УДК 520.6; 5241
ПОИСК КОРОТКИХ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТОВ APEX И LILAS НА БОРТУ МЕЖПЛАНЕТНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА "ФОБОС-2"
© 2004 г. А.С.Козырев1*, И.Г.Митрофанов1, А.Б.Санин1, К. Бара2
1Институт космических исследований РАН, Москва 2Центр изучения космического излучения, Тулуза, Франция Поступила в редакцию 13.10.2003 г.
Статистический анализ спектральных и временны х свойств 546 срабатываний космического гамма-детектора APEX на борту космического аппарата "Фобос-2" позволил обнаружить группу из 28 событий, которые, вероятно, являются короткими гамма-всплесками. Распределение по параметру длительности полной группы 74 событий эксперимента APEX носит бимодальный характер, что хорошо согласуется с бимодальной формой распределения гамма-всплесков эксперимента BATSE. Поиск обнаруженной группы коротких событий по данным детектора рентгеновского и мягкого гамма-излучения LILAS, работавшего на борту того же космического аппарата, не привел к положительному результату. На основе сопоставления данных приборов APEX и LILAS сделан вывод, что короткие гамма-всплески имеют существенно пониженный поток мягкого гамма-излучения в диапазоне энергий < 100 кэВ, относительно степенного закона спектра dN/dE = CE-a, с усредненным показателем степени а = 2.62.
Ключевые слова: гамма-астрономия, космические гамма-всплески.
SEARCH FOR SHORT COSMIC GAMMA-RAY BURSTS USING DATA FROM THE APEX AND LILAS EXPERIMENTS ONBOARD THE PHOBOS-2 INTERPLANETARY SPACECRAFT, by A. S. Kozyrev, I. G. Mitrofanov, A. B. Sanin, and C. Barat. A statistical analysis of the spectral and temporal parameters for 546 triggering events on the APEX gamma-ray detector onboard the Phobos-2 spacecraft has revealed a group of 28 events that are probably short cosmic gamma-ray bursts (GRBs). The distribution of the full group of 74 APEX events in duration parameter is bimodal in shape, which is in good agreement with the bimodal shape of the BATSE GRB distribution. A search for the detected group of short events using data from the LILAS X-ray and soft gamma-ray detector onboard the same spacecraft has yielded no positive result. A comparison of the APEX and LILAS data has led us to conclude that the short GRBs have a significantly reduced soft gamma-ray flux at energies < 100 keV relative to the power law with the average index а = 2.62.
Key words: gamma-ray astronomy, cosmic gamma-ray busts.
ВВЕДЕНИЕ
Советско-французские эксперименты APEX (Astrophisico-Planetological Experiment) и LILAS проекта "Фобос-2" (Сагдеев, Захаров, 1989) функционировали в течение 8 месяцев (в период с июля 1988 г. по март 1989 г.). Одной из основных научных задач этих экспериментов было изучение космических гамма-всплесков в спектральных диапазонах энергий 50 кэВ—10 МэВ (APEX) и 6-150 кэВ (LILAS).
В эксперименте APEX использовался большой сцинтилляционный детектор CsI(Tl) с размером
Электронный адрес: kozyrev@mx.iki.rssi.ru
около 10 х 10 х 10 см и со спектральным разрешением ~10% для энергий МэВ (Митрофанов и др., 1991). В эксперименте LILAS использовались два сцинтилляционных детектора из колотых кристаллов NaI(Tl), которые позволяли регистрировать рентгеновское излучение и гамма-лучи с энергиями выше 6 кэВ (Орли и др., 1994). Чувствительность детекторов прибора LILAS существенно понижалась для фотонов с энергиями > 100 кэВ.
Оба прибора функционировали практически непрерывно в режимах "фон" и "всплеск", автоматически переходящих друг в друга. Переход из режима "фон" в режим "всплеск" производился при срабатывании так называемой "всплесковой
BATSE
«
и н
3
VO
о о
о я н о
о
V —
4 о
100
0.001 0.01
0.1 1
Т50, c
10
100
Рис. 1. Распределение по параметру длительности тво для 1779 гамма-всплесков из каталога BATSE (Пачейсас и др., 1999). Заштрихованная область со значениями 0.5 < тв0 < 3 с использовалась для сопоставления с данными прибора APEX.
ячейки", в которой в режиме "фон" проводилось непрерывное сравнение интенсивности текущего потока гамма-излучения с измеренным уровнем фона. Прибор APEX срабатывал в случае превышения сигнала над уровнем фона более чем на 7а для хотя бы одной из трех временных шкал сравнения: 0.0625, 0.25 или 1 с. Прибор LILAS срабатывал аналогичным образом на уровне 7а на шкалах 0.25 и 1 с.
После срабатывания прибор APEX переходил в режим "всплеск", в котором измерялись следующие характеристики потока гамма-лучей:
— временной профиль потока фотонов с разрешением 8 мс в течение первых 8.6 с и с разрешением 0.125 с в течение последующих 55 с. Профиль потока фотонов записывался в энергетическом диапазоне от 150 кэВ до 1.5 МэВ;
— временной профиль потока фотонов в формате времени накопления 24 отсчетов ("time-to-spill") в энергетическом диапазоне от 150 кэВ до 1.5 МэВ. Режим записи профиля времени накопления позволял достигать временно)го разрешения до долей миллисекунд;
— 116 последовательных энергетических спектров фотонов, записанных в 108 энергетических каналах в энергетическом диапазоне 64— 9200 кэВ.
Прибор LILAS в режиме "всплеск" формировал аналогичные данные для каждого из двух независимых детекторов.
ОБЗОР ДАННЫХ ПО РАНЕЕ ИЗВЕСТНЫМ ГАММА-ВСПЛЕСКАМ ПРИБОРОВ APEX, LILAS И BATSE
За 8 месяцев работы аппарата "Фобос-2" детектор APEX зарегистрировал 546 событий, во время которых происходило срабатывание "всплесковой ячейки". Прибор LILAS сработал за это же время 590 раз.
Первоначально в 1988—1992 гг. всего 58 срабатываний прибора APEX были интерпретированы как космические гамма-всплески (Митрофанов и др., 1992). Следует отметить, что в указанной статье были представлены 62 события, но впоследствии 4 из них были исключены из списка гамма-всплесков прибора APEX, поскольку они были отождествлены с солнечными вспышками или повторными срабатываниями "всплесковой ячейки", произошедшими в течение одного и того же гамма-всплеска.
В настоящее время по данным приборов BATSE и PHEBUS установлено, что распределения гамма-всплесков по параметрам длительности T50, Tgo (Кошут и др., 1996) и по эмиссионному времени т50 (Митрофанов и др., 1999) являются бимодальными (Дезали и др., 1991; Коувелиоту и др., 1993). Установлено, что существует два различных класса гамма-всплесков: "продолжительные события" с характерными эмиссионными временами т50 > 0.5 с и короткие гамма-всплески, эмиссионное время которых составляет т50 < 0.5 с. Были выполнены расчеты эмиссионного времени для 1779 гамма-всплесков из четвертого каталога эксперимента BATSE (Пачейсас и др., 1999). Их распределение явно демонстрирует бимодальный характер (рис. 1). Известно, что энергетический спектр класса коротких гамма-всплесков более жесткий, чем спектр продолжительных гамма-всплесков (Дезали и др., 1991; Коувелиоту и др., 1993).
С использованием параметра эмиссионного времени т50 было построено распределение для 58 ранее известных гамма-всплесков эксперимента APEX (рис. 2). Оказалось, что у этого распределения практически отсутствует левый пик, который должен соответствовать коротким гамма-всплескам. Из данных эксперимента BATSE следует, что доля коротких гамма-всплесков с продолжительностью т50 < 0.5 с составляет ^26% от их полного числа (см. рис. 1). В связи с тем, что в эксперименте APEX время измерения профилей гамма-всплесков было ограничено продолжительностью 63.6 с, оценка эмиссионного
времени для продолжительных всплесков оказалось заниженной, и правая часть распределения тso оказалась сдвинутой влево в область меньших значений эмиссионного времени (см. рис. 2). Поэтому для сравнения двух распределений был выбран промежуток 0.5 <т50 < 3 с, для которого данные измерений для событий BATSE и APEX вполне сопоставимы. Для эксперимента BATSE 353 событиям в промежутке 0.5 < т50 < 3 с соответствуют 460 коротких гамма-всплесков с т50 < 0.5 с (см. рис. 1). Это означает, что для эксперимента APEX 22 событиям в промежутке 0.5 < т50 < 3 с должны соответствовать около 29 коротких гамма-всплесков (см. рис. 2). В исходной базе данных эксперимента APEX (Митрофанов и др., 1999) имеется только 12 событий с эмиссионным временем т50 < 0.5 с. Это в 2.4 раза меньше того числа коротких гамма-всплесков, которое следует ожидать согласно соотношению, полученному в эксперименте BATSE.
Прибором LILAS было обнаружено 64 гамма-всплеска, причем все эти события относились к продолжительным всплескам с характерным временем переменности ^30 с. Было установлено достаточно хорошее совпадение списков продолжительных гамма-всплесков приборов APEX и LILAS во всех случаях, когда оба прибора находились в режиме "фон" и имели возможность срабатывания. В то же время короткие события из базы данных прибора APEX не присутствовали в списке срабатываний прибора LILAS и поэтому в свое время они не были отождествлены с гамма-всплесками.
Для выяснения причины несоответствия данных приборов APEX и BATSE по коротким событиям все срабатывания прибора APEX были подвергнуты повторному анализу с целью поиска наиболее вероятных кандидатов для отождествления с короткими гамма-всплесками. После этого список найденных кандидатов был сопоставлен со списком срабатываний прибора LILAS для выяснения причины отсутствия коротких гамма-всплесков в списке этого эксперимента.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛНОЙ СОВОКУПНОСТИ СРАБАТЫВАНИЙ ПРИБОРА APEX
Все 546 срабатываний прибора APEX можно разбить на следующие группы:
I — известная группа продолжительных гамма-всплесков: 60 срабатываний этой группы соответствуют ранее известным 58 гамма-всплескам эксперимента APEX (Митрофанов и др., 1992);
II — группа из 5 событий, которые с использованием данных других экспериментов были надежно отождествлены с солнечными вспышками;
APEX
12
«
и н
3
VO
о о
о я н о
о
V —
4 о
0.001
10 100
Т50, c
Рис. 2. Распределение по параметру длительности т50 для 58 ранее известных гамма-всплесков (/)и объединенное распределение 58 известных ранее и 16 новых коротких кандидатов в гамма-всплески (2), построенные по данным прибора APEX. Заштрихованная область со значениями 0.5 < т50 < 3 с использовалась для сопоставления с гамма-всплесками прибора BATSE.
III
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.