научная статья по теме СПЕКТРАЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ ЖЕСТКОСТИ ДЛЯ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ Физика

Текст научной статьи на тему «СПЕКТРАЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ ЖЕСТКОСТИ ДЛЯ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2014, том 78, № 3, с. 333-337

УДК 52-6,524.8,520.8

СПЕКТРАЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ ЖЕСТКОСТИ ДЛЯ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ © 2014 г. И. В. Архангельская, Е. В. Воеводина, А. А. Зенин

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва E-mail: irene.belousova@usa.net; elenavoevodina89@gmail.com

Вводятся новые интегральные спектральные критерии на основе бэндовской модели энергетических спектров, которые могут быть использованы для исследования данных в широком диапазоне энергий. Проведен анализ этих критериев и спектральных параметров для гамма-всплесков из каталогов BATSE и Fermi/GBM. Результаты обработки данных показали, что новые критерии могут быть использованы для классификации гамма-всплесков, в том числе и для выделения подгруппы событий промежуточной длительности.

DOI: 10.7868/S036767651403003X

ВВЕДЕНИЕ

Наблюдение гамма-всплесков проводилось в нескольких десятках экспериментов, начиная со времени их первой регистрации спутниками серии \fela в конце 1960-х годов [1]. Первый подробный каталог всплесков был получен по результатам эксперимента BATSE на борту Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) [2] в энергетическом диапазоне 20 кэВ—2 МэВ. В течение эксперимента BATSE было опубликовано пять каталогов GRB, каждый из которых содержал данные с начала эксперимента и соответственно включал в себя предыдущий. Например, все данные IB-каталога содержались в 2B, который, в свою очередь, был частью SB-ката-лога и т.д.

Последний каталог эксперимента BATSE (5B) насчитывал около 3000 событий [2]. Распределение по длительности для всплесков из этого каталога, для которых определены спектральные параметры, приведено на рис. 1 совместно с аналогичным распределением для событий из каталога всплесков, которые не были идентифицированы в процессе бортовой обработки данных, а были обнаружены уже при наземном анализе (nontrig-gered bursts catalogue) [3, 4]. Анализ данных указывает на дефицит событий в области от 2 до 10 с в каталоге, полученном при наземной обработке, что может указывать на большую относительную интенсивность этих всплесков в пределах объема исследуемой выборки, чем собственно коротких и длинных [5], так как при бортовой обработке слабые события могут быть пропущены [4]. Соответственно при одинаковой относительной интенсивности всплесков в разных группах, форма распределения событий по длительности должна быть подобна в каталогах, полученных при бортовой и наземной обработке.

В настоящее время жесткое гамма-излучение GRB в диапазонах до нескольких МэВ и выше изучается в пяти спутниковых экспериментах: Fermi (три диапазона 8 кэВ-1 МэВ, 200 кэВ-40 МэВ и 20 МэВ—300 ГэВ) [6, 7]; AGILE (два диапазона 18-60 кэВ и 30 МэВ—50 ГэВ) [8]; три инструмента на борту обсерватории ИНТЕГРАЛ дают возможность регистрировать излучение в диапазонах 335 кэВ, 15 кэВ-1 МэВ, 20 кэВ-8 МэВ [9], также три диапазона наблюдения обеспечивает космический аппарат Suzaku (0.4-10 кэВ, 10-600 кэВ, 50 кэВ-5 МэВ) [10], а приборы на борту ИСЗ Wind позволяют регистрировать события в областях 10-800 кэВ и 15 кэВ-10 МэВ [11].

1. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ

Изучение всплесков из каталогов ВАТ8Е позволило ввести несколько моделей для описания энергетических спектров ОЯВ [12]. Основные типы моделей и их параметры приведены в таблице, однако спектры большинства событий описываются моделью Бэнда [13] со следующими параметрами: а, в (показатели спектра в области низких и высоких энергий) и энергией Ереак, соответствующей спектральному максимуму в том случае, если в < —2. В противном случае значение этого параметра совпадает с ЕЬгеак = Ереак/(2 + а).

Кроме собственно спектральных параметров при анализе каталогов ВАТ8Е была введена жесткость события Н32 (отношение общего числа счета в диапазонах энергий 100—300 и 50—100 кэВ), которая использовалась для дополнительной классификации событий на жесткие и мягкие [18], выделения группы ОЯВ промежуточной длительности (см. рис. 1 и [19]) и т.д.

0.01 0.1 1 10 100 1000 0.01 0.1 1 10 100 1000

¿90, c ¿90, c

Рис. 1. Распределения количества GRB (NGrB ) по длительности ¿90 для всплесков, зарегистрированных BATSE и Fer-mi/GBM: 1 — полный объем данных из 5B каталога BATSE, 2 — полный объем данных из каталога событий, обнаруженных при наземной обработке результатов эксперимента BATSE ( nontriggered bursts), 3 — промежуточная подгруппа GRB [5], полученная при анализе распределений по жесткости и длительности для всплесков 5B каталога BATSE, 4 — полный объем данных из каталога Fermi/GBM, 5 — данные без промежуточной подгруппы из каталога Fermi/GBM, 6 — промежуточная подгруппа, полученная при анализе распределений по критериям I^ и H = Ij/lgI2 и длительности для всплесков из каталога Fermi/GBM.

334

ngrb 250

200

150

100

50

АРХАНГЕЛЬСКАЯ и др.

ngrb

BATSE

50

40

30

20

10

Fermi

0

0

2. СПЕКТРАЛЬНЫЙ КРИТЕРИЙ ДЛЯ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ

В настоящее время ОЯБ наблюдаются в очень широком диапазоне энергий; например, бэндов-ский спектр 0ЯБ080916С покрывает шесть порядков [20], для некоторых всплесков параметр в характеризует форму спектра до нескольких сотен МэВ (в частности, для 0ЯБ100724Б [21]).

где Г — гамма-функция, А — амплитуда (фотон/(с • см2 • кэВ)), E — энергия (кэВ), отвечающая различным условиям (см. модель Band таблицы), а и в — спектральные индексы в диапазо-

Кроме того, спектральный параметр жесткости Н32 (отношение общего темпа счета в диапазоне энергий 100—300 и 50—100 кэВ) не полностью отражает все спектральные особенности событий с Ереак > 300 кэВ.

В представленной работе на основе модели Бэнда вводятся два интегральных спектральных критерия:

(1)

(2)

нах низкой и высокой энергии соответственно, Ереак — энергия спектрального максимума (кэВ), Етпп — минимальная анализируемая энергия гамма-всплеска (кэВ), Етах — максимальная анализируе-

/1 = A J

100 кэВ

exp

-E (2 + а)

V peak J

\ а+1

dE = ■

100а кэВ

peak

( + а)

а +

1 (2 + a)Emin

peak J

а +

E

-'-'max

I2 = Л J

(а - ß)E 4

E,

'peak

100 кэВ (2 + а)

(a-ß)

exp (ß - а)

100 кэВ

1 (2 + а) Em E

Epeak J

ß ( dE = Л

(а ß) Epeak

100 кэВ (2 + а)

1 í -100 кэВ ]ß х-1 1

ßV ß - а

Л

Г

L V'

i, - (ß-а)!-Epeak ß v V100 кэВ

ß

1, - (ß - а)

100 кэВ

ß

E

X

КРИТЕРИИ ЖЕСТКОСТИ ДЛЯ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ 335

Спектральные модели GRB и их характеристики [12—17]

Модель Параметры модели

'Л((100 кэВ)а exp(-E(2 + a)/Epeak) „ л , для E < (а — ß) Epeak j(2 + а) = Ebreak; Модель Band: fBand (E) = \ в А {(а - ß) Epeakj[100 (2 + а)]}} exp (ß - а) (E/ 100)p для E > (а - ß) Epeakl(2 + а) А: амплитуда(фотон/(с • см2 • кэВ), а: спектральный индекс в диапазоне низкой энергии, в: спектральный индекс в диапазоне высокой энергии, Ереак': энергия спектрального максимума (кэВ).

Модель комптоновского рассеяния (COMP): fcoMP (E) = А (E/EpiV ) exp (-E(2 + X))/Epmk А: амплитуда(фотон/(с • см2 • кэВ), Ереак: энергия спектрального максимума (кэВ), X: спектральный индекс, Ер[У: энергия перегиба в спектре (кэВ) (всегда фиксированное значение).

Модель степенного спектра с изломом (PLAW): We)=А\EE> >*•E s E {{EblEpv) (E/Eb) , E > Eb А: амплитуда(фотон/(с • см2 • кэВ), Ер[У: энергия перегиба в спектре (кэВ) (всегда фиксированное значение), Х1: показатель спектра до излома, Еь: энергия излома спектра (кэВ), Хь: показатель спектра после излома.

Модель степенного спектра со сглаженным изломом (SBPL): ( Y fsBPL(E) _ А E^l • 10(НЧ V Epiv J (ea - e-al (eapiv - e-aPiv l ß = mA ln e e I, ß Biv _ mA ln e e 1, m =2 Л1, V 2 1 ppiv V 2 J 2 a_ lg10 (ElEb ) a _ lg10 (EpivlEb ) b A ' piv A ' 2 . А: амплитуда(фотон/(с • см2 • кэВ), Ер[У: энергия перегиба в спектре (кэВ) (всегда фиксированное значение), Х1: спектральный индекс в диапазоне низкой энергии, Еь: энергия излома спектра (кэВ), А: значение энергии излома спектра, Х2: спектральный индекс в диапазоне высокой энергии.

мая энергия гамма-всплеска (кэВ). В представленной работе изучались критерии 11 и /2, а также их комбинации Н = 11/1ё 12 при различных значениях ЕтПп и Етах, но, по результатам предварительного анализа данных, особенности распределения гамма-всплесков по предлагаемым критериям наиболее выражены при значениях Ет!п = 20 кэВ и Етах = 2 МэВ.

С использованием данных критериев проводилось изучение популяции гамма-всплесков из каталога BATSE, для спектров которых наилучшей аппрооксимацией являлась бэндовская модель [22]. Анализ данных показал наличие некоторых специфических особенностей в области t90 ~ 12 с на распределениях гамма-всплесков по длительности

336

Ii , отн. ед.

100 Г

10 г

АРХАНГЕЛЬСКАЯ и др.

Ngrb (модель Band) I1/lgI2, отн. ед.

□ о □

BATSE

300

Ngrb (модель Band)

,w

□ о Г

I

1 .........I I 111

0.01 0.1 1

10

g 200£

=s 3

н

л о

с

^100-

£

1И1Г T T I nni

100 1000

■50

-40

-30

20

10

1

0.1

0.01

0.001 i'ii'iiiii.........

0.01 0.1 1

BATSE 300250

о

| 200-

tö M

| 150'

~ 100£

50

I I I IIIIII —рИт

гтттр 10

ттп]—I I 11 hlq 11

100 1000

20 18 16 14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

i ii i ll|

100 t90, c

16 14 12 10 8 6 4 2 0

100 E"

0.001

I-1 I I I I 111 -I-1 II I I I г

1

16 14 12 10 8 6 4 2 0

10

100 t90, c

Рис. 2. Распределения для GRB, спектры которых аппроксимируются бэндовской моделью, из каталогов 5B BATSE и Fermi/ GBM по Ii и длительности а также по H = Ii /lg I2 и длительности ^д. Локальный минимум для распределения отмечен цифрой 1. Для сравнения гистограммами показаны распределения количества GRB по длительности ¿90 для всплесков, зарегистрированных BATSE (2 — полный объем данных, 3 — полная выборка событий, для которых характерна бэндовская форма спектра, 4 — группа всплесков промежуточной длительности) и Fermi/GBM (5 — полная выборка событий, для которых характерна бэндовская форма спектра, 6 — данные без промежуточной подгруппы по Fermi/GBM (только для бэндовской модели), 7 — промежуточная подгруппа из каталога Fermi/GBM (только для бэндов-ской модели).

1

2

0

и новым критериям I1 и I2 (см. формулы (1) и (2)), а также их комб

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.

Показать целиком