Письма в ЖЭТФ, том 96, вып. 8, с. 596-606
© 2012 г. 25 октября
ПО ИТОГАМ ПРОЕКТОВ РОССИЙСКОГО ФОНДА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Проект РФФИ #09-02-00166а
Исследования космических гамма-всплесков и мягких гамма-репитеров в российско-американском эксперименте
Конус-Винд
Е. П. Мазец, Р. Л. Аптекарьг\ С. В. Голенецкий, Т. Л. Клайн+, Ф. П. Олейник, Д. С. Свинкин, М. В. Уланов,
Д. Д. Фредерике, А. Е. Цветкова Физико-технический институт им. Иоффе, 194021 С.-Петербург, Россия
+ NASA's Goddard Space Fügbt Center, 8800 Green belt Road, Green belt, MD 20771, USA Поступила в редакцию 24 августа 2012 г.
Кратко рассмотрены результаты исследований космических гамма-всплесков и мягких гамма-репитеров, полученные в российско-американском эксперименте Конус-Винд на протяжении ряда последних лет. Эксперимент проводится с помощью российской научной аппаратуры Конус на американском космическом аппарате "Винд" непрерывно с 1994 г. в оптимальных условиях межпланетного пространства при отсутствии помех от радиационных поясов Земли и затенения детекторов. Два высокочувствительных детектора аппаратуры постоянно осматривают всю небесную сферу и регистрируют детальные временные и спектральные характеристики всплесков в широком диапазоне энергий (20кэВ-15МэВ). Данные эксперимента Конус-Винд широко востребованы в современных всеволновых исследованиях гамма-всплесков.
1. Введение. Всплески космического гамма-излучения представляют собой распространяющиеся в межзвездном пространстве нашей Вселенной высокоинтенсивные импульсные потоки фотонов, основная доля энергии которых приходится на интервал от десятков кэВ до десятков МэВ. Когда такая очень тонкая волна фотонов движется сквозь Солнечную систему и регистрируется гамма-детекторами на борту космических аппаратов, наблюдатель видит то, что известно как космические гамма-всплески. Направление на источники всплесков заранее не известно. Длятся они от десятков миллисекунд до тысяч секунд. Гамма-всплески были открыты в 19671973 гг. на американских спутниках "Вела" [1]. Одно из первых независимых подтверждений этого открытия было дано в наблюдениях на спутнике Космос-461 [2]. Первые всесторонние исследования этого необычного астрофизического явления были проведены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе в экспериментах КОНУС на межпланетных станциях Венера 11-14 в 1979 -1983 гг. [3-6]. В них впервые были определены основные характеристики временных профилей и энерге-
Ч e-mail: aptekaremail.ioffe.ru
тических спектров гамма-всплесков. Было установлено, что распределение их источников по небесной сфере носит случайный характер. Был открыт новый редкий класс астрофизических объектов, позднее получивший название "мягкие гамма-репитеры" (Soft Gamma Repeaters, SGRs). Результаты эксперимента КОНУС были подтверждены на большей статистике событий в американском эксперименте BATSE (Burst And Transient Source Experiment) на орбитальной обсерватории Compton [7].
Принципиально важным в исследованиях гамма-всплесков стало обнаружение 28 февраля 1997 г. европейским спутником BeppoSAX рентгеновского послесвечения источника гамма-всплеска (GRB970228). Эти данные были переданы на Землю в режиме реального времени [8]. Исследования источника всплеска в широком диапазоне длин волн на наземных телескопах привели к обнаружению оптического послесвечения всплеска и к определению его красного смещения [9]. Результаты последующих наблюдений показали, что по крайней мере часть источников гамма-всплесков находится на космологических расстояниях с красным смещением г ~ 1 и более [10]. Следовательно, наблюдаемые события имели место
в ранней Вселенной миллиарды лет назад. Оценки энергии всплесков в предположении изотропности излучения составляют ~ 1052 —1054 эрг, что сравнимо с массой покоя Солнца.
Задача выяснения природы космических гамма-всплесков как источников экстремального взрывного выделения гигантских потоков электромагнитной энергии является одной из приоритетных в программах фундаментальных космических исследований многих стран. В 2004 г. был запущен американский спутник Swift, телескоп ВАТ которого локализует источники гамма-всплесков с точностью в несколько угловых минут и транслирует эти данные на Землю в режиме реального времени [11]. Два других телескопа этой миссии - рентгеновский телескоп XRT и ультрафиолетовый телескоп UVOT -оперативно (в течение примерно 1 мин) автоматически наводятся на источник всплеска и начинают его исследование. Успешное многолетнее функционирование спутника Swift оказало кардинальное влияние на развитие современных всеволновых исследований источников космических гамма-всплесков на широкой сети наземных телескопов. С 2008 г. успешно работает американская миссия Fermi, в составе которой имеются гамма-телескоп высоких энергий LAT и набор спектрометрических детекторов гамма-всплесков GBM [12, 13]. Тем самым диапазон исследования гамма-излучения всплесков расширен до ~ 300ГэВ.
По распространенным представлениям излучение коротких (с длительностью менее 2 с) гамма-всплесков связано с коллапсом релятивистских объектов, в роли которых рассматриваются две нейтронные звезды или нейтронная звезда и черная дыра. Длинные гамма-всплески (с длительностью более 2 с) связываются с коллапсом ядер массивных звезд с образованием черной дыры или магнитара. Обзор современных теоретических моделей источников гамма-всплесков и механизмов генерации в них электромагнитного излучения содержится в [14-16]. Результаты и ключевые проблемы экспериментальных исследований гамма-всплесков рассмотрены в [17, 18]. С увеличением числа обнаруженных гамма-всплесков с известным красным смещением стало интенсивно развиваться направление исследований, связанное с их использованием для анализа процессов, происходивших на ранних стадиях развития Вселенной [19, 20].
Исследования космических гамма-всплесков в экспериментах ФТИ им. А.Ф.Иоффе были продолжены в российско-американском эксперименте Конус-Винд на околоземных космических аппаратах
Космос-2326, Космос-2367 и Космос-2421, а также астрофизических солнечных космических обсерваториях Коронас-И, Коронас-Ф и КОРОНАС-ФОТОН. Краткий обзор результатов этих наблюдений содержится в [21, 22]. В настоящей статье рассматриваются результаты эксперимента Конус-Винд, полученные на протяжении нескольких последних лет.
2. Методика наблюдений гамма-всплесков в эксперименте Конус-Винд. Российско-американский эксперимент по исследованию космических гамма-всплесков успешно проводится на американском космическом аппарате Wind с помощью научной аппаратуры КОНУС ФТИ им. А. Ф. Иоффе непрерывно с ноября 1994 г. Орбита и условия наблюдения гамма-всплесков в эксперименте исключительно благоприятны. Детекторы аппаратуры постоянно осматривают всю небесную сферу в оптимальных условиях межпланетного пространства при стабильном радиационном фоне и в отсутствие помех от радиационных поясов и затенения Землей.
Аппаратура Конус-Винд представляет собой сцинтилляционный гамма-спектрометр, состоящий из двух идентичных спектрометрических детекторов гамма-квантов и электронного блока для регистрации и предварительной обработки сигналов детекторов [23]. Каждый детектор содержит кристалл NaJ(Tl) диаметром 130 мм и высотой 75 мм, помещенный в тонкостенный алюминиевый контейнер с бериллиевым входным окном и выходным окном из свинцового стекла высокой прозрачности для защиты от фона космического аппарата в мягкой области спектра. Такой детектор обеспечивает низкий энергетический порог регистрации излучения (от 10-12 кэВ), диапазон регистрации гамма-квантов до 15МэВ с энергетическим разрешением 8.5 -9.0% на линии 660 кэВ 137Cs и чувствительность обнаружения всплесков на уровне ~ Ю-7 эрг • см-2. По ширине энергетического диапазона и степени защиты от фона космического аппарата эти детекторы не имеют аналогов в мировой практике наблюдений гамма-всплесков. Детекторы размещены на стабилизированном вращением космическом аппарате таким образом, что они непрерывно осматривают северную и южную полусферы эклиптики.
Аппаратура постоянно находится в режиме ожидания всплеска. Она начинает автоматически регистрировать с высоким временным разрешением информацию о гамма-всплеске, как только статистически значимое увеличение скорости счета гамма-квантов фиксируется ячейкой выделения всплеска. В настоящее время запись временных профилей всплес-
ков осуществляется в энергетических интервалах 2080, 80-300 кэВ и 300-1200 кэВ с временным разрешением от 2 до 256 мс и общей длительностью записи 230 с. Стандартная программа регистрации временных профилей событий обеспечивает временное разрешение 2мс на протяжении первых 0.5 с длительности всплеска и в течение 0.5с "предыстории". В аппаратуре имеются также два специальных временных анализатора (так называемые временные нониусы), которые позволяют регистрировать с высоким временным разрешением, равным 2 мс, любую часть профиля события, содержащую резко выраженные увеличения скорости счета гамма-квантов.
Энергетические спектры событий измеряются с помощью двух многоканальных амплитудных анализаторов с квазилогарифмической шкалой в двух интервалах энергии: 20-1100 кэВ и 350 кэВ-15 МэВ. Специальная адаптивная система автоматически регулирует время набора спектра в зависимости от интенсивности всплеска. Это позволяет получать данные о быстрой спектральной переменности даже для слабых событий в условиях ограниченной статистики. Номинальное значение нижних энергетических порогов детекторов в начале эксперимента составляло 12кэВ. При многолетней непрерывной работе коэффициенты усиления детекторов медленно уменьшались из-за деградации катодов фотоэлектронных умножителей. Возможности их коррекции по командам с Земли были исчерпаны в 1997 г. По состоянию на июль 2012 г. нижний порог детектора, осматривающего южную небесную полусферу, составляет 21.5 кэВ, северную - 18.5 кэВ. Для удобства сравнения при обработке данные приводятся к порогу 20 кэВ в обоих детекторах. Опыт многолетних наблюдений гамма-всплесков в эксперименте Конус-Винд и их сравнение с данными других приборов подтвердили оптимальность
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.