Исследование гамма-всплесков и солнечных вспышек по данным прибора ФЕБУС обсерватории "Гранат" тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РГВ од

1 8 ДЕК 2800

На правах рукописи

Ткаченко Алексей Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ И СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК ПО ДАННЫМ ПРИБОРА ФЕБУС ОБСЕРВАТОРИИ «ГРАНАТ»

01.03.02 Астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН

Научный руководитель — доктор физико-математических наук Терехов Олег Викторович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Постное Константин Александрович

кандидат физико-математических наук

доцент Котов Юрий Дмитриевич

Ведущая организация:

Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород)

Защита диссертации состоится 22 декабря 2000 г. в 11:30 часов на заседании диссертационного совета Д 002.94.01 в Институте космических исследований РАН по адресу: Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, ИКИ РАН, подъезд 2 (конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.

Автореферат разослан 22 ноября 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.94.01 кандидат технических наук

фс^Л Нестеров В. Е.

1 Общая характеристика работы

Актуальность темы

Космические гамма-всплески являются, пожалуй, самым загадочным явлением современной астрофизики высоких энергий. Вспышки жесткого рентгеновского излучения в диапазоне энергий более ~30 кэВ со сложной временной структурой и нетепловым спектром были открыты еще в начале 70-х годов американским военным спутником VELA, но до сих пор нельзя с уверенностью сказать, что источники этих событий достоверно установлены. В течение почти тридцати лет был накоплен большой объем данных и предложены десятки теоретических моделей. Масштаб предполагаемых расстояний до источников варьировался от Солнечной системы до космологических.

Настоящий прорыв в этой области произошел после открытия послесвечений гамма-всплесков в рентгеновском, оптическом и радио диапазонах на временных масштабах от дней до месяцев и больше. Оптические наблюдения позволили установить, что источники некоторых гамма-всплесков находятся на космологических расстояниях, соответствующих красным смещениям z ~ 1. Таким образом, за несколько секунд только в виде гамма-квантов выделяется энергия 10®2 — 3 х 10J/Í эрг, что по-крайней мере на несколько порядков превосходит светимости всех известных на сегодняшний день астрофизических объектов.

Такое громадное энерговыделение с большим количеством жестких фотонов с энергиями > 500 кэВ, а также проблема компактности источников гамма-всплесков (характерное время переменности всплесков 5Т ~ 10 мс в нерелятивистском случае ограничивает, размер излучающей области на уровне ~ 3000 км), могут быть объяснены в рамках моделей, в которых разлетающаяся оболочка движется на наблюдателя с ультрарелятивистской скоростью (лоренц-фактор Г > 100). Наиболее полно объясняющей все аспекты наблюдаемых явлений в настоящее время является модель релятивистского огненного шара, в которой гамма-всплеск и его послесвечение рождаются при синхротронном излучении электронов, ускоренных в ударных волнах, образованных при взаимодействии различных частей ультрарелятивистского потока между собой и при его взаимодействии с окружа-

ющей межзвездной средой. Проверка этой модели требует дальнейших наблюдений. Особенно важным является изучение ранней стадии послесвечений, когда лоренц-фактор потока высок.

В то же время, не перестает быть актуальным продолжение накопления информации о как можно большем количестве гамма-всплесков и статистическом анализе их свойств. Это связано еще и с тем, что, возможно, часть событий имеют некосмологическое происхождение. Так уже давно замечено, что короткие гамма-всплески (длительностью менее 2 с) имеют более высокую жесткость и статистика V/Ущах дает указание на более высокую изотропию распределения их источников в пространстве.

Помимо космических гамма-всплесков в 7-диапазоне наиболее яр-^ ко проявляют себя вспышечные события солнечного происхождения — высокоэнергичные солнечные вспышки. Солнечная активность имеет циклический характер с периодом ~11 лет. Наиболее яркие солнечные вспышки происходят, в основном, в период максимума солнечной активности. Источником энергии служит сильное магнитное поле. Во время солнечной вспышки в нижнюю корону или в верхнюю хромосферу в течение нескольких минут или десятков минут вводится энергия

1028

— 10 эрг. Вспышка является источником ускоренных частиц с энергией вплоть до нескольких ГэВ и разнообразного электромагнитного излучения от высокоэнергичных гамма-квантов до радиоволн.

Первое наблюдение солнечной вспышки в гамма-диапазоне было проведено Чаппом в 1972 году. В энергетических спектрах были обнаружены гамма-линии. До этого момента были доступны только данные об излучении в радио и рентгеновском диапазоне, которые регистрировали наличие электронной компоненты в области вспышки. Исследование излучения солнечных вспышек в гамма-диапазоне позволяет получить уникальную информацию о процессах, происходящих во время вспышек, и лучше понять природу этого явления. Наблюдения мгновенных ядерных гамма-линий и линии синтеза дейтерия (2,23 МэВ) дает возможность оценить параметры спектров протонов, ускоренных во время вспышки, а также поставить верхний предел на обилие дейтерия в атмосфере Солнца. Факт синтеза дейтерия на поверхности Солнца во время высокоэнергичных вспышек имеет особое значение для астрофизики, так как известно, что обилие дейтерия во Вселенной является критическим параметром современной космологии.

Цель работы

Цель работы заключалась в исследовании всплесковых событий (космических гамма-всплесков и высокоэнергичных солнечных вспышек) в гамма-диапазоне (100 кэВ-100 МэВ) по данным прибора ФЕБУС обсерватории «Гранат». Отметим, что ФЕБУС до сих пор является одним из самых чувствительных всплесковых приборов в диапдзо-не энергий > 1 МэВ. •

В частности, целью являлось составление каталога всплесков, зарегистрированных прибором ФЕБУС в период с января 1993 по сентябрь 1994 гг. Детальный анализ временных и спектральных характеристик космических гамма-всплесков, и выявление общих свойств всплесков, таких как бимодальность распределения по времени и зависимость жесткости излучения от длительности события.

Недавнее открытие послесвечений источников космических гамма-всплесков указывает на то, что по-крайней мере часть источников всплесков находится на космологических расстояниях. Для проверки и уточнения параметров космологических моделей необходимо исследование процессов происходящих сразу после гамма-всплесков. Одной из главных задач являлся поиск и исследование ранних послесвечений источников гамма-всплесков в мягком гамма-диапазоне. Анализ слабых потоков послесвечений на больших временных масштабах стал возможен благодаря стабильному фону, который обеспечивает высо-коапогейная орбита обсерватории «Гранат».

Одной из основных целей стало исследование процессов синтеза дейтерия во время солнечных вспышек на основании данных о наблюдении ядерных гамма-линий и линии 2,23 МэВ во время вспышки 11 мая 1990 года и установление верхнего предела на обилие 3Не в атмосфере Солнца.

Научная новизна

Все результаты, представленные к защите, являются новыми.

Представлены результаты наблюдения ранних послесвечений двух ярких гамма-всплесков в мягком гамма-диапазоне. Получены параметры степенных законов, которые хорошо описывают падение интенсивности потока в послесвечении. Показано, что момент резкого па-

дения жесткости событий в пределах ошибок совпадает с моментом начала степенного спада интенсивности излучения в послесвечении. В послесвечении всплеска GRB 910402, обнаружено значимое увеличение жесткости потока со временем.

Проведено независимое наблюдение излучения в линии синтеза дейтерия во время высокоэнергичной солнечной вспышки 11 мая 1990 года. Получены оценки параметров спектра ускоренных протонов и поставлен верний предел на обилие гелия-3 в солнечной атмосфере. Обнаружена задержка максимума интенсивности излучения в линии синтеза дейтерия относительно максимума в мгновенных ядерных линиях.

Практическая ценность работы

Составлен каталог космических гамма-всплесков, зарегистрированных прибором ФЕБУС в период с января 1993 по сентябрь 1994 гг.

Полученные результаты наблюдения ранних послесвечений от источников гамма-всплесков могут быть использованы при сравнении и уточнении параметров различных теоретических моделей источников гамма-всплесков. Данные о наблюдениях синтеза дейтерия во время солнечных вспышек могут быть использованы при построении теоретической модели явления.

Апробация работы

Результаты, представленные в диссертации, докладывались на семинарах ИКИ РАН, конференциях "Toward the Source of Gamma-Ray Bursts" (Голландия, 1995), "3rd INTEGRAL Workshop", 1998 г., "Gamma-Ray Bursts in the Afterglow Era" (1999, Рим). Основные результаты диссертации опубликованы в шести научных работах в 1995— 2000 гг.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения и трех частей. Каждая часть имеет список литературы. Объем диссертации — страниц. Диссертация содержит: рисунков, X. таблиц,/V библиографических ссылок.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Проанализированы 60 гамма-всплесков, которые были зарегистрированы прибором ФЕБУС обсерватории ГРАНАТ в период с января 1993 по сентябрь 1994. Составлен каталог всплесков. Получена детальная информация о всплесках. Построены кривые блеска в диапазоне 100 кэВ-1.6 МэВ, энергетические спектры событий. Для каждого всплеска определен гйэлный поток и поток в максимуме светимости в диапазоне энергий выше 100 кэВ.

2. Показано, что для гамма-всплесков, зарегистрированных прибором ФЕБУС за пять лет работы, значение < V/Утах > равно 0,336± 0,008, что более чем на 20 стандартных отклонений отличается от величины 0,5, ожидаемой для однородного пространственного распределения наблюдаемых источников гамма-всплесков.

3. Показано, что среднее значение жесткости для коротких гамма-всплесков с длительностью менее 2 с равно 0,451 ±0,019, в то время как для интервала длительностей более 2 с — 0,232 ± 0,004. Эти данные, так же как и наблюдаемая бимодальность распределения гамма-всплесков по длительностям, могут указывать на различную природу источников коротких и длинных космических гамма-всплесков.

4. Обнаружены и исследованы ранние послесвечения двух ярких гамма-всплескоз С1?В 910402 и ЭЯВ 920723 в мягком гамма-диапазоне 100-500 кэВ. Показано, что сразу после окончания основного всплеска в течение всего периода наблюдений 700 с) поток спадает по степенному закону —0,70 ±0,04 и —0,60 ±0,05 для этих двух событий соответственно. Показано, что момент резкого падения жесткости событий в пределах ошибок совпадает с моментом начала степенного спада интенсивности излучения в послесвечении. В послесвечении всплеска СРВ 910402, обнаружено значимое увеличение жесткости потока со временем.

5. При исследовании излучения в ядерных гамма-линиях и в пинии синтеза дейтерия 2,23 МэВ во время высокоэнергичной солнечной вспышки 11 мая 1990 года, была получена верхняя оценка обилия гелия-3 в атмосфере Солнца 3Не/1Н — (4,7 ± 1,8) х Ю-5.

6. Обнаружено, что максимум интенсивности излучения в линии 2,23 МэВ в солнечной вспышке БР 900511 задержан относительно максимума в мгновенных ядерных линиях на время ~ 70 с.

2 Содержание работы

Первая часть диссертации посвящена описанию наблюдений космических гамма-всплесков прибором ФЕБУС астрофизической обсерватории ГРАНАТ и состоит из двух глав.

Первая глава содержит описание прибора ФЕБУС. Подробно описаны режимы работы, которые позволили получить информацию о кривых блеска и спектрах космических гамма-всплесков и высокоэнергичных солнечных вспышках.

Во второй главе представлены результаты наблюдений космических гамма-всплесков при помощи детекторов прибора ФЕБУС в период с января 1993 г. по сентябрь 1994 г. За это время общая продолжительность наблюдений составила 182,2 дня. Было зафиксировано 195 срабатываний всплесковой ячейки прибора ФЕБУС. Шестьдесят срабатываний было вызвано космическими гамма-всплесками, 14 высокоэнергичными солнечными вспышками, а остальные явились результатом взаимодействия солнечных протонов и заряженных частиц магнитосферы Земли с детекторами прибора. Составлен каталог всплесков. Приводится детальная информация о событиях: кривые блеска всплесков в диапазоне 100 кэВ-1.6 МэВ, энергетические спектры, а также информация об полном потоке и потоках в максимумах светимости гамма-всплесков в диапазоне энергий выше 100 кэВ. Показано, что для гамма-всплесков, зарегистрированных в период с января 1993 года по сентябрь 1994 года значение < V/Утах > равно 0,359 ±0,013, а усредненное по всем 174 гамма-всплескам, информация о которых была записана прибором ФЕБУС за пять лет работы, равно 0,336 ±0,008, что более чем на 20 стандартных отклонений отличается от величины 0,5, ожидаемой для однородного пространственного распределения наблюдаемых источников космических гамма-всплесков. Среднее значение жесткости коротких всплесков с длительностью менее 2 с равно 0,426 ± 0,034, в то время как для интервала длительностей более 2 с — 0,241 ±0,008. Эти же значения для всех событий, зарегистрированных прибором ФЕБУС за пять лет работы, равны: 0,451 ±0,019 и 0,232 ±0,004 соответственно. Эти данные, так же как и наблюдаемая бимодальность распределения гамма-всплесков по длительностям, могут указывать на различную природу источников коротких и длинных всплесков.

о а

о *

О

"1 .........

+ ' -4- ; т г'-г,;-07

! ^ ♦ - ■Ч :

........1 - 1 ........

10 100 Время, с

Рис. 1: Кривая блеска 910402 с вычтеным фоном в логарифмических координатах (100— 500кэ6). Нуль времени соответствует времени срабатывания всплесковой ячейки '/(). 7"| — момент начала степенного спада интенсивности излучения в послесвечении. Пунктирная линия соответствует наилучшему степенному закону описывающему послесвечение с началом в Т\. Степенной закон выглядит на этом рисунке искривленным из-за разницы моментов времени Т\ и То

Вторая часть диссертации состоит из двух глав и посвящена наблюдениям раннего послесвечения источников гамма-всплесков в мягком гамма-диапазоне.

В третьей главе представлены результаты поиска продолженного излучения в гамма-диапазоне после окончания основной фазы гамма-всплеска. При исследовании была детально изучена фаза падения потока гамма-всплеска и проводился поиск значимых превышений над уровнем фона после окончания основного всплеска.

В связи с тем, что телескоп ЕС(?ЕТ/С01Ю зарегистрировал фотоны с энергией 18 ГэВ во время гамма-всплеска С1^В 940217, был проведен поиск наблюдений высокоэнергичных фотонов в диапазоне энергий 10-100 МэВ после окончания основной фазы гамма-всплесков на временном интервале ~ 10 мин. В результате исследования не было выявлено достоверных превышений потока в этом диапазоне.

В четвертой главе представлены результаты исследований раннего гамма-послесвечения от источников двух наиболее ярких гамма-всплесков зарегистрированных прибором ФЕБУС за все время работы: СРВ 910402 и СРВ 920723. Анализ слабых потоков на большом временном интервале, наблюдавшихся во время послесвечения источников этих всплесков, стал возможен благодаря стабильному фону.

Рис. 2: Кривая блеска гамма-всплеска 61?В 920623. Подробности указаны в подписи к рис. 1.

0.1 1 10 100 1000 Время, с

который обеспечивает высокоапогейная орбита обсерватории «Гранат». Сразу после окончания основного всплеска в GRB 910402 и GRB 920723 в течение всего периода наблюдений 700 с) в диапазоне 100-500 кэВ наблюдалось падение интенсивности потока со временем. Этот спад хорошо описывался степенным законом с показателем —0,70 ±0,04 (см. рис. 1) и —0,60 ±0,05 (см. рис.2) соответственно. Излучение во время послесвечения оказалось существенно мягче (средний спектральный фотонный индекс ~ 2,5), чем излучение во время основного всплеска (средний спектральный фотонный индекс ~ 1,5). В момент начала падения потока было обнаружено резкое падение жесткости спектра. Этот момент времени в пределах ошибок совпал с моментом, начала степенного спада интенсивности излучения в послесвечении. Кроме этого, детальный анализ спектральных характеристик послесвечения гамма-всплеска GRB 910402, выявил значимое увеличение жесткости со временем. Полное энерговыделение во время послесвечения в течение ~ 700 с в диапазоне энергий >100 кэВ для всплеска GRB 910402 составило всего ~ 1,6% от полного потока в основном всплеске. Для GRB 920723 эта величина составила ~ 6%.

Третья часть диссертации посвящена наблюдению процесса синтеза дейтерия во время солнечных вспышек. Некоторые солнечные

Рис. 3: Кривые блеска вспышки БР900511 в ядерных. линиях (4-7,4) МэВ (а) и в линии синтеза дейтерия 2,23 МэВ (б). Максимум интенсивности излучения в линии 2,23 МэВ задержан относительно максимума в мгновенных ядерных линиях на время ~ 70 с. Характерное время падения интенсивности' в линии 2,23 МэВ за первые 90 с после ее максимума равно 1С1±20 с, что позволило поставить верхний предел на отношение обилий 3//е/'// = (4,7± 1,8) х Ю-5.

вспышки ярко проявляют себя в гамма-диапазоне. Наблюдения излучения в ядерных линиях и в линии синтеза дейтерия, позволяют определить параметры, которые важны для понимания процессов происходящих во время солнечных вспышек.

В пятой главе представлены результаты наблюдения линии синтеза дейтерия во время высокоэнергичной солнечной вспышки 11 мая 1990 года, которая наблюдалась прибором ФЕБУС астрофизической обсерватории «Гранат» в течение ~ 20 мин, начиная с 20Ч58'И""9С, в диапазоне выше 100 кэВ. Вспышка 24 мая 1990 года из той же активной области на Солнце стала самым ярким солнечным событием за весь период работы обсерватории. Во время вспышки БР 900511 были детектированы как ядерные гамма линии, связанные с возбуждением ядер 12С, 160 и других элементов солнечной атмосферы, так и линия с энергией 2,23 МэВ возникающая при захвате нейтронов протонами (}Н(п,гу)'*Н). Сравнение полного потока в ядерных линиях (4—7,2) МэВ и в задержанной линии 2,23 МэВ показало, что спектр ускоренных про-

Время, с

тонов, при его описании функцией Бесселя, имеет параметр аТ, лежащий в пределах: 0,2 < аТ < 0,3.

Показано, что максимум излучения солнечной вспышки 11 мая 1990 г. в линии 2,23 МэВ задержан относительно максимума в ядерных линиях на время ~ 70 с (см. рис. 3). Характерное время падения интенсивности в линии 2,23 МэВ за первые 90 с после ее максимума составило 164±20 с, что позволило поставить верхний предел на отношение обилий 3Яе/1# = (4,7 ± 1,8) х Ю-5.

Основные выводы и результаты диссертационной работы

1. Проанализированы данные о космических гамма-всплесках, которые были зарегистрированы прибором ФЕБУС обсерватории ГРАНАТ. Составлен каталог всплесков. Получена детальная информация о всплесках. Построены кривые блеска в диапазоне 100 кэВ-1.6 МэВ и энергетические спектры событий. Для каждого гамма-всплеска определен полный поток и поток в максимуме светимости в диапазоне энергий выше 100 кэВ.

2. Показано, что значение < V/Утах > усредненное по всем 174 гамма-всплескам, информация о которых была записана прибором ФЕБУС за пять лет работы, равно 0,336 ±0,008. Это значение более чем на 20 стандартных отклонений отличается от величины 0,5, ожидаемой для однородного пространственного распределения наблюдаемых источников гамма-всплесков. '

3. Показано, что среднее значение жесткости спектров коротких гамма-всплесков с длительностью менее 2 с существенно выше жесткости более длинных событий. Эти данные, так же как и наблюдаемая бимодальность распределения гамма-всплесков по длительностям, могут указывать на различную природу источников коротких и длинных всплесков.

4. Обнаружено и исследовано раннее послесвечение в мягком гамма-диапазоне от источников двух ярких гамма-всплесков 910402 и 920723. Показано, что сразу после окончания основного всплеска в течение всего периода наблюдений (~ 700 с) в диапазоне 100-500 кэВ поток падает по степенному закону —0,70 ± 0,04 и —0,60 ± 0,05 для этих двух событий соответственно. Момент резкого падения жесткости событий в пределах ошибок совпадает с моментом начала степенного спада интенсивности излучения в послесвечении. В послесвечении

всплеска GRB 910402, обнаружено значимое увеличение жесткости излучения со временем.

5. При исследовании излучения в ядерных гамма-линиях и в линии синтеза дейтерия 2,23 МэВ во время высокоэнергичной солнечной вспышки 11 мая 1990 года, была получена оценка обилия гелия-3 в атмосфере Солнца 3Яе/]Я = (4,7 ± 1,8) х Ю-5.

6. Показано, что максимум интенсивности излучения в линии 2,23 МэВ во время солнечной вспышки SF 900511 задержан относительно максимума в мгновенных ядерных линиях на время ~ 70 с.

Основные выводы и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Tkachenko A., Terekhov О., Sunyaev R., Barat С., Dezalay J.-P., Vedrenne G. Search for extended hard j-ray emission in GRB's // Astrophys. Space Sei., 1995, v. 231, p. 131.

2. Терехов О. В., Сюняев Р. А., Ткаченко А. Ю., Денисенко Д. В., Кузнецов А. В., Бара К., Дезалей Ж.-П., Талон Р. Синтез дейтерия во время солнечной вспышки 22 марта 1991 г. (данные спутника «Гранат») // Письма в Астрон. журн., 1996, т. 22, с. 163.

3. Терехов О. В., Кузьмин А. Г., Сюняев Р. А., Ткаченко А. Ю., Денисенко Д. В., Бара К., Талон Р., Ведренн Ж. Наблюдение высокоэнергичных вспышек прибором ФЕБУС обсерватории «Гранат») // Письма в Астрон. журн., 1996, т. 22, с. 403.

4. Ткаченко А. Ю., Терехов О. В., Сюняев Р. А., Бара К., Талон Р., Ведренн Ж. Временные и спектральные характеристики солнечной вспышки 11 мая 1990 г. (данные спутника «Гранат») // Письма в Астрон. журн., 1997, т. 223, с. 633.

5. Ткаченко А. Ю., Терехов О. В., Денисенко Д. В., Сюняев Р. А., Кузнецов А. В., Бара К., Дезалей Ж.-П., Ведренн Ж., Талон Р. Каталог космических гамма-всплесков, зарегистрированных прибором ФЕБУС обсерватории «Гранат». Январь 1993-сентябрь 1994 гг.) // Письма в Астрон. журн., 1998, т. 24, с. 827.

6. Tkachenko A. Yu., Terekhov O. V., Sunyaev R. A., Burenin R. A., Barat C., Dezalay J.-P., Vedrenne G. Observation of the soft gamma-ray early afterglow emission from two bright gamma-ray bursts // Astron. Astrophys. (Letters), 2000, v. 358, L41.

III Синтез дейтерия во время солнечных вспышек

5 Наблюдение процесса синтеза дейтерия во время солнечной вспышки 11 мая

1990 года

5.1 Солнечные вспышки, зарегистрированные прибором ФЕБУС.

5.2 Наблюдение солнечной вспышки SF

5.3 SF 900511: Наблюдение ядерных гамма-линий и линии 2.23 МэВ.

5.4 Верхний предел на поток нейтронов.

Основной целью этой работы стало исследование всплесковых событий — космических гамма-всплесков и высокоэнергичных солнечных вспышек в гамма-диапазоне (100 кэВ-100 МэВ) по данным прибора ФЕБУС обсерватории «Гранат». Яркость этих событий настолько превышает суммарную яркость всего неба в этом диапазоне, что они могут быть зарегистрированы при помощи все-направленных сцинтилляционных детекторов. Следует заметить, что ФЕБУС до сих пор является одним из самых чувствительных всплесковых приборов в диапазоне энергий > 1 МэВ.

Космические гамма-всплески являются, пожалуй, самым загадочным явлением современной астрофизики высоких энергий. Вспышки жесткого рентгеновского излучения в диапазоне энергий от ~30 кэВ до ~1 ГэВ со сложной временной структурой и нетепловым спектром были открыты еще в начале 70-х годов американским военным спутником VELA, но до сих пор нельзя с уверенностью сказать, что источники этих событий достоверно установлены. В течение почти тридцати лет был накоплен большой объем данных и предложены десятки теоретических моделей. Масштаб предполагаемых расстояний до источников варьировался от 10 астрономических единиц (Солнечная система) до 1 Гпк (космологическое происхождение).

Одной из основных проблем определения источников ответственных за происхождение космических гамма-всплесков стала проблема «компактности». Дело в том, что наблюдаемое характерное время переменности гамма-всплесков 6Т ~ 10 мс. Если источник всплеска покоится, то размер излучающей области не должен превышать R < сбТ = 3000км. Некоторые же гамма-всплески демонстрируют фронты нарастания с характерным временем 1 мс, что еще больше ограничивает излучающую область (R 300 км). Столь малые размеры стали серьезным аргументом для моделей, в которых в качестве источника гамма-всплесков рассматривались нейтронные звезды.

Настоящий прорыв в исследовании природы гамма-всплесков произошел после открытия послесвечений от их источников в рентгеновском, оптическом и радио диапазонах на временных масштабах от дней до месяцев и больше. Оптические наблюдения позволили установить, что источники некоторых гамма-всплесков находятся на космологических расстояниях, соответствующих красным смещениям z ~ 1. Таким образом, за несколько секунд только в виде гамма-квантов выделяется энергия 1052 - 3 х 1054 эрг, что, по крайней мере, на несколько порядков превосходит светимости всех известных на сегодняшний день астрофизических объектов.

Такое громадное энерговыделение в небольшом объеме, приводит к тому, что жесткие гамма-кванты (hv >511 кэВ) прежде чем покинуть область излучения, вследствии большой толщи по процессу 7 + 7 е+ + е~, порождают электрон-позитронные пары. Это приводит к тому, что «огненный шар» будет оптически толстым. Гамма-квант сможет выйти из области излучения только после многократных рассеяний, и спектр гамма-всплеска будет чернотельным. Это противоречит наблюдениям.

Противоречия снимаются в рамках моделей, в которых разлетающаяся оболочка движется на наблюдателя с ультрарелятивистской скоростью (лоренц-фактор Г> 1). В этом случае, размер излучающей области становится равным (T2cST). Кроме этого, энергия фотонов в системе покоя источника уменьшается в Г раз, что приводит к уменьшению числа гамма-квантов, способных порождать е+е~ пары. Все это решает проблему компактности источника, и при Г и 102-103 излучающая оболочка может быть оптически тонкой. Таким образом, для объяснения наблюдаемых свойств космологических гамма-всплесков, в качестве их источника необходимо рассматривать оптически тонкую излучающую область, которая расширяется с ультрарелятивистской скоростью.

Наиболее успешно объясняющей все аспекты наблюдаемых явлений в настоящее время является модель релятивистского огненного шара, в которой гамма-всплеск и его послесвечение рождаются при синхротронном излучении электронов, ускоренных в во внутренних и внешних ударных волнах. Ударные волны образуются при взаимодействии различных частей ультрарелятивистского потока между собой — «внутренние» и при взаимодействии разлетающейся оболочки с окружающей межзвездной средой — «внешняя» ударная волна. Проверка этой модели требует дальнейших наблюдений. Важно отметить, что оценку начального лоренц-фактора огненного шара нельзя получить из поздних наблюдений (~ 10 часов после гамма-всплеска), которые были проведены. Уже через несколько часов лоренц-фактор разлетающейся оболочки становится меньше 10 и не зависит от его начального значения. Поэтому, необходимо проводить наблюдения ранней стадии послесвечений гамма-всплесков, когда лоренц-фактор потока высок.

В то же время, не перестает быть актуальным продолжение накопления информации о как можно большем количестве гамма-всплесков и статистическом анализе их свойств. Это связано еще и с тем, что, возможно, часть событий имеют некосмологическое происхождение. Так уже давно замечено, что короткие гамма-всплески (длительностью менее 2 с) имеют более высокую жесткость и статистика V/Vmax дает указание на более высокую изотропию распределения их источников в пространстве.

В первой части диссертации представлены результаты наблюдений космических гамма-всплесков при помощи детекторов прибора ФЕБУС в период с января 1993 г. по сентябрь 1994 г. Здесь приводится детальная информация о 60 всплесках, зарегистрированных за это время: кривые блеска всплесков в диапазоне 100 кэБ-1.6 МэВ, энергетические спектры, а также информация о полном потоке и потоках в максимумах светимости космических гамма-всплесков в диапазоне энергий выше 100 кэВ.

Обсерватория «Гранат» работала на высокоапогейной орбите, что обеспечило в высокой степени стабильный фон во время наблюдений. Это дало возможность провести анализ слабых потоков, регистрировавшихся после окончания основной фазы некоторых гамма-всплесков, на большом временном интервале. Основным результатом этого исследования, стало наблюдение раннего послесвечения в мягком гамма-диапазоне от источников двух ярких космических гамма-всплесков GRB 910402 и GRB 920723. Сразу после окончания этих всплесков в течение всего периода наблюдений 700 с) в диапазоне 100-500 кэВ наблюдалось степенное падение интенсивности потока со временем. Результаты этих исследований представлены во второй части диссертации.

Помимо космических гамма-всплесков в 7-диапазоне наиболее ярко проявляют себя вспышечные события солнечного происхождения — высокоэнергичные солнечные вспышки. Солнечная активность имеет циклический характер с периодом ~11 лет. Наиболее яркие солнечные вспышки происходят, в основном, в период максимума солнечной активности. Источником энергии служит сильное магнитное поле. Во время солнечной вспышки в нижнюю корону или в верхнюю хромосферу в течение нескольких минут или десятков минут вводится энергия 1028—1032 эрг. Вспышка является источником ускоренных частиц с энергией вплоть до нескольких ГэВ и разнообразного электромагнитного излучения от высокоэнергичных гамма-квантов до радиоволн.

Первое наблюдение солнечной вспышки в гамма-диапазоне было проведено Чаппом в 1972 году. В энергетических спектрах были обнаружены гамма-линии. До этого были доступны только данные об излучении в радио и рентгеновском диапазонах, которые регистрировали наличие электронной компоненты в области вспышки. Исследование излучения солнечных вспышек в гамма-диапазоне позволяет получить уникальную информацию о процессах, происходящих во время вспышек, и лучше понять природу этого явления. Наблюдения мгновенных ядерных гамма-линий, связанных с возбуждением атомов солнечной атмосферы, и линии синтеза дейтерия (2.23 МэВ) дает возможность оценить параметры спектров протонов, ускоренных во время вспышки, а также поставить верхний предел на обилие дейтерия в атмосфере Солнца. Факт синтеза дейтерия на поверхности Солнца во время высокоэнергичных вспышек имеет особое значение для астрофизики, так как известно, что обилие дейтерия во Вселенной является критическим параметром современной космологии. Ранее оценки солнечного обилия 3Не в основном основывались на косвенных измерениях обилия в солнечном ветре, короне и метеоритах, поскольку прямые спектроскопические измерения фотосферного обилия не возможны. Регистрация линии синтеза дейтерия 2.23 МэВ в спектрах высокоэнергичных солнечных вспышек позволяет оценить обилие ъНе в фотосфере Солнца более прямым методом.

8 ВВЕДЕНИЕ

Третья часть диссертационной работы посвящена наблюдению процесса синтеза дейтерия во время солнечных вспышек. Здесь представлены результаты наблюдения линии синтеза дейтерия во время высокоэнергичной солнечной вспышки 11 мая 1990 года, которая наблюдалась прибором ФЕБУС астрофизической обсерватории «Гранат». Во время вспышки БЕ 900511 были детектированы как ядерные гамма линии, связанные с возбуждением ядер 12 С, 16 О, так и линия с энергией 2,23 МэВ возникающая при захвате нейтронов протонами (1Я(и,7)2Я). Это позволило поставить верхний предел на отношение обилий 3Яе/1Д" и оценить параметры спектра протонов, ускоренных во время этой солнечной вспышки,

Часть I

Наблюдения космических гамма-всплесков детекторами прибора ФЕБУС обсерватории

Гранат»

1. Продолженное излучение в диапазоне энергий 100-400 кэВИсследуя кривые блеска гамма-всплесков в этом диапазоне энергий можно выделить три основных типа продолженного излучения:

2. РАННИЕ ПОСЛЕСВЕЧЕНИЯ ПО ДАННЫМ ПРИБОРА ФЕБУСТ I-Т i i i I | i i i I г i i i | I I I I I I I | | !

3. При исследовании излучения в ядерных гамма-линиях и в линии синтеза дейтерия 2,23 МэВ во время высокоэнергичной солнечной вспышки 11 мая 1990 года, была получена верхняя оценка обилия гелия-3 в атмосфере Солнца 3Не/1Н = (4.7 ± 1.8) х 10~5.

4. Обнаружено, что максимум интенсивности излучения в линии 2,23 МэВ в солнечной вспышке ББ 900511 задержан относительно максимума в мгновенных ядерных линиях на время ~ 70 с.