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
-Г
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
-Г
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.