Фотометрическое и спектральное исследования родительских галактик космических гамма-всплесков Фатхуллин Тимур Амирович

Содержание к диссертации

Введение 4

1 Обзор современного состояния проблемы 13

1. Гамма-излучение 13

2. Послесвечение 1^

3. Родительские галактики 23

4. Наблюдательная космология и гамма-всплески 31

5. Будущие проекты 34

2 Методика наблюдений родительских галактик 40

6. Начальная редукция данных 44

7. Фотометрия 47

8. Фотометрия родительской галактики GRB 000926 4

9. Исследование поля родительской галактики GRB 000926 .... 53

10. Спектроскопия вероятной родительской галактики "темного" гамма-всплеска GRB 001109 65

11. Выводы 72

3 Сравнение с галактиками поля 74

3.1 Сравнение цветов ^

Оглавление З

2. Сравнение с локальными галактиками 77

3. Светимости родительских галактик 80

4. Диаграмма Хаббла для родительских галактик 85

5. Обсуждение 89

6. Выводы 92

4 Метод оценки внутреннего поглощения в родительских га
лактиках 101

1. Метод 101

2. Родительская галактика GRB 970508 108

3. Родительская галактика GRB 980703 112

4. Родительская галактика GRB 000210 115

5. Обсуждение результатов 117

6. Выводы 121

5 Внутреннее поглощение и проблема "темных" гамма-
всплесков 122

Заключение 128

Приложение 131

Литература 144

Введение к работе

С момента открытия в конце 60-х годов (Klebesadel et al, 1973) космические гамма-всплески (Gamma-Ray Bursts, GRBs) так и остаются до конца не понятым явлением в современной астрофизике. Открытие в начале 1997 года явления послесвечения дало мощный революционный толчок в понимании природы данного феномена. Наблюдения в рентгеновском, оптическом, инфракрасном, субмиллиметровом и радио спектральных диапазонах тран-зиентных явлений и галактик, связанных с гамма-всплесками, стали ключевым направлением для астрономии гамма-всплесков. Именно эпоха послесвечения позволила ответить, по крайней мере для длинных гамма-всплесков, на важнейший вопрос о шкале расстояний. Целью дальнейших исследований является проблема энергетики, прародителей и механизма возникновения излучения. Следует подчеркнуть, что по сути дела всего лишь за шестилетнюю историю (1997-2003) астрономии гамма-всплесков было обнаружено большое разнообразие наблюдательных свойств и ожидаемых связей с уже известными астрофизическими объектами и явлениями.

В диссертационной работе поставлена задача исследования фотометрических и спектральных свойств родительских галактик.

Введение 5

Актуальность

Изучение космических гамма-всплесков и их родительских галактик становится сейчас новым, а в некоторых случаях даже уникальным, инструментом в области исследований, связанных с наблюдательной космологией. Распределение по красным смещениям и наблюдаемым зв. величинам родительских галактик гамма-всплесков показывает, что они соответствуют нормальным голубым галактикам поля со вспышкой звездообразования на больших красных смещениях. Наблюдения в различных спектральных диапазонах показали, что родительские галактики занимают широкий диапазон по светимо-стям, морфологии и темпам звездообразования. Это делает их исследования новым способом изучения популяции галактик со звездообразованием на космологических красных смещениях, который свободен от большинства традиционных селекционных эффектов. Абсорбционные и эмиссионные спектры как оптического послесвечения, так и самих родительских галактик, а также широкополосная фотометрия сейчас становятся новым мощным инструментом для исследований межзвездной среды на космологических красных смещениях. Таким образом, всестороннее изучение родительских галактик гамма-всплесков актуально для понимания процессов, происходящих во Вселенной на больших красных смещениях.

Цели работы

Главной целью работы является исследование внутреннего поглощения в родительских галактиках источников гамма-всплесков. И, как следствие, рассматривается вопрос о так называемых "темных" гамма-всплесках. Кроме того, целью диссертации было показать возможности использования резуль-

Введение 6 татов спектральных, фотометрических и других исследований родительских галактик источников гамма-всплесков в наблюдательной космологии.

Научная новизна

Развита методика наблюдений с новым редуктором светосилы SCORPIO (Spectral Camera with Optical Reducer for Photometrical and Interferometrical Observations) в фотометрической моде.

Впервые на 6-метровом телескопе по данным четырехполосной BVR_CI_C фотометрии построена диаграмма Хаббла для объектов в поле гамма-всплеска GRB 000926 до глубины В & 27 и красных смещений z = 3.6.

Найдены галактики-кандидаты, для которых особенности поведения широкополосного BVR_CI_C спектрального распределения энергии можно интерпретировать как проявление абсорбционной полосы графита на 2200А.

Разработан метод оценки внутреннего поглощения и физических параметров в родительских галактиках, основанный на двухкомпонептной модели спектрального распределения энергии и предложен компьютерный IDL-код программы.

Рассмотрен вопрос о "темных" гамма-всплесках как проявлении сильного внутреннего поглощения в родительских галактиках.

Практическая ценность

Показаны возможности нового прибора SCORPIO для фотометрии звездообразных и протяженных объектов. Продемонстрирована важность учета особенностей кривых экстинкции в ультрафиолете для оценки фотометрических

Введение 7 красных смещений, что может быть применено в подобного рода исследованиях. Разработанный метод оценки внутреннего поглощения и физических параметров может быть применен к любым галактикам с эмиссионным спектром.

Результаты, выносимые на защиту

1. Отождествление вероятной родительской галактики "темного" гамма- всплеска GRB 001109. Спектроскопия родительской галактики, опреде ление красного смещения и параметров эмиссионных линий.

2. Результаты массовой фотометрии объектов в поле родительской галакти ки гамма-всплеска GRB 000926 по наблюдениям на 6-метровом телескопе

САО РАН.

3. Диаграмма Хаббла по данным массовой фотометрии объектов в поле гамма-всплеска GRB 000926 до глубины В fa 27 и красных смещений z = 3.6. щ 4. Метод оценки внутренней экстинкции для родительских галактик, осно- ванный на двухкомпонентной модели спектрального распределения энергии.

5. Поглощение в родительских галактиках может достигать больших вели- чин, чем можно объяснить большинство случаев отсутствия у длинных гамма-всплесков оптического послесвечения.

Введение 8

Публикации по теме диссертации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Dodonov S., Afanasiev V., Sokolov V., Komarova V., Fatkhullin Т., Moiseev A., 1999, GCN #461 Afanasiev V., Fatkhullin Т., Dodonov S., Sokolov V., Castro-Tirado A., Komarova V., Moiseev A., Cherepashchuk A., Postnov K, 2001, GCN #1090 Dodonov S., Fatkhullin Т., Sokolov V., Fruchter A., Komarova V., Moiseev A., Cherepashchuk A., Postnov K., 2001, GCN #1091 V. Sokolov, T. Fatkhullin, V. Komarova, 2001, GCN #1092 Fatkhullin T. A., Komarova V. N., Moiseev A. V., 2002, GCN #1717 Sokolov V. V., Fatkhullin T. A., Komarova V. N., Bull. Spec. Astrophys. Obs., 2001, 49, 14 Fatkhullin T.A. к Sokolov V.V. 'The modeling of spectra of GRB host galaxies", Conf. on Physics of Neutron Stars, 2001, in abstract book, 19 (astro-ph/0106435) Sokolov V.V., Fatkhullin T.A., Castro-Tirado A.J. et al., Astron. к Astrophys, 2001, 372, 438 Sokolov V.V. к Fatkhullin T.A., Bull. Spec. Astrophys. Obs., 2001, 51, 48 Castro-Tirado A.J., Sokolov V.V., Gorosabel J., Fatkhullin T.A. et al., Astron. к Astrophys, 2001, 370, 398 Fatkhullin T.A., Bull. Spec. Astrophys. Obs., 2002, 53, 5

Фатхуллин T.A., 2003, Препринт CAO PAH, №178

Введение 9

Фатхуллин Т.А., 2003, Препринт САО РАН, №180

Фатхуллин Т.А. и Васильев А., Письма в АЖ, 2003, подготовлено к печати

Апробация

Результаты работы апробировались на молодежных конкурсах и семинарах САО РАН, российских и международных конференциях и коллоквиумах: Joint European and National Astronomical Meeting (JENAM-2000), Москва, 2000 "Gamma-Ray Burst in Afterglow Era", Рим, 2000 "Двумерная спектроскопия галактических и внегалактических туманностей", Нижний Архыз, 2000 "Нейтронные звезды", Санкт-Петербург, 2001 American Astronomical Meeting, Woods Hole, 2002 "Актуальные проблемы внегалактической астрономии", Пущино, 2002 "Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра", Москва, 2002 "Актуальные проблемы внегалактической астрономии", Пущино, 2003

Личный вклад автора

Наблюдения по программе, где автор - созаявитель.

Наблюдательный материал по галактикам GRB 971214, GRB 980613, GRB 980703, GRB 991208, GRB 000926, GRB 001109 и GRB 021004 обработан автором.

Введение 10

Оптическое отождествление и спектроскопия в соавторстве с Афанасьевым В.Л., Додоновым С.Н. и Моисеевым А.В. вероятной родительской галактики "темного" гамма-всплеска GRB 001109.

Массовая фотометрия и оценка красных смещений в поле гамма-всплеска GRB 000926 выполнена автором.

В соавторстве с Соколовым В.В., Корчагиным В.И. и Касимовой Е. Р. разработан метод оценки внутреннего поглощения в родительских галактиках и выполнена его компьютерная реализация.

Совместно с Соколовым В.В. участвовал в анализе и интерпретации данных по родительским галактикам GRB 971214, GRB 980613, GRB 980703, GRB 991208, GRB 000926, GRB 001109 и GRB 021004.

Вывод о том, что большинство "темных" гамма-всплесков объясняется сильным поглощением в родительских галактиках принадлежит автору.

Структура и краткое содержание работы

Диссертация изложена на 164 страницах. Работа состоит из Введения, пяти Глав, Заключения, Приложения и Списка литературы.

Во Введении дается обоснование актуальности, сформулированы цели, новизна и результаты, выносимые на защиту.

В первой Главе рассматриваются наблюдаемые характеристики гамма-всплесков, их послесвечения и родительских галактик. Сделан обзор по всем имеющимся спектральным и фотометрическим данным относительно родительских галактик. Результаты показали, что наблюдаемые зв. величины родительских галактик лежат в пределах от R = 21.4 и до Л ~ 30. Красные

Введение 11 смещения в свою очередь занимают диапазон от 0.36 до 4.5. Для родительских галактик с известными z результаты представлены в виде R-диаграммы Хаббла. Обсуждаются возможности использования результатов спектральных, фотометрических и других исследований родительских галактик источников гамма-всплесков в области наблюдательной космологии: история звездообразования и обогащения тяжелыми элементами во Вселенной, эволюция галактик, функция масс и физические параметры первичных галактик.

Во второй Главе описывается методика фотометрических и спектральных наблюдений родительских галактик, выполненных на 6-метровом телескопе САО РАН. По наблюдениям поля гамма-всплеска GRB 000926 проведена массовая фотометрия объектов, продемонстрированы возможности нового прибора SCORPIO в фотометрической моде. Определены предельные звездные величины: 27.0, 26.3, 26.4 и 25.1 в В, V, R_c и 1_С фильтрах соответственно. Показаны некоторые приложения массовой фотометрии: классификация объектов по цветам, подсчеты и т.п. Описана процедура отождествления и спектроскопии вероятной родительской галактики "темного" гамма-всплеска GRB 001109. Измерены потоки в эмиссионных линиях и сделана оценка нижнего предела на темп звездообразования в галактике SFR > 0.4 M_Q в год.

В третьей Главе по результатам массовой фотометрии протяженных объектов в поле гамма-всплеска GRB 000926 выполнено сравнение цветов родительских галактик с цветами галактик таких же зв. величин. Прямо показано, что по цветам не обнаруживается каких-либо систематических отличий родительских галактик от галактик поля. Сравнение с шаблонными спектрами локальных галактик со звездообразованием позволило оценить диапазон значений внутреннего поглощения и светимости родительских галактик. С

Введение 12 помощью метода оценки фотометрических красных смещений построена диаграмма Хаббла в В полосе для протяженных объектов в поле гамма-всплеска GRB 000926. Выполнено сравнение с такой же диаграммой для родительских галактик. В конце главы обсуждается вопрос о проявлении особенностей пыли в широкополосных спектрах как родительских галактик, так и галактик поля. Найдены галактики-кандидаты, для которых особенности поведения широкополосного BVR_CI_C спектрального распределения энергии можно интерпретировать как проявление абсорбционной полосы графита на 2200А.

В четвертой Главе подробно описан метод оценки внутреннего поглощения и параметров (масс, возрастов) родительских галактик. Метод продемонстрирован на примере трех родительских галактик GRB 970508, GRB 980703 и GRB 000210. Рассмотрены ограничения разработанной методики. Показано, что внутреннее поглощение в родительских галактиках может достигать Ay ~ 2 зв. величин (в оптическом диапазоне в системе покоя родительской галактики).

В пятой Главе обсуждается вопрос о "темных" гамма-всплесках. Проводится сравнительный анализ родительских галактик гамма-всплесков с и без оптического транзиента. Обсуждается сценарий, в котором "темные" гамма-всплески возникают в сильно запыленных областях галактики.

В Заключении сформулированы основные выводы диссертации.

В Приложении представлен код IDL-программы разработанного метода оценки внутреннего поглощения в родительских галактиках.

Похожие диссертации на Фотометрическое и спектральное исследования родительских галактик космических гамма-всплесков

Отождествление гамма-всплесков : Оптические транзиенты и родительские галактикиСоколов Владимир Владимирович

Исследования собственного излучения гамма-всплесков при помощи сети телескопов-роботов МАСТЕРГорбовской, Евгений Сергеевич

Ядерные гамма-линии в исследованиях астрофизических объектов Галактики и МетагалактикиИюдин, Анатолий Федорович

Исследование активных ядер галактик как источников гамма-квантов сверхвысоких энергийКалекин Олег Руфимович

Спектроскопический и фотометрический мониторинг массивных сверхновых и послесвечений гамма-всплесковМосквитин, Александр Сергеевич

Поиск и изучение космических гамма-всплесков по данным космических экспериментов APEX и LILAS("ФОБОС-2"), BATSE("COMPTON") и HEND("2001 MARS ODYSSEY") Козырев Александр Сергеевич

Закономерности во временных свойствах, космологическая эволюция и функция светимости гамма-всплесковШтерн Борис Евгеньевич

Сверхновые звезды, гамма-всплески и ускоренное расширение ВселеннойПружинская Мария Викторовна

Метод космической триангуляции измерения координат и поиск гравитационного линзирования космических гамма-всплесковУгольников Олег Станиславович

Гамма-всплески, найденные в архивных записях эксперимента BATSE : Однородный каталог и анализ пространственного распределенияТихомирова Яна Юрьевна