Глубокое фотометрическое исследование областей локализации некоторых гамма-всплесков тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РГ6 од - 8 ОПТ 1996

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР СПЕЦИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ РАН

На правах рукописи

ЖАРИКОВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ

УДК 524.354

>

ГЛУБОКОЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЛАСТЕЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ НЕКОТОРЫХ ГАММА - ВСПЛЕСКОВ.

Специальность: 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степепи кандидата физико-математических паук

Нижний Архыз - 1996

Работа выполнена в Государственном научном центре Специальная Астрофизическая Обсерватория Российской Академии Наук.

Научный руководитель: кандидат физ.- мат. наук Соколов В. В.

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук Афанасьев В. Л. кандидат физ.- мат. наук Прохоров M. Е.

Ведущая организация: Институт космических исследований г. Москва

Защита состоится " ^ " О^^^^Л igggr. в /б часов на заседании специализированного совета при ГНЦ Специальная Астрофизическая обсерватория РАН по адресу: 357147, Карачаево-Черкесская республика, Зеленчукский район, по с. Нижний Архыз.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГНЦ CAO РАН.

Автореферат разослан " & " C&^^^tJ) 1996г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат фио,- мат. наук Майорова Е. К

Уже на протяжении более двух десятилетий загадочная природа источников 7- всплесков стимулирует интенсивные наблюдательные и теоретические исследования. Основная проблема — это отсутствие (в спокойном или транзиептном состоянии) кандидатов в-источники 7- всплесков в различных диапазонах длин волн и, как следствие, неопределенность масштаба расстояний до них. Совокупность наблюдательных данных породила множество разнообразных моделей, пытающихся описать феномен 7- всплеска. И соответственно, масштабы расстояний до источников в различных моделях измеряются от локальных (облака Оорта), галактических (диск, гало, расширенное гало) до космологических расстояний.

Совокупность полученных на сегодняшний день наблюдательных данных противоречива и не позволяет сделать однозначный выбор в пользу какой-либо из моделей происхождений источников гамма-всплесков.

Наблюдения в других (не гамма) диапазонах длин волн в связи с вышесказанным становятся особенно актуальными.

Нам кажется более предпочтительной модель происхождения 7-всплесков на галактических компактных источниках, которая, хоть и имеет определенные трудности (угловое и пространственное распределение), но тем не менее позволяет естественным образом объяснить большую часть наблюдательных данных (времена, энергетику, спектральные характеристики).

Прямым подтверждением для галактических моделей источников гамма- всплесков могло бы стать прямое оптическое отождествление источника всплеска в спокойном (вневсплесковом) состоянии. Так как многочисленными наблюдениями на Малых 1м) телескопах практически исключены из кандидатов в ис-

точники гамма- всплесков все яркие (< 23т) объекты, то поиск в оптике кандидатов на больших звездных величинах может быть продолжен только на крупных оптических телескопах. Таким образом, наблюдения на крупном телескопе, таком как б-м телескоп CAO РАН могут внести значительный вклад в понимание природы источников всплесков.

В диссертационной работе поставлена задача поиска и прямого оптического отождествления источников гамма- всплесков в случае их локального галактического ЮОпк) происхождения.

Актуальность данной работы в том, что оптическое отождествление источника 7-вспеска позволит прямо ответить на вопрос о природе этого феномена, а в случае отсутствия реаль- . ного кандидата в источники всплеска можно оценить верхний предел на оптическую светимость источника в спокойном состоянии.

Цепью работы является проверка галактической модели источников гамма - всплесков. (Как минимум - ограничить пространство возможных параметров источников 7- всплесков в спокойном состоянии.)

Научная новизна:

1) В диссертационной работе используется, в качестве одного из вариантов, механизм происхождения гамма-всплесков на компактных объектах тппа нейтронных звезд - кварковых' звезд, связанный с фазовым переходом накопленного на поверхности кварковой звезды адронного вещества в состояние кварк- глю-онной плазмы.

2) Рассмотрена стратегия оптического поиска на G-м телескопе компактных объектов, как возможных источников гамма-всплесков в рамках локальных галактических моделей в областях локализаций гамма- всплесков.

3) Впервые проведено самое глубокое на настоящий момент полное BVR фотометрическое исследование одного из наименьших боксов ошибок локализации' -у-всплеска GRB790G13 вплоть до В — 25.7, V = 25.7, R = 25.6 для всей полученной ПЗС мо-запкп бокса и В — 26.2, V = 25.7, R = 25.6 для ее центральной части. Проведен поиск голубых объектов с чернотельны-ми показателями цвета В — V" « —0.4, V - R ж —0.1 вплоть до В = 25.2. Изучена выборка объектов с показателями цвета В — V > 0, V — R < 0, аналогичными показателям цвета для объекта GEMINGA (Bignami et al., 1995). На основе этих наблюдений сделаны ограничения на параметры источников 7- всплесков в случае локальной Галактической модели их происхождения. Расстояние до источника события GRB 790613 в случае локального галактического происхождения на об'ектс типа нейтронной звезды составляет не менее 40 пк, а температура источника не превосходит ~ 120000 К. Верхний предел на пространственную плотность таких объектов составляет не более и 0.02 пк3. Найден ряд интересных объектов вблизи и в области локализации 7-всплеска GRB 790613.

4) Проведены фотометрические исследования области локализации 7 -всплеска GRB 790418 и ряда об'ектов, возможно связанных с источниками гамма-всплесков.

5) Впервые сделана оценка блеска в В фильтре (системы Козпнса) для одиночной нейтронной звезды - пульсара PSR 0656+14.

з

Практическая ценность работы.

Отработана методика поиска близких компактных объектов на основе ПЗС- фотометрического изучения областей их локализации. Полученные результаты могут быть использовании при построении реалистической модели источников гамма- всплесков в спокойном состоянии. Методика фотометрии и измерения собственных движений предельно слабых объектов может быть применена при решении других астрофизических задач. В частности, методика уже использована на 6м телескопе в наблюдательной программе оптического отождествления ближайших компактных объектов - нейтронных звезд (пульсаров).

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на международном совещании "Flares and Flashes" IAUC No.151., Зоннеберг, Германия; декабрь 1994г.; ва между нар одном совещании "Towards the Source of Gamma-Ray Bursts"; 29th ESLAB Symposium, Ho-ордвик, Голландия, апрель 1995.; на международном совещании "3tb Huntsville symposium oïl GRB", Хантсвилл, Алабама, США, 25-27 октября 1995 года; на совещании памяти В. Шварцмана (CAO РАН, 1991); на конференции памяти Цесевпча В.П. (Одесса, 1993); на семинарах Института Физики Высоких Энергий (Протвино); Института Теоретической Физики (Киев); АКЦ ФИАН (Москва), на научных конференциях и семинарах Специальной Астрофизической Обсерватории.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 163 страницах н включает в себя: Введение, четыре главы, список литературы из 162 наименовании, 33 рисунков и 18 таблиц.

г

На защиту выносятся:

1) Результаты глубокого ВУ11- фотометрического исследования области локализации СШЗ 790613.

2) Результаты оценки собственных движений за год всех об'ектов вплоть до V рз 25 в области локализации 7-всплеска в 11В 790613.

3) Открытие оптического транзиента в области локализации гамма- всплеска СИВ 790613.

4) Результаты глубокого ВУЯ- фотометрического исследования области локализации оптического транзиента ОТ 1959, найденного в гамма- боксе С1Ш791101.'

Личный вклад автора.

• Компьютерное моделирование компактных объектов (квар-ковых звезд) п разработка модели происхождения источника гамма- всплеска на такого рода объектах.

• Автор непосредственно участвовал в постановке задачи по оптическому поиску источников гамма-всплесков в спокойном состоянии в случае локальной галактической модели их происхождения; обосновании метода наблюдений и критериев отбора кандидатов в источники всплесков;

• наблюдательный материал обработан автором;

• участие в анализе и интерпретации полученных данных совместно с Соколовым В.В. и Куртом В.Г.

Содержание диссертации.

Во введении дано обоснование актуальности работы, сформулированы цель, новизна и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются основные наблюдаемые характеристики 7- всплесков в различных диапазонах энергий, дается анализ существующих на настоящий момент моделей их происхождения. Приведены критические тесты для каждой из рассматриваемых моделей (гелиоцентрической, галактической и ко смо логиче ской).

Во второй главе представлен один из вариантов происхождения источников гамма- всплесков на компактных объектах типа нейтронных звезд. В п.1 рассматриваются проблемы физики компактных объектов (уравнение вещества при сверхъядерных плотностях, макроскопические свойства компактных объек-_ тов). Обращается внимание на то, что современная физика при сверхъядерных плотностях допускают большое количество различных вариантов уравнений состояния (см. например, Шапиро п ТЬюколски, 1985 и ссылки там же). Среди них возможность нейтронной и протонной сверхтекучести, пионной конденсации, отвердевание нейтронной материи, появление резонансов, диба-рионов, фазовый переход в состояние кварк- глюонной плазмы и т.д. Предсказываемые свойства нейтронных звезд и систем, их содержащих, сильно зависят от равновесного уравнения состояния вещества прп плотностях, превышающих рпис1-

По современным оценкам (см. обзор Emel'yanov et al., 1990) при плотностях (2 - &)pnud, сравнимых с плотностями в центре нейтронных звезд, для реалистических уравнений состояния, возможен фазовый переход из состояния адронной материи в состояние кварк- глюонной плазмы. Уравнение состояния для

ультрарелятивистских безмассовых свободных кварков в кварк-глюонной плазме (Witten Е., 1984):

Р = \(Р-Рь)-<? (1)

где Р < Рь.

В последнее время появились наблюдательные данные, указывающие на то, что для описания нейтронных звезд может быть придется привлечь "экзотические" уравнения состояния сверхплотной материи (см., например Meyer et al., 1994). Например, сейчас достаточно активно дискутируется вопрос о тепловой эволюции нейтронных звезд (Umeda et al., 1994). Наблюдения ряда пульсаров показывают отклонение от стандартного сценария тепловой эволюции нейтронных звезд. Так пульсары как PSR 0656+14, Vela, Geminga, PSR 2334+61 по-видимому холоднее, чем должны быть, согласно стандартной модели тепловой эволюции нейтронных звезд. Наблюдаемые тсгштературы этпх об'ектов говорят об их быстром остывании, что реализуется в моделях компактных об'ектов с мягкими, близкими к предельному (1), уравнениями состояния, так называемыми уравнениями состояния с ппопным конденсатом, каонным конденсатом или с кварковоп материей, которые при высоких плотностях все сводятся к уравнению состояния (1) при разных значениях рь - граничной плотности. Это могло бы указаывать на возможность существования в природе компактных объектов с предельным уравнением состояния (1) - странных кварковых звезд (Witten Е., 1984, Haensel et al., 1986, Alcock et al., 1986). В принципе, допустимо существование одновременно и иейтронных и странных кварковых звезд, что будет определяться условиями в момент рождения и последующей эволюцпп компактного о бъекта. Возможен также последующий переход нейтронных звезд в кварковые (Olinto, 1987).

Такого рода перехода оппсан в работе Мартемьянова (1994).

В п.П изложены результаты моделирования компактных объектов с предельным уравнением состояния - кварковых звезд. Фазовый переход адронного вещества в состояние кварк- глю-онной плазмы на поверхности кварковой звезды как возможный механизм происхождения гамма- всплесков рассмотрен в n.III. В n.IV излагается стратегия поиска слабых голубых звездообразных объектов - объектов типа нейтронных звезд - как возможных источников гамма- всплесков в рамках локальной (~ 100 пк) галактической модели их происхождения, рассматриваются возможные наблюдательные проявления источников гамма- всплесков в спокойном состоянии в рамках этой модели. Предполагается, что гамма-всплески обусловлены некоторым высокоэнер-гетичным процессом, происходящем с накопленным в результате аккреции веществом в полярной области старого замагни-ченного компактного объекта типа нейтронной звезды. Число таких объектов в окрестности Солнца ограничено пределами: 0.001 пс-3 ^ поив iS 0.036 пс_3. Где нижний предел определяется возможной средней плотностью старых нейтронных звезд, а верхний предел - наблюдаемой плотностью скрытой массы, если она определяется компактными объектами с массами 1.4М0.

Для радиуса и массы объекта - компактного источника гамма-всплеска, мы будем использовать R = 10 км и М = 1.4М©, поскольку мы предполагаем объект, по своим гравитационным свойствам близким к "стандартной" нейтронной звезде. Ограничение на поверхностную температуру этих объектов, полученное на основе рентгеновских данных ROSAT ASS, составляет ~ 105 К. Следовательно, в окресностях Солнца речь.может

идти о поиске в оптике слабых голубых объектов с цветами:

8

и - В--1.0, В - V £ -0.3 и V - Я « -0.1, а при налипни

оптически толстой атмосферы В — V > 0 и V — R < 0, аналогично показателям цвета объекта GEMINGA (Bignäini et al., 1995).

г "

Далее в этой главе дается обоснование метода поиска такого рода объектов на 6м телескопе, принципы отбора областей локализации источников всплесков для наблюдений набм телескопе и критерии отбора объектов.

Третья глава посвящена результатам наблюдений областей локализации гамма-всплесков GRB 790613 и GRB 790418, а также областей локализации двух оптических транзиентов ОТ 1959 (Moslcalenko et al., 1989), ОТ 910331, возможно связанных с источниками гамма- всплесков. В п.1 рассматривается методика предельно глубоких многоцветных ПЗС-фотометрических наблюдений на 6м телескопе. В п.II.2 обсуждаются самые глубокие на сегодняшний день оптические данные полученные для области локализации события GRB 790613. Представлены BVR фотометрические данные для всех объектов, зарегистрированных с отношением S/N > 4 и результаты поиска объектов с черно-тельным значениями показателя цвета и с показателями цвета В — V > 0 V — R < 0. Определены, вытекающие из оптических и рентгеновских наблюдений, ограничения на температуру и расстояние до источников гамма- всплесков в случае их локального галактического происхождения на компактных объектах типа нейтронных звезд. Представлен ряд других интересных объектов, найденных внутри пли вблизи области локализации всплеска. Обсуждается их возможная связь с событием GRB 790613.

В п.П.З обсуждаются результаты, полученные для области локализации события GRB 790418.

9

Из полученных наблюдательных данных можно сделать следующие выводы:

• Компактные объекты - источники 7-всплесков в локальной ЮОпх) галактической модели - должны иметь низкие поверхностные температуры (не более » 105 К) и, соответственно, звездные величины ~ 26т. Обнаружение такого объекта в больших областях локализации 7-всплесков (^ 10 агстгп1) представляет собой трудновыполннмую задачу. Наблюдения областей локализаций у- всплесков на малых телескопах (Vrba et al., 1995, Harrison et al., 1994), сравнение распределений 7- всплесков на небесной сфере с распределением различных типов объектов (Harrison et al., 1995), показали отсутствие кандидатов в источники всплесков среди выборки известных галактических объектов. Наши наблюдения стали первым этапом оптического поиска компактных объектов в областях локализации 7- всплесков. Сейчас мы можем утверждать, что наши данные в совокупности с рентгеновскими наблюдениями ROSAT, исключают молодые горячие компактные объекты из числа возможных источников всплесков, но тем не менее оставляют возможность происхождения всплесков на старых компактных объектах, которые могут находиться в непосредственной близости от нас и составлять какую-то часть скрытого вещества в окрестностях Солнца. С появление новых, более точных локализации 7- всплесков ~ 10" можно будет надеяться на обнаружение такого рода объекта. • Наблюдения наименьшей на северном небе области локализации всплеска GRB 790613 покаоалй, что на больших звездных величинах ~ 25'" число объектов, имеющих какие- либо отличительные характеристики, достаточно велико. В этом поле и вблизи него найдены: оптический транзиент, возможно связанный с

Ю

самой красной в области локализации события GRB 790613 звездой, группа галактик, звездообразный голубой объект. Установить, имеют ли эти объекты какое-нибудь отношение к событию GRB 790613, можно только на основе дополнительных глубоких многоцветных фотометрических исследований других у- боксов. • Отсутствие однозначного кандидата в источники гамма- всплесков (пли что одно и тоже, обилие разнообразных объектов в области локализации гамма-всплеска только усиливает актуальность дальнейших глубоких оптических исследований других наименьших боксов ошибок локализаций. С другой стороны решение задачи оптического отождествления источников гамма-всплесков, тем самым прояснения их природы, возможно па пути улучшения локализации пх источников.

Итак, краткий итог первых глубоких многоцветных оптических наблюдений в совокупности с дапными рентгеновского обзора ROS AT ASS наименьших на сегодняшний момент областей локализации некоторых гамма-всплесков:

1) Поверхностные температуры источников всплесков в случае их локального 100 пк) происхождения на компактных объектах типа нейтронных звезд не превышают ~ 120000 К.

2) Минимальное расстояние до источника всплеска GRB 790613 (если R — 10 км) при поверхностной температуре « 105 К составляет ~ 40 пк.

3) Минимальное расстояние до источника всплеска GRB 790418 (R = 10 км) при поверхностной температуре « Ю5 К составляет « 20 пк.

4) Пространственная плотность таких объектов может быть заключена в пределах

0.001 пк"3 < TiGRB < 0.02 пк—3

il

если в исследованных областях явно отсутствуют компактные объекты с ожидаемыми параметрами (R ~ 10 км, M ~ 1.4М0, T~105iQ.

г В п.Ш.2 представлены результаты BVR фотометрического исследования поля вокруг положения ОТ 1959, найденного в области локализации GRB791101 (Moskalenko et al., 1989). В боксе найден звездообразный объект V — 23.43 с пекулярными цветами B — V = 0.9 и V — R = 1.10, который является возможным кандидатом в истопники оптической вспышки 1959 года. В п.Ш.З представлены результаты глубокого поиска источника оптической вспышки вблизи области локализации GRB 930131.

Четвертая глава: В этой главе обсуждаются предварительные результаты фотометрических исследований по программе оптического отождествления ближайших радиопульсаров, начатой на 6м телескопе CAO РАН в 1996 году. Особенностью программы является то, что мы продолжаем исследовать и искать с помощью тех же самых методов компактные объекты в ближайших окрестностях Солнца. В программу включены пульсары разных возрастов и, таким образом, она связана непосредственно с нашими исследованиями в рамках программы поиска в оптике компактных объектов низкой светимости - потенциальных источников гамма- всплесков, возможно также изолированных нейтронных звезд или кварковых звезд с возрастом более 108 лет ("мертвых пульсаров").

Исследование тепловой компоненты излучения пульсаров является критическим для теории сверхплотного вещества в недрах нейтронных звезд. Так измерение поверхностной температуры для пульсаров различных возрастов может, в принципе, дать информацию об уравнении вещества при сверхъядерных плотно-

стях. Корме того, регистрация оптического получения позволяет сделать оценку свойств атмосферы в зависимости от параметров пульсара.

В главе приводятся первые результаты наблюдений пульсара PSR 0656+14. Объект обиаруживаентся в трех фильтрах BVR и оценка блеска составляет В = 25.1±0.5. Дается обоснование возможности проведения па 6м телескопе отождествления и фотометрического исследования ближайших изолированных пульсаров до ~ 26га. Приведены сравнительные характеристики потенциальных возможностей наблюдений такого рода об'ектов для различных оптических инструментов.

В заключении подводится краткий итог проделанной работы и перечислены кратко основные результаты, полученные в диссертации.

Основное содержание диссертации изложено в следующих статьях:

1) Sokolov V.V., Zharykov S.V. Preprint SAO RAS N80, 1991

2) Sokolov V.V., Zharykov S.V. Problems on high energy physics and fields theory; (proc. of the XVI workshop, Protvino, 1991) Ed S.M. Troshin, Moscow, 1992, p71

3) Sokolov V.V., Zharykov S.V. Astrophys. and Space Sci., 201, 303, 1993

4) Sokolov V.V., Zharykov S.V. "Masses of quark configuration."; Bulletin of the special astrophysical observatory., 1994, 37, p 61.

5) Sokolov V.V, Kopylov A.I., Zharykov S.V. "Optical studies of 7-ray burst field GRB790418 at the 6m telescope."; Bulletin of the special astrophysical observatory., 1994, 38.

6) V.V. Sokolov, A.I. Kopylov, V.G.,Kurt and S.V. Zharykov

"The Deep Search for Optical Counterparts of Gamma-Ray Bursters at the 6-meter Telescope"; Flares and Flashes, Proceedings of IAU Colloquium No. 151, Held in Sonneberg, Germany, 5-9 December 1994., Lecture Notes in Phisics, Springer, p389.

7) Sokolov V.V.,Kopylov A.I., Kurt V.G., Zharykov S.V., Berezin A. "The Search and Investigation of Weak Blue Star-like Objects in Small GRB Error Boxes"; Astrophysics and Space Science 231: 343-346, 1995

8) Zharykov S.V., Kopylov S.V., Sokolov V.V. "The Investigation of Moskalenko's 1959 Optical Transient Field inside GRB 791101 Error Box"; Astrophysics and Space Science 231: 347-350, 1995

9) B.J. McNamara, T.B. Harrison, C.I. Williams, R.M. Wagner, V.V. Sokolov, A.I. Kopylov, S.Z. Zharykov "X.-ray and Optical Observations of the COMPTEL Error Box for GRB910601"; Astronomii Journal 110, 232, 1995

10) Sokolov V.V., Kurt V.G., Zharykov S.V., Kopylov A.I., Berezin A.V. "The Deepest Optical Investigation of the GRB790613 Error Box." будет опубликована в трудах 3th Hunstville symposium on GRB.

11) Соколов B.B., Курт В.Г., Копылов А.И., Жариков С.В., Березин В.Г. "Поиск слабых голубых звездообразных об'сктов в центральной части области локализации гамма-всплеска 13 тоня 1979 года." Письма в Астрономический Журнал, Том 22., N. 8, 563, 1996.