КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-12-00250

НазваниеКомплексные исследования космических гамма-всплесков, галактических и внегалактических мягких гамма-репитеров

РуководительФредерикс Дмитрий Дмитриевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2023 г. 

Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды

Ключевые словагамма-всплески, мягкие гамма-репитеры, магнитары, гравитационные волны, черные дыры, нейтронные звезды, сверхновые

Код ГРНТИ41.17.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Предлагаемый проект направлен на исследование природы наиболее ярких вспышек жесткого электромагнитного излучения - космических гамма-всплесков (Gamma-ray bursts, GRB) и вспышек мягких гамма-репитеров (Soft gamma-repeaters, SGR), влияния излучения GRB на межзвездную среду родительских галактик, а также связи GRB и SGR с широким классом электромагнитных транзиентных событий в диапазоне от радио до жесткого гамма-излучения и событиями неэлектромагнитной природы (гравитационные волны, нейтрино высоких энергий). Недавнее совместное детектирование гравитационных волн от слияния нейтронных звезд и короткого гамма-всплеска (событие GW170817/GRB170817A) подтвердило гипотезу о происхождении коротких гамма-всплесков от слияния компактных объектов и открыло новую эпоху в многоканальной астрономии. В рамках проекта планируется провести систематический анализ локализаций, спектральных, временных и энергетических характеристик более 200 коротких гамма-всплесков, зарегистрированных в эксперименте Конус-Винд в 2011-2020 гг, результаты которого дополнят каталог событий 1994-2010 гг (Svinkin et al., 2016, ApJS 224, 10) и впервые предоставят научному сообществу однородные данные по одному из наиболее обширных наборов коротких всплесков (более 500 событий), зарегистрированных в широком спектральном диапазоне 20 кэВ-15 МэВ. Результаты данной работы будут способствовать развитию моделей и пониманию процессов излучения при слиянии компактных релятивистских объектов, а также позволят проводить ретроспективный поиск жесткого электромагнитного излучения гравитационно-волновых событий, гигантских вспышек внегалактических магнетаров и других транзиентных явлений. Для понимания природы гамма-всплесков одной из важнейших задач является исследование внутренней неоднородности их популяции. Многопараметрический кластерный анализ выборки более 3000 гамма-всплесков, зарегистрированных в эксперименте Конус-Винд (в том числе – более 330 GRB с известным красным смещением) позволит провести классификацию гамма-всплеков по их временным, спектральным и энергетическим характеристикам, определенным как в системе отсчета наблюдателя, так и в космологической системе отсчёта, и провести интерпретацию результатов в контексте физических моделей источников и механизмов генерации излучения в гамма-всплеске, в т.ч. исследование возможной неоднородности классов коротких и длинных GRB. В ходе данной работы будут также получены новые оценки параметров и надёжности корреляций жесткость-светимость для всей исследуемой выборки и отдельных групп гамма-всплесков, выделенных в ходе кластерного анализа. Большинство моделей гамма-всплесков предполагает, что GRB связаны с возникновением ультрарелятивистской струи (джета), излучение которого сильно коллимировано (направлено в узкий телесный угол). Таким образом, гамма-всплеск, джет которого не был направлен на наблюдателя, не будет зарегистрирован, но, в то же время, интенсивное собственное излучение гамма-всплеска, а также послесвечение с неизбежностью повлияет на межзвездную среду в окрестностях источника. В проекте предлагается провести исследование процессов, индуцированных рентгеновским и гамма-излучением всплеска в молекулярных облаках родительской галактики, а также оценить возможность наблюдения долговременных эффектов, вызванных гамма-всплесками, произошедшими в близких галактиках. В проводимом авторами эксперименте Конус-Винд накоплен уникальный объем данных по ярким (интегральный поток >5x10^-7 эрг/см^2) коротким и «промежуточным» вспышкам от шести галактических мягких гамма-репитеров. Планируемый в ходе реализации данного проекта детальный анализ временных, спектральных, и энергетических характеристик ~250 таких событий позволит, с привлечением данных других экспериментов, получить существенно новые результаты, важные для выявления общих свойств популяции вспышек SGR, таких как функции светимости и полного энерговыделения, а также распределений временных и спектральных параметров и их потенциальной неоднородности. Данная задача становится исключительно актуальной, в частности, в целях проверки гипотезы о связи аномально жестких рентгеновских вспышек магнетаров с быстрыми радиовсплесками (fast radio bursts, FRB), возникшей благодаря одновременному детектированию 28 апреля 2020 г. необычно жесткого рентгеновского всплеска от SGR 1935+2154 (Ridnaia, Svinkin, Frederiks, et al. 2020, Nature Astronomy, in press) и первого в истории наблюдения FRB от галактического источника (CHIME/FRB collaboration, 2020, Nature 587, 54; Bochenek et al., 2020, Nature 587, 59). Важной задачей данного проекта является детальное исследование чрезвычайно редких гигантских вспышек SGR, обладающих колоссальной светимостью. В 2020 г, на основе прецизионной локализации сетью космических детекторов гамма-излучения (InterPlanetary Network, IPN) сверхяркого короткого GRB 200415A и анализа его временных, спектральных и энергетических характеристик по данным эксперимента Конус-Винд, было показано, что данное событие является исключительно яркой (L~10^48 эрг/с) гигантской вспышкой внегалактического мягкого гамма-репитера (магнетара), третьей в истории наблюдений и наиболее надежно ассоциированной с близкой галактикой (Svinkin, Frederiks, Hurley, et al., 2020, Nature, in press). Детальное исследование и сравнительный анализ временных, спектральных и энергетических характеристик наиболее полной выборки подобных событий, зарегистрированных в эксперименте Конус-Винд (GRB 051103, GRB 070201, GRB 200415A) в отсутствие эффектов глубокого насыщения, присущих наблюдениям гигантских вспышек от галактических источников, позволит получить новую и важную информацию о процессах гигантского энерговыделения в окрестностях нейтронных звезд со сверхвысокими магнитными полями.

Ожидаемые результаты
(i) Будет подготовлен к печати каталог локализаций более 200 коротких гамма-всплесков, зарегистрированных в эксперименте Конус-Винд в 2011-2020 гг. и каталог временных, спектральных и энергетических характеристик более 500 коротких гамма-всплесков, зарегистрированных в эксперименте Конус-Винд в 1994-2020 гг. Онлайн-версии каталогов будут представлены на сайте ФТИ им. Иоффе. Выпуск данного каталога, одного из наиболее обширных наборов характеристик коротких GRB, зарегистрированных в широком спектральном диапазоне (20 кэВ - 15 МэВ), будет способствовать развитию моделей и пониманию процессов излучения при слиянии компактных релятивистских объектов, а также ретроспективному поиску жесткого электромагнитного излучения гравитационно-волновых событий, гигантских вспышек внегалактических магнетаров и других транзиентных явлений. (ii) На основе многопараметрического кластерного анализа временных, спектральных и энергетических характеристик выборки более 3000 гамма-всплесков, зарегистрированных в эксперименте Конус-Винд (в том числе – более 330 GRB с известным красным смещением), и данных других экспериментов (Fermi-GBM, Swift-BAT) будет получена уточненная классификация событий по физическим типам их источников и механизмам излучения. В частности, исследованы параметры кластеров «классических» гамма-всплесков типов I и II, всплесков малой светимости (llGRBs), cверхдлинных всплесков (ulGRB), гигантских вспышек внегалактических SGR, возможных новых и промежуточных кластеров. Будут получены новые оценки параметров и надёжности корреляций жесткость-светимость для всей выборки и отдельных групп гамма-всплесков, выделенных в ходе кластерного анализа. В совокупности данные результаты будут способствовать развитию моделей гамма-всплесков и их прародителей, а также оценке перспективы использования GRB в качестве "стандартных свечей" для оценки космологических параметров. (iii) Будет построена численная модель влияния жесткого излучения гамма-всплеска на облака межзвездного газа в родительской галактике и исследованы эффекты рассеяния жесткого излучения гамма-всплеска облаками межзвездного газа, послесвечения газа в молекулярных и атомарных линиях, а также их наблюдательные проявления в зависимости от исходных спектра и интенсивности жесткого электромагнитного излучения. (iv) Будет подготовлен к печати каталог временных, спектральных и энергетических характеристик более 250 жестких рентгеновских вспышек мягких гамма-репитеров (магнетаров), зарегистрированных в эксперименте Конус-Винд в 1994-2020 гг. Онлайн-версия каталога будет представлена на сайте ФТИ им. Иоффе. На основе данных Конус-Винд, Fermi-GBM, Swift-BAT и других экспериментов будут построены функции светимости и энерговыделения, а также распределения характеристик кривых блеска и параметров тепловых и нетепловых спектральных моделей для наиболее полной выборки вспышек мягких гамма-репитеров (магнетаров). Исследована однородность выборок указанных параметров и возможная корреляция со вспышечным радиоизлучением магнетаров. (v) На основе анализа данных эксперимента Конус-Винд по гигантским вспышкам галактических и внегалактических мягких гамма-репитеров (магнетаров) будут получены детальные характеристики кривых блеска и эволюции спектра излучения на разных стадиях начального импульса событий. На основе уточненных оценок энергетики событий и расстояний до их источников будут построены функции светимости и энерговыделения начальных импульсов гигантских вспышек. Данные результаты предоставят новую и важную информацию о процессах гигантского энерговыделения в окрестностях нейтронных звезд со сверхвысокими магнитными полями, а также позволят получить новые оценки, важные для понимания связи магнетаров с внегалактическими быстрыми радиовсплесками. Все запланированные результаты соответствуют мировому уровню, будут опубликованы в ведущих мировых астрофизических журналах и представлены на профильных международных и отечественных конференциях. Они будут использованы при планировании и оптимизации параметров будущих космических экспериментов в области астрофизики высоких энергий, формировании и оптимизации программ наблюдений действующих наземных и космических обсерваторий. Также они будут интегрированы в курсы лекций, читаемых для аспирантов ФТИ им. А.Ф. Иоффе, обучающихся по специальности 01.03.02 («астрофизика и звездная астрономия»), а также для магистрантов и аспирантов СПб Политехнического университета.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
(1) В 2021 году в ходе реализации проекта были получены наиболее точные локализации набора 199 коротких гамма-всплесков, зарегистрированных в эксперименте Конус-Винд в 2011-2021 годах. Для анализа использовались данные 11 детекторов международной сети детекторов гамма-излучения IPN, находящихся на космических аппаратах как в околоземном, так и в межпланетном пространстве на удалении до тысяч световых секунд. Для 84% всплесков из набора площади областей локализаций (содержащие 99.73%, 3 сигма, полной вероятности) имеют площади <10 квадратных градусов, а 50% - имеют площади менее 1 кв. градуса. На основе полученных результатов подготовлен второй каталог локализаций коротких всплесков Конус-Винд, принятый к печати в The Astrophysical Journal Supplement Series. В данном каталоге IPN-локализации впервые представлены в виде распределения вероятности на небесной сфере в формате HEALPix (Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelization, https://healpix.sourceforge.io), который является стандартом для распространения локализаций гравитационно-воновых детекторов. Полученные локализации позволят провести ретроспективный поиск гравитационно-волнового излучения, сопровождающего короткие гамма-всплески, а также поиск среди коротких всплесков гигантских вспышек от магнитаров в близких галактиках. (2) На основе данных экспериментов Конус-Винд, Fermi-GBM и Swift-BAT сформирован наиболее полный, к настоящему времени, набор надежно измеренных временных, спектральных и энергетических характеристик GRB с известным красным смещением. Полученная выборка насчитывает более 450 событий, включающих 41 короткий всплеск и 6 сверхдлинных GRB, и покрывает диапазон красных смещений источников z от ~0.01 до ~9.4. На основе данных выборки протестированы алгоритмы кластерного анализа по временным и спектральным характеристикам с использованием перспективного подхода, использующего несимметричные кластеры. (3) По данным эксперимента Конус-Винд проведен систематический анализ кривых блеска и энергетических спектров 288 ярких коротких и «промежуточных» вспышек от шести мягких гамма-репитеров (магнитаров). Для большинства вспышек по единой методике получены временные и спектральные характеристики с использованием моделей нетеплового (CPL) и теплового излучения (сумма двух чернотельных функций, 2BB). С целью верификации результатов анализа проведено их сравнение с результатами эксперимента Fermi-GBM, показавшее хорошее согласие параметров спектральных моделей для подвыборки событий, имеющих общее детектирование. (4) Проведен анализ данных экспериментов Конус и ГЕЛИКОН по начальным импульсам MGF - гигантских вспышек галактических и внегалактических мягких гамма-репитеров (магнитаров). На основе детектирования в эксперименте ГЕЛИКОН отраженного от Луны излучения начального импульса сверхяркой MGF в галактическом источнике SGR 1806-20 проведен детальный анализ излучения вспышки. Рассчитаны уточненные матрицы спектрального отклика лунной поверхности и детектора ГЕЛИКОН, проведен анализ разрешенных по времени энергетических спектров события моделями нетеплового и теплового излучения, впервые получены параметры спектральных моделей и потоки энергии на разных фазах данного события. По данным эксперимента Конус-Винд проведен детальный анализ излучения событий GRB 070201 и GRB 070222 – начальных импульсов вспышек внегалактических магнитаров в галактиках M31 (Андромеды) и M83. Впервые получены спектральные и энергетические характеристики данных вспышек с высоким временным разрешением (2-16 мс) и параметры их эволюции в ходе события. Построено интегральное распределение наиболее полной доступной выборки галактических и внегалактических MGF по полному энерговыделению в диапазоне 4х10(44)—5х10(46) эрг и получены его аппроксимации простой степенной функцией и степенным законом с изломом. Предварительные результаты указывают на возможное наличие излома функции светимости MGF в области ~1х10(46) эрг. (5) В ходе исследования процессов, индуцированных излучением гамма-вплесков в молекулярных облаках их родительских галактик, в первый год реализации проекта написан численный код для моделирования распространения оптического и рентгеновского излучения основного импульса гамма всплеска в молекулярном газе. В коде учитываются процессы поглощения и рассеяния излучения частицами пыли, рассчитывается равновесная температура частиц пыли, при этом учитывается охлаждение пылевых частиц за счет испарения. Код также описывает процессы фотоионизации и фотодиссоциации молекул Н2 и Н2+, фотоионизации атомов Не, Н и иона гелия Не+. В коде учитываются процессы поглощения ультрафиолетового излучения молекулами водорода в серии Лаймана и Вернера, с учётом диссоциация молекул Н2 посредством радиационного перехода Н2 с возбужденного электронного состояния в колебательный континуум Н2 (механизм Соломона). Также учитывается прямая фотодиссоциация в результате перехода молекул Н2 в континуум возбужденных колебательных электронных состояний (Gay C.D. et al., 2012, ApJ 746, 78). Полученные при моделировании результаты — параметры образованной фотодиссоционной области и фронта испарения частиц пыли, а также их взаимного расположения –- согласуются с результатами работы Draine B.T., Hao L. ApJ 569, 780 (2002), где решалась аналогичная задача. Дополнительно были рассчитаны спектры электронов, образованных в результате фотоионизации, в зависимости от расстояния от источника гамма-всплеска. Данные спектры являются входными данными для следующего этапа моделирования – расчёта образования каскадов вторичных электронов и возбуждения колебательно-вращательных уровней молекулы Н2.

 

Публикации

1. Свинкин Д., Орли К., Ридная А., Лысенко А., Фредерикс Д.,Голенецкий С., Цветкова А.,Уланов М. и др. The Second Catalog of Interplatetary Network Localizations of Konus Short Duration Gamma-Ray Bursts The Astrophysical Journal Supplement Series, - (год публикации - 2022)


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 г для 199 коротких гамма-всплесков, зарегистрированных в эксперименте Конус-Винд в 2011-2021 гг. получены параметры кривых блеска и параметры аппроксимации интегральных и пиковых энергетических спектров с использованием стандартных для GRB спектральных моделей (CPL, Band), оценки пикового и интегрального потока энергии. Для всплесков, одновременно зарегистрированных в экспериментах Fermi-GBM и Конус-Винд, произведено сравнение полученных спектральных и временных параметров, показавшее их согласие в пределах ошибок. Проведено многоволновое исследование одного из самых далеких гамма-всплесков, GRB 210905A, источник которого находится на космологическом красном смещении z=6.312. По данным эксперимента Конус-Винд, наблюдавшего все три эпизода собственного излучения всплеска, длившегося в системе отсчета наблюдателя более 800 с, был определен полный и пиковый поток энергии, а также изотропные эквиваленты полной энергии всплеска (E_iso=1.27x10(54) эрг) и его пиковой светимости (L_iso=1.87x10(53) эрг/c). Наблюдение излома в кривой блеска послесвечения всплеска (jet break) позволило, с учетом полученного E_iso, оценить угол коллимации излучения (~8.4 deg) и поправленное на коллимацию значение полной энергии всплеска в гамма-излучении (E_gamma ≈1.0x10(52) эрг), одно из самых высоких к настоящему времени. Наблюдение гамма-всплеска с относительно широким углом коллимации на большом красном смещении( z>6) ставит под вопрос выдвинутое ранее предположение об обратной зависимости данной характеристики от z. В то же время, характеристики собственного излучения GRB 210905A в системе отсчета всплеска хорошо следуют соотношениям жесткость-интенсивность, построенным, по данным эксперимента Конус-Винд, для полной выборки GRB с известным красным смещением в широком диапазоне z от ~0.1 до ~9. Полученные результаты свидетельствует в пользу предположения, что характеристики прародителей GRB и механизмы их излучения существенно не эволюционируют в зависимости от красного смещения. Результаты данной работы, выполненной в составе широкой научной кооперации, были опубликованы в статье Rossi, Frederiks, Kann et al. A&A 685, A125 (2022) Исследован гамма-всплеск GRB 220101A на большом красном смещении (z = 4.618) с одним из самых высоких значений изотропного эквивалента полной выделеной энергии (E_iso=3x10(54) эрг) . По результанам многоволнового анализа оценены временные и спектральные характеристики всплеска в космологической системе отсчета, значения лоренц-фактора ультрарелятивистского выброса (700<\Gamma_0<1160) и радиуса излучающей области (~4.5x10(13) см). Показано, что физическая картина всплеска наилучшим образом описывается моделью протонно-синхротронного механизма излучения.Результаты работы приняты к публикации в The Astrophysical Journal. В 2022 году в ходе реализации проекта были произведён ретроспективный поиск и локализация по данным межпланетной сети IPN гамма-всплесков связанных с десятью быстрыми оптическими транзиентами (ОТ), обнаруженными обсерваторией Zwicky Transient Facility (ZTF). Для обнаруженных шести гамма-всплесков, связанных с ОТ, были определены временные и спектральные характеристики в системе отсчёта наблюдателя и космологической системе отсчёта. Также были получены верхние пределы на гамма излучение в случаях необнаружения гамма-всплеска. В результате работы не было выявлено наличие отдельного класса ОТ, связанных с джетами с большим содержанием барионов и различия в углах коллимации материи ответственной за оптическое и гамма-излучение из-за небольшого, на сегодняшний день, набора быстрых ОТ. Ожидается, что существенный прогресс в исследованиях быстрых ОТ появится с запуском обсерватории Веры рубин в конце 2024 г. Результаты исследования были опубликованы в работе Ho, ..., Svinkin, Frederks, Ridnaia, Lysenko, Tsvetkova, et al., 2022, ApJ 938, 85. В 2022 году в рамках проекта был проведён систематический анализ локализаций и спектров 20 гамма-всплесков, за регистрированных обсерваторией AstroSat, инструментом Cadmium Zinc Telluride Imager (CZTI), включая шесть событий в данных Конус-Винд. Значимая степень поляризации ~28%-97% наблюдалась у пяти наиболее ярких всплесков, что вероятно свидетельствует о наблюдении этих событий практически вдоль оси джета и, следовательно, о синхротронной природе излучения и упорядоченном магнитном поле в излучающей области. Существенной корреляции со спектральными параметрами обнаружено не было. Результаты исследования были опубликованы в работе Chattopadhyay, …, Tsvetkova, Frederiks, 2022, ApJ 936, 12. В 2022 году продолжено исследование процессов, вызванных прохождением излучения гамма-всплеска через молекулярное облако, близко расположенное от источника всплеска. Излучение гамма-всплеска приводит к полной ионизации газа на расстояниях приблизительно до 1.5 пк от источника гамма-всплеска. На этом расстоянии образуется ионизационный фронт и, непосредственно за ним, фотодиссоционная область. На больших расстояниях газ остается молекулярным. В рамках проекта был написан численный код, который моделирует эволюцию спектра фотоэлектронов в молекулярном газе. В расчетах учитываются упругие столкновения электронов с атомами и молекулами, ионизация атомов и молекул, возбуждение вращательных, колебательных и электронных состояний молекул Н2 в столкновениях с электронами, диссоциация молекул Н2, столкновительное возбуждение атомов Не.

 

Публикации

1. Мей А., Оганесян Г., Цветкова А., ..., Фредерикс Д. Constraints on the physics of the prompt emission from a distant and energetic gamma-ray burst GRB 220101A The Astrophysical Journal, - (год публикации - 2022)

2. Росси А., Фредерикс Д.Д., ... Цветкова А.Е. и др. A blast from the infant Universe: The very high-z GRB210905A Astronomy & Astrophysics, vol. 665, A125 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1051/0004-6361/202243225

3. Хо А., Перли Д., Яо Ю.,... Фредерикс Д.Д., Цветкова А.Е., Уланов М.В. и др Cosmological Fast Optical Transients with the Zwicky Transient Facility: A Search for Dirty Fireballs The Astrophysical Journal, vol. 938, number 1, article 85 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac8bd0

4. Чаттопаджей Т., Гупта С., Айани С., ... Фредерикс Д. Hard X-Ray Polarization Catalog for a Five-year Sample of Gamma-Ray Bursts Using AstroSat CZT Imager The Astrophysical Journal, vol. 936, article 12 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac82ef

5. Цветкова А., Свинкин Д., Карпов С., Фредерикс Д.Д. Key Space and Ground Facilities in GRB Science Universe, Volume 8 Issue 7 Page 373 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/universe8070373


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Для задач ретроспективного поиска гравитационных вол и внегалактических вспышек магнитаров в ходе проекта были получены наиболее точные локализации источников 199 коротких всплесков Конус-Винд, зарегистрированных в 2011-2021 годах. Для анализа использовались данные 11 инструментов, находящихся на космических аппаратах (КА) как в околоземном, так и в межпланетном пространстве на удалении до тысяч световых секунд. Для этого же набора коротких всплесков был проведен анализ временных и спектральных характеристик. Для всплесков определены длительности, спектральные задержки, получены параметры спектральных моделей Банда и степенной модели с экспоненциальным завалом. Произведён анализ полного набора 494 коротких всплесков Конус-Винд, в том числе исследована неоднородность популяции коротких всплесков. Проведено исследование близкого (z=0.151) гамма-всплеска GRB 221009A, который является наиболее интенсивным событием этого класса, зарегистрированным к настоящему времени.Всплеска наблюдался множеством космических детекторов однако был настолько ярким, что ввел большинство из них в насыщение. Детальное моделирование отклика детектора Конус-ВИНД на сверхмощные (до ~10(7) фот/с) потоки падающего излучения позволило надежно восстановить форму кривой блеска и спектральный состав излучения всплеска на его самой яркой фазе. В результате определены пиковый и интегральный поток энергии, составившие, соответственно 0.031 эрг см(-2) с(-1) и 0.22 эрг см(-2). С учетом расстояния до источника всплеска оценены изотропные эквиваленты полного энерговыделения источника всплеска (E_iso=1.2x10(55) эрг, более 6.5 масс покоя Солнца) и его пиковой светимости (L_iso=3.4x10(54) эрг/c), которые хорошо следуют соотношениям жесткость-интенсивность для «длинных» гамма-всплесков (соотношения Амати и Йонетоку). Полученные результаты свидетельствуют в пользу предположения, что источником данного сверхяркого события является молодая, быстровращающаяся черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса ядра массивной звезды. В системе отсчёта наблюдателя обычно выделяют два класса гамма-всплесков (GRB), соответствующие коротким и длинным событиям, с предполагаемым промежуточным классом. Однако в системе покоя источника всплеска из-за дисперсии длительностей и жесткостей, вследствие большого разброса красных смещений, границы между классами становятся размытыми. Для набора, состоящего из 409 гамма-всплесков с известным красным смещением, было проведено исследование кластеризации всплесков на плоскости жёсткость-длительность в системах отсчёта источника всплеска и наблюдателя и выявлено отсутствие свидетельств в пользу третьего класса гамма-всплесков в системе источника. Кроме того, третий класс в системе наблюдателя может являться следствием искажения данных в результате игнорирования разброса красных смещений источников гамма-всплесков. Полученные результаты также подтверждают вывод Tsvetkova et al. (2017) о размытии границ двух классов гамма-всплесков при переходе из системы координат наблюдателя в систему источника вследствие широкого диапазона красных смещений длинных всплесков. По результатам исследования выборки ярких коротких и "промежуточных" вспышек SGR, зарегистрированных в эксперименте Конус-Винд (304 всплеска от шести источников) подготовлен каталог характеристик событий. Для каждого всплеска в выборке получены оценки длительности события, спектральные и энергетические характеристики с использованием моделей нетеплового и теплового излучения, с учетом расстояния до источников получены значения изотропного энерговыделения и светимости. Построены распределения указанных характеристик по каждому источнику. Для удобной работы с данными и динамического представления результатов разработан онлайн-каталог на сайте лаборатории Экспериментальной астрофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе (https://www.ioffe.ru/LEA/SGR/index.html). Данный онлайн-каталог будет поддерживаться и обновляться по мере регистрации новых событий, в настоящее время готовится его печатная версия. Проведен поиск в данных эксперимента Конус-Винд сопутствующего гамма-излучения для наиболее полной, к настоящему времени, выборкибыстрых радиовсплесков (FRB). Ни для одного из 581 событий из исследованной выборки значимых отождествлений не обнаружено. Для каждого события вычислены верхние пределы на полный и пиковый поток энергии в жестком рентгеновском/мягком гамма-диапазоне (20—1500 кэВ), которые, в зависимости от спектральной модели, находятся в интервале (0.1–2) × 10(−6) эрг см(−2). Для 18 FRB с известным красным смещением родительских галактик, получены верхние пределы на изотропный эквивалент энергии излученной в гамма-диапазоне и пиковую светимость. Наиболее жесткие верхние пределы удалось получить для ближайшего к нам источника FRB 200120E, они составили Eiso ≤ 2.0 × 1044 эрг и Liso ≤ 1.2 × 10(44) эрг с(−1) и исключили гигантские магнитарные вспышки (Eiso~10(46) эрг) в качестве источников FRB. Tакже были получены нижние пределы на отношение флюенсов в радио и гамма-диапазоне (Eradio/Eiso ≥ 10(−11)–10(−9) ). Обнаружен и исследован шестой кандидат во внегалактические MGF – короткого гамма-всплеска GRB 231115A. По данным эксперимента Конус-ВИНД, кривая блеска всплеска представляет собой короткий импульс излучения с миллисекундным фронтом нарастания (<4 мс) и полной длительностью ~66 мс. Энергетический спектр излучения описывается моделью CPL с пиковой энергией Ep~495 кэВ или моделью чернотельного излучения с температурой kT~114 кэВ. С учетом предполагаемой ассоциации источника с галактикой M82 на расстоянии ~3.5 Мпк (Mereghetti et al. 2023), оценка полной энергии вспышки E_iso составляет ~1.1x10(45) эрг (пиковая светимость L_iso ~3.2x10(46) эрг/с), что близко к энергиям начальных импульсов MGF в БМО (событие 5 марта 1979 г.) и галактике Андромеды (GRB 070201). Магнитарную природу события GRB 231115A поддерживает полученная оценка радиуса излучающей области (~30 км), совпадающая по прядку величины с характерным размером нейтронной звезды или ее магнитосферы. Массивные звезды имеют короткое время жизни, и поэтому взрыв массивной звезды в конце ее эволюции с большой долей вероятности происходит в области своего рождения. Области звездообразования характеризуются относительно высокими плотностями межзвездного газа. Поэтому возможна ситуация, в которой излучение гамма-всплеска проходит через плотное молекулярное облако в родительской галактике. Проведено исследование взаимодействия интенсивного излучения гамма-всплеска с межзвездным газом вблизи источника всплеска. В результате численного моделирования было показано, что основную роль в поглощении излучения послесвечения гамма-всплеска в рентгеновском диапазоне длин волн играет фотоионизация атомов Не. В современных моделях послесвечения гамма-всплеска предполагается, что излучение формируется ускоренными на УВ частицами. При этом важную роль играет синхротронное излучение (СИ) электронов в магнитном поле. Магнитное поле важно также для удержания частиц в обрасти ускорения (в окрестности УВ). Поскольку синхротронные потери частиц пропорциональны квадрату их энергии, а также квадрату магнитного поля, оказывается что максимальные энергии ускоренных частиц ограничены. Соответственно, ограничены и максимальные энергии синхротронных фотонов. Причем в модели однородного по амплитуде магнитного поля в системе покоя плазмы (джета) это ограничение не зависит от величины магнитного поля. Это достаточно жесткое ограничение, допустимые максимальные энергии синхротронных фотонов для СИ электронов (и позитронов) оказываются недостаточными для объяснения наблюдаемого излучения сверхвысоких энергий. Мы рассмотрели модель турбулентного магнитного поля и показали, что магнитная турбулентность существенно влияет на спектр СИ и при определенных условиях может значительно увеличить максимальные энергии синхротронных фотонов в спектре послесвечения. Таким образом, нами показана важность учета турбулентности магнитного поля при расчете СИ послесвечения гамма-всплеска.

 

Публикации

1. Ридная А.В., Фредерикс Д.Д., Свинкин Д.С. A targeted search for FRB counterparts with Konus-Wind Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol 527 pp 5580-5587 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1093/mnras/stad3553

2. Уваров Ю.А., Быков А.М. О влиянии магнитной турбулентности на спектры послесвечения гамма-всплесков Письма в Астрономический журнал, том 49, №10, с. 686 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0320010823100078

3. Фредерикс Д.Д., Свинкин Д.С., Лысенко А.Л., Мольков С., Цветкова А.Е., Уланов М.В., Ридная А.В., Лутовинов А.А., Лапшов И., Ткаченко А., Левин В. Properties of the Extremely Energetic GRB 221009A from Konus-WIND and SRG/ART-XC Observations The Astrophysical Journal Letters, Volume 949, Issue 1, id.L7, 11 pp. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3847/2041-8213/acd1eb


Возможность практического использования результатов
не указано