
14.12.2002 17:57 | К. А. Постнов/ГАИШ, Москва
Что такое космические гамма-всплески? Краткий ответ на
этот вопрос, поставленный природой более тридцати лет назад
(или почти тридцать, если отсчет начинать от первой открытой
публикации о гамма-всплесках в 1973 г. -- см. Klebesadel R., Strong I.,
Olson R. 1973, AStrophys. J. Lett. v. 182, p. L85),
на сегодняшний день можно кратко сформулировать так: это результат
грандиозных космических взрывов (точно неустановленной природы),
которые происходят в галактиках примерно 1 раз в 100000 лет.
Взрыв с энерговыделением порядка
в гамма-диапазоне
происходит в межзвездной среде, которая может иметь весьма сложную
неоднородную структуру с химическими аномалиями. В ряде отношений
ситуация напоминает явление классических сверхновых, хотя
связь гамма-всплесков со сверхновыми окончательно не установлена.
В обоих случаях взрыв в среде порождает ударную волну,
распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью. Только в
гамма-всплесках ударная волна ультрарелятивистская --
лоренц-фактор расширяющейся оболочки превышает значение
. Отметим, что вопрос о том, как
именно
генерируется наблюдаемое
гамма-излучение и то, что является первопричиной такого взрыва
до сих пор являются предметом передовых научных исследований и
дискуссий. Однако независимо от конкретных механизмов факт
образования релятивистской ударной волны после гамма-всплеска
следует из наблюдений
рентгеновских и оптических ореолов (раньше мы писали -- "послесвечений",
пользуясь калькой англоязычного термина "afterglow", однако
теперь, кажется, удачный русский термин, действительно отражающий
физическую суть явления, найден -- спасибо С.И. Блинникову за
это предложение!).
Теперь о событии среды, 11 декабря 2002 г. Гамма-всплеск GRB 021211
был зарегистрирован и локализован спутником
HETE-2 .
Всплеск характеризуется однопиковой кривой блеска с быстрым
подъемом и экспоненциальным спадом потока, длительность всплеска
свыше 6 секунд, полная экспозиция
в диапазоне энергий 8-40 кэВ составляет . Данные о мгновенном боксе ошибок гамма-всплеска
с угловым диаметром 28 угловых минут
(карту можно посмотреть
здесь )
через 22 секунды были в распоряжении
многочисленных наземных обсерваторий и групп наблюдателей,
которые занимаются
проблемой быстрых наблюдений проявлений гамма-всплесков в
оптическом диапазоне. Нескольким автоматическим Телескопам
"Быстрого Реагирования" (далее ТБР)
в течение первых пары минут после всплеска
удалось сделать снимки этой области неба и обнаружить
неизвестный ранее
объект примерно 15-й звездной величины с быстро уменьшающимся
блеском (оптический транзиент, ОТ, или ореол).
В течение первых 30 минут после всплеска
блеск ореола уменьшился до 19 звездной величины (то есть
поток излучения упал почти в 100 раз)
(см. подробности в срочных электронных
циркулярах о наблюдениях гамма-всплесков GCN 1731 и далее
; см. ниже мультипликацию из кадров, полученных на ТБР
RAPTOR
в Лос-Аламосской Национальной Лаборатории США:

В одной угловой секунде от положения всплеска была обнаружена
удаленная галактика, которую 13 декабря наблюдали одним из
4-х телескопов телескопов VLT Южной Европейской Обсерватории в Чили.
В спектре этой галактики видны запрещенные эмиссионные линии
кислорода, по которым определили красное смещение до нее
. Зная красное смещение и экспозицию,
можно посчитать расстояние до всплеска и
полное энерговыделение за время всплеска.
В предположении изотропного излучения , где
-- фотометрическое расстояние.
Для красного смещения 0.8 в современной общепринятой модели плоской
Вселенной с космологической постоянной
и постоянной Хаббла
фотометрическое
расстояние до GRB 021211
и
, что соответствует
среднему значению энерговыделения
для гамма-всплесков с измеренными красными смещениями.
Уже само по себе быстрое отождествление гамма-всплеска в оптике
незаурядно -- предыдущий случай быстрого отождествления был
в 1999 г., когда еще во время самого гамма-всплеска GRB
990123
с помощью ТБР ROTSE в том же Лос-Аламосе удалось зарегистрировать
яркий оптический ореол с максимумом около 9 звездной величины.
С тех пор все попытки найти "мгновенную" оптику были безуспешными,
несмотря на появление свыше 10 ТБР-ов --
получались лишь верхние пределы, а слабый оптический ореол
(19-20 зв. величины) наблюдался
спустя несколько часов после гамма-всплесков обычными наземными
телескопами. Более того, в случае GRB 021211 аналогия
с GRB 220123 идет дальше. Как и у предшествующего,
у нашего гамма-всплеска блеск мгновенного оптического ореола круто
уменьшался со временем в первые 10 минут
как (
для
GRB 990123 за первые 14 минут), а затем стал более пологим
как
(
для GRB 990123 в последующие 20 часов). Любопытно, что
наблюдения, проведенные уже несколько часов спустя дали только
верхние пределы -- ореол исчез как не бывало.
Однако этот
последний факт легко понятен -- мы имеем дело с эффектом
джета в гамма-всплеске, причем в последнем случае эффект
проявился раньше, чем в GRB 990123. Напомним, что суть этого эффекта
проста. Релятивистская ударная волна движется
с большим Лоренц-фактором и излучает в узком конусе из-за релятивистской аберрации. Пока Лоренц-фактор велик и
, эффекта джета нет --
наблюдатель не различает сферически-симметричное распространение
излучающей области от
движения в конусе с углом раствора
.
Однако по мере торможения ударной волны и уменьшения Лоренц-фактора
до значения
темп
уменьшения потока излучения должен ускориться, поскольку
наблюдаемый поток пропорционален видимой площади источника,
а ее увеличение на поздних стадиях
ограничено размером конуса джета и пропорционально
.
Из-за этого
на кривой блеска ореола должен наблюдаться ахроматический излом,
и это действительно наблюдается почти во всех известных
оптических ореолах. В простейшей модели адиабатического
расширения ударной волны
и разница в показателях степени спадания потока от времени
должна быть
,
что действительно имеет место у GRB 990123 примерно на 2 день после
гамма-всплеска
(см. Рис. 1)

Таким образом, оптические
наблюдения доказывают общую природу GRB 990123 и GRB 021211 и
подтверждают существующую модель ярких
ранних оптических ореолов (ярче 15 зв. величины),
предложенную в 1999 г. в работах Питера Месароша
и Мартина Риса и
Реема Сари и Цви Пирана как раз накануне открытия этого явления у
GRB 990123. Согласно этой модели, мгновенные оптические ореолы
должны наблюдаться от обратной ударной волны, которая движется
внутрь расширяющейся релятивистской оболочки с умеренно-релятивистскими
скоростями. Полная энергия в обратной волне сравнима с энергией в
прямой (то есть с энергией гамма-всплеска),
но температура за фронтом примерно в
раз меньше. Это приводит к тому, что при равных физических
условиях формирования нетеплового (синхротронного в этой модели)
излучения в прямой и обратной ударных волнах максимум
излучения от обратной ударной волны будет наблюдаться на
энергиях в
более низких, чем гамма-излучение,
т. е. в оптическом и УФ-диапазоне. Уменьшение потока мгновенных
оптических ореолов со временем зависит от динамики
распространения обратной ударной волны, однако факт совпадения
временных наклонов в рассматриваемых гамма-всплесках,
по-видимому, указывает на универсальность механизма.
То обстоятельство, что максимальный оптический поток от GRB 021211
был примерно в 100 раз меньше, чем от GRB 990123 (при том, что
последнй находился на красном смещении 1.6 и был в несколько раз ярче)
может объясняться меньшей энергетикой (очевидно, эффекты джета на
столь ранних фазах не играют роли).
Публикации с ключевыми словами:
гамма-всплески - Сверхновые
Публикации со словами: гамма-всплески - Сверхновые | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> |