WikiDer > История исследований гамма-всплесков

History of gamma-ray burst research

В история гамма-лучей началось с счастливый обнаружение гамма-всплеск (GRB) 2 июля 1967 г., США. Vela спутники. После того, как эти спутники обнаружили пятнадцать других гамма-всплесков, Рэй Клебесадель из Лос-Аламосская национальная лаборатория опубликовал первую статью по теме, Наблюдения за гамма-всплесками космического происхождения.[1] По мере того, как эти загадочные события проводились все больше и больше, были разработаны сотни моделей в попытке объяснить их происхождение.

Открытие

Гамма-всплески были обнаружены в конце 1960-х годов США. Vela спутники обнаружения ядерных испытаний. Velas были созданы для обнаружения импульсов гамма-излучения, испускаемого при испытаниях ядерного оружия в космосе. Соединенные Штаты подозревали, что СССР может попытаться провести секретные ядерные испытания после подписания Договор о запрещении ядерных испытаний в 1963 году. В то время как большинство спутников вращалось на высоте около 500 миль над поверхностью Земли, спутники Vela вращались на высоте 65 000 миль. На этой высоте спутники вращались над Радиационный пояс Ван Аллена, что снизило шум в датчиках. Дополнительная высота также означала, что спутники могли обнаруживать взрывы позади Луна, место, где Правительство США подозревали, что Советский Союз попытается скрыть испытания ядерного оружия. Система Vela, как правило, имела четыре спутника, работающие в любой момент времени, так что гамма-сигнал мог быть обнаружен в нескольких местах. Это позволяло локализовать источник сигнала в относительно компактной области пространства. Хотя эти характеристики были включены в систему Vela для улучшения обнаружения ядерного оружия, эти же характеристики сделали спутники способными обнаруживать всплески гамма-излучения.[2]

2 июля 1967 г., в 14:19 универсальное глобальное времяспутники Vela 4 и Vela 3 зарегистрировали вспышку гамма-излучения, не похожую ни на какие известные сигнатуры ядерного оружия.[3] Ядерные бомбы производят очень короткий, интенсивный всплеск гамма-излучения менее одной миллионной доли секунды. Затем излучение постепенно затухает по мере того, как нестабильные ядра разлагаться. В сигнале, обнаруженном спутниками Vela, не было ни интенсивной начальной вспышки, ни постепенного затухания, но вместо этого на кривой блеска были два отчетливых пика.[2] Солнечные вспышки и новые сверхновые были два других возможных объяснения события, но в тот день не произошло ни одного.[3] Неизвестно, что произошло, но не считая этот вопрос особенно срочным, команда Лос-Аламосская научная лабораторияво главе с Рэй Клебесадель, хранит данные для дальнейшего расследования.

Vela 5 был запущен 23 мая 1969 года. Поскольку чувствительность и временное разрешение на этих спутниках были значительно более точными, чем инструменты на Vela 4, команда из Лос-Аламоса ожидала, что эти новые спутники будут обнаруживать больше гамма-всплесков. Несмотря на огромное количество фоновые сигналы Уловив новые детекторы, исследовательская группа обнаружила двенадцать событий, которые не совпадали ни с какими солнечными вспышками или сверхновыми. Некоторые из новых обнаружений также показали тот же образец двойного пика, который наблюдал Vela 4.[3]

Хотя их приборы не были лучше, чем на Vela 5, спутники Vela 6 были запущены 8 апреля 1970 года с целью определения направления, с которого приходили гамма-лучи. Орбиты спутников Vela 6 были выбраны как можно дальше от Vela 5, как правило, на расстоянии порядка 10000 километров друг от друга. Это разделение означало, что, несмотря на прохождение гамма-лучей на скорость света, сигнал будет обнаруживаться разными спутниками в несколько разное время. Анализируя время прибытия, Клебесадель и его команда успешно отследили шестнадцать гамма-всплесков. Случайное распределение всплесков по небу ясно показало, что они исходили не от Солнца, Луны или других источников. планеты в нашем Солнечная система.[3]

В 1973 году Рэй Клебесадель, Рой Олсон и Ян Стронг из Калифорнийский университет Лос-Аламосская научная лаборатория опубликовано Наблюдения за гамма-всплесками космического происхождения, идентифицируя космический источник для ранее необъяснимых наблюдений гамма-лучей.[1] Вскоре после этого Клебесадель представил свои открытия на 140-м заседании Американского астрономического общества. Хотя у него брал интервью только Национальный исследователь, новости об открытии быстро распространились по научному сообществу.[4] В период с 1973 по 2001 год по гамма-всплескам было опубликовано более 5300 статей.[5]

Ранние исследовательские миссии

Вскоре после открытия гамма-всплесков в астрономическом сообществе возник общий консенсус в отношении того, что для определения того, что их вызвало, их необходимо отождествить с астрономическими объектами с другими длинами волн, особенно с видимым светом, поскольку этот подход был успешно применен. применяется к полям радио Рентгеновская астрономия. Этот метод потребует гораздо более точных местоположений нескольких гамма-всплесков, чем может обеспечить система Vela.[6] Для большей точности детекторы нужно было расположить дальше друг от друга. Было сочтено необходимым не запускать спутники только на орбиту Земли, а распространить детекторы по всей Солнечной системе.

К концу 1978 г. первая Межпланетная сеть (IPN) был завершен. Помимо спутников Vela, в IPN вошли 5 новых космических аппаратов: российский Прогноз 7, на орбите вокруг Земли, немецкий Гелиос 2, на эллиптической орбите вокруг Солнца, и НАСАс Орбитальный аппарат Pioneer Venus, Венера 11, и Венера 12, каждый из которых находился на орбите Венера. Исследовательская группа в Российский институт космических исследований в Москве под руководством Кевина Херли смогла использовать данные, собранные IPN, для точного определения местоположения гамма-всплесков с точностью до нескольких единиц. угловые минуты. Однако даже при использовании самых мощных из имеющихся телескопов ничего интересного в определенных регионах обнаружить не удалось.[7]

Чтобы объяснить существование гамма-всплесков, было выдвинуто множество спекулятивных теорий, большинство из которых постулировались поблизости. галактический источники. Однако до запуска в 1991 г. Гамма-обсерватория Комптона и его обозреватель пакетов и переходных источников (BATSE) прибор, чрезвычайно чувствительный детектор гамма-излучения. Этот инструмент предоставил важные данные, указывающие на то, что гамма-всплески изотропный (без смещения в каком-либо конкретном направлении в пространстве, например, в направлении галактический самолет или галактический центр).[8] Поскольку галактика Млечный Путь имеет очень плоскую структуру, если бы гамма-всплески происходили изнутри Млечного Пути, они не распространялись бы изотропно по небу, а вместо этого концентрировались бы в плоскости Млечного Пути. Хотя яркость вспышек предполагала, что они должны были происходить в пределах Млечного Пути, их распределение предоставило очень веские доказательства обратного.[9][10]

Данные BATSE также показали, что гамма-всплески делятся на две отдельные категории: кратковременные всплески жесткого спектра («короткие всплески») и длительные всплески мягкого спектра («длинные всплески»).[11] Короткие всплески обычно длится менее двух секунд и в них преобладают более высокоэнергетические фотоны; длинные всплески обычно длится более двух секунд и в них преобладают фотоны с более низкой энергией. Разделение не является абсолютным, и популяции пересекаются с точки зрения наблюдений, но различие предполагает два разных класса предков. Однако некоторые считают, что существует третий тип гамма-всплесков.[12][13][14][15] Предполагается, что три типа гамма-всплесков отражают три разных происхождения: слияние систем нейтронных звезд, слияние белых карликов и нейтронных звезд и коллапс массивных звезд.[16]

В течение десятилетий после открытия гамма-всплесков астрономы искали аналог: любой астрономический объект, положение которого совпало с недавно наблюдаемой вспышкой. Астрономы рассматривали множество различных объектов, в том числе белые карлики, пульсары, сверхновые, шаровые скопления, квазары, Сейфертовские галактики, и BL Lac объекты.[17] Исследователи специально искали объекты с необычными свойствами, которые могли иметь отношение к гамма-всплескам: высокая правильное движение, поляризация, орбитальная модуляция яркости, быстрое мерцание шкалы времени, экстремальные цвета, эмиссионные линии, или необычной формы.[18] С момента открытия гамма-всплесков до 1980-х гг. GRB 790305b[nb 1] было единственным событием, которое было идентифицировано с кандидатом на исходный объект:[17] туманность N49 в Большое Магелланово Облако.[19] Все остальные попытки не увенчались успехом из-за плохого разрешения имеющихся детекторов. Лучшая надежда, казалось, заключалась в обнаружении более слабого, затухающего и более длинноволнового излучения после самой вспышки, «послесвечения» гамма-всплеска.[20]

Еще в 1980 г. исследовательская группа во главе с Ливио Скарси на Римский университет начал работать над Спутник по Astronomia X, исследовательский спутник рентгеновской астрономии. Проект развился в результате сотрудничества между Итальянское космическое агентство и Нидерландское агентство аэрокосмических программ. Хотя изначально спутник предназначался исключительно для изучения рентгеновских лучей, Энрико Коста из Istituto di Astrofisica Spaziale предположил, что четыре защитных экрана спутника могут легко служить детекторами гамма-всплесков.[21] После 10 лет задержек и окончательной стоимости примерно $350 миллионов,[22] спутник, переименованный BeppoSAX в честь Джузеппе Оккиалини,[23] был спущен на воду 30 апреля 1996 года.[24]

В 1983 году команда в составе Стэн Вусли, Дон Лэмб, Эд Фенимор, Кевин Херли и Джордж Рикер начал обсуждение планов нового спутника исследования гамма-всплесков, High Energy Transient Explorer (HETE).[25] Хотя многие спутники уже предоставляют данные о гамма-всплесках, HETE станет первым спутником, полностью посвященным исследованиям гамма-всплесков.[26] Цель заключалась в том, чтобы HETE могла локализовать всплески гамма-излучения с гораздо большей точностью, чем детекторы BATSE. В 1986 году группа представила НАСА предложение, согласно которому спутник будет оснащен четырьмя детекторами гамма-излучения, рентгеновской камерой и четырьмя электронными камерами для обнаружения видимого и ультрафиолетового света. Проект должен был стоить $14,5 млн, а запуск изначально планировался на лето 1994 года.[25] В Пегас XL ракета, запущенная HETE 4 ноября 1996 года, не выпустила два своих спутника, поэтому HETE и SAC-B, аргентинский исследовательский спутник, также находящийся на борту, были прикреплены к реактивной ракете и не могли направить свои солнечные панели на Солнце. , и в течение одного дня после запуска вся радиосвязь со спутниками была потеряна.[27] Возможный преемник миссии, HETE 2, был успешно запущен 9 октября 2000 г. Он наблюдал свой первый GRB 13 февраля 2001 г.[28]

Наблюдения и анализ

BeppoSAX обнаружил свой первый гамма-всплеск GRB960720 20 июля 1996 г.[29] от вспышки рентгеновского излучения в одной из двух камер с широким полем поля (WFC), но это было обнаружено в данных только шесть недель спустя дежурным ученым, систематически проверявшим триггеры BATSE, совпадающие со вспышками WFC с того же направления. Последующие радионаблюдения с помощью Очень большой массив к Дейл Хрупкий не обнаружил послесвечения в полученной позиции из деконволюционных данных, но обычная процедура обнаружения гамма-всплесков с помощью BeppoSAX могла быть установлена. Это привело к обнаружению гамма-всплеска 11 января 1997 года, и одна из его широкоугольных камер также обнаружила рентгеновское излучение в тот же момент, что и триггер BATSE. Джон Хейз, Голландский ученый проекта для WFC BeppoSAX, быстро деконволюция данные из WFC с использованием программного обеспечения Жан ин 'т Занд, бывший голландский специалист по гамма-спектроскопии в Центр космических полетов Годдарда, и менее чем за 24 часа произвел положение неба с точностью около 10 угловых минут.[30] Хотя межпланетные сети уже превзошли этот уровень точности, они не смогли получить данные так быстро, как мог Хейз.[31] В последующие дни Дейл Фрейл, работая с Very Large Array, обнаружил единственный замирающий радиоисточник внутри окна ошибки, BL Lac объект. Статья написана для Природа заявив, что это событие доказало, что гамма-всплески произошли от активных галактик. Однако Жан ин 'т Занд переписал программу деконволюции WFC, чтобы получить положение с точностью до 3 угловых минут, и объект BL Lac больше не находился в пределах уменьшенного окна ошибок. Несмотря на то, что BeppoSAX наблюдал и рентгеновские лучи, и гамма-всплеск, и положение было известно в течение того же дня, источник всплеска не был идентифицирован.[30]

Успех компании BeppoSAX пришелся на февраль 1997 года, менее чем через год после ее запуска. BeppoSAX WFC обнаружил гамма-всплеск (GRB 970228), и когда рентгеновская камера на борту BeppoSAX была направлена ​​в направлении, откуда произошла вспышка, она обнаружила затухающее рентгеновское излучение. Позднее наземные телескопы также обнаружили исчезающий оптический аналог.[32] Местоположение этого события было определено, после того как гамма-всплеск исчез, глубокая съемка позволила идентифицировать слабую, очень далекую родительскую галактику в местоположении гамма-всплеска. Всего за несколько недель закончились давние споры о шкале расстояний: гамма-всплески были внегалактическими событиями, происходящими внутри слабых галактик на огромных расстояниях.[nb 2] Окончательно установив шкалу расстояний, охарактеризовав среду, в которой возникают гамма-всплески, и предоставив новое окно для изучения гамма-всплесков как с точки зрения наблюдений, так и теоретически, это открытие произвело революцию в изучении гамма-всплесков.[33]

Два крупных прорыва также произошли со следующим событием, зарегистрированным BeppoSAX, GRB 970508. Это событие было локализовано в течение 4 часов после его открытия, что позволило исследовательским группам начать наблюдения намного раньше, чем любой предыдущий всплеск. Сравнивая фотографии окна ошибки, сделанные 8 и 9 мая (в день события и на следующий день после него), было обнаружено, что яркость одного объекта увеличилась. С 10 мая по май Чарльз Стейдель записал спектр переменного объекта от Обсерватория В. М. Кека. Марк Мецгер проанализировал спектр и определил красное смещение z = 0,835, что соответствует расстоянию примерно 6 миллиардов световых лет. Это было первое точное определение расстояния до гамма-всплеска, которое дополнительно доказало, что гамма-всплески возникают в очень далеких галактиках.[34]

До локализации GRB 970228 мнения расходились относительно того, будут ли гамма-всплески излучать обнаруживаемые радиоволны. Богдан Пачиньски и Джеймс Роудс опубликовал в 1993 году статью, предсказывающую послесвечение радио, но Мартин Рис и Питер Месарош пришел к выводу, что из-за огромных расстояний между гамма-всплесками и землей любые генерируемые радиоволны будут слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить.[35] Хотя GRB 970228 сопровождался оптическим послесвечением, ни Очень большой массив ни Вестерборкский радиотелескоп синтеза смогли обнаружить радио послесвечение. Однако через пять дней после GRB 970508 Дейл Хрупкий, работая с Очень большой массив в Нью-Мексико, наблюдал радиоволны от послесвечения на длинах волн 3,5 см, 6 см и 21 см. Общая светимость широко варьировалась от часа к часу, но не одновременно на всех длинах волн. Джереми Гудман из Университет Принстона объяснил беспорядочные колебания результатом мерцание вызванные вибрациями в атмосфере Земли, которые больше не возникают, когда видимый размер источника превышает 3 микродуговых секунды. Через несколько недель флуктуации светимости исчезли. Используя эту информацию и расстояние до события, было определено, что источник радиоволн расширился почти на скорость света. Никогда прежде не было получено точной информации о физических характеристиках взрыва гамма-всплеска.[36]

Кроме того, поскольку GRB 970508 наблюдался на многих разных длинах волн, было возможно сформировать очень полную спектр для мероприятия. Ральф Вейерс и Тит Галама попытался рассчитать различные физические свойства всплеска, включая общее количество энергии во всплеске и плотность окружающей среды. Используя обширный система уравнений, они смогли вычислить эти значения как 3 × 1052 эрг и 30 000 частиц на кубический метр соответственно. Хотя данные наблюдений не были достаточно точными, чтобы их результаты можно было считать особенно надежными, Вейерс и Галама показали, что в принципе можно определить физические характеристики гамма-всплесков на основе их спектров.[37]

Следующая вспышка, для которой необходимо было рассчитать красное смещение, была GRB 971214 с красным смещением 3,42, на расстоянии примерно 12 миллиардов световых лет от Земли. Используя красное смещение и точные измерения яркости, выполненные как BATSE, так и BeppoSAX, Шринивас Кулкарни, который зарегистрировал красное смещение в обсерватории У. М. Кека, подсчитал, что количество энергии, выделяемое вспышкой за полминуты, составляет 3 × 1053 эрг, в несколько сотен раз больше энергии, чем выделяется Солнцем за 10 миллиардов лет. Взрыв был объявлен самым мощным взрывом за всю историю Большой взрыв, получив прозвище Большой взрыв 2. Этот взрыв поставил перед теоретиками гамма-всплесков дилемму: либо этот всплеск произвел больше энергии, чем можно было бы объяснить с помощью любой из существующих моделей, либо всплеск испускал энергию не во всех направлениях, а в очень узком диапазоне. балки который случайно указывал прямо на землю. Хотя объяснение излучения уменьшило бы общий выход энергии до очень малой доли вычисления Калкарни, оно также подразумевает, что на каждый наблюдаемый на Земле всплеск происходит несколько сотен, которые не наблюдаются, потому что их лучи не направлены на землю.[38]

В ноябре 2019 года астрономы сообщили о заметном гамма-всплеск взрыв, названный GRB 190114C, первоначально обнаруженный в январе 2019 года, который, как было установлено, имел самую высокую энергию, 1 Тераэлектронвольт (ТэВ), когда-либо наблюдаемых для такого космического события.[39][40]

Текущие миссии

Конус-Винд летит на борту Ветер космический корабль. Он был запущен 1 ноября 1994 года. Эксперимент состоит из двух идентичных гамма-спектрометров, установленных на противоположных участках космического корабля, так что можно наблюдать все небо.[41]

Стремительный космический корабль

ИНТЕГРАЛ, то Европейское космическое агентствоМеждународная лаборатория гамма-астрофизики была открыта 17 октября 2002 года. Это первая обсерватория, способная одновременно наблюдать объекты в гамма-лучах, рентгеновских лучах и видимых длинах волн.[42]

НАСАс Быстрый Спутник запущен в ноябре 2004 года. Он сочетает в себе чувствительный детектор гамма-излучения с возможностью направлять бортовые рентгеновские и оптические телескопы в направлении новой вспышки менее чем через одну минуту после ее обнаружения.[43] Открытия Свифта включают в себя первые наблюдения послесвечения с короткими всплесками и огромное количество данных о поведении послесвечения гамма-всплесков на ранних стадиях их эволюции, даже до того, как гамма-излучение гамма-всплеска прекратилось. Миссия также обнаружила большие рентгеновские вспышки, появляющиеся в течение нескольких минут или дней после окончания гамма-всплеска.

11 июня 2008 года космический гамма-телескоп большой площади НАСА (GLAST), позже переименованный в Космический гамма-телескоп Ферми, был запущен. В задачи миссии входит «раскрыть тайны невероятно мощных взрывов, известных как гамма-всплески».[44]

Еще одна миссия по наблюдению за гамма-всплесками ГИБКИЙ. Открытия гамма-всплесков производятся по мере их обнаружения через Сеть координат гамма-всплесков так что исследователи могут быстро сфокусировать свои инструменты на источнике вспышки, чтобы наблюдать послесвечение.

Примечания

  1. ^ GRB названы в честь даты их обнаружения: первые две цифры обозначают год, затем идут двузначный месяц и двузначный день, затем буква, соответствующая порядку, в котором они были обнаружены (A для первой из в тот день, B на секунду и так далее). До 2010 г. это было обозначено только в том случае, если в определенный день были обнаружены два или более GRB.
  2. ^ Дополнительную информацию о галактиках, в которых размещены гамма-всплески, см. В базе данных GHostS. http://www.grbhosts.org

Рекомендации

  1. ^ а б Клебесадель, Рэй В.; Сильный, Ян Б .; Олсон, Рой А. (1973). «Наблюдения за гамма-всплесками космического происхождения». Астрофизический журнал. 182: L85. Bibcode:1973ApJ ... 182L..85K. Дои:10.1086/181225.
  2. ^ а б Кац 2002, п. 4–5
  3. ^ а б c d Шиллинг 2002, стр.12–16
  4. ^ Шиллинг 2002, стр.16–17
  5. ^ Херли 2003
  6. ^ Кац 2002, п. 19
  7. ^ Шиллинг 2002, п. 19–20
  8. ^ Миган 1992
  9. ^ Шиллинг 2002, с.36–37
  10. ^ Пачиньски 1999, п. 6
  11. ^ Ковелиоту 1993
  12. ^ Мукерджи 1998
  13. ^ Хорват 1998
  14. ^ Хаккила 2003
  15. ^ Хорват 2006
  16. ^ Chattopadhyay 2007
  17. ^ а б Лян 1986, п. 33
  18. ^ Лян 1986, п. 39
  19. ^ Шиллинг 2002, п. 20
  20. ^ Фишман 1995
  21. ^ Шиллинг 2002, п. 58–60
  22. ^ Шиллинг 2002, п. 63
  23. ^ Шиллинг 2002, п. 65
  24. ^ Шиллинг 2002, п. 67
  25. ^ а б Шиллинг 2002, п. 62–63
  26. ^ Шиллинг 2002, п. 56
  27. ^ Шиллинг 2002, п. 69–70
  28. ^ Шиллинг 2002, п. 252–253
  29. ^ IAUC 6467 (Циркуляр Международного астрономического союза), Пиро и др., 3 сентября 1996 г.см. также проспекты 6472 (Frail et al.), 6480 (Piro et al.), 6569 (in 't Zand et al.), 6570 (Greiner et al.)
  30. ^ а б Шиллинг 2002, п. 86–89
  31. ^ Шиллинг 2002, п. 84
  32. ^ van Paradijs 1997
  33. ^ Фронтера 1998
  34. ^ Шиллинг 2002, п. 118–123
  35. ^ Шиллинг 2002, п. 114–115
  36. ^ Шиллинг 2002, п. 124–126
  37. ^ Шиллинг 2002, п. 141–142
  38. ^ Шиллинг 2002, п. 150–153
  39. ^ Информационный центр ЕКА / Хаббла (20 ноября 2019 г.). «Хаббл изучает гамма-всплески с самой высокой энергией, которую когда-либо видели». EurekAlert! (Пресс-релиз). Получено 20 ноября 2019.
  40. ^ Верес, П; и другие. (20 ноября 2019 г.). «Наблюдение обратного комптоновского излучения от длинного γ-всплеска». Природа. 575 (7783): 459–463. Дои:10.1038 / s41586-019-1754-6. PMID 31748725.
  41. ^ Аптекар 1995
  42. ^ "Интеграл". ЕКА. 2011-03-15. Получено 2011-11-23.
  43. ^ Герельс 2004
  44. ^ «Официальный веб-сайт NASA Fermi». fermi.gsfc.nasa.gov. Получено 2008-12-05.

Библиография