Изучение астрофизических свойств источников гамма-всплесков, зарегистрированных в советско-французском эксперименте АРЕХ проекта ФОБОС тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

ü од

гл hn?

° ..... " РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

Черненко Антон Миронович

ИЗУЧЕНИЕ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИСТОЧНИКОВ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ В СОВЕТСКО-ФРАНЦУЗСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ APEX

ПРОЕКТА ФОБОС

/01.03.02 - астрофизика и радиоастрономия/

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

И. Г. МИТРОФАНОВ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Д. Г. ЯКОВЛЕВ,

доктор физико-математических наук Б. И. ЛУЧКОВ.

Ведущая организация - Физический институт РАН.

Защита состоится " IV' O^jJ^JL 1993 г. в часов на заседании Специализированного Совета К. 002.94.01 в институте Космических исследований РАН по адресу: 117810, Москва, ул. Профсоюзная, дом 84/32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института космических исследований РАН.

Автореферат разослан " Ii" 1S93 г.

Ученый секретарь

специализированного совета К. 002.94.01,

кандидат физико-математических наук уу^ Д. В. Thtoi

Актуальность темы

Одной из актуальных проблем современной астрофизики является выяснение физической природы источников космических гамма-всплесков (ГВ). Космические ГВ были открыты более 20 лет назад. Это короткие СО, 1-100 с) и мощные вспышки гамма-излучения -• б момент вспышки яркость таких -источников на несколько порядков превышает суммарную яркость всех других источников на небесной сфере в гамма-диапазоне.

Причина генерации ГВ не выяснена, однако во многих экспериментах были получены достаточно убедительные свидетельства в пользу отождествления гакма-всплесксв с галактическими нейтронными звездами (НЭЗ. К таким свидетельствам прежде всего относят наличие в спектрах излучения особенностей, интерпретируемых как линии циклотронного по лощения. Если эта интерпретация верна, то ГВ генерируются вблизи поверхности га с сильным магнитным полем.

В то же время последние данные с космической гамма-обсерватории "Комптон" усилили неопределенность в этом вопросе, так как обнаруженная пространственная изотропия в сочетании с дефицитом числа слабых источников относительно' ожидаемого для однородного распределения противоречит выводу о галактическом происхождении источников гамма-всплесков. С другой стороны, пока не получили подтверждения циклотронные особенности в спектрах всплесков. Вместе с тем НЗ по-прежнему остактся среди наиболее вероятных источников ГВ.

Отсутствие прямых отождествлений ГВ с известными классами дискретных астрономических источников излучения в других диапазонах Срадио, оптика, рентген) дает основания полагать, что возможными источниками ГВ являются одиночные холодные НЗ.

В связи с этим детальное моделирование физических процессов

излучения вблизи поверхности такой НЗ и сравнение результатов с данными наблюдений является одним из способов решения вопроса о природе ГВ. Это также позволит сформулировать основные требования к приборам, разработка которых необходима для проверки предложенных моделей.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является изучение физических условий генерации гамма-всплесков на основе анализа наблюдательных данных, полученных в эксперименте APEX, и теоретических исследований процессов излучения нейтронными звездами. Работа выполнялась по научно-исследовательской теме ИКИ АН СССР "Вселенная: исследование источников космического излучения в рентгеновском и гамма диапазонах".

Научная новизна

Исследованы наблюдательные особенности гамма-излучения релятивистских пучков плазмы, движущихся вдоль линий магнитного поля нейтронной звезды.

Впервые изучено формирование лииий циклотронного поглощений в плазме, релятивистски эжектируемой вдоль линий магнитного поля нейтронной звезды под действием излучения. Выяснены условия, при которых в условиях релятивистской зжекции возможно образование узких линий циклотронного поглощения б спектре выходящего излучения.

Впервые осуществлено разложение излучения гамма-всплеска на два кекорре лиру ¡стих. физически различных комтонента, эволюция

г 3

каждого иэ которых может быть описана изменением одного параметра. Получены спектры и временные профили этих компонентов.

Научная и практическая ценность

Данная работа посвящена исследование физических процессов генерации и распространения гамма-излучения вблизи поверхности нейтронных звезд. Такие исследования необходимы для построения моделей гамма-пульсаров и источников гамма-всплесков.

В связи с тем, что вблизи поверхности нейтронных звезд

1?

существует магнитное поле порядка 10 Гс обнаружение в спектрах ГВ проявлений магнитного поля такой величины позволит надежно связать их происхождение с НЗ. В то же время, практически для всех моделей- источников ГВ установлено, что под действием мощного лучистого давления должна происходить релятивистская эжекция поглощающей плазмы вдоль магнитных силовых линий. Полученные в данной работе результаты позволяют в условиях релятивистской эжекции оценить по наблюдениям линии циклотронного поглощения напряженность и геометрию магнитного поля, а также выяснить геометрию области, занимаемой рассеивающей плазмой:

Важным указанием на связь ГВ с нейтронными звездами является наблюдение переменности излучения с характерным временем в доли миллисекунд. В данной работе установлена связь между характерными временами нарастания, длительностями импульсов излучения и кинематикой излучающих релятивистских сгустков плазмы, движущихся вдоль линий магнитного поля нейтронной звезды.

С згчастием автора был осуществлен советско-французский эксперимент APEX проекта ФОБОС для исследований космических гамма-всплесков, результаты которого использованы в данной работе. Показано, что излучение наиболее интенсивного из

ч

зарегистрированных ГВ - СВ881024 - может быть разложено на два физически различных некоррелирующдх компонента излучения. Показано, что суперпозицией двух некоррелкрующих компонентов могут быть объяснены все основные типы спектральной эволюции ГЕЬ Изучение спектрально-временных свойств каждого компонента излучения позволяет сделать вывод о физических свойствах отдельных источников излучения.,

Полученные в диссертации результаты были использованы при разработке Технического задания на гамма-спектрометр ПГС проекта Марс-94; они могут быть использованы для анализа данных эксперимента БАТСЕ Обсерватории "Комптон", а также рекомендованы для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований в области гамма-астрономии и астрофизики высоких энергий в ИКИ РАН, ФИРАН, ФТИ РАН им. А.Ф.Иоффе, ИПФ РАН, МИФИ и ГАИШ.

Апробация

Результаты, полученные в диссертации, докладывались автором на международном симпозиуме "Физика изолированных пульсаров" (США, 1992), а также были представлены на международной конференции "Космические гамма-всплески" (США, 1990). Основные результаты работы в 1988-1992 гг. неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах в ИКИ РАН и ФТИ РАН им. А. Ф. Иоффе.

Кроткое содержание работы

Введение содержит краткий обзор сведений об астрономических источниках гамма-излучения, отождествляемых с нейтронными звездами гамма-излучения.. Такими объектами явл?*>тся некоторые

радиопульсары, рентгеновские пульсары в тесных двойных системах, рентгеновские барстеры и источники'космических ГВ. Отмечено, что физические модели для первых трех классов в целом построены. Эти модели хорошо объясняют свойства указанных объектов.

Приведены основные аргументы в пользу того, что источниками космических ГВ также являются галактические нейтронные звезды. Однако решающие доказательства этого до сих пор отсутствуют. Остаются невыясненными причины генерации ГВ, возраст и пространственное распределение в Галактике их источников. Вследствие этого не выяснены и физические условия генерации излучения ГВ Свеличина магнитного поля, энергия, высвобождаемая во время всплеска, механизм излучения и т.д.). Отсутствие теории, позволяющей связать наблюдательные данные с физическими условиями в области генерации, с одной стороны, и недостаточный уровень разработки методов анализа наблсдаетельньгх ;энных - с другой, приводят к сложности интерпретации и к отсутствию физической картины явления.

Сделан вывод, что изучение генерации гамма-излучения нейтронной звездой и распространения излучения в ее в магнитосфере - актуальная задача, важная для интерпретации наблюдательных данных, выяснения природы и построения адекватной физической модели явления. С другой стороны, показано, что имеется потребность в разработке новых методов анализа наблюдательных данных, которые бы позволили провести адекватное сравнение наблюдений и теории. Такое исследование является целью данной диссертационной работы.

В заключительной части Введения изложено краткое содержание основных^ разделов работы и перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

В главе 1 проведено исследование излучения релятивистских

сгустков плазмы, движущихся вдоль силовых линий магнитного поля нейтронной звезды [1).

В параграфа 1.1 . показано, что вследствие релятивистской диаграммы направленности излучения, наблюдателем регистрируется излучение только тех частиц, которые находятся в ограниченной области магнитосферы, где направление вектора их скорости параллельно направлению на наблюдателя. Показано, что для диполыюго магнитного поля данная область, называемая областью видимости, представляет собой прямую линию, проходящую через центр ИЗ.

В параграфе 1. 2 получены временные профили и спектры излучения отдельных сгустков в предположении, что энергия и интенсивность излучения каждой частицы сгустка зависят от радиус-вектора частицы по степенному закону. Показано, что энергетический диапазон 1Ет1п,Е,пах], в котором сосредоточено излучение отдельного сгустка заключен в пределах, . определяется радиальным размером сгустка и напряженностью магнитного поля. В этом диапазоне спектр имеет степенной характер, наклон которого определяется степенными показателями зависимостей интенсивности и энергии излучения частиц от радиус-вектора. Наклон спектра не меняется в течение импульса излучения. Изучены временные характеристики импульса излучения отдельного сгустка в зависимости от его геометрии, Показано, что характерная продолжительность фронта импульса составляет десятки микросекунд. Проведено сравнение полученных результатов с данными измерений ГВ с высоким временным разрешением.

В главе 2 исследованы условия возникновения сверхкритической эхекции плазмы под действием давления излучения горячего пятна на поверхности нейтронной звезды и формирование в спектре выходящего излучения линии циклотронного поглоаенкя (21.

?

В параграфе 2.1 кратко анализируется случаи наблюдения в спектрах ГВ депрессиоиных деталей при энергиях <300 кэВ и обсуждаются предложенные модели их интерпретации как линий циклотронного поглощения.

В параграфе 2.2 показано, что при доминировании лучистой силы над силой тяжести может установиться стационарное распределение Лоренц-факторов э¡тестируемой плазмы, не зависящее от интенсивности излучения. Показано, что в случае эжекции пятном пренебрежимо малого размера распределение Лоренц-факторов плазмы не зависит от спектра и поляризации излучения пятна. Приводятся результаты численных расчетов равновесных значений Лоренц-факторов эжектируемой плазмы для разных физических условий вблизи пятна и вдали от него.

В параграфе 2.3 рассмотрен процесс рассеяния излучения пятна в эжектируемой плазме в приближении оптически тонкой плазмы. Показано, что в спектре формируется линия циклотронного поглощения. Показано, что изменение спектра пятна на заданной энергии происходит вследствие рассеяния излучения на частицах плазмы, расположенных вблизи некоторой воображаемой поверхности рассеяния в магнитосфере. Геометрия поверхности рассеяния определяется заданной энергией рассеиваемых фотонбв и магнитным полем нейтронной звезды. Количественно изменение спектра зависит от соотношения двух процессов, протекающих на этой поверхности: рассеяния излучения в направлении на наблюдателя на всей поверхности и поглощения в точке, где луч зрения пересекает поверхность рассеяния. Показано, что вклад рассеяния является малой величиной порядка отношения Срадиус столба эжектируемой плаэмы/рэдиус нейтронной звезды) по сравнению с вкладом поглощения. Получены спектры излучения пятна с линией циклотронного поглощения. Исследована зависимость ее профиля от радиуса столба эжектируемой плазмы и ориентации магнитного поля НЗ

относительно наблюдателя. .

В параграфе 2.4 обсуждается связь полученных результатов с данными наблюдений. Показано, что широкие депрессионные детали в спектрах ГВ, зарегистрированных в экспериментах КОНУС, СНЕГ и АР^Х могут быть объяснены циклотронным поглощением в релятивистски эжектируемой плазме. С другой стороны, показано, что узкие линии поглощения, обнаруженные в эксперименте на японском спутнике ГИНГА, могут наблюдаться только в небольшом диапазоне углов между направлением на наблюдателя и магнитной осью НЭ. При этом необходимо сохранение этого угла в течение всего времени

В главе 3 проведено подробное исследование спектральной переменности гамма-всплеска GB881024 С43.

В параграфе 3.1 приведено описание советско-французского эксперимента APEX [5], в котором был зарегистрирован один из наиболее мощных гамма-всплесков - GB381024 - и приведены основные характеристики этого события.

В параграфе 3.2 вводится понятие диаграмм "Поток-Поток". С использованием таких диа^аим показано,' что существует две разновидности временных интервалов данного гамма-всплеска. Большая часть интервалов в пределах статистических флуктуаций лежит вдоль некоторой кривой, в то же время, интервалы, принадлежащие наиболее мощному пику временного профиля, занимают протяженную область вне указанной кривой.

В параграфе 3.3 изучены свойства излучения наиболее мощного . пика GB881024.. Для этого рассмотрена матрица корреляций потоков фотонов в 8 спектральных каналах, в диапазоне энергий 74-7770 кэВ. Из рассмотрения данной матрицы сделан вывод, что потоки фотонов в каналах 4-8 физически связаны между собой, причем излучение в этих ».аналах мажет бить описано однспараметрическим законом. В то же

•э •

время поток излучения на малых энергиях, в каналах 1-2, не зависит . от потока на больших энергиях. При этом вклад более жесткого компонента в каналы 1-2 мал по сравнению с вкладом в эти каналы мягкого компонента. Вклад мягкого компонента, со своей стороны, мал в каналах 4-8. Полученные результаты сопоставляются с выводами работы С8] о том, что излучение на протяжении второго пика является суперпозицией двух некоррелирующих физических компонентов.

В параграфе 3.4 изучены свойства излучения вне основного пика. Из рассмотрения соответствующей корреляционной матрицы сделан вывод, что излучение может быть описано однопараметрическим законом. Это в свою очередь указывает на существование единственного компонента излучения. Установлено, что зависимости потоков фотонов в различных каналах от потока в базовом канале 1-2 имеют вид степенных функций. Получены оценки их параметров.

В параграфе 3.3 произведено разложение основного пика излучения 6В881024 на два компонента. Предполагается, что излучение канале 1-2 полностью определяется мягким компонентом, соответствующим излучению всплеска вне главного пика. Для каждого временного интервала исходя из полученных аппроксимирующих степенных функций и значения потока в канале 1-2 определяется вклад мягкого компонента в спектральные каналы с 3 по 8. Принимается, что остаток после вычитания этого вклада в каждом спектральном канале и есть излучение жесткого компонента. Установлено, что указанные компоненты полностью описывают эволюцию всплеска во всех каналах.

В параграфе 3.6 исследуются спектральные и временные свойства .двух выделенных компонентов излучения 6В881024. Получены спектры обоих компонентов для различных значений потоков фотонов в общем для обоих компонентов базовом канале • 3-5. Определены временные профили компонентов, рассчитанные для широкого спектрального

ю

канала 1-5. Продемонстрировано, что жесткость излучения обоих компонентов возрастает с интенсивностью.

Спектры компонентов, соответствующих различным значениям потоков в базовых каналах, были аппроксимированы функцией ГСЕ)=А-Е •ехрГ-Е/Ед]. Исследована зависимость параметров А и б от потока в базовом канале 3-5. Показано, что данные зависимости различны для каждого компонента.

Б параграфе 3.7 показано, что комбинацией всего двух физически различных однопараметрических компонентов излучения можно объяснить все основные типы спектральной эволюции ГВ:

1. Жесткость излучения ГВ коррелирует с интенсивностью. В этом случае, по-видимому, в излучении ГВ доминирует излучение единственного физического компонента, для которого характерна такая корреляция.

2. Корреляция жесткости с интенсивностью отсутствует. В атом случае можно предположить, что излучение ГВ определяется суперпозицией двух некоррелируюаих физических компонентов.

3. Корреляция жесткости с интенсивностью наблюдается на спаде ГВ, при этом в начале ГВ наблюдается пик жесткости (отсутствие корреляции). Возможная интерпретация в этом случае заключается в том, что на фоне медленного нарастания мягкого компонента в начале ГВ произошла короткая вспышка жесткого компонента.

Утверждается, что из различия спектральчо-временной эволюции двух компонентов можно сделать вывод, что либо они имеют различные физические механизмы излучения, либо различаются физические условия их генерации.

Обсуждается модель, в которой источником гамма-всплеска является нейтронная звезда с сильным магнитным полем. В этом случае наличие экспоненциального завала вблизи 1 МэВ в спектре мягкого компонента, возможно, указывает на то, что область его генерации расположена вблизи поверхности НЗ, где напряженность

я

магнитного поля достаточно велика для поглощения излучения из-за рождения электрон-позитронных пар. Источником более жесткого компонента может быть активная область в магнитосфере, удаленная от поверхности.

В заключения приводятся основные результаты диссертации и на их основе обсуждаются вопросы будущих теоретических исследований и экспериментальных наблюдений.

Основные выводы и положения, выносимые на защиту:

1. Исследованы общие свойства излучения релятивистских сгустков плазмы, движущихся вдоль линий магнитного поля нейтронной звезды. Получены временные профили и спектры излучения, соответствующие отдельным сгусткам.

2. Исследованы условия возникновения сверхкритической эжекции под действием давления излучения над поверхностью НЗ. При доминировании лучистой силы над силой тяжести рассчитано распределение Лоренц-факторов эжектируемой плазмы, не зависящее от интенсивности излучения. Получены условия, которые определяют значения равновесных Лоренц-факторов непосредственно над горячим пятном на поверхности НЗ и вдали от него.

3. В оптически тонком случае рассмотрено рассеяние излучения пятна в эжектируемой плазме. Показано, что в спектре выходящего излучения формируется линия циклотронного поглощения. Исследована зависимость профиля линии от физических условий в области генерации излучения и расположения наблюдателя относительно нейтронI ой звезды. Показано, что несмотря на релятивистскую эжекцию, при определенном относительном расположения наблюдателя и ГО возможно наблюдение достаточно узких линий.

It

4. Проведено подробное исследование спектральной переменности гамма-всплеска GB881024, зарегистрированного в эксперименте APEX. Показано, что этот всплеск может быть разложен на два некоррелирующих компонента излучения, каждый из которых может быть описан однопараметрическим законом эволюции. Для каждого компонента определен временной профиль и зависимость формы его спектра от интенсивности.

5. Проведено сравнение спектральных параметров излучения двух некоррелируюадх компонентов всплеска GB881024. Показано, что компоненты имеют различный характер спектральной эволюции. Сделан вывод, что это указывает на различие физических условий их генерации.

Результаты, представленные в главах 1-2, получены совместно с И.Г.Митрофановым [1,2]. Использованные в главе 3 наблюдательные данные, получены совместно с участниками советско-французского эксперимента APEX проекта ФОБОС 13-81. Основные результаты диссертации содержатся в работах [1-4].

1. Chernenko A.M., Mitrofanov I.G. Ganuna-Bursts and Relativistic Beaming in the Magnetosphere of a Neutron Star. Proceedings of the Los Alamos Workshop on Gamma-Ray Bursts, 1990. p. 55-62.

2. Chernenko A.M., Mitrofanov I.G. Radiative ejection in the Magnetosphere of Isolated Pulsars. Proceedings of the Los Alamos Workshop on Isolated Pulsars, 1992. pp. 55-52.

3. Черненко A.M., Долидзе В.Ш. , Козленков A.A. , Митрофанов И Г., Поэаненко А. С. , Аттейя Ж. -Л. , Бара К. , Ведренн Г., Ниель М. , Разложение излучения гамма-всплеска GB881024 на два физически

различных компонента. Препринт ИХМ РАН, Пр-1856, 1993г.

4. Attela J. -L., Barat С., Chernenko A., Dolidze V., Jourden J., Kozlenkov A., I. Mitrofanov, Niel M. , Pozanenko A., Vedrenne G., Rapid variability of the strong garoma-burst GB881024, 1991, Astron. Ap., v. 244, p. 363-366.

5. Митрофанов И. Г., Аттейя Ж. -Л., Бара К., Ведренн Г. , Вильчинская А.С., Долидзе в. Ш., Дьячков А.В., Журден Э., Коэленков А. А., Кучерова Р. Н., Москалева Л. П. , Ниель М., Позаненко А. С. , Сурков D.A., Хавенсон Н.Г., Харскова В.П., Черненко A.M. и Щеглов 0. П. Быстрая переменность космических гамма-всплесков, зарегистрированных в эксперименте APEX международного проекта ФОБОС., Письма в Астрон. ж., 1990, т. 16, No.4, с.302-317.

6. Mitrofanov I., Pozanenko A., Attela J. -L., Barat С., Chernenko A., Dolidze V., Jourdain E., Kozlenkov A. , Kucherova R., Niel M., Vedrenne G., Statistical Properties of Cosmic Gamma-Ray Bursts Recorded in the APEX Experiment of the PH0B0S Mission. Proceedings of the Los Alamos Workshop on Gamma-Ray Bursts, 1990. pp. 203-208.

7. Mitrofanov I., Atteia J-L. , Barat C., Chernenko A., Dolidze V., Dyatchkov A., Jourdain E., Khavenson N. , Kozlenkov A.. Kucherova R., Niel M. , Pozanenko A. , Vilchinskaya A., Vedrenne G., Spectral Variability of GRBs Based on the APEX Experiment of the PHOBOS Mission. Proceedings of the Los Alamos Workshop on 3amma-Ray Bursts, 1990. pp. 209-216.

8. Kozlenkov A., Mitrofanov A., Atteia J.-L., Barat C., Chernenko A., Dolidze V., Jourdain E., Kucherova R., Niel M.,

m

Pozanenko A. , Vedrenne G., GB881024: A Tentative Spectral Components Identification. Proceedings of the Los Alamos Workshop on Gamma-Ray Bursts, 1990. pp. 225-831.