Поиск и изучение космических гамма-всплесков по данным космических экспериментов APEX и LILAS("ФОБОС-2"),BATSE("COMPTON") и HEND("2001 MARS ODYSSEY") тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

1. Введение.

1.1. Современное состояние проблемы.

1.2. Цель, научная и практическая ценность работы.

1.3. Краткое содержание работы.

2. Поиск и изучение коротких гамма-всплесков по данным космических экспериментов APEX и LILAS на борту межпланетного космического аппарата «Фобос-2».

2.1. Эксперименты APEX и LI LAS.

2.2. Обзор данных по ранее известным гамма-всплескам приборов APEX и LILAS.

2.3. Классификация полной совокупности срабатываний прибора APEX.

2.4. Статистические свойства группы V не отождествленных событий прибора APEX.

2.5. Метод вероятностного отожествления коротких гамма-всплесков в базе данных эксперимента APEX.

2.6. Группа кандидатов в короткие гамма-всплески по данным эксперимента APEX.

2.7. Сравнение кандидатов в короткие гамма-всплески эксперимента APEX с базой данных эксперимента LILAS.

2.8. Основные результаты, полученные по данным экспериментов APEX и LILAS.

3. Поиск «несработавших» гамма-всплесков по данным эксперимента BATSE обсерватории COMPTON.

3.1. Эксперимент BATSE.

3.2. Актуальность поиска и изучения слабых гамма-всплесков.

3.3. Регистрация кандидатов в астрономические события.

3.3.1. Отбор данных DISCI-Адля поиска «несработавших» событий.

3.3.2. Критерий отбора бинов и модель фона.

3.3.3. Отбрасывание бинов, отобранных вследствие регистрации заряженных частиц.

3.3.4. Локализация направления прихода фотонов для отобранных бинов.

3.3.5. Определение многобинового события.

3.4. Классификация многобиновых событий.

3.4.1. Вероятностная классификация.

3.4.2. Априорная вероятность для классов источников (А) - (G).

3.4.3. Параметризация многобиновых событий.

3.4.4. Статистика параметров d^ - d^.

3.4.5. Оценка вероятности правдоподобия для параметра d^ локализации.

3.4.6. Байесовская вероятность принадлежности к классам

A)-(G).

3.4.7. Статистическая проверка согласованности результатов вероятностной классификации.

3.5. Сопоставление найденных кандидатов в гамма-всплески с известными ранее сработавшими и «несработавшими» гамма-всплесками.

3.5.1. Требования к проверке процедур поиска и классификации

3.5.2. Сопоставление многобиновых событий и гамма-всплесков из каталога BATSE.

3.5.3. Сопоставление «несработавших» гамма-всплесков и событий BATSE, произошедших вблизи границы южной атлантической аномалии.

3.5.4. Сопоставление многобиновых событий с известными ранее «несработавшими» гамма-всплесками.

3.5.5. Сопоставление многобиновых событий с «несработавшими» всплесками, обнаруженными только группой Штерна

3.5.6. Требования к объективности регистрации и классификации «несработавших» гамма-всплесков.

3.6. Статистика слабых гамма-всплесков.

3.6.1. Эффективность регистрации и классификации «несработавших» гамма-всплесков.

3.6.2. Вероятность ошибочной классификации событий от переменных рентгеновских источников как гамма-всплесков.

3.6.3. Экспозиционное время как функция направления на небе

3.6.4. Зависимость Log (Л/) - Log (Fmax).

3.6.5. Спектральная жесткость.

3.6.6. Распределение на небе.

3.7. Основные результаты, полученные по данным DISCLA эксперимента BATSE.

4. Регистрация гамма-всплесков по данным эксперимента HEND на борту межпланетного аппарата «2001 Mars Odyssey».

4.1. Эксперимент HEND.

4.2. Участие эксперимента HEND в сети межпланетной локализации гамма-всплесков.

4.3. Наблюдение всплеска GRB021206 с обнаруженной поляризацией.

4.4. Наблюдение всплеска GRB020405.

4.5. Обзор гамма-всплесков эксперимента HEND, зарегистрированных за два года работы.

1.1. Современное состояние проблемы

Одна из наиболее актуальных задач современной астрофизики - выяснение происхождения космических гамма-всплесков. Это явление представляет собой вспышки, которые наблюдаются в жестком диапазоне рентгеновского и гамма-излучения с энергией фотонов от килоэлектрон-вольт до десятков гигаэлектрон-вольт и длительностью от миллисекунд до нескольких десятков секунд. Гамма-всплески были открыты более тридцати лет назад при помощи сети американских околоземных космических спутников VELA, предназначенных для мониторинга ядерных испытаний в космической среде. Регистрация гамма-излучения на нескольких спутниках обеспечила глобальный обзор неба и позволила определить направление прихода излучения. Благодаря этому было установлено, что гамма-всплески имеют астрономическое происхождение (Клебесадель и др., 1973).

С момента регистрации первого гамма-всплеска 2 июля 1967 г спутником VELA 4а (рис. 1.1) прошло более 36 лет. За это время накоплено огромное количество экспериментальных данных и предложено множество теоретических моделей, однако физическая природа гамма-всплесков остается невыясненной.

Большой прогресс в изучении гамма-всплесков был достигнут в 1997 г. благодаря наблюдениям на европейском спутнике BeppoSAX, когда впервые было открыто послесвечение, которое представляет собой затухающее излучение в рентгеновском, оптическом или радиодиапазоне (Коста и др., 1997). На основе наблюдений наземных телескопов оптического послесвечения гамма-всплесков появилась возможность определять расстояние до их источников. Было установлено, что гамма-всплески происходят на космологических расстояниях с характерным значением красного смещения z~1. При этом только в гамма-диапазоне энерговыделение (при изотропном излучении) составляет около 1052-1053 эрг, что сравнимо с энергией массы покоя Солнца.

Ffret 0||ия1»Цу Buret

Рис. 1.1. Временной профиль первого зарегистрированного гамма-всплеска на борту Vela 4а (Клебесадель и др., 1973).

На сегодняшний день ни одна из предложенных моделей гамма-всплесков не объясняет всей совокупности наблюдательных данных. Первая нерешенная проблема связана с выяснением вопроса о том, все ли гамма-всплески обусловлены явлениями одной астрономический природы, или в действительности исследователи имеют дело с двумя (или даже с нескольким) классами различных объектов. Известно, что по продолжительности всплески явным образом разделяются на «короткие» и «продолжительные» события (Коувелиоту и др., 1993). Установлено, что при этом короткие события в среднем имеют более жесткое излучение, чем продолжительные. До настоящего времени ни у одного короткого гамма-всплеска не было обнаружено послесвечение, и космологическое происхождение коротких гамма-всплесков нельзя считать доказанным. Поэтому представляется актуальным вопрос о физических свойствах коротких гамма-всплесков, которому, в частности, посвящена отдельная глава данной диссертационной работы.

Второй нерешенный вопрос связан с природой неизвестных астрономических объектов, которые взрываются на космологических расстояниях с генерацией продолжительных гамма-всплесков. Оказалось, что для проверки предсказания многих теорий необходимо изучить статистические свойства гамма-всплесков с предельно малыми интенсивностями, которые могут быть связаны со вспышками источников на предельно больших космологических расстояниях. Эти всплески находятся ниже порога срабатывания самого чувствительного до настоящего времени инструмента BATSE (Burst and Transient Source Experiment), работавшего в 1991-2000 гг. на американской космической гамма-обсерватории им. А Комптона («Compton Observatory») (Гехрельц и др., 1993). Поэтому выполненное в данной диссертации статистическое исследование гамма-всплесков с предельно низкими интенсивностями также представляется актуальным для выяснения природы астрономической популяции объектов - «предвсплесков».

Наблюдения гамма-всплесков продолжаются непрерывно. После регистрации каждого нового события все доступные космические и наземные инструменты проводят исследования его сопутствующего излучения и послесвечения. Для наведения этих приборов на новый источник гамма-всплеска необходимо знание его координат на небесной сфере. Метод «межпланетной триангуляции» позволяет рассчитать эти координаты с достаточно высокой точностью по данным измерений самих гамма-всплесков приборами на нескольких аппаратах, которые находятся на межпланетных расстояниях от Земли (Орли и др., 1999). Локализация методом «межпланетной триангуляции» важна для поиска послесвечений в оптическом и радиодиапазоне от источников гамма-всплесков, которые не имеют рентгеновского послесвечения и поэтому не могут быть надежно локализованы по данным наблюдений рентгеновскими телескопами. Кроме этого, только по данным «межпланетной триангуляции» можно установить положение на небе гамма-всплесков, которые близки к направлению на Солнце (рентгеновские инструменты не могут наводиться на эти источники из-за опасности «засветки»). Именно для таких всплесков гамма-спектрометр солнечного космического аппарата имени Р. Рамати (RHESSI) может провести измерения линейной поляризации гамма-фотонов. Следовательно, успешная работа сети межпланетных космических аппаратов по программе «межпланетной триангуляции» является необходимым условием возможности поляриметрических наблюдений гамма-всплесков. Поэтому реализация автоматической программы по регистрации и оповещению гамма-всплесков эксперимента HEND (High Energy Neutron Detector) проекта «2001 Mars Odyssey», выполненная в данной работе, также представляется актуальной.

Основные выводы диссертационной работы:

1) На основе повторного анализа полного списка 546 срабатываний прибора APEX обнаружена группа из 28 событий, которые с высокой вероятностью являются короткими гамма-всплесками с Г50 <0,5 с. Из них ранее были известны 12 событий. Оценка байесовской вероятности для 16 новых кандидатов в короткие гамма-всплески составляет >0,95.

2) Показано, что полная группа из 74 гамма-всплесков эксперимента APEX имеет бимодальное распределение по эмиссионному времени, что согласуется с бимодальной формой распределения в эксперименте BATSE. Для объяснения отсутствия срабатываний в эксперименте LILAS для коротких гамма-всплесков необходимо предположить, что короткие гамма-всплески имеют спектральный завал в области рентгеновского излучения <100 кэВ относительно экстраполяции спектра отсчетов в мягкую область по степенному закону.

3) Построена полная статистика 3265 транзиентных событий астрономического происхождения продолжительностью более 2 с, зарегистрированных прибором BATSE на основе данных 502 дней наблюдений. Выделены основные классы этих событий.

4) По данным эксперимента BATSE обнаружена группа из 335 кандидатов в космические гамма-всплески продолжительностью более 2 с, байесовская вероятность отождествления которых составляет более 0,5. Установлено, что 44 этих события являются новыми, ранее неизвестными кандидатами в гамма-всплески. Построены статистические распределения гамма-всплесков с различными интенсивностями и получено их распределение на небесной сфере.

5) По данным прибора HEND и других космических экспериментов определены небесные координаты для 7 новых космических гамма-всплесков: GRB020525, GRB020603, GRB021125, GRB021201, GRB030204, GRB030320, GRB021206.

Заключение

1. Козырев А. С., Митрофанов И. Г., Санин А. Б., Бара К. Ж. Поиск коротких гамма-всплесков по данным экспериментов APEX и LILAS на борту межпланетного космического аппарата «Фобос-2» // Препринт ИКИ РАН. Пр-2092. 2003. 28 с.

2. Kozyrev A. S., Mitrofanov I. G., Anfimov D. S., Barat C. 2001, Estimation of Emission Time Parameter for APEX Experiment. // In: Proc. of "Gamma-Ray Bursts in the Afterglow Era"ifiEds.: E. Costa, F. Frontera & J. Hjorth (Springer), 2001, V. XIX, P. 69.

3. Gamma-Ray Burst in the Afterglow Era". 3th Workshop, Rome, Italy. 2002 / Eds.: L. Piro & M. Feroci. Published by Astronomical Society of the Pacific. 2003. V. CS.