Моделирование физических процессов, связанных с транзиентными источниками гамма-излучения тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

ргв

2 3

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Андрей Николаевич Тимохин

Моделировалие физических процессов связанных с транзиентными источниками гамма-излучения.

(01.03.02 - Астрофизика, радиоастрономия)

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Физический Факультет Кафедра Астрофизики и Звездной Астрономии

На правах рукописи УДК 523.9

Научный руководитель: доктор

физико-математических наук профессор

Г.С. Бисноватый-Коган

МОСКВА 1998

Работа выполнена на кафедре астрофизики и звездной астрономии физического факультета- Московского Государственного Университета им М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: -Официальные оппоненты: -

Ведущее учреждение: -

доктор физико-матем. наук профессор

Г.С. Бисноватый-Коган доктор физико-матем. наук профессор А.И. Цыган доктор физико-матем. наук В.М. Чечеткин Астрокосмический центр ФИРАН, Москва

Зашита состоится " 10 " декабря 1998 г, в 14 часов на заседал нии Диссертационного Совета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Адрес: 119899, Москва, Университетский проспект, 13, ГАИШ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного Астрономического Института им. П.К. Штернберга Московского Государственного Университета (Университетский др., 13).

Автореферат разослан " 6 " 'ноября 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета:

канд. физ.-мат. наук Л.Н. Бондаренко

Актуальность работы

Гаммагвсппески являются одним из самых интригующих феноменов в астрофизике. Интерес к ним особенно возрос в последнее время после обнаружения с помощью спутника ВерроБАХ рентгеновских двойников гаммагвсплесков и последующего обнаружения оптических транзиентов с координатами ^совпадающими в пределах ошибки измерений с вышеупомянутыми двойниками. Наиболее популярной на сегодняшний день гипотеза о происхождении гамма-всплесков подразумеваг ет что их источники расположены в далеких галактиках и во время всплеска выделяют колоссальное количество энергии. В данной диссертации проведено подробное исследова-

ние воздействия такого источника на межзвездную среду родительской галактики.

Другими транзиентными источниками гамма-излучения могут служить колеблющиеся нейтронные звезды. Колеблющаяся нейтронная звезда в течении довольно продолжительного времени предлагается в качестве модели для Галактических источников гамма-всплесков. С другой стороны, в последнее время возрос интерес к наблюдениям вращающихся нейтронных звезд - пульсаров после резкого сбоя периода вращения (глитч). Во время такого сбоя должны возбуждаться колебания звезды. Наблюдение таких колебаний может служить источником инфсрмахрги (на сегодняшний день - единственным) о внутреннем строении нейтронных звезд. Излучение, регистрируемое от пульсара порождается активностью его магнитосферы. Но вплоть до последнего времени отсутствовали теоретические модели для описания процессов в магнитосфере колеблющейся нейтронной звезды. В .данной работе получено обобщение общепринятой модели для вращающейся нейтронной звезды, впервые предложенной Голдрайхом и Джулианом, на случай произвольных колебаний. Это позволит применять многие теоретические модели разработанные для пульсаров к

колеблющимся нейтронным звездам.

Целью настоящей работы, начатой в 1993 г., было исследование процессов в окрестности источников космологических гамма-всплесков и магнитосферы колеблющейся нейтронной звезды.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, двух частей и списка ци-• тируемой литературы. Первая часть состоит из 4-х разделов, заключения и приложения. Вторая часть диссертации состоит из 2-х разделов, заключения и приложения. Объем диссертации - 81 страница; в ней содержится 35 рисунков. Список литературы насчитывает 85 наименований.

Во введении дается краткое описание проблем, затронутых в диссертации, ставятся цели и обосновывается актуальность данной работы.

1. Первая часть работы посвящена численному моделированию воздействия мощного потока гамма-излучения от космологического гамма-всплеска на межзвездную среду материнской галактики.

В первом разделе приведены основные уравнения, описывающие движение вещества под действием мощного светового импульса в сферически-симметричном случае. Описаны элементарные процессы, играющие роль во взаимодействии гамма-излучения с межзвездным газом нормального химического состава.

Во втором разделе решается задача о прогреве газового облака гамма-всплеском в пренебрежении непрозрачности облака для собственного излучения. Рассмотрено воздействие гамма-всплеска с энергией 1052 эрг на все основные типы межзвездной среды:

в Всплеск б очень плотной межзвёздной среде (уплотнения в молекулярном облаке), начальные условия: щ = 105см_3,То — 20К.

в Всплеск в молекулярном облаке, начальные условия: щ = ЗООсм~3,То = 10К.

в Всплеск в "тёплой" межзвёздной среде, начальные условия: по = 0.25см~3, То = 8 • 103К.

в Всплеск в "горячей", меж звёздной среде, начальные условия: по = 1.6 • 10~3см~3,То = 3 • 105К.

Показано, что послесвечение прогретого газа может быть зарегистрировано на межгалактических расстояних, только в случае если источник гамма-излучения находится в достаточно плотной межзвездной среде по > ЗООсм-3. В этом случае прогретое облако имеет слоистую структуру, с двумя областями излучения, в промежутке между которыми находится область газа с температурой ~ 104К.

В третьем разделе задача о прогреве решается с учетом непрозрачности газового облака для собственного излучения в линиях. Спектр излучения горячих, излучающих областей разбивается на 3 интервала, в которых по-разному происходит конверсия УФ-фотонов в кванты оптического диапазона, свободно выходящие из облака. Поток энергии в каждой из этих спектральных областей вычисляется на основе аппроксимации излучения горячих областей набором из 19 наиболее ярких линий.

В четвертом разделе приводятся основные результаты вычислений. Рассмотрены энергии всплесков 1051 и 1052 эрг и плотности межзвездной среды

• п0 = 105см"3,То = 20К в п0 = 104см-3, Т0 = 20К в п0 = 103см~3, Т0 = 10К

Приведены данные о светимости оптических и ультрафиолетовых двойников всплеска.

В оптическом диапазоне двойники космологических гамма-всплесков, образующиеся при прогреве межзвездного газа излучением всплеска будут иметь максимум в красном диапазоне спектра. Спектр таких объектов будет линейчатый со слабым.континуумом, с наиболее яркой линией На. Кривая блеска таких объектов имеет плато длительностью несколько лет. Светимость сравнима со светимостью сверхновых звезд, но с качественно другими спектральными и временными характеристиками.

2. Вторая часть работы посвящена исследованию магнитосферы колеблющейся нейтронной звезды (НЗ).

В первой главе второй части диссертации вводятся основные определения и дается алгоритм вычисления плотности Голдрайха^ Джулиана для произвольных колебаний НЗ с произвольной конфигурацией магнитного поля.

Во второй главе разработанный формализм применяется для случая малых тороидальных колебаний нейтронной звезды с дшгольным магнитным полем.

Расчитаны плотности Голдрайха-Джулиана рС} и потери энергии для некоторых мод. Отличие плотности заряда в магнитосфере нейтронной звезды от ведет к генерации продольного электрического поля и, следовательно к ускорению заряженных частиц. Показано, что не для всех мод колебаний плотность Голдрайха-Джулиана конечна во всем пространстве Для таких мод в принципе невозможно скомпенсировать продольную компоненту электрического поля во всей магнитосфере поместив туда заряженные частицы. Поэтому вдоль силовых линий магнитного поля для таких мод колебаний должно происходить очень эффективное ускорение заряженных частиц, выры-

ваемых с поверхности НЗ. Также показано, что электромагнитные потери звезды при наличии плазмы в ее магнитосфере сильно отличаются от потерь даваемых вакуумными формулами и могут быть как больше так и меньше "вакуумных" потерь для данной моды колебаний. Обсуждаются факторы, влияющие на темпы потерь энергии и возможные механизмы ускорения заряженных частиц.

Научная новизна

Впервые исследовано влияние излучения космологических гамма-всплесков на межзвездную среду материнской галактики на больших пространственных и временных масштабах. Впервые показана возможность существования двойников космологических гамма-всплесков в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра, вызванных прогревом излучением всплеска большого объма межзвездного газа. Показано, что такие двойники должны иметь очень необычные характеристики, которые в случае их обнаружения позволят однозначно отождествить их.

Впервые получено обобщение формулы для плотности Голдрайха-Джулиайа, выведенной для случая вращающейся нейтронной звезды (НЗ), на случай произвольных колебаний звезды с произвольной конфигурацией магнитного поля. Впервые показано, что не для всех мод колебаний электрическое поле, индуцированное колебаниями нейтронной звезды, может быть сделано перпендикулярным ее магнитному полю при помещении в магнитосферу заряженных частиц. Впервые ра-считаны электромагнитные потери энергии колебаний НЗ в случае присутствия плазмы в ее магнитосфере. Показано качественное отличие таких потерь от потерь, даваемых вакуумными формулами.

Результаты выносимые на защиту

• Космологические гаммагвсплески сильно прогревают окружающее их межзвездное вещество материнской галактики на масштабах порядка нескольких парсек, вне зависимости от конкретного механизма образования всплеска.

« Оптические двойники космологических гамма-всплесков, вызванные свечением газа, прогретого излучением всплеска, обладают отличными от других известных переменных объектов характеристиками и могут быть в принципе обнаружены с помощью современных телескопов.

в Получено обобщение формулы для плотности Голдрайха-Джулиана на случай произвольных колебаний нейтронной звезды с произвольной конфигурацией магнитного поля. Показано существование мод колебаний, для которых продольное электрическое поле не может быть скомпенсировано помещением заряженных частиц в магнитосферу нейтронной звезды.

» Наличие плазмы в магнитосфере колеблющейся нейтронной звезды существенно меняет темп электромагнитных потерь энергии колебаний по сравнению с потерями в вакууме.

Личный вклад автора

• В задаче о прогреве межзвездного газа гамма-излучением автором был создан пакет программ для: численного решения системы гидродинамических уравнений, описывающих движение и прогрев газа под действием мощного потока гамма излучения; расчета свечения нагретого газа и переработки ультрафиолетового излучения горячих областей облака в оптическое излучение. С помощью этого набора программ автором проводилось численное моделирование воздействия мощного импульса гамма-излучения на межзвездную среду.

в В задаче о магнитосфере колеблющейся нейтронной звезды автором получено обобщение формулы для плотности Голдрайха-Джулиана на случай произвольных колебаний нейтронной звезды с произвольной конфигурацией магнитного поля и создан пакет программ на язьпее компьютерной алгебры МаИгетаЫса 3.0 для вычисления аналитических выражений для плотности Голдрайха-Джулиана в случае малых тороидальных колебаний нейтронной звезды с дипольным магнитным полем. Автором показано существование мод колебаний, для которых продольное электрическое поле не может быть скомпенсировано помещением заряженных частиц в магнитосферу нейтронной звезды. Автором также показано отличие темпов потерь энергии осцилирующей нейтронной звезды от темпов, даваемых вакуумными формулами

Практическая ценность

Практическая ценность полученных результатов заключат ется в предложении возможного наблюдательного теста для проверки гипотезы о внегалактическом происхождении гамма-всплесков, не зависящего от их конкретной модели, а также в предсказании возможности существования нового класса астрономических объектов.

Разработан формализм, позволяющий применить некоторые теоретические модели, разработанные для пульсаров, для колеблющихся нейтронных звезд. Создан пакет программ для вычисления аналитических выражений для плотности ГолдрайхагДжулиана для произвольной моды малых тороидальных колебании нейтронной звезды с дипольным магнитным полем и для вычисления электромагнитных потерь энергии в этом случае. Данный пакет может использоваться другими исследователями при расчетах затухания собственных колебаний нейтронных звезд.

Апробация

Результаты, включенные в диссертацию, докладывались на-рядЬ семинаров в 1994-98 годах в ИКИ РАН, ГАИШ МГУ, ИНАСАН, Астрофизическом Институте Макса Планка (Германия), Центре Теоретической Астрофизики (Дания) и на международных конференциях: юбилейный Гамовский Симпозиум (СПБ, 1994), 29 симпозиум Европейского Космического Аген-ства 'Towards- • the source of Gamma-Ray ВиЫз'(Голландия, 1995), вторая юбилейная Сахаровская конференция по физике (Москва, 1996), Космион-97, рабочее совещание 'The investigation and comparison of radioemission from normal and millisecond pulsars' (Пущино, 1998), а также на международной школе молодых ученых Ватиканской обсерватории (Италия, 1995).

Публикации по теме диссертации:.

Результаты изложенные в диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.N. Timokhin 1994, 'Observational post 7-ray Burst manifestations in the Cosmological Model due to its interaction with the galactic gas' Тезисы докладов Международного Юбилейного Астрофизического Семинара посвященного 90-летию со дня рождения Д. Гамова, СПб, 53

2. A.N. Timokhin, G.S. Bisnovatyi-Kogan 1995, 'Optical counterparts of cosmological GRBs' Тезисы докладов 29-го симпозиума Европейского Космического Агенства "Towards the Source of Gamma-Ray Bursts", Нордвик, Голландия, 84

3. A.N. Timokhin, G.S. Bisnovatyi-Kogan 1995, 'Optical counterparts of cosmological GRBs' Astrophysics and Space Science, 231, 323

4. A.N. Timokhin, G.S. Bisnovatyi-Kogan 1996, 'Observational post Gamma-Ray Burst manifestations in the Cosmological Model due to its interaction with the galactic gas' Astrophysics and Space Science, 235, 59

5. A.N. Timokhin, G.S. Bisnovatyi-Kogan 1997 'Optical counterparts of cosmological GRBs' Proceedings of the Second International Sakharov Conference on Physics, ed. I.M. Dremin and A.M. Semikhatov (Singapur: World Scientific)', 111

6. Г.С. Бисноватый-Коган, A.H. Тимохин 1997, 'Двойники космологических гамма-всплесков: взаимодействие с веществом материнской галактики' Астрономический Журнал, 74, 483

7. A.N. Timokhin, G.S. Bisnovatyi-Kogan, H.C.Spruit 1998, 'Magnetosphere of oscillating neutron star' Препринт ИКИ PAH No. 1990

В заключение хочу выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю профессору Г.С. Бисноватому-Когану за постановку задач, их многократное обсуждение, постоянное внимание к моей работе и помощь в решении многих, не только научных, проблем. Хочу поблагодарить доктора Хенка Спруита (Henk Spruit) из Астрофизического института Макса Планка за плодотворные дискуссии во время совместной работы и всестороннюю поддержку в течение моего пребывания в Германии. Я благодарен Н.В. Арделяну, К. А. Постно-ву, А.Ф. Илларионову за ряд ценных советов и плодотворные обсуждения. Я очень признателен директору ГАИШ чл.-корр. РАН A.M. Черепащуку за неоценимую помощь, позволившую мне продолжать научную работу. Я благодарен К.А. Постнову, A.C. Расторгуеву и А.Д. Чернину за всестороннюю поддержку.

Благодарю ISSEP, Международный научный фонд, РФФИ, Немецкую Службу Академических Обменов (DAAD) и Общество Макса Планка (Германия) за финансовую поддержку исследований, вошедших в данную диссертацию.