Сверхновые звёзды, гамма-всплески и ускоренное расширение Вселенной тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова Физический факультет Кафедра астрофизики и звёздной астрономии

На правах рукописи УДК 524.352; УДК 524.354

Лг'

Пружинская Мария Викторовна

Сверхновые звёзды, гамма-всплески и ускоренное расширение Вселенной

Специальность: 01.03.02 — астрофизика и звёздная астрономия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

7 АПР 2014

Москва 2014 005547113

005547113

Работа выполнена на кафедре астрофизики и звёздной астрономии Физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор

Липунов Владимир Михайлович (Физический факультет МГУ)

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

Гнедин Юрий Николаевич (Главная астрономическая обсерватория РАН) Тутуков Александр Васильевич (Институт астрономии РАН)

Ведущая организация

Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН (г. Москва)

Защита состоится 19 июня 2014 года в 1400 на заседании диссертационного совета Д501.001.86 в Государственном астрономическом институте имени П.К. Штернберга МГУ, расположенном по адресу: 119991, г. Москва, Университетский пр-т, д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (119192, г. Москва, Ломоносовский пр-т., д. 27, Фундаментальная библиотека) и на сайте: http://sai.msu.ru/dissovet/2014.html

Автореферат разослан 15 апреля 2014 года. Учёный секретарь диссертационного совета

доктор физ.-мат. наук С.О. Алексеев

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Сверхновые звёзды и гамма-всплески — самые мощные взрывы во Вселенной. Благодаря высокой светимости эти объекты можно наблюдать на космологических расстояниях и поэтому использовать их для изучения свойств и структуры Вселенной. В последние десятилетия объём наблюдательного материала возрос в десятки раз, но некоторые ключевые моменты, связанные с природой и механизмами взрывов сверхновых звёзд и гамма-всплесков, так и остались загадкой.

Считается, что блеск сверхновых звёзд типа 1а (СН 1а) в максимуме постоянен, вследствие чего они прекрасно подходят на роль индикаторов расстояний во Вселенной. Однако существуют сомнения в верности гипотезы стандартной свечи. Основные причины этих сомнений связаны с поглощением света в нашей галактике и родительских галактиках сверхновых, химическим составом звёзд-прародителей, эволюцией суммарной массы сливающихся белых карликов с хаббловским временем, возможным существованием нескольких механизмов взрыва, эффектами селекции [1]. И действительно, для СН 1а наблюдается довольно большая дисперсия абсолютной звёздной величины в максимуме блеска. Существующие процедуры «стандартизации» СН 1а позволяют учесть только часть из перечисленных выше факторов. Поэтому усовершенствование методов «стандартизации» и выделение различных однородных подклассов СН 1а будут актуальны ещё долгое время.

Выявить механизм взрыва СН 1а и ответить на вопрос о структуре магнитных полей в джетах гамма-всплесков могут измерения поляризации. К сожалению, поляризационных наблюдений СН 1а, особенно на ранних стадиях расширения оболочки, и собственного и раннего оптического излучения гамма-всплесков мало [2]. Поляризация собственного оптического излучения гамма-всплесков ещё не была зарегистрирована; существует лишь несколько измерений поляризации послесвечений.

Другим способом приблизиться к пониманию природы сверхновых и гамма-всплесков является популяционный синтез двойных звёзд. Сравнивая результа-

ты моделирования и наблюдений, можно наложить некоторые ограничения на механизмы взрыва и предсказать/объяснить новые астрофизические явления (например, быстрые радиовспышки).

Цели работы

Целью данной работы является изучение сверхновых звёзд типа 1а как индикаторов расстояний во Вселенной и гамма-всплесков с помощью популяци-онного синтеза и поляризационных наблюдений, выполненных на телескопах роботизированной сети МАСТЕР1 [3, 4]. Для её реализации были поставлены и решены следующие задачи:

• Исследование влияния серого поглощения на ослабление блеска СН 1а.

• Выделение наиболее однородного подкласса «чистых» СН 1а, не требующего дополнительной «стандартизации»; составление выборки, удовлетворяющей принятым критериям отбора.

• Изучение современных методов «стандартизации» СН 1а и выбор наиболее подходящего из них для обработки «чистой» сверхновой СН 2009пг.

• Исследование механизмов взрыва СН 1а в эллиптических галактиках.

• Калибровка поляроидов роботизированной сети МАСТЕР в Кисловодске, Тунке и Благовещенске.

• Поляризационные наблюдения сверхновых звёзд и гамма-всплесков с помощью роботизированной сети МАСТЕР.

• Расчёт частоты слияния нейтронных звёзд, основанный на результатах по-пуляционного синтеза [5], с учётом реалистичной функции звёздообразова-ния во Вселенной. Сравнение результатов расчёта с наблюдаемой частотой быстрых радиовспышек.

1 Мобильная Астрономическая Система ТЕлескопов-Роботов.

Новизна работы

• В работе впервые предложен способ исключить влияние серого поглощения, различий в химическом составе и механизмах взрыва СН 1а на построение шкалы расстояний во Вселенной.

• Впервые показано, что наблюдаемая эволюция частоты СН 1а в эллиптических галактиках хорошо согласуется с частотой слияния белых карликов, предсказанной популяционным синтезом двойных звёзд с помощью Машины Сценариев [6, 7].

• Впервые проведена калибровка поляроидов роботизированной сети МАСТЕР и исследованы её поляризационные возможности на примере блазаров, сверхновой и гамма-всплеска.

• Поскольку МАСТЕР — это единственный в мире широкопольный инструмент, способный измерять поляризацию, то поляризационные измерения гамма-всплеска СКВ 121011А являются уникальными.

• В ходе исследования впервые представлена эволюция частоты слияний нейтронных звёзд как функция красного смещения в рамках реалистичной функции звёздообразования во Вселенной.

Практическая значимость работы

• Предложенный подкласс «чистых» сверхновых может быть использован при планировании будущих миссий по поиску сверхновых звёзд и изучению свойств ускоренного расширения Вселенной.

• Подтверждение ускоренного расширения Вселенной по «чистым» сверхновым опровергает работы, в которых серое поглощение вводится как альтернатива ускоренному расширению Вселепной для объяснения ослабления блеска далёких СН 1а.

• Полученные параметры кривой блеска и физические характеристики СН 2009пг могут использоваться другими авторами для исследования зависимости «абсолютная звёздная величина-форма кривой блеска».

CH 2009nr интересна тем, что взорвалась практически в межгалактическом пространстве, следовательно, полученные данные (в частности по поглощению) могут быть использованы для анализа межзвёздной среды вокруг сверхновой и изучения подобных сверхновых на основании более широкой выборки.

• Была проведена калибровка поляроидов роботизированной сети МАСТЕР в Кисловодске, Тунке и Благовещенске. Полученные в результате данные о степени и угле поляризации для четырёх блазаров могут быть полезны для групп, занимающихся мониторингом подобных объектов.

• Найдена ожидаемая частота слияний нейтронных звёзд для горизонта детектирования будущих версий проекта LIG02 [8].

Положения, выносимые на защиту

1. Проведено сравнение результатов Машины Сценариев с наблюдательными данными по эволюции темпа сверхновых типа 1а. Подтверждена гипотеза, что преобладающим механизмом взрыва CH 1а в эллиптических галактиках является слияние двух белых карликов [9].

2. Предложен подкласс «чистых» сверхновых, который не подвержен серому поглощению, химической эволюции и возможному различию в механизмах взрыва. Показано, что «чистые» сверхновые подтверждают ускоренное расширение Вселенной [10].

3. Исследованы поляризационные возможности роботизированной сети МАСТЕР. Проведены поляризационные измерения CH la 2012bh на ранней стадии расширения оболочки и раннего оптического излучения длинного гамма-всплеска GRB ШОПА [2].

4. Показано, что современные сценарии эволюции двойных нейтронных звёзд не противоречат наблюдаемой частоте быстрых радиовспышек [11, 12].

2Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory.

Публикации

Результаты работы изложены в 6 статьях, опубликованных в рецензируемых журналах:

1. Lipunov V.M., Pruzhinskaya M.V., «Scenario Machine: Fast Radio Bursts, Short GRB, Dark Energy and LIGO silence», принята к печати в MNRAS (2014), arXiv: 1312.3143.

2. Pruzhinskaya M.V., Krushinsky V.V., Lipunova G.V., et al., «Optical polarization observations with the MASTER robotic net», New Astronomy, 29, p. 65 (2014).

3. Lipunov V.M., Panchenko I.E., Pruzhinskaya M.V., «The mechanism of Supernova la explosion in elliptical galaxies», New Astronomy, 16, p. 250 (2011).

4. Пружинская M.B., Горбовской E.C., Липунов B.M., «Чистые» сверхновые и ускоренное расширение Вселенной», Письма в Астрономический журнал, том 37, №9, стр. 1 (2011).

5. Цветков Д.Ю., Балануца П.В., Липунов В.М., Волков И.М., Тучин О.А., Куделина И.П., Пружинская М.В., и др., «Фотометрические наблюдения сверхповой 2009пг», Письма в Астрономический журнал, том 37, №11, стр. 837 (2011).

6. Горбовской Е.С., Липунов В.М., Корнилов В.Г., ..., Пружинская М.В., и др., «Сеть роботизированных оптических телескопов МАСТЕР-И. Первые результаты», Астрономический журнал, том 90, №4, с. 267 (2013).

Кроме того, автор диссертации является соавтором 10 электронных публикаций в циркулярах GCN (The Gamma-ray Coordinates Network, http://gcn.gsfc.nasa.gov/gcn3_archive.html) и Atel (The Astronomers Telegram http://www.astronomerstelegrajn.org) и имеет четыре публикации в трудах конференций.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на следующих российских и международных конференциях:

1. 281-й симпозиум MAC «Binary Paths to type la Supernovae explosions» (Падуя, Италия, 2011): устный доклад «Pure Supernovae la and dark energy».

2. Международная конференция «50 лет космической эре: реальные и виртуальные исследования неба» (Ереван, Армения, 2011): устный доклад «Pure Supernovae la and dark energy».

3. Конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра» (Москва, ИКИ РАН, 2011): устный доклад «Чистые сверхновые и ускоренное расширение Вселенной».

4. XVIII международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, МГУ, 2011): устный доклад «Чистые сверхновые и тёмная энергия».

5. Международная школа по астрофизике (Терамо, Италия, 2012): устный доклад «Pure Supernovae la and dark energy».

6. Международная конференция «Глобальная роботизированная сеть МАСТЕР» (Москва, ГАИШ МГУ, 2012): устный доклад «Pure Supernovae la and dark energy».

7. Конференция «Молодые учёные России» (Москва, 2013): стендовый доклад «Сверхновые звёзды 1а».

8. Вторая международная конференция лаборатории экстремальной Вселенной «Gamma Ray Bursts, New Missions to New Science» (Москва, НИИЯФ МГУ, 2014): устный доклад «Polarization observations with the MASTER Global Robotic Net».

9. Научная сессия НИЯУ МИФИ (Москва, МИФИ, 2014): устный доклад «Космологические радиовспышки и слияния нейтронных звёзд».

10. Научная конференция «Физика Космоса» (Екатеринбург, Коуровская обсерватория, 2014): устный доклад «Поляризационные наблюдения с помощью роботизированной Глобальной сети МАСТЕР».

Результаты, представленные в диссертации, также докладывались и обсуждались на Общемосковском семинаре астрофизиков имени Я.Б. Зельдовича (Москва, ГАИШ МГУ, 2011-2013 года).

Личный вклад автора

Автором совместно с его научным руководителем был предложен подкласс «чистых» сверхновых звёзд типа 1а, свободных от поглощения серой пылью, различий в химической эволюции и механизмах взрыва. Автором был самостоятельно произведён отбор кандидатов в «чистые» сверхновые с последующим построением диаграммы Хаббла и определением вклада тёмной энергии в общую плотность Вселенной. В работе [13], носвящённой сверхновой СН 2009пг, автору принадлежит обработка кривых блеска сверхновой в пакете программ БМооРу [14] и определение её основных физических параметров, таких как абсолютная звёздная величина в нескольких спектральных диапазонах и поглощение в родительской галактике. Используя результаты популяционного синтеза двойных звёзд и последние наблюдательные данные по частоте СН 1а в эллиптических галактиках, диссертант совместно с соавторами показал, что уже через миллиард лет после образования эллиптической галактики до 99% СН 1а в этих галактиках — результат слияния белых карликов. Автор продемонстрировал, что изменение частоты вспышек сверхновых в механизме сливающихся белых карликов не зависит от закона сближения, а определяется начальным распределением по большим полуосям орбит. Для калибровки поляроидов роботизированной сети МАСТЕР в Кисловодске, Тунке и Благовещенске автором самостоятельно был произведён отбор и наблюдение ярких сильнополяризован-ных блазаров в момент их активности. Совместно с В.В. Крушинским (УрФУ) и Г.В. Липуновой (ГАИШ МГУ) проведены фотометрия и поляриметрия блазаров, сверхновой и гамма-всплесков. Совместно с научным руководителем было показано, что причиной быстрых радиовспышек могут быть слияния нейтрон-

ных звёзд. Используя результаты Машины Сценариев с учётом современных данных о скорости звёздообразования во Вселенной, автор рассчитал частоту слияний нейтронных звёзд в единице сопутствующего объёма и интегральную частоту слияний для красных смещений до г = 1. Совместно с научным руководителем было показано, что нет никаких противоречий между частотой слияния нейтронных звёзд и количеством быстрых радиовспышек, а отсутствие положительных детектирований в LIGO от слияния двух нейтронных звёзд согласуется с нашими астрономическими предсказаниями, хотя слияния нейтронных звёзд с чёрными дырами уже могли бы быть зарегистрированы.

Структура и обзор диссертации

Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей три главы, и заключения, а также двух приложений. В диссертации 149 страниц, включая 25 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 337 ссылок.

Во введении описана важность катастрофических взрывов (сверхновых звёзд и гамма-всплесков) для изучения свойств Вселенной на космологических масштабах и их влияние на химическую эволюцию и звёздообразование в галактиках. Обсуждаются актуальность диссертационной работы, её цель и новизна, практическая значимость. Также формулируются положения, выносимые на защиту, приводится список работ, в которых опубликованы основные научные результаты диссертации, описывается личный вклад автора в проделанную работу.

Первая глава посвящена сверхновым звёздам типа 1а и вопросам, связанным с их использованием в качестве индикаторов расстояний во Вселенной. В первом разделе главы обсуждается важность СН 1а в наблюдательной космологии. Следующий раздел посвящён истории «стандартизации» СН 1а и современным методам определения их основных физических параметров по форме кривых блеска. В частности, описан пакет программ SNooPy, с помощью которого была проведена «стандартизация» СН 2009пг. Полученные в результате физические параметры СН 2009пг позволили включить эту сверхновую в выборку «чистых» сверхновых и использовать её при дальнейших исследованиях.

Поскольку для задач наблюдательной космологии важны далёкие сверхновые, то в этом разделе также обсуждаются вопросы, связанные с поглощением света и искажением спектра (К-поправка) на больших красных смещениях.

Одной из проблем гипотезы стандартной свечи является возможное различие в механизмах взрыва СН 1а. В следующем разделе первой главы показано, что уже через миллиард лет после образования эллиптической галактики основным механизмом, отвечающим за взрыв СН 1а в этих галактиках, является слияние двух белых карликов. Приводится дополнительный аргумент в пользу модели сливающихся белых карликов, связанный с соответствием между предсказываемым и наблюдаемым законами уменьшения частоты взрывов СН 1а в эллиптической галактике.

В заключительном разделе главы рассматривается вопрос о нарушении стандартности блеска СН 1а из-за поглощения излучения серой пылью в родительских галактиках. Серое поглощение может приводить к такому же видимому эффекту ослабления блеска далёких сверхновых, как и ускоренное расширение Вселенной. Для исключения влияния серого поглощения, возможного различия в механизмах взрыва и химическом составе звёзд-прародителей сверхновых вводится подкласс «чистых» сверхновых. Идея подхода состоит в том, чтобы использовать только те сверхновые, которые взорвались далеко от центра родительских спиральных галактик или в эллиптических галактиках. Во-первых, на больших расстояниях от ядра (или высоко над плоскостью диска, если мы имеем дело со спиральной родительской галактикой, видимой с ребра) располагаются наиболее старые, бедные металлами звёзды с возрастом, сравнимым с возрастом Вселенной. Это приводит к более однородному химическому составу звёзд-прародителей. Во-вторых, «чистые» СН 1а скорее всего имеют общий механизм взрыва, а именно - слияние двух белых карликов. Это связано с тем, что в гало галактик нет звёзд средней массы, которые могли бы обеспечить набор вещества белыми карликами в двойных системах. В эллиптических же галактиках механизм слияния белых карликов обеспечивает до 99% взрывов сверхновых 1а уже через миллиард лет после образования эллиптической галактики [9). В-третьих, в гало галактик пыли практически нет. Например, в пашей галактике толщина пылевого слоя не превышает нескольких килопарсек даже

на краю (15-20 кпк). В эллиптических галактиках пыль отсутствует и глубоко внутри галактики; возраст, и, следовательно, химический состав эллиптических галактик вполне соответствуют бедным металлами звёздам первого поколения.

На первом шаге были выбраны СН 1а, которые находятся далеко за пределами родительской галактики. После просмотра получившегося списка были отсеяны сомнительные случаи спиральных и взаимодействующих галактик, где затруднительно провести границу родительской галактики. Кроме сверхновых, далёких от центра галактики, были отобраны те сверхновые, чья родительская галактика уверенно классифицировалась как эллиптическая. Затем были просмотрены объекты, открытые космическим телескопом Хаббл на больших расстояниях (г > 0.2). К ним были добавлены 2 сверхновые в гало: СН 2008gy и СН 2009пг, открытые в обзоре роботизированной сети МАСТЕР. СН 2008gy, СН 2009пг представляют собой наиболее подробно исследованные близкие сверхновые, которые практически находятся в межгалактическом пространстве. Таким образом, появился список «чистых» сверхновых, готовый для построения диаграмм Хаббла.

Анализ диаграмм Хаббла для «чистых» сверхновых показал ускоренное расширение Вселенной со значением плотности тёмной энергии = 0.66 ± 0.18 (см. Рис. 1).

Таким образом, главным результатом раздела является подтверждение ускоренного расширения Вселенной по сверхновым 1а безотносительно химической эволюции, серого поглощения и возможных различий в механизмах взрыва. Выделенный подкласс «чистых» сверхновых эффективен для исследования свойств ускоренного расширения Вселенной.

Во второй главе автор докладывает результаты исследования поляриметрической точности сети телескопов-роботов МАСТЕР и анализирует способности МАСТЕР измерять поляризацию различных типов астрофизических объектов: гамма-всплесков, сверхновых звёзд, блазаров. Первые два раздела главы посвящены описанию сети МАСТЕР и процессу обработки поляризационных наблюдений. Далее приводятся результаты поляризационных наблюдений блазаров, два из которых, ОС 457, ЗС 454.3, регистрировались в момент их активности и показали высокую степень поляризации Р = (21 ±2)% и Р = (34±2)%

Рис. 1: Диаграмма Хаббла для «чистых» сверхновых типа 1а (чёрные точки). Красная кривая - кривая, наилучшим образом приближающая наблюдательные данные; синяя кривая - кривая, соответствующая Вселенной с Пл = 0; пунктирные линии - 95% доверительный интервал.

соответственно. Поляризационные наблюдения блазаров показывают, что поляроиды системы МАСТЕР могут быть успешно применены для измерения степени линейной поляризации больше 5-10% с точностью измерения угла поляризации 3-10 градусов, в зависимости от яркости объекта (см. таблицу 1). Наблюдения блазаров также позволяют производить калибровку степени поляризации и позиционного угла системы МАСТЕР.

В конце раздела приводятся наблюдения СН 1а 2012ЬЬ и гамма-всплеска СИВ 121011А, обсуждается роль поляризационных измерений в изучении катастрофических взрывов во Вселенной.

Вспышка сверхновой звезды может наблюдаться в течение нескольких месяцев. Это позволяет получать длинные серии данных, включая поляриметрию. Открытие значительной поляризации (> 2%) в излучении СН 1а будет неза-

Таблица 1: Список наблюдений блазаров сетью МАСТЕР в 2012-2013 годах. К - Кисловодск, КБ - Кисловодск и Благовещенск.

Объект ЛБ Экват. коорд. Ы%)

87СВ 165943.2+395846 2456046.5 17Л01т245.635 +39°54'37".09 8±7 137±10 0.25

С^О В1215+303 2456047.5 12ь17т528.082 +30°07'00".64 4±2 160±13 0.2

ОС 457 (К) 2456331 01Л36т58*.595 +47°51'29".10 21±2 87±5 1.2

ОС 457 (КБ) 2456331 01Л36т58*.595 +47°51'29".10 22±2 92±4 1.2

ЗС 454.3 2456561.5 22Л53т575.748 +16°08'53".56 34±2 13±3 0.8

висимым аргументом в пользу модели слияния белых карликов как одного из эволюционных сценариев СН 1а. Кроме того, если взрыв некоторых СН 1а окажется асимметричным, встанет вопрос об их пригодности для задач наблюдательной космологии. Последние данные показывают умеренную поляризацию в континууме (меньше 1%) для СН 1а, но более сильную поляризацию в линиях (~ 2%) [15]. Наблюдаемая поляризация может также оказаться неучтённой межзвёздной поляризацией в Галактике (Р^р) и в родительских галактиках сверхновых. К настоящему моменту поляризационных измерений СН 1а до максимума блеска недостаточно, чтобы делать уверенные выводы о геометрии взрыва.

СН 2012ЬЬ — хороший пример сверхновой, открытой до максимума блеска. В главе представлена фотометрия в поляроидах для СН 1а 2012ЬЬ на основе наблюдений сети МАСТЕР с 27 марта по 15 апреля. Кривая блеска этой сверхновой оказалась схожей с кривой блеска «нормальной» СН 1а 19940. Анализ кривой блеска показал, что максимум блеска был достигнут 31 марта. За всё время наблюдений верхний 1 -а предел на степень линейной поляризации СН 2012Ы1 составил 3%.

Поляризационные измерения также необходимы для понимания физики джетов гамма-всплесков: их геометрии, магнитных полей, микрофизики и механизмов излучения. Спектральные исследования указывают на синхротронную природу излучения гамма-всплесков. Известно, что синхротронное излучение

в упорядоченном магнитном поле поляризовано. Таким образом, наблюдаемая поляризация зависит от степени когерентности магнитного поля и от геометрических характеристик излучающей области. В теоретических моделях с упорядоченным магнитным полем предсказывается поляризация в 20-30% [16]. Проверка этого предсказания является сложной и интересной задачей, так как гамма-всплески — быстропеременные объекты с характерными временами жизни десятки секунд.

16

СО X

X

с: Ф т

о; Ш X

со

т

СО

17

18 -

19

«I

О

О

\поляроид О /поляроид X

20

СКВ 121011А

_I_с_,_L

0.5 1

Т-То (часы)

Рис. 2: Кривая блеска 01В 121011А во взаимно перпендикулярных поляроидах, полученная телескопом МАСТЕР-Благовещепск.

Для гамма-всплеска СИВ 121011А представлены поляризационные измерения раннего оптического излучения (Рис. 2). К сожалению, всплеск наблюдался только двумя взаимно перпендикулярными поляроидами в Благовещенске. Безразмерный параметр Стокса оказался меньше ошибки наблюдений 2%. Невозможно сделать вывод об отсутствии поляризации, если наблюдения были произведены только с двумя поляроидами, так как существует вероятность, что плоскость поляризации была ориентирована под углом 45 градусов к поляроидам. Обнаружено, что типичная дисперсия параметров Стокса для звёзд поля в

измерениях МАСТЕР составляет 5%. Таким образом, телескопы сети МАСТЕР могут надёжно регистрировать линейную поляризацию выше 10% и на пределе обнаруживать поляризацию больше 5%. Уровень в 10% для степени линейной поляризации предсказывается в некоторых теоретических моделях излучения гамма-всплесков.

В третьей главе обсуждаются короткие гамма-всплески и связанные с ними явления.

Открытие четырёх миллисекундных радиовспышек [17] вместе с всплеском Лоримера [18] пробудило интерес к механизмам генерации нейтронными звёздами резко нестационарного радиоизлучения большой мощности. Существует несколько сценариев возникновения быстрых радиовспышек. В диссертации рассматривается сценарий сливающихся нейтронных звёзд как наиболее вероятный.

В этой главе впервые представлена эволюция частоты слияний нейтронных звёзд как функция красного смещения в рамках разумной функции звёздо-образования во Вселенной. Для значения скорости отдачи 100-150 км/с эта функция даёт среднюю скорость слияний 1/500-1/2000 в год на галактику в сопутствующем объёме, соответствующем красным смещениям г = 0.5-1, что не противоречит наблюдаемой частоте быстрых радиовспышек [17]. Более того, предсказывается анизотропия излучения быстрых радиовспышек порядка 20%.

На Рис. 3 и Рис. 4 представлены рассчитанная частота слияний нейтронных звёзд, 71, на единицу сопутствующего объёма и интегральная частота слияний, N, в зависимости от красного смещения 2. Наблюдаемая частота быстрых радиовспышек была пересчитана на единицу сопутствующего объёма на г = 1, и получена следующая величина: 2.4l};'2 х Ю-5 в год на Мпк3. Этот результат согласуется с теоретическими предсказаниями Машины Сценариев (Рис. 3). Наилучшее совпадение получается для функции звёздообразования, полученной в предположении Солпитеровской начальной функции масс (НФМ).

На основании результатов Машины Сценариев также рассматривается вопрос об отсутствии положительных детектирований в проекте по поиску гравитационных волн LIGO. Показано, что отсутствие событий от сливающихся нейтронных звёзд согласуется с нашими астрономическими предсказаниями,

Рис. 3: Число НЗ+НЗ слияний в год на Мпг? для функции звездообразования, основанной на модифицированной НФМ Солпи-тера [19] (а) и НФМ Болдри и Глазебру-ка [20] (Ь) для скоростей отдачи в интервале 100-150 км/с. Чёрные квадраты показывают. наблюдаемую частоту быстрых радиовспышек, пересчитанную на единицу сопутствующего объёма на г = 1.

Рис. 4: Интегральное число НЗ+НЗ слияний в год внутри сферы с красным смещением г для функции звездообразования, основанной на модифицированной НФМ Солпитера [19] (а) и НФМ Болдри и Глазебрука [20] (Ь) для скоростей отдачи в интервале 100-150 км/с. Чёрные квадраты показывают наблюдаемую частоту быстрых радиовспышек [17/.

однако слияния нейтронных звёзд с чёрными дырами уже могли бы быть зарегистрированы.

Заключение посвящено основным результатам диссертации и дальнейшим перспективам исследования.

В приложении А приводится список сверхновых звёзд, открытых или впервые снятых с помощью роботизированной сети МАСТЕР. Приложение В содержит абсолютные калибровки МАСТЕР в поляроидах и ВУН1 фильтрах.

Список литературы

[1] Bogomazov A. I. and Tutukov А. V., «Type la supernovae: Non-standard candles of the Universe», Astronomy Reports, vol. 55, pp. 497-504, 2011.

[2] Pruzhinskaya M. V., Krushinsky V. V., Lipunova G. V., et al., «Optical polarization observations with the MASTER robotic net», New Astronomy, vol. 29, pp. 65-74, 2014.

[3] Lipunov V. M., Krylov A. V., Kornilov V. G., et al., «MASTER: The Mobile Astronomical System of Telescope-Robots», Astronomische Nachrichten, vol. 325, pp. 580-582, 2004.

[4] Lipunov V., Kornilov V., Gorbovskoy E., et al., «Master Robotic Net», Advances in Astronomy, vol. 2010, pp. 1-6, 2010.

[5] Lipunov V. M., Postnov K. A., Prokhorov M. E., et al., «Evolution of the Double Neutron Star Merging Rate and the Cosmological Origin of Gamma-Ray Burst Sources», ApJ, vol. 454, pp. 593-596, 1995.

[6] Lipunov V. M., Postnov K. A., and Prokhorov M. E., «The scenario machine: Binary star population synthesis», Amsterdam: Harwood Academic Publishers, 1996.

[7] Lipunov V. M., Postnov K. A., Prokhorov M. E., et al., «Description of the "Scenario Machine"», Astronomy Reports, vol. 53, pp. 915-940, 2009.

[8] Abadie J., Abbott B. P., Abbott R., et al., «TOPICAL REVIEW: Predictions for the rates of compact binary coalescences observable by ground-based gravitational-wave detectors», Classical and Quantum Gravity, vol. 27, no. 17, pp. 1-25, 2010.

[9] Lipunov V. M., Panchenko I. E., and Pruzhinskaya M. V., «The mechanism of supernova la explosion in elliptical galaxies», New Astronomy, vol. 16, pp. 250252, 2011.

[10] Pruzhinskaya M. V., Gorbovskoy E. S., and Lipunov V. M., «Pure supernovae and accelerated expansion of the Universe», Astronomy Letters, vol. 37, pp. 663669, 2011.

[11] Lipunov V. M. and Pruzhinskaya M. V., «Scenario Machine: fast radio bursts, short gamma-ray burst, dark energy and Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory silence», MNRAS, vol. 440, 2014.

[12] Lipunov V. M. and Pruzhinskaya M. V., «Scenario Machine: Fast Radio Bursts, Short GRB, Dark Energy and LIGO silence», ArXiv: 1312.3143, 2013.

[13] Tsvetkov D. Y., Balanutsa P. V., Lipunov V. M., et al., «Photometric observations of the supernova 2009nr», Astronomy Letters, vol. 37, pp. 775782, 2011.

[14] Burns C. R., Stritzinger M., Phillips M. M., et al., «The Carnegie Supernova Project: Light-curve Fitting with SNooPy», AJ, vol. 141, pp. 1-20, 2011.

[15] Wang L. and Wheeler J. C., «Spectropolarimetry of Supernovae», ARA&A, vol. 46, pp. 433-474, 2008.

[16] Granot J., «The Most Probable Cause for the High Gamma-Ray Polarization in GRB 021206», ApJ, vol. 596, pp. 17-21, 2003.

[17] Thornton D., Stappers B., Bailes M., et al., «A Population of Fast Radio Bursts at Cosmological Distances», Science, vol. 341, pp. 53-56, 2013.

[18] Lorimer D. R., Bailes M., McLaughlin M. A., et al., «A Bright Millisecond Radio Burst of Extragalactic Origin», Science, vol. 318, pp. 777-780, 2007.

[19] Salpeter E. E., «The Luminosity Function and Stellar Evolution», ApJ, vol. 121, pp. 161-167, 1955.

[20] Baldry I. K. and Glazebrook K., «Constraints on a Universal Stellar Initial Mass Function from Ultraviolet to Near-Infrared Galaxy Luminosity Densities», ApJ, vol. 593, pp. 258-271, 2003.

Подписано в печать 13.04.2014 г. Формат А5 Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 100 Экз. Заказ № 3377 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-кт, д.28 Тел. 8-495-782-88-39

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Физический факультет Кафедра астрофизики и звёздной астрономии

04201457973

На правах рукописи УДК 524.352; УДК 524.354

Пружинская Мария Викторовна

Сверхновые звёзды, гамма-всплески и ускоренное расширение Вселенной

Специальность: 01.03.02 — астрофизика и звёздная астрономия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Липунов Владимир Михайлович

Москва 2014

Содержание

Введение 4

Общая характеристика работы......................................8

Актуальность работы ..........................................8

Цели работы ....................................................9

Новизна работы ................................................10

Практическая значимость работы............................11

Положения, выносимые на защиту............................11

Публикации......................................................12

Апробация работы..............................................13

Личный вклад автора..........................................14

Структура и обзор диссертации................................15

1 Сверхновые звёзды типа 1а 18

1.1 Индикаторы расстояний во Вселенной........................18

1.2 «Стандартизация» свечи ......................................21

1.3 Обработка СН 2009пг в программе БГЧооРу..................31

1.3.1 Описание программы БМооРу..........................31

1.3.2 К-поправка..............................................33

1.3.3 СН 2009пг................................................36

1.4 Механизмы взрыва..............................................38

1.4.1 Основные механизмы ..................................38

1.4.2 Механизмы взрыва в эллиптических галактиках . . 39

1.5 «Чистые» сверхновые..........................................44

1.5.1 Метод отбора............................................46

1.5.2 Анализ диаграммы Хаббла............................49

1.6 Обсуждение......................................................52

2 Поляризация сверхновых звёзд типа 1а и гамма-всплесков 56

2.1 Роботизированная сеть МАСТЕР..............................57

2.2 Инструменты МАСТЕР и обработка наблюдений............58

2.3 Калибровка поляроидов по блазарам..........................60

2.3.1 Блазар ОС 457 ..........................................61

2.3.2 Блазар ЗС 454.3 ..........................................62

2.3.3 Блазары 87GB165943.2 Ь395846 и QSOB1215 I 303 . 62

2.4 Поляризация сверхновых звёзд типа 1а......................66

2.4.1 Наблюдения поляризации СН 1а......................66

2.4.2 СН 2012bh................................................67

2.5 Поляризация гамма-всплесков ................................70

2.5.1 Наблюдения поляризации гамма-всплесков..........70

2.5.2 GRB 121011А............................................74

2.6 Обсуждение......................................................78

3 Короткие гамма-всплески и связанные с ними явления 80

3.1 Машина Сценариев и частота слияний нейтронных звёзд . 81

3.2 Слияния нейтронных звёзд и быстрые радиовспышки ... 86

3.3 Слияния нейтронных звёзд и короткие гамма-всплески . . 90

3.4 Молчание LIGO ................................................91

3.5 Обсуждение......................................................94

Заключение 96

Благодарности 98

А МАСТЕР: наблюдение сверхновых звёзд 99

В Абсолютные калибровки МАСТЕР в поляроидах и BVRI

фильтрах 101

Список литературы 114

Введение

Работа посвящена сверхновым звездам и гамма-всплескам. Катастрофические события, ответственные за эти явления, представляют интерес для различных областей астрофизики, космологии и физики элементарных частиц. Сверхновые звёзды и гамма-всплески играют огромную роль в общей картине эволюции звёзд, галактик, химической эволюции Вселенной, а также в наблюдательной космологии.

Вспышка сверхновой звезды - один из самых мощных и красивых процессов природы. На Земле вспышка сверхновой регистрируется как резкое увеличение блеска звезды на 6-10 порядков. Таким образом, какое-то время одна звезда светит как целая галактика. История сверхновых началась в тот момент, когда была установлена внегалактическая природа туманностей, названных впоследствии галактиками. В 1934 году Уолтер Бааде и Фриц Цвикки для подобных объектов предложили термин «сверхновые» [1].

Перед тем как делать выводы о природе процесса, необходимо исследовать его наблюдательные проявления. Первое, что заинтересовало исследователей сверхновых — одинаковы ли они, а если нет, то насколько отличаются и поддаются ли классификации. В 1940 году Минковский разделил сверхновые на два основных типа по их спектральным свойствам: I — в спектрах которых отсутствуют линии водорода и II — в спектрах которых эти линии есть [2]. Самым непонятным и почти полностью не расшифрованным долгое время оставался спектр сверхновых I типа (СН I). Только после того, как Юрий Павлович Псковский показал, что полосы в спектрах — это участки непрерывного спектра между широкими и довольно глубокими линиями поглощения, отождествление спектров СН I сдвинулось с мёртвой точки [3]. Позднее СН I были разделены на подтипы: 1а — в спектрах присутствуют линии однократно ионизованного кремния; 1Ь — в спектрах практически отсутствуют линии однократно ионизованного кремния, а наиболее интенсивными являются линии поглощения гелия; 1с — в спектрах отсутствуют и линии кремния, и линии гелия.

Сверхновые типа II, 1Ь и 1с — результат эволюции массивных звёзд с массой > 8-10 М©. Когда ядро звезды становится железным, выделе-

ние энергии в нём прекращается, поскольку образование ядер тяжелее железа требует затрат энергии. Ядро больше не может сопротивляться гравитации и коллапсирует. Но если ветцество ядра звезды в результате сжатия превратится в нейтроны, то оно сможет противостоять коллапсу. Звезда превращается в нейтронную звезду. В самых массивных звёздах давление вырожденных нейтронов не останавливает сжатие, и они коллапсируют в чёрную дыру. При этом выделяется огромная энергия, которая в конечном счёте переходит в тепловую и кинетическую энергию оболочки. Этот процесс мы и наблюдаем как вспышку сверхновой. Если эволюция звезды происходила спокойно, и в оболочке звезды сохранилось достаточное количество водорода, то вспышка отождествляется со сверхновой II типа; если по каким-то причинам звезда потеряла часть своей оболочки, то мы увидим сверхновую 1Ь или 1с. Что касается природы сверхновых типа 1а (СН 1а), то наиболее удачной здесь представляется модель термоядерного взрыва белого карлика с массой, приблизительно равной массе Чандрасекара.

Насколько часто вспыхивают сверхновые, и каким образом они распределены в галактиках? Во-первых, ни одна из галактик не наблюдалась необходимое количество времени. Во-вторых, пыль и газ поглощают значительную часть света, идущего от сверхновой. В-третьих, почти одновременные для нас вспышки могут быть разделены большим промежутком времени: свет от сверхновых проходит разный путь внутри галактики, а её размеры в световых годах намного больше, чем время наблюдений. Поэтому частоту вспышек сверхновых оценивают по наблюдениям совокупности галактик, принимая во внимание различие галактик в массе и светимости, а также по морфологическому типу. Последние работы, основанные на объединении данных нескольких программ поиска сверхновых, показали, что в эллиптических галактиках наблюдаются только СН 1а, и в «средней» галактике со светимостью Ю10 одна сверхновая вспыхивает примерно раз в 500 лет. В такой же по светимости спиральной галактике СН 1а вспыхивают с лишь немного более высокой частотой, однако к ним добавляются сверхновые типов II и 1Ь/с, и общая частота вспышек получается примерно раз в 100 лет. Частота вспышек пропорциональна светимости галактик: в гигантских

галактиках она выше. Распределения сверхновых всех типов по расстоянию от центров галактик мало различаются между собой и сходны с распределением светимости — плотность падает от центра к краям по экспоненциальному закону. Различия между типами сверхновых проявляются в распределении относительно областей звездообразования: если к спиральным рукавам концентрируются сверхновые всех типов, то к областям НИ — только сверхновые типов II и 1Ь/с. Однако СН 1а наблюдаются и в эллиптических галактиках, где интенсивное звёздообразование отсутствует уже миллиарды лет.

Начало широкого применения в астрономии ПЗС-приёмников позволило существенно увеличить количество и качество наблюдательного материала. Сейчас известно около 6000 спектрально подтверждённых сверхновых звёзд.

Большая часть настоящего исследования посвящена изучению сверхновых звёзд типа 1а. СН 1а имеют наиболее универсальные кривые блеска среди всего класса сверхновых звёзд, поэтому прекрасно подходят для задач наблюдательной космологии. По наблюдению далёких СН 1а было открыто ускоренное расширение Вселенной [4, 5]. Раньше считали, что под действием сил тяготения разбегание галактик может только замедляться. Но ускорение обозначило появление в природе новой силы — «антигравитации», которая в данный момент преобладает над гравитацией. Антитяготение создаётся не обычным веществом, а особой космической энергией — тёмной энергией, в которую погружены все галактики. Тёмная энергия не взаимодействует с излучением, её физическая природа и структура совершенно не известны. Тёмную энергию часто связывают с космологической постоянной, введённой в космологию Альбертом Эйнштейном. Есть ряд проблем, связанный с использованием СН 1а в качестве стандартной свечи, поэтому детальные фотометрические, спектральные и, в частности, поляризационные измерения очень важны для сверхновых этого типа.

Другие уникальные взрывы — это гамма-всплески, которые кроме высоких энергий выделяются ещё и тем, что в них ускоряется огромный поток вещества в виде релятивистских струй (джетов).

Атмосфера Земли не пропускает гамма-излучеиие, поэтому открытие гамма-всплесков стало возможным только с началом космической эры. Впервые гамма-всплески были зарегистрированы в 1967 году американскими военными спутниками Вела, которые были запущены для отслеживания испытаний ядерного оружия па Земле [6]. Информация о гамма-всплесках накапливалась довольно медленно. Прорыв в исследованиях произошёл в конце 70-х годов XX века. В советском эксперименте Конус, проведённом на межпланетных станциях Венера-11 — Венера-14, было показано, что гамма-всплески имеют бимодальное распределение [7, 8]. Кроме того, было установлено, что распределение гамма-всплесков по небу носит случайный характер, однако из-за недостаточной статистики уверенных выводов о пространственном распределении сделать было нельзя. Следующий шаг был сделан после вывода на орбиту космической гамма-обсерватории Комптон в 1991 году [9]. Установленный на её борту гамма-детектор ВАТЯЕ за 9-летнюю миссию регистрировал в среднем по одному событию в день [10]. Новые данные подтвердили вывод о том, что гамма-всплески не концентрируются к плоскости Галактики, а распределены по небу однородно. Этот результат, ранее полученный в эксперименте Конус, оказался сильным аргументом в пользу гипотезы внегалактического происхождения гамма-всплесков.

Подтверждение этой гипотезы окончательно пришло в 1997 году, когда итало-голландский спутник ВерроБ АХ зарегистрировал гамма-всплеск вЛВ 970228 [11]. С помощью установленного на борту рентгеновского телескопа удалось обнаружить рентгеновское излучение от источника и определить координаты с гораздо лучшей точностью. Наземные оптические телескопы продолжили наблюдение оптического послесвечения всплеска и уточнили координаты. Глубокий снимок с космического телескопа Хаббл выявил на этом месте галактику с красным смещением 2 = 0.695 [12]. Самый далёкий на сегодняшний день гамма-всплеск вИВ 090429В пришёл с г ~ 9.4 [13].

Различают два основных типа гамма-всплесков: длинные (> 2 секунд) и короткие (< 2 секунд). Физические механизмы, лежащие в основе этих двух типов, вероятно, различны. Для объяснения коротких гамма-всплесков была предложена модель сливающихся нейтронных звёзд или

нейтронной звезды и чёрной дыры [14, 15]. Короткие гамма-всплески являются одним из главных кандидатов на обнаружение гравитационных волн в наземных проектах типа LIGO, Virgo и др. [16].

Примерно 70% зарегистрированных гамма-всплесков имеют продолжительность более 2 секунд. Большинство хорошо изученных длинных гамма-всплесков наблюдалось в галактиках с интенсивным звёздообра-зованием, вероятно, их можно связать со сверхновыми Ib/c. Причиной длинных гамма-всплесков является коллапс ядра массивной звезды в чёрную дыру. Известно уже много длинных гамма-всплесков, после которых наблюдалась вспышка сверхновой [17].

Излучение гамма-всплесков, возможно, имеет синхротронную природу. Синхротронное излучение является причиной возникновения поляризации. Таким образом, измерение поляризации может привести к объяснению механизмов взрыва, ответственных за возникновение гамма-всплесков.

Общая характеристика работы Актуальность работы

Сверхновые звёзды и гамма-всплески — самые мощные взрывы во Вселенной. Благодаря высокой светимости эти объекты можно наблюдать на космологических расстояниях и вследствие этого использовать их для изучения свойств и структуры Вселенной. В последние десятилетия объём наблюдательного материала возрос в десятки раз, но некоторые ключевые моменты, связанные с природой и механизмами взрывов сверхновых звёзд и гамма-всплесков, так и остались загадкой. Считается, что блеск сверхновых звёзд типа 1а в максимуме постоянен, и поэтому они прекрасно подходят на роль индикаторов расстояний во Вселенной. Однако существуют сомнения в верности гипотезы стандартной свечи. Основные причины этих сомнений связаны с поглощением света в нашей галактике и родительских галактиках сверхновых, химическим составом звёзд-прародителей, эволюцией суммарной массы сливающихся белых карликов с хаббловским временем, возможным существованием нескольких механизмов взрыва, эффектами селекции [18]. И действи-

тельно, для СН 1а наблюдается довольно большая дисперсия абсолютной звёздной величины в максимуме блеска. Существующие процедуры «стандартизации» СН 1а позволяют учесть только часть из перечисленных выше факторов. Поэтому усовершенствование методов «стандартизации» и выделение различных однородных подклассов СН 1а будут актуальны ещё долгое время. Выявить механизм взрыва СН 1а и ответить на вопрос о структуре магнитных полей в джетах гамма-всплесков могут измерения поляризации. К сожалению, поляризационных наблюдений СН 1а, особенно на ранних стадиях расширения оболочки, и собственного и раннего оптического излучения гамма-всплесков мало [19]. Поляризация собственного оптического излучения гамма-всплесков ещё не была зарегистрирована; существует лишь несколько измерений поляризации послесвечений.

Другим способом приблизиться к пониманию природы сверхновых и гамма-всплесков является популяционный синтез. Сравнивая результаты моделирования и наблюдений, можно наложить некоторые ограничения на возможные механизмы взрыва и предсказать/объяснить новые астрофизические явления (например, быстрые радиовспышки).

Цели работы

Целью данной работы является изучение сверхновых звёзд типа 1а как индикаторов расстояний во Вселенной и гамма-всплесков с помощью популяционного синтеза и поляризационных наблюдений, выполненных на телескопах роботизированной сети МАСТЕР [20, 21, 22, 23]. Для её реализации были поставлены и решены следующие задачи:

• Исследование влияния серого поглощения на ослабление блеска СН 1а.

• Выделение наиболее однородного подкласса СН 1а, не требующего дополнительной «стандартизации»; составление выборки, удовлетворяющей принятым критериям.

• Изучение современных методов «стандартизации» СН 1а и выбор наиболее подходящего из них для обработки «чистой» сверхновой СН 2009пг.

• Исследование механизмов взрыва СН 1а в эллиптических галактиках.

• Калибровка поляроидов роботизированной сети МАСТЕР в Кисловодске, Тунке и Благовещенске.

• Поляризационные наблюдения сверхновых звёзд и гамма-всплесков с помощью роботизированной сети МАСТЕР.

• Расчёт частоты слияния нейтронных звёзд, основанный на результатах популяционного синтеза, с учётом реалистичной функции звёздообразования во Вселенной. Сравнение результатов расчёта с наблюдаемой частотой быстрых радиовспышек.

Новизна работы

• В работе впервые предложен способ исключить влияние серого поглощения, различий в химическом составе и механизмах взрыва СН 1а на построение шкалы расстояний во Вселенной.

• Впервые показано, что наблюдаемая эволюция частоты СН 1а в эллиптических галактиках хорошо согласуется с частотой слияния белых карликов, предсказанной популяционным синтезом двойных звёзд с помощью Машины Сценариев [24, 25].

• Впервые проведена калибровка поляроидов роботизированной сети МАСТЕР и исследованы её поляризационные возможности на примере блазаров, сверхновой и гамма-всплеска.

• Поскольку МАСТЕР — это единственный в мире широкопольный инструмент, способный измерять поляризацию, то поляризационные измерения гамма-всплеска СЯВ 121011А являются уникальными.

• В ходе исследования впервые представлена эволюция частоты слияний нейтронных звёзд как функц�