсальных моделей джетов.

В данных BATSE обнаружены гигантские вспышки самой изученной рентгеновской двойной системы Лебедь Х-1. Эти вспышки имеют продолжительность до нескольких тысяч секунд, светимость Лебедя Х-1 во время вспышек возрастает на порядок. Это достаточно редкие события, порядка раза в год, поэтому они не были обнаружены ранее. Однако, после нашей публикации (Stern, Beloborodov & Poutanen, 2001) были найдены новые гигантские всплески, как в данных BATSE (Schmidt, 2002), так и в данных экспериментов Конус и Ulysses (Golenetskii et а1ю, 2003). Оказалось, что вспышки происходят как в жестком, так и в мягком состоянии Лебедя Х-1, причем спектр во время вспышки примерно соответствует спектру обычного состояния источника в период, когда произошла вспышка.

Впоследствии был обнаружен новый необычный вид активности Лебедя Х-1: гигантские миллисекундные всплески (Gierlinski к, Zdziarski, 2003).

Кроме конкретных результатов, перечисленных выше, представленный в диссертации цикл содержит полезные методические наработки. В частности:

- найден алгоритм поиска пика гамма-всплесков, преодолевающий проблему пуассоновского смещения;

- модель каскада импульсов оказалась хорошей схемой моделирования гамма-всплесков для методических приложений и подошла для исследования явлений другой природы;

- метод добавления искусственных событий прямо в обрабатываемые сырые данные (подсадные всплески) может быть полезен в различных приложениях как метод калибровки эксперимента, дающий наименьшие систематические смещения.

Общее методическое значение цикла работ в том, что он продемонстрировал возможность добиваться существенных результатов, работая с чужими данными, открытыми в сети. Это, конечно, не единственный пример такого рода, но возможно, он наиболее показательный, поскольку в некоторых отношениях нам удалось добиться лучших результатов, чем авторам эксперимента, при том, что они проводили те же исследования.

Это прежде всего касается поиска нетриггерных гамма-всплесков.

В конечном счете результаты получили высокую оценку членов команды BATSE. Р.Прис заявил, что в свете наших данных BATSE выглядит другим, более чувствительным и откалиброванным инструментом. Д.Коммерс также признал превосходство нашей методики и, приложив немало усилий для того, чтобы привести свои и наши результаты "к общему знаменателю" (прежде всего провести переоценку событий, которые были пропущены им или нами), добавил наши события в свой каталог. Лидер эксперимента, Д.Фишман многократно ссылался на наши результаты на обзорных докладах по результатам эксперимента. Несколько работ из цикла цитированы в хорошо известных периодических обзорах "Астрофизика в 2000" и "Астрофизика в 2002" (Trimble к Aschwanden, 2001, 2003). Всего по данным Astrophysical Data System на работы диссертационного цикла (включая труды конференций) есть около 240 ссылок, причем самоцитирования составляют незначительную часть.

Можно надеяться, что пример данного цикла работ способен стимулировать новые раскопки в огромных массивах интересных астрофизических данных, лежащих в открытом доступе и ждущих новых исследователей. Это особенно актуально для отечественной астрофизики с ее богатым человеческим потенциалом и бедной аппаратурной базой. Благодарности

Работы, составившие диссертацию, выполнены в значительной степени благодаря организационной поддержке безвременно ушедшего из жизни Р.Свенссона. Его усилиями в Стокгольмской обсерватории создана исследовательская группа, включавшая основных соавторов данного цикла работ: А.Белобородова, Ю.Поутанена, Я Тихомирову и автора диссертации (последние двое работали в качестве регулярных визитеров). Благодаря Р.Свенссону данная работа получала регулярную поддержку в виде грантов Шведской Королевской Академии Наук и частного фонда Wennergrenn Foundation. Автор благодарен основным соавторам и хотел бы отдельно выделить вклад Я.Тихомировой, сделавшей огромную работу по поиску нетриггерных гамма-всплесков и оказавшей практическую помощь в ее оформлении.

Большую помощь оказал К.Орли, будучи соавтором в одной из работ данного цикла и в двух последовавших за ним работах. Благодаря ему а также Ж-Л.Аттия удалось дополнить данные BATSE данными аппарата Ulysses, сыгравшими важную роль в выявлении эволюции источников гамма-всплесков.

Существенный вклад в обработку данных внесли соавторы Д.Компанеец, М.Степанов и А.Бережной.

Автор благодарен членам команды BATSE, в частности, Р.Прису, оказавшему существенную поддержку в получении необходимого программного обеспечения и сделавшему ряд полезных предложений, а также Д.Фишману, К. Ковелиоту, и Ч.Мигану за полезные обсуждения.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Штерн, Борис Евгеньевич, 2005 год

1. Бисноватый-Коган Г.С., Чечеткин В.М., 1981, Астрономический Журнал, 58, 561

2. Блинников, С.И.; Новиков, И.Д.; Переводчикова, Т. В.; Полнарев, А.Г., Письма в АЖ т.Ю, N.3, стр. 177, 1984

3. Зенченко В.М., Кузнецов А.В., Эстулин И.В., Ведрен Г., Нил Н, Орли К., 1979, Космические Исследования, 17. 820

4. Мазец Е.П, и др., 1979, Письма в Астрономический Журнал, 5, 163

5. Малышева Л.К., 1997, Письма в АЖ 23, 667

6. Тихомирова Я.Ю., Штерн Б.Е., 2000, Письма в АЖ, 26, 672!

7. Тихомирова Я.Ю., Штерн Б.Е., 2005, Письма в АЖ, 31,5, 291!

8. Шакура Н.Н., Прохоров М.Е., Шакура Н.И., 1994, Письма в АЖ., 20., 3, стр. 168

9. Andersen, M.I., et al. 2000, Astronomy and Astrophysics, 364, L54

10. Aptekar, R.L. et al., 1995, Space Science Reviews, v. 71, p. 265-272.

11. Arefiev, V.A.; Priedhorsky, W.C.; Borozdin, K.N., 2003, ApJ, Volume 586, Issue 2, pp. 1238-1249.

12. Aschwanden M.J., Dennis B.R., Benz A.O., 1998, ApJ 97 (2): 972-993 Part 1

13. Atteia, J.-L., Boer, M., к Hurley, K., 1999, Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 138, 421

14. Atteia, J.-L., Boer, M., к Hurley, K. 2001, in Proc. of the 19th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics and Cosmology, Ed. J. Paul, T. Montmerle, к E. Aubourg (CEA Saclay), 416 1718 19 [202122 2324