УДК 524.354.4
КАТАЛОГ КОРОТКИХ ГАММА-ТРАНЗИЕНТОВ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ SPI INTEGRAL
© 2014 г. П. Ю. Минаев*, А. С. Позаненко, С. В. Мольков, С. А. Гребенев
Институт космических исследований РАН, Москва Поступила в редакцию 24.12.2013 г.
Проведен анализ данных наблюдений, выполненных телескопом SPI обсерватории INTEGRAL с целью поиска коротких транзиентных явлений длительностью от 1 мс до десятков секунд. Разработан алгоритм выделения гамма-событий на фоне большого числа взаимодействий заряженных частиц с детектором. Проведена классификация событий. Помимо событий, связанных с подтвержденными другими космическими экспериментами космическими гамма-всплесками, активностью известных источников повторных мягких гамма-всплесков (например, SGR 1806-20), найдены гамма-всплески, о которых ранее не сообщалось. Отобраны кандидаты в гамма-всплески, а также короткие гамма-события, вероятно ассоциированные с активностью известных SGR и AXP. Подробно исследована спектральная эволюция 28 ярких гамма-всплесков из каталога. Предложен новый метод исследования спектральной эволюции. Показано, что для всплесков с простой структурой кривой блеска и для отдельных импульсов многоимпульсных событий зависимость спектрально-временной задержки от энергии описывается логарифмической функцией lag ~ Alog(E). Установлено, что параметр А зависит от длительности импульса, причем зависимость универсальна для всех исследованных гамма-всплесков. Отрицательные значения спектрально-временной задержки для всплесков с простой структурой кривой блеска не обнаружены.
Ключевые слова: гамма-транзиенты, гамма-всплески, источники мягкого повторного гамма-излучения, спектральная эволюция, спектрально-временная задержка, кросс-корреляционный анализ.
DOI: 10.7868/S0320010814050039
ВВЕДЕНИЕ
Гамма-всплески — одни из самых мощных взрывов во Вселенной. Несмотря на то что они активно исследуются уже почти полвека, их природа до сих пор не ясна.
Гамма-всплески принято классифицировать на два типа, которые связаны с двумя различными прародителями. Первый тип — короткие гамма-всплески, связан, по-видимому, со слиянием компактных компонентов (нейтронных звезд, черных дыр) в двойной системе, вследствие чего этот класс гамма-всплесков также называют "mergers" (Па-чинский, 1986; Межарос, Рис, 1997, 1992; Россвог, Рамирез-Руиз, 2003a; Россвог и др., 2003б). Большинство коротких гамма-всплесков имеют длительность Тдо менее 2 с (Кувелиоту и др., 1993; Норрис и др., 2005). Характерная величина длительности, отделяющей длинные всплески от коротких, зависит от спектрального диапазона (см.,
Электронный адрес: minaevp@mail.ru
например, Минаев и др., 2010б). Детальное рассмотрение феноменологических признаков коротких гамма-всплесков содержится в работе (До-нахью и др., 2006). Однако в кривых блеска как некоторых индивидуальных событий, так и в суммарной кривой блеска группы событий, обнаружено продленное излучение, длительность которого составляет десятки секунд (Лаззати и др., 2001; Коннатон, 2002; Фредерикс и др., 2004; Монтанари и др., 2005; Герелс и др., 2006; Минаев и др., 2009, 2010в,б). Природа и модели продленного излучения обсуждаются, например, в работах (Метцгер и др., 2008; Барков, Позаненко, 2011). До сих пор не выяснено, является ли продленное излучение общим свойством всех коротких гамма-всплесков.
Второй тип гамма-всплесков — длинные всплески, вероятно, связаны с коллапсом ядер сверхмассивных звезд, поэтому данный класс также называют "collapsars" (Вусли, 1993; Пачинский, 1998; Фраер и др., 1999; Межарос, 2006). В некоторых случаях длинный гамма-всплеск также сопровождается наблюдением Сверхновой типа
Ib/c (Галама и др., 1998; Хьорт и др., 2003), которую часто называют Гиперновой (Пачинский, 1998) вследствие очень высокой светимости, на порядки превышающей светимость типичных Сверхновых данного типа (Кулкарни и др., 1998). Длительность большинства событий этого класса больше 2 с (Кувелиоту и др., 1993; Норрис и др., 2005).
Доля коротких всплесков в эксперименте BATSE составляет 25% (Кувелиоту и др., 1993), а в эксперименте IBIS/ISGRI, размещенном на обсерватории INTEGRAL, — всего 4% (Вианелло и др., 2009). В работе (Минаев и др., 2010б) обсуждается зависимость доли коротких гамма-всплесков от нижнего энергетического порога срабатывания детектора гамма-всплесков. Данная зависимость показывает, что доля коротких всплесков растет с увеличением нижнего энергетического порога срабатывания детектора. Эта зависимость связана с тем, что короткие гамма-всплески имеют более жесткий спектр по сравнению с длинными, поэтому их легче обнаружить в более жестком энергетическом диапазоне. Действительно, нижний порог срабатывания телескопа IBIS/ISGRI ниже, чем порог BATSE, поэтому доля коротких гамма-всплесков в эксперименте IBIS/ISGRI может быть ниже, чем в эксперименте BATSE. Ожидаемое значение составляет около 10% (наблюдаемое — 4%). Таким образом, в эксперименте IBIS/ISGRI наблюдается недостаток коротких гамма-всплесков, даже с учетом зависимости доли коротких гамма-всплесков от нижнего энергетического порога чувствительности детектора.
Как было показано в работах (Минаев и др., 2009, 2010а,б), доля коротких гамма-всплесков, зарегистрированных с помощью антисовпадатель-ной защиты ACS спектрометра SPI, также размещенного на обсерватории INTEGRAL, может достигать 45%, что значительно больше, чем считалось до сих пор. Однако доля неподтвержденных коротких событий в SPI-ACS составляет 30%. Таким образом, с одной стороны, в эксперименте IBIS/ISGRI наблюдается недостаток коротких гамма-всплесков, а с другой — в эксперименте SPI-ACS наблюдается избыток коротких неподтвержденных событий (см. также Рау и др., 2005).
Система автоматического отбора событий IBAS используется только для анализа данных инструментов IBIS/ISGRI и SPI-ACS (Мерегетти и др., 2003), и не используется для анализа данных спектрометра SPI. Спектрометр SPI более чувствителен к жесткому гамма-излучению с энергией более 100 кэВ (по сравнению с IBIS/ISGRI), которое характерно для коротких гамма-всплесков. Поэтому в данных эксперимента SPI INTEGRAL могут присутствовать не обнаруженные ранее системой
IBAS гамма-события с жестким энергетическим спектром, в том числе, и короткие гамма-всплески. Одной из целей данной работы является поиск коротких гамма-всплесков в данных эксперимента SPI INTEGRAL в широком энергетическом диапазоне (20, 8000) кэВ. Поиск транзиентных событий в данных SPI в энергетическом диапазоне, соответствующем аннигиляционной спектральной линии 511 кэВ, был проведен в работе (Цыганков, Чуразов, 2010).
Помимо длительности и жесткости спектра в исследованиях гамма-всплесков применяется параметр, характеризующий эволюцию спектра — спектрально-временная задержка (лаг). Лаг представляет собой смещение по времени профилей кривых блеска в различных энергетических каналах и считается положительным, если временной профиль в более мягких энергетических каналах "запаздывает" относительно профиля в жестких каналах. Для коротких гамма-всплесков характерно малое положительное значение лага, а в части всплесков лаг отсутствует в пределах статистической ошибки (Норрис, Боннел, 2006; Женг и др., 2006). Для длинных гамма-всплесков характерны большие положительные значения спектрально-временной задержки. Обнаружена эмпирическая зависимость величины лага от светимости для класса длинных гамма-всплесков (Норрис и др., 2000; Норрис, 2002; Герелс и др., 2006; Шеффер, 2007; Хаккила и др., 2008; Укватта и др., 2012).
Существует несколько теоретических моделей, объясняющих природу спектрально-временной задержки. Одна из моделей, обсуждаемая в работах (Дермер, 1998; Кочевский, Лианг, 2003; Рюд, 2005), предполагает спектральную эволюцию в течение активности центральной машины всплеска (prompt emission), связанную с изменением свойств самого источника всплеска. В работе (Пенг и др., 2011) высказано предположение, что спектральная эволюция центральной машины всплеска может объяснить как положительные, так и отрицательные лаги при определенных условиях.
Другая модель, объясняющая природу лагов, основана на релятивистском кинематическом эффекте (curvature effect) и обсуждается в работах (Сальмонсон, 2000; Йока, Накамура, 2001; Дермер, 2004; Шен и др., 2005; Лу и др., 2006; Укватта и др, 2012). Если предположить, что фотоны излучаются со сферически симметричной релятивистски расширяющейся оболочки одновременно в сопутствующей системе отсчета, то наблюдатель, находящийся на бесконечности, зарегистрирует фотоны, излученные вдоль оси источник — наблюдатель, раньше, чем остальные, внеосевые фотоны. При этом наблюдаемая энергия фотонов зависит
от величины угла между направлением движения фотона и осью источник-наблюдатель: чем больше угол, тем "мягче" фотон, т.е. фотоны, излучаемые вдоль оси источник-наблюдатель, регистрируются раньше и имеют наибольшую энергию. Таким образом, кинематическая модель объясняет лишь положительные лаги. Также возможна ситуация, когда за возникновение лагов ответственны как кинематические эффекты, так и изменение свойств центральной машины (Пенги др., 2011). Кинематические эффекты всегда увеличивают значение лага, тогда как второй механизм может объяснять как отрицательные лаги, так и положительные.
Существует еще одна возможная модель, описывающая отрицательные лаги. Как будет рассмотрено ниже, отрицательные лаги могут быть следствием наложения (суперпозиции) отдельных импульсов, причем значение лага для каждого импульса положительное, а спектральная жесткость импульсов возрастает со временем (при переходе от импульса к импульсу).
В работе (Хаккила, Прис, 2011) показано, что наблюдаемые свойства коротких импульсов в длинных гамма-всплесках со сложной многоимпульсной структурой аналогичны свойствам коротких гамма-всплесков. Это может означать, что, несмотря на различия во многих наблюдаемых свойствах коротких и длинных всплесков, физический механизм излучения един для обоих типов.
В данной работе проведен поиск и исследование гамма-всплесков и других коротких гамма-транзиенто
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.