Содержание к диссертации
Введение
1 Введение 8
1.1 История исследования космических гамма-всплесков . 8
1.2 Современные статистические данные по гамма-всплескам . 11
1.3 Наблюдения в рамках эксперимента BATSE 16
2 Поиск нетриггерных гамма-всплесков в записях эксперимента BATSE 20
2.1 Постановка задачи 20
2.2 Описание поиска 22
2.2.1 Содержимое используемых данных 22
2.2.2 Применяемые критерии 25
2.2.3 Описание процедуры 26
2.2.4 Метод тестовых всплесков 28
2.2.5 Основные результаты 28
2.3 Обсуждение результатов 35
2.3.1 Обсуждение достоверности найденных всплесков . 35
2.3.2 Ошибки локализации 40
2.3.3 Сравнение с результатами других поисков 41
2.3.4 Значение полученных результатов 42
3 Новый каталог гамма-всплесков, найденных в записях эксперимента BATSE . 44
3.1 Новый каталог гамма-всплесков как результат поиска нетриггерных всплесков в данных BATSE 44
3.2 Архив каталога в ИНТЕРНЕТ 49
3.3 Значение каталога для дальнейших исследований 53
4 Анализ пространственного распределения гамма-всплесков на основе нового каталога 55
4.1 Проверка изотропии 55
4.1.1 Постановка задачи . 55
4.1.2 Используемые тесты 56
4.1.3 Результаты 59
4.2 Ограничения на возможный вклад субпопуляции в гало в общую статистику гамма-всплесков 65
4.2.1 Постановка задачи
4.2.2 Применяемая модель 66
4.2.3 Результаты 69
4.3 Выводы 71
5 Заключение 75
- Современные статистические данные по гамма-всплескам
- Обсуждение достоверности найденных всплесков
- Новый каталог гамма-всплесков как результат поиска нетриггерных всплесков в данных BATSE
- Ограничения на возможный вклад субпопуляции в гало в общую статистику гамма-всплесков
Введение к работе
1.1 История исследования космических гамма-всплесков
2 июля 1967 года американские спутники-шпионы, следившие за наземными ядерными испытаниями, зарегистрировали всплеск гамма-излучения продолжительностью 8 секунд, произошедший не в земной атмосфере [26]. Его временной характер не соответствовал вспышке гамма-излучения при взрыве ядерной бомбы. Солнечное происхождение исключалось, о способности генерации таких гамма-вспышек известными объектами во Вселенной ничего известно не было.
С этого момента начинается история явления, названного астрофизиками космическими гамма-всплесками (cosmic gamma ray bursts). История научного исследования, однако, начинает свой отсчет с публикации об обнаружении этих объектов [25], появившейся лишь в 1973 году, с задержкой из-за секретности материалов. В публикации сообщалось о регистрации американскими военными спутниками "Вела" 16 всплесков гамма-излучения в интервале энергий 0.2-1.5 МэВ продолжительностью от 0.1 до 30 секунд с потоком энергии (1. Ч- 20) х Ю-4 эрг/см2 с июля 1969 по июль 1972 года.
Этап активного исследования космических гамма-всплесков начался в 1978 году с одновременным стартом российского эксперимента "Конус" на межпланетных станциях "Венера" [33] и американского эксперимента Pioneer Venus Orbiter [31], в ходе которых регистрировались гамма-всплески.
Спецификой изучения гамма-всплесков - неизвестно когда и неизвестно где внезапно возникающих вспышек - явилось то, что гамма-детекторы, в отличии от астрономических приборов для наблюдений в других областях спектра, не могут определить координаты объекта с хорошей точностью. Достигнутая точность локализации составляет от нескольких угловых минут до градусов.
При такой точности локализации попытки отождествить гамма-всплески с известными объектами, излучавшими в других диапазонах спектра, были достаточно сложны. Из-за отсутствия таких отождествлений источники гамма-всплесков были неизвестны, невозможно было оценить расстояние до них и их светимость, и происхождение гамма-всплесков оставалось загадкой десятки лет их активного исследования.
Единственное отождествление [15] -необычного по сравнению с осталь- ными гамма-всплеска 5 марта 1979 годя с остатком сверхновой - лишь запутало исследователей, так как этот всплеск вместе с несколькими другими был отнесен позднее к особому классу явления - источникам мягких повторяющихся гамма-вспышек (soft gamma repeaters) - и в современное понятие гамма-всплесков не входит.
Запутало ситуацию также появившееся указание на наличие в спектрах гамма-всплесков синхротронных линий, свидетельствующих в пользу связи гамма-всплесков с нейтронными звездами нашей Галактики [2], что не подтвердилось дальнейшими экспериментами [19], и является предметом дискуссий до сих пор.
В силу быстрой переменности излучения гамма-всплесков и их большой энергетики, их источниками с самого начала исследования предполагаются компактные объекты и явления связанные с ними.
К 1991 году было зарегистрировано около 300 гамма-всплесков, главным образом, благодаря эксперименту "Конус" и PVO. Были известны спектры, кривые блеска, продолжительности, потоки. Всплески не концентрировались к плоскости Галактики и к какому-либо конкретному направлению, и демонстрировали случайное распределение по небесной сфере [33]. Для статистических анализов выборка известных гамма-всплесков была слишком мала.
В 1991 году начал осуществляться американский эксперимент Burst and Transient Sources Experiement (BATSE) (см. раздел 1.3) - крупнейший, ныне действующий, эксперимент по исследованию гамма-всплесков. В рамках этого эксперимента ежегодно регистрируется ~300 гамма-всплесков и к настоящему моменту накоплены данные о ~ 2500 гамма-всплесках [35].
Главным результатом этого эксперимента стало установление пространственного распределения гамма-всплесков: изотропного, но неоднородного, с уменьшением числа источников на более далеких расстояниях [19], [36]. Такой характер пространственного распределения может давать лишь космологическая популяция источников или популяция источников в обширном гало нашей Галактики со спадающей к периферии плотностью при некоторых ограничениях. Все остальные гипотезы происхождения гамма-всплесков были отброшены.
Последние годы появилась методика исследования гамма-всплесков путем одновременных наблюдений их областей локализации всеми имеющимися наземными и внеатмосферными телескопами во всех диапазонах спектра. В частности была создана система наблюдений Gamma
Рис. 1: Схема международной системы наблюдений Gamma Ray Bursts Coordinates Network (GCN). ray bursts Coordinates Network (рис.1), благодаря которой координаты зарегистрированного прибором BATSE или другими гамма- или ретге-новскими телескопами гамма-всплеска, сообщаются всем телескопам для наблюдений в других областях спектра.
Важнейшую роль в исследовании гамма-всплесков сыграл итало-голландский спутник BeppoSAX [42] с рентгеновскими и гамма-детекторами на борту. Именно благодаря его успешной работе [10], [11], удалось впервые наблюдать излучение из областей локализации гамма-всплесков в других диапазонах спектра. Для гамма-всплеска, произошедшего 28 февраля 1997 (GRB970228), наблюдалось оптическое и рентгеновское излу- чение [39], [12], для гамма-всплеска, произошедшего 8 мая 1997 года (GRB970508) - оптическое, рентгеновское и радиоизлучение [6], [43], [18]. К настоящему моменту уже для более чем десятка гамма-всплесков появились данные об активности их источников в других диапазонах спектра.
Следствием обнаружения оптического излучения источников гамма-всплесков явилось то, что были определены расстояния до них по красному смещению линий в спектре. Источники находятся на космологических расстояниях, определенные z лежат в пределах от ~0.0085 до ~3.9 [20]. Таким образом, часть гамма-всплесков (если не все) имеет космологическое происхождение.
Доказательств того, что некоторые гамма-всплески имеют галактическое происхождение, на данный момент нет. Однако, нельзя исключить существования, наряду с космологической, галактической популяции гамма-всплесков, поскольку космологическое происхождение доказано лишь для небольшого процента всплесков.
Благодаря действующей методике одновременных наблюдений источников гамма-всплесков во всех диапазонах спектра за последние годы достигнут сильный прогресс в понимании природы гамма-всплесков (см., например, [38], [41]). Наиболее популярной гипотезой их рождения является столкновение компактных объектов - нейтронных звезд или нейтронных звезд и черных дыр - в двойной системе [1], [14], [37].
1.2 Современные статистические данные по гамма-всплескам
Как уже отмечалось, эксперимент BATSE сыграл важную роль в исследовании гамма-всплесков. Он превосходит результаты всех остальных экспериментов, в которых наблюдались гамма-всплески, своей чувствительностью и накопленной статистикой, а также имеет хорошее временное и спектральное разрешение (см. раздел 1.3). Таким образом, свойства гамма-всплесков наиболее полно отражаются результатами именно этого эксперимента.
Общая статистика.
Порог регистрации BATSE соответствует потоку ~0.2 фот/см2/с. Объем накопленных данных - более чем 8.6 лет непрерывных наблюдений. Текущий каталог в ИНТЕРНЕТ [35], в котором данные no-
+90
Рис. 2: Карта распределения гамма-всплесков по небу в галактической системе координат в проекции Гаммера согласно каталогу 4Вг [36] (1637 событий). являются практически в реальном времени, содержит на данный момент ~2500 всплесков (что примерно на порядок превосходит каталоги гамма-всплесков всех остальных экспериментов). Последний опубликованный каталог - четвертый пересмотренный (4Вг catalog) [36] -содержит 1637 всплесков.
Число происходящих всплесков в год с потоками до 0.2 фот/см2/с составляет ~600. Эта цифра получается из числа регистрируемых всплесков экспериментом BATSE после учета экспозиции (см. раздел 1.3, стр. 16). Заметим, однако, что необходимо также учесть неполноту выборки вблизи порога, после чего эта цифра возрастет. Но получить надежную оценку эффективности регистрации всплесков в эксперименте вблизи порога достаточно сложно.
Пространственное распределение (карты, logN-logP,
Гамма-всплески распределены по небу изотропно, что иллюстрируют карты рисунка 2 (галактическая система координат, проекция Гаммера). Изотропия проверена статистическими тестами [36].
Однородность пространственного распределения, то есть плотности источников в пространстве, способна характеризовать диаграмма logN-logP - зависимость числа всплесков от потока (рис. 3).
В евклидовой геометрии в случае, если источники распределены од-
1000 г
Ц 100 CD -О _1 1 < ' > і > П jj 1 1—і t і t і і 1
1.0 10.0 100.0 Peak Flux (ph-cm"2-s"1) _1 1 1 ' 'МП
1000.0
Рис. 3: Интегральная диаграмма logN-logP для гамма-всплесков согласно каталогу 4Вг [36]. Поток соответствует пиковому потоку во 2-3 энерг. каналах BATSE при 1024 миллисекундном временном разрешении. На слабом конце показана неопределенность, возникающая вблизи порога регистрации по оценкам Пасиесаса и др. [36]. нородно в пространстве, logN-logP должна соответствовать прямой с наклоном —3/2. Это справедливо при любых предположениях о светимо-стях источников: одной и той же для всех (предположение "стандартной свечи"), распределенных по степенному или логнормалыюму закону. Наблюдаемой отклонение вниз от закона —3/2 при уменьшении потоков означает уменьшение плотности источников с удалением от наблюдателя.
Космология, однако, предполагает более сложную геометрию. Дефицит слабых источников в этом случае может быть следствием расширения Вселенной.
Кроме того, на распределении может отражаться эволюция источников.
Для характеристики пространственного распределения гамма-всплесков используется также тест
Характер излучения.
Гамма-вслески представляют собой однократные события [23] с сильнопеременным непереодическим характером излучения. Масштаб переменности - до миллисекунд, продолжительности - от 10 мс до >1000с.
Кривые блеска гамма-всплесков отличаются большим разнообразием (рис. 4): от единичного пика до многочисленных перекрывающихся и отдельных пиков разной амплитуды и продолжительности. Будучи объединенными в группы в зависимости от форм кривых блеска, всплески не обнаруживают различий в своих свойствах [17].
Подклассы.
Распределение всплесков по продолжительностям (рис. 5) - двугорбое с провалом на 2х секундах. Установлено, что всплески короче 2 с и всплески длиннее 2 с несколько различаются своими спектральными свойствами (короткие - более жесткие) [30]. Есть также указания на то, что logN-logP для длинных всплесков более сильно отклоняется от закона —3/2 [46].
Заметим, что все отождествленные источники гамма-всплесков (см. раздел 1.1), оказавшиеся космологическими, имеют продолжительности > 2 с.
Отсчеты/1024мс(сумма 2,3 эн.кан. в 2х дет.)-время в сек. дня
6500 6000 Б500 LM/ly^
5000 4.79x10* BATSE trigger #7106 w^MVWV^A^
4.8x10*
7т—т—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—r- BATSE trigger : #764 -E
4.7x10*
4.69x10*
10* Г #1718
2.12x10* 2.13x10*
2.19x10* 2.2x10*
2.21x10*
3.12x10* 3.14x10*
Рис. 4: Примеры кривых блеска гамма-всплесков. Все приведенные всплески зарегистрированы в эксперименте BATSE. Указаны номера триггера согласно каталогу BATSE [35]. Сигналы представляют собой сумму отсчетов во 2-3 энерг. каналах в двух детекторах, где сигнал был наиболее интенсивным, при временном разрешении 1024 мс. Время соответствует времени дня в секундах.
-ГТТ77Т] 1 1 I Г |<Н[ {л 80 т
1 ГТТТТТТ] 1 І-ІТІГП] 1 Г-ГГТПТ| All trigger .001 .01 .1 1 10
Т50 (seconds) "Т~ГТТТТТ
Рис. 5: Распределение по продолжительностям гамма-всплесков согласно каталогу 4Вг [36]. Приводится продолжительность Т50, которая соответствует времени, за которое интегральный поток всплеска высвечивает от 25% до 75% от своего полного значения.
Современные статистические данные по гамма-всплескам
Нахождение нетриггерных всплесков в записях BATSE дало бы не только уточнение статистики всплесков с потоками, выше порогового для BATSE ( 0.2 фот/см2/s), но, что наиболее важно, дало бы информацию 6 гамма-всплесках с меньшими потоками и сделало доступными для исследования, вероятно, более далекие источники гамма-всплесков при отсутствии нового, более чувствительного инструмента наблюдений. Таким образом, поиск нетриггерных всплесков является важной актуальной задачей.
Для такого поиска имеются данные DISCLA и данные CONT (см. раздел 1.3, стр. 18). Данные DISCLA представляют больший интерес, так как имеют лучшее временное разрешение и имеют большее общее время записи. Эти данные содержат непрерывные записи наблюдений BATSE с временным разрешением 1024 мс в четырех энергетических каналах с апреля 1991 года по настоящий момент.
Этой задачей занималось несколько групп. Первая выборка нетриггерных всплесков (всего 12 событий) была найдена Б.Рабином и др. в 1992 году [44]. М.Шмидт опубликовал свою выборку 404 нетриггерных всплесков [48]. Систематический поиск был осуществлен Д.Коммерсом с участием коллектива самого эксперимента BATSE и имел наиболее значимые результаты [27], [28]. Ими были обработаны данные DISCLA за 6 лет наблюдений BATSE и найдено 873 нетриггерных всплеска, помещенные в каталог Д.Коммерса и др., названный дополнением к каталогу эксперимента BATSE [29]. Вместе с найденными в процессе поиска триг-герными всплесками, отождествленными по каталогу [35], общий размер выборки составил 2265 всплеска с потоками до 0.1 фот/см2/с.
Заметим, что для дальнейших исследований важна общая статистика найденных в процессе поиска гамма-всплесков, как нетриггерных, так и триггерных, которые составляют однородную выборку.
Описываемый ниже поиск был сделан с более совершенным алгоритмом, охватывает больший объем записей BATSE и имеет большую итоговую и нормированную на единицу времени выборку найденных всплесков, чем все предыдущие поиски. Кроме того, поиск имеет надежную оценку эффективности нахождения всплесков в зависимости от потока и способен оценивать другие селективные эффекты. Поиск, однако, ценен в любом случае, так как полученные независимо несколькими группами идентичные результаты более достоверны.
Использованные для поиска нетриггерных всплесков данные DISCLA были взяты из электронного архива наблюдений эксперимента BATSE [21]. Как уже упоминалось (раздел 1.3), данные DISCLA содержат записи по 4 энергетическим каналам в каждом из 8 детекторов BATSE, непрерывные, с временным разрешением 1024 мс. Данные отсутствуют (записи имеют разрывы) в периоды, соответствующие пролету спутника CGRO через южную атлантическую аномалию, и в редких случаях технических сбоев. На рис. 8 приведены 2 фрагмента данных DISCLA (записи в двух детекторах). Хорошо видно, что фон довольно высокий из-за ионосферного вклада, обусловленного низкой орбитой спутника. Среди событии, которые содержатся в записях наряду с гамма-всплесками. - солнечные вспышки, источники мягких повторяющихся гамма-вспышек (soft gamma repeaters), рентгеновские переменные, а также высыпание частиц и люминисценция детекторов. Гамма-всплеск как он выглядит в данных DISCLA показан на рис. 9. Люминисценция выглядит как короткая вспышка только в одном детекторе. Высыпание частиц означает, как правило, повышение фона во всех детекторах. Излучение любого точечного источника будет означать повышение темпа счета в более чем двух, но не всех, смежных детекторах BATSE. Повышение темпа счета может быть и во всех детекторах из-за отражения от земной атмосферы, как правило в случае мощного события, но не может быть одинаковой интенсивности в противоположно направленных детекторах. Источники мягких повторяющихся гамма-вспышек - события редкие и выделяются активностью на более длительном временном интервале, чем другие жесткие рентгеновские источники и гамма-всплески. Критерием отличия гамма-всплеска от солнечных вспышек и рентгеновских переменных является в первую очередь жесткость (отношение потоков в более жестком диапазоне и более мягком диапазоне энергии), а также координаты, если регистрируется уже известный источник. Однако абсолютно правильная классификация по данным BATSE проблематична, так как источники имеют схожий характер излучения, в частности - кривые блеска и продолжительности, близкую жесткость в диапазоне Два фрагмента используемых данных DISCLA. На каждом - записи отсчетов в двух детекторах, сумма 2 и 3 энерг. каналов. Каждый фрагмент соответствует одному орбитальному периоду спутника CGRO. Стрелками указаны моменты достижения спутником максимальных южной и северной широты. Для удобства восприятия сигналы усреднены по десять 1024 миллисекундных бинов. В процессе поиска выяснилось, что заметные на рисунке выбросы относятся к следующим событиям: верхний фрагмент - до 51800 с - сильный шум от CygX-1, 51800 с - заход под земной горизонт CygX-1, 54050 с - восход над земным горизонтом CygX-1, 54660 с - высыпание частиц, 54930 с - солнечная вспышка, 56270 с - восход над земным горизонтом Крабовидной туманности. нижний фрагмент - 78500 с - высыпание частиц, 79550 с - заход CygX-1, 80250 с - нетриггерный гамма-всплеск, 81700 с - восход CygX-1, 83030 с - нетриггерный гамма-всплеск. Заметим, что случай обнаружения двух нетриггерных всплесков за время одного орбитального периода спутника - редкий.
Обсуждение достоверности найденных всплесков
Найденные в результате описанного поиска гамма-всплески - как нетриг-герные, так и триггерные - были объединены в каталог. Новый объединенный каталог гамма-всплесков (ОК) имеет следующие преимущества перед существующими: 1. превосходит численностью своей выборки все существующие на сегодняшний день каталоги гамма-всплесков, 2. содержит слабые всплески с потоками 0.1-0.2 фот/см2/с в интервале 50-300 кэВ (столь слабые всплески содержатся лишь в каталоге Коммерса и др. [29], однако их выборка меньше), 3. дает возможность оценивать селективные эффекты, имевшие место при регистрации всплесков, статистикой тестовых всплесков, в том числе имеет надежную кривую эффективности регистрации всплесков в зависимости от потока (см. раздел 2.2), 4. включает кривые блеска не только в привычном их представлении, но и в виде "чистых" сигналов, выделенных методом фитирования (см. раздел 2.2). Ради однородности каталога в него были включены только те известные триггерные "BATSE -всплески, которые были найдены в поиске.
В процессе поиска не найдено 24% триггерных всплесков каталога BATSE [35]. 2/3 из них произошли в периоды отсутствия использовавшихся для поиска 1024миллисекундных записей эксперимента BATSE, 1/5 - слишком короткие, чтобы быть зарегистрированными с временным разрешением 1024 мс, оставшиеся - 1/8 или 3% от общего числа триггерных всплесков каталога BATSE за соответствующий период - были ошибочно дисклассифицированы или пропущены в поиске.
Таким образом, все гамма-всплески, вошедшие в каталог ОК, были записаны в процессе одной и той же моды наблюдений эксперимента BATSE и выделены из этих записей одной и той же процедурой описанного поиска, и представляют собой однородную выборку гамма-всплесков.
Первая из них обусловлена тем, что всплески были извлечены из записей с достаточно низким (1024 мс) временным разрешением: ОК неполон для класса коротких ( 2 с) всплесков [30] и непригоден для их изучения. Вторая особенность связана с присутствием в выборке слабых всплесков: для них трудно уверенно определить продолжительности. В текущем ОК данные по продол жител ьностям отсутствуют, однако, эта задача сейчас решается и данные появятся в ближайшее время.
Первая версия ОК появилась в феврале 1999 года. В процессе продолжения работы по поиску нетриггерных всплесков, ОК пополняется новыми данными. В таблице 1 собраны данные о версиях ОК. Заметим, что первая версия была пересмотрена из-за недостаточно отлаженной процедуры поиска. Последняя, третья версия ОК, включает данные обработки наблюдений BATSE за 8.6 лет по 17 ноября 1999 года и содержит 3678 гамма-всплесков - 1715 нетриггерных и 1963 триггерных. Число обнаруженных всплесков за единицу времени в процессе продолжения и совершенствования поиска несколько возросло.
ОК содержит следующие данные: индивидуальные характеристики гамма-всплесков, регистрационные данные, относящиеся ко всей выборке, некоторые статистические распределения. Индивидуальные характеристики сведены в основную таблицу каталога - таблица 2. Приводятся идентификатор события по времени, данные о потоке и координаты. В ближайщее время в таблицу будут включены продолжительности всплесков. Всплески в таблице упорядочены по времени. Идентификатор содержит усеченную юлианскую дату (юлианская дата минус 2440000.5) с литерой, отличающей всплески, произошедшие в один и тот же день, время дня в секундах и номер триггера BATSE, если всплеск - триггерный. Приводится поток в интервале 50-300 кэВ (во 2-м и 3-м энергетических каналах BATSE) и жесткость как отношение потоков в интервале 50-300 кэВ (2 и 3-й каналы) и в интервале 25-50 кэВ (1-й канал). Даны координаты в галактической системе координат а, 6 и ошибка локализации (см. раздел 2.2) в градусах. Для изучения выборки только нетриггерных всплесков служит таблица 3, аналогичная таблице 2, где всплески выстроены в порядке уменьшения их интенсивности Вместо номера триггера BATSE в ней приводится отождествление с каталогом нетриггерных всплесков Коммерса и др. [29] и пока не содержатся данные о жесткости. Каталог содержит также кривые блеска как индивидуальные характеристики. Кривые блеска в каталоге представлены в 2-х вариантах: "темп счета квантов в зависимости от времени" и так называемые "чистые" сигналы. Все кривые блеска, будучи извлеченными из записей BATSE с временным разрешением 1.024 секунды, имеют это временное разрешение. Кривые блеска как "темп счета квантов в зависимости от времени" -наиболее типичный вариант представления кривых блеска гамма-всплесков - содержат суммированные темпы счета квантов во втором и третьем энергетическом канале BATSE (50-300 кэВ) для двух детекторов, где интенсивность данного всплеска была наибольшей по сравнению с другими детекторами. Так называемые "чистые" сигналы, выраженные в полном темпе счета (1-4 энерг. каналы) являются результатом фитирования потока фотонов и положения всплеска (см. описание в разделе 2.2.3 на стр. 27).
Новый каталог гамма-всплесков как результат поиска нетриггерных всплесков в данных BATSE
Эти статистики чувствительны к анизотропиям, связанным с характерными направлениями и плоскостями применяемых систем координат. Статистики sin( 5) и s m2(5) — 1/3 проверяют анизотропию, обусловленную Землей и могут выявить методические ошибки. Использование статистик cos(0) , sin2(6) — 1/3 , было обусловлено гипотезами о галактическом происхождении гамма-всплесков.
Подтверждение космологической гипотезы происхождения гамма-всплесков делает более актуальным применение независимой системы координат для тестов на изотропию (заметим, однако, что эта система применялась задолго до этого - см., например, [24]).
В каталоге 4Вг [36] гамма-всплесков, зарегистрированных в эксперименте BATSE, используются предложенные Бриггсом [7] статистики Ватсона W и Биньями В, характеризующие соответственно дипольный и квадрупольный моменты в независимой системе координат. Преимуществом теста W считается его независимость от числа N источников и плотность вероятности, распределенная как Хз- Однако этот тест дает скалярную величину и не указывает направление возможной анизотропии. Поэтому использование более простой, но более наглядной характеристики - дипольного момента К - выглядит более оправданным и достаточным.
Статистические ошибки для статистик cos(0) и sin( 5) , а также для компонент дипольного момента Rl, R2, R3 составляют [7]
Неопределенности, вносимые в результаты дипольных и квадруполь-ных моментов ошибками локализации каталога ОК, значительно меньше неопределенностей, появляющихся в силу ограниченной выборки. Как показали расчеты методом Монте-Карло, неопределенности, вносимые ошибками локализации в значения компонент дипольного момента в независимой системе координат составляют 3.8 х Ю-3 для всего каталога ОК в целом и 7.1 х 10_3 для нетриггерных всплесков, тогда как неопределенности, накладываемые ограниченностью выборки, составляют 1.0 х Ю-2 и 1.4 х Ю-2 соответственно.
Тест на избыток в направлении туманности Андромеды также эффективен несмотря на большие ошибки локализации. Методом Монте-Карло был смоделирован случай, когда всплески в гало М31 дают равномерный избыток в пространственном распределении внутри круга на небесной сфере с радиусом 12, 18 и 25 вокруг направления на М31 над остальным изотропным "фоном". При учете ошибок локализации каталога ОК внутри 12, 18 и 25 остается соответственно 55%, 66% и 74% всплесков, то есть избыток вполне регистрируем. Реально же всплески в гало М31 должны давать избыток не равномерный внутри круга, а с концентрацией всплесков в направлении центра М31, таким образом проценты оставшихся всплесков должны быть еще выше.
В случае изотропного распределения источников гамма-всплесков значения всех тестов таблицы 4 равны нулю. Однако из-за орбиты спутника, на котором проводится эксперимент BATSE, а также варьирующегося ионосферного вклада в фон экспозиция неба, накапливаемая BATSE, неоднородна (см. раздел 1.3, стр. 16 и рис. 7). В последней колонке таблицы 4 приведены величины, ожидаемые при изотропии наблюдаемых источников с учетом экспозиции BATSE.
Кроме экспозиции возможны другие эффекты, искажающие изотропию, связанные с процедурой регистрации (см. раздел 2.2). Например, приписывание гамма-всплесков с направления Солнца, Cyg Х-1 и жестких рентгеновских источников в диске нашей Галактики к проявлениям именно этих источников и ошибочная их дисклассификация. Учесть такие эффекты труднее, чем экспозицию и, как правило, ими пренебрегают в подобных задачах. В каталоге ОК эта проблема преодолена применением тестовых "подсадных" всплесков (см. раздел 2.2), которые демонстрируют те же систематические отклонения от изотропии, которые должны ожидаться для реальных всплесков.
В силу относительно малой выборки "подсадных" всплесков (5345 событий) в качестве сравнительных величин используются как значения тестов на изотропию для "подсадных" всплесков, так и расчетные значения, ожидаемые для изотропии с учетом экспозиции BATSE.
Если проверяется крупномасштабная изотропия наблюдаемой выборки гамма-всплесков, размер интересующей нас части гало не может значительно превосходить половины расстояния до туманности Андромеды составляющего 670 кпк, и можно было бы ожидать избытка всплесков в конусе с направлением на М31. Максимальный эффективный раствор такого конуса 25. По данным каталога ОК проверялся избыток в конусе радиусом 18 и 25 для всех всплесков и отдельно для слабых ( 0.4 фот см-2 с-1).
Результаты тестов на крупномасштабную изотропию в абсолютных ве-личиных приведены в таблице 5 и в стандартных отклонениях от ожидаемых величин для изотропии - в таблице 6. В таблице 5 даны ожидаемые результаты в случае изотропного распределения с учетом экспозиции эксперимента (первая колонка), результаты каталога 4Вг [36] (вторая колонка), а также полученные результаты для каталога ОК: для всей выборки в целом и отдельно для триггерных и нетриггерных всплесков (колонки 4-6). Значения, полученные для тестовых всплесков приведены в колонке 5. В таблице 6 приводятся отклонения наблюдаемых значений от ожи даемых для однородного изотропного распределения с учетом экспози ции для каталога 4Вг [36] (первая колонка), полученные отклонения для каталога ОК (колонки 2-4). Для каталога ОК даны также отклонения на блюдаемых значений от значений для тестовых всплесков в величинах с, определяемых как где о± - статистическая ошибка для тестовых всплесков, а аг - для реальных всплесков каталога. Даны величины отклонений для всего каталога ОК в целом, и отдельно для триггерных и нетриггерных всплесков.
Ограничения на возможный вклад субпопуляции в гало в общую статистику гамма-всплесков
Для гамма-всплесков OK с порогами, выше триггера BATSE (0.2фот/см2/с), ограничения как на долю "гало-популяции", так и на "евклидову компоненту" более жесткие.
Заметим, что все полученные результаты сделаны для ОК, выборка которого - неполная для всплесков короче 1 с. В реальном же случае диаграмма logN-logP, в частности, на основе которой были сделаны оценки допустимой доли всплесков галактического гало и " евклидовой компоненты", для всей выборки гамма-всплесков с потоками до 0.1 фот/см2/с может несколько отличаться от полученной для ОК, прежде всего на потоках слабее 1 фот/см2/с. Кроме того, на слабом конце диаграммы играют роль селективные эффекты, обусловленные достаточно низким временным разрешением записей BATSE (см. [3]), не учтенные методом тестовых всплесков.
Интересно сравнить полученные результаты с поиском активности источников гамма-всплесков в других областях спектра и подтверждением природы их происхождения. Число хорошо локализованных всплесков (главным образом, благодаря BeppoSAX), для которых возможным было обнаружить такую активность, на 17 декабря 1999 года составляет 41 [21]. Одно событие, совпадающее со сверхновой, в расчет не берем. Из оставшихся в 14 случаях наблюдалось оптическое послесвечение. Хотя космологическая природа установлена для 9 из 14, логично предположить, что все 14 ( 14 из 40, то есть 35%) - космологические. Оставшаяся часть 65%, то есть соответствует полученной расчетами допустимой доли всплесков из галактического гало. Заметим, однако, все эти 40 всплесков столь мало отличаются по своим свойствам, что неестественно подозревать для них разное происхождение.
Представленная работа включала в себя несколько разделов: поиск нетриггерных гамма-всплесков в записях BATSE, создание электронного каталога гамма-всплесков, угловой анализ на основе данных этого каталога. Основными результатами поиска явились найденная выборка нетриггерных всплесков и - как их часть - выборка слабых всплесков с потоками ниже порога триггера BATSE (0.2 фот/см2/с) самого чувствительного эксперимента по гамма-всплескам. Вместе с найденными триггерными всплесками поиск дал 3678 гамма-всплесков - самую крупную на сегодняшний день однородную выборку. Полученная диаграмма logN-logP для этой выборки, исправленная на надежно оцененную эффективность нахождения всплесков в поиске, продлена теперь до потоков 0.1 фот/см2/с и способна положить ограничения на некоторые модели. Важным результатом являются также яркие нетриггерные всплески, которые полезны для сравнения с данными наблюдений других экспериментов и дальнейших исследований. Результаты поиска опубликованы в работах [52], [53], [54].
Созданный по результатам поиска объединенный однородный каталог триггерных и нетриггерных гамма-всплесков, оформленный как общедоступный архив в ИНТЕРНЕТ, предоставляет богатый материал для изучения свойств гамма-всплесков с потоками до 0.1 фот/см2/с, что почти в 2 раза ниже порога триггера BATSE. Каталог превосходит объемом своей выборки все существующие на сегодня каталоги гамма-всплесков. Особой ценностью архива является оперативность его пополнения новыми обработанными данными действующего эксперимента BATSE. Описание архива дано в работе [5].
Анализ углового распределения нового каталога ОК подтвердил изотропность пространственного распределения гамма-всплесков и положил ограничения до максимально допустимую долю "гало-популяции" в общей статистике 60% на основе 3678 гамма-всплесков с потоками до 0.1 фот/см2/с. Результаты опубликованы в работах [4], [46].
Поиск нетриггерных гамма-всплесков был осуществлен в коллективе соавторов: Б.Е.Штерна, Д.А.Компанееда, М.Степанова, А.Бережного и Р.Свенссона по инициативе Б.Е.Штерна. Работа состояла из нескольких этапов: 1. предварительный - перекачка данных BATSE из ИНТЕРНЕТОВСКОГО архива, запись их на компакт-диски и разработка алгоритма поиска, 2. создание программного обеспечения, 3. сканирование данных, 4. обработка данных сканирования. Этап 1 был выполнен автором совместно с Б.Е.Штерном и М.Степановым. Программное обеспечение создано Б.Е.Штерном. Автором было отсканировано 60% данных, оставшаяся часть - Б.Е.Штерном, Д.А.Компанеедем и А.Бережным. Этап 4 осуществлен автором совместно с Б.Е.Штерном и Р.Свенссоном. Электронный каталог гамма-всплесков был создан автором совместно с Б.Е.Штерном. Угловой анализ по данным каталога был сделан по инициативе автора и совместно с Б.Е.Штерном.
Похожие диссертации на Гамма-всплески, найденные в архивных записях эксперимента BATSE : Однородный каталог и анализ пространственного распределения
