Ekstremal'nye istochniki dlya ekstremal'nyh priborov: gamma-nablyudeniya iz kosmosa
S.B.Popov
Kratkoe soderzhanie:
V etoi stat'e my rassmatrivaem razlichnye tipy istochnikov, kotorye mogut nablyudat'sya v gamma-diapazone s pomosh'yu sputnikov, planiruemyh k zapusku v blizhaishie neskol'ko let.
Soderzhanie
1. Vvedenie
4.1. Aktivnye yadra galaktik i galaktiki s moshnym zvezdoobrazovaniem
4.2. Skopleniya galaktik
4.3. Neitronnye zvezdy
4.3.1. Radiopul'sary
4.3.2. Potuhshie pul'sary
4.3.3. Magnitary
4.4. Dvoinye sistemy
4.4.1. Mikrokvazary
4.4.2. Dvoinye sistemy s radiopul'sarami
4.5. Diffuznoe izluchenie
4.6. Gamma-vspleski
4.7. Proverka fundamental'nyh teorii
4.9. Myagkie istochniki EGRET, nezaregistrirovannye COMPTEL
5. Raspredelenie istochnikov na nebesnoi sfere
6. Zaklyuchenie
1 Vvedenie
Poskol'ku astronomicheskie ob'ekty nedostupny dlya neposredstvennyh issledovanii, t.e. dlya pryamyh eksperimentov, uchenym prihoditsya dovol'stvovat'sya prihodyashim ot nih izlucheniem, v pervuyu ochered' elektromagnitnym. Elektromagnitnyi spektr prostiraetsya ot radiovoln, kotorym sootvetstvuyut kvanty s naimen'shei energiei, do gamma-luchei. Izuchat' vselennuyu v gamma-luchah neprosto. Vo-pervyh, v etom diapazone trudno dostignut' vysokogo uglovogo razresheniya. Vo-vtoryh, dlya nablyudenii na energiyah ot MeVa (Megaelektron-vol't, 1 MeV=106 eV, 1 eV primerno raven 10-12 erg, t.e. 10-19 Dzh) do soten GeV neobhodimo vyvodit' apparaturu za predely zemnoi atmosfery (sobstvenno, ot ul'trafioletovogo diapazona do MeVnogo diapazona nablyudeniya takzhe vedut iz kosmosa). Tol'ko dlya bolee zhestkogo gamma-izlucheniya s energiei kvantov primerno ot TeVa i vyshe stanovyatsya effektivnymi nazemnye gamma-teleskopy, neskol'ko slov o kotoryh budet skazano nizhe.
Astronomiya uzhe davno stala vsevolnovoi naukoi. Hotya chasto vydelyayut otdel'no radioistochniki, rentgenovskie istochniki, infrakrasnye, ul'trafioletovye, gamma, istochniki neitrino, gravitacionnyh voln i kosmicheskih luchei, liniya vodorazdela v osnovnom prohodit po tipam ob'ektov, a ne po diapazonu, v kotorom kakoi-to konkretnye istochniki byli vpervye obnaruzheny, ili v kotorom nablyudaetsya osnovnaya chast' ob'ektov dannogo klassa. Ved' prakticheski vsegda istochniki nablyudayutsya v neskol'kih diapazonah. Poetomu, govorya o gamma-istochnikah (uzhe izvestnyh ili potencial'nyh), v osnovnom prihoditsya govorit' ob ob'ektah, nablyudaemyh i vne etogo diapazona. V dannuyu stat'yu v osnovnom vklyucheny istochniki, yavlyayushiesya ob'ektami izucheniya v astrofizike vysokih energii, kotoraya v pervuyu ochered' associiruetsya s rentgenovskim diapazonom. Tem ne menee, nizhe rech' budet idti i o radiopul'sarah (mnogie iz kotoryh nablyudayutsya v rentgene), i o klassicheskih gamma-vspleskah, i o skopleniyah galaktik, ravno kak i o bolee tipichnyh rentgenovskih istochnikah takih kak tesnye dvoinye sistemy s kompaktnymi ob'ektami ili aktivnye yadra galaktik
.Dlya vseh upomyanutyh tipov ob'ektov imeyutsya ili uzhe poluchennye rannimi missiyami (Cos-B, CGRO i dr.) polozhitel'nye rezul'taty nablyudenii v gamma-diapazone, ili zhe est' teoreticheskie ocenki, pozvolyayushie nadeyat'sya na to, chto missii, planiruemye k zapusku v blizhaishie gody, smogut ih zaregistrirovat'.
Ris. A. CGRO - Komptonovskaya gamma-observatoriya.
Ris. B. Pokazany osnovnye pribory, ustanovlennye na CGRO: EGRET, BATSE, COMPTEL, OSSE.
Ris. C. Nebo glazami COMPTEL.
Ris. D. Nebo glazami EGRET.
V nachale stat'i my kratko perechislyaem osnovnye mehanizmy generacii gamma-izlucheniya astronomicheskih ob'ektov. Zatem privoditsya spisok tipov istochnikov, potencial'no interesnyh dlya budushih proektov. Rassmotreno raspredelenie istochnikov na nebesnoi sfere. Nakonec, obzor zavershaetsya zaklyucheniem i spiskom literatury.
Vse stat'i, upomyanutye v tekste, opublikovany v vedushih nauchnyh zhurnalah ili v trudah krupnyh mezhdunarodnyh konferencii. Odnako my sohranyaem vezde, gde vozmozhno, otsylku k astrofizicheskoi chasti (astro-ph) Arhiva elektronnyh preprintov (
http://ArXiv.org; http://ru.ArXiv.org), poskol'ku stat'i v Arhive nahodyatsya v svobodnom dostupe i, t.o., naibolee udobny dlya ispol'zovaniya.2. Osnovnye mehanizmy izlucheniya
Osnovnye mehanizmy izlucheniya v gamma-diapazone horosho izvestny. Obychno v istochnikah realizuetsya kombinaciya neskol'kih iz nih.
Dlya diapazona v neskol'ko desyatkov MeV, aktivno izuchaemogo proshlymi, nastoyashimi i budushimi kosmicheskimi priborami, naibolee vazhny pervye tri mehanizma.
Sinhrotronnoe izluchenie opredelyaetsya magnitnym polem, tormoznoe izluchenie i izluchenie, svyazannoe s raspadom pionov, zavisyat ot plotnosti gaza, s kotorym vzaimodeistvuyut elektrony ili nuklony i yadra, nakonec, komptonovskoe izluchenie "zavyazano" na plotnost' fotonov. T.o., nablyudeniya v gamma-diapazone dayut vozmozhnost' opredelyat' vazhnye astrofizicheskie parametry, kotorye, zachastuyu, trudno (ili dazhe nevozmozhno) tochno opredelit' drugimi metodami.
Spisok istochnikov gamma-izlucheniya, privodimyi nizhe, primerno v ravnyh dolyah sostavlen kak izvestnymi tipami (v pervuyu ochered' zaregistrirovannymi priborom EGRET na bortu CGRO), tak i temi, dlya kotoryh sushestvuyut lish' optimistichnye teoreticheskie ocenki. T.o. zapas otkrytii v gamma-diapazone daleko ne ischerpan.
- Radiopul'sary
- "Radionevidimye" pul'sary
- Magnitary
- Prochie odinochnye neitronnye zvezdy
- Akkreciruyushie kompaktnye ob'ekty (mikrokvazary)
- Stolknoveniya vetrov massivnyh zvezd
- Sistemy s radiopul'sarami
- Istochniki INTEGRAL s bol'shim poglosheniem
Nizhe my detal'no rassmatrivaem vazhneishie iz etih tipov.
4. Detal'noe opisanie tipov istochnikov
4.1. Aktivnye yadra galaktik i galaktiki s moshnym zvezdoobrazovaniem
Mozhno ozhidat', chto sredi tranzientnyh istochnikov, zaregistrirovannyh budushimi sputnikami, odnimi iz samyh mnogochislennyh budut aktivnye yadra galaktik, v pervuyu ochered' - blazary.
Ris. 1. Spektr MeVnogo blazara.
Eti ob'ekty nablyudayutsya v raznyh diapazonah spektra: ot radio do gamma. Obychno spektr imeet dva vyrazhennyh maksimuma na nizkih i vysokih energiyah. Sredi blazarov vydelyaetsya klass t.n. "MeVnyh blazarov". Maksimum v spektre etogo podklassa popadaet v diapazon 10-30 MeV (sm. ris.1, vzyatyi iz raboty [1]).
Blazary demonstriruyut vspyshechnuyu aktivnost'. Mnogie iz etih istochnikov byli zaregistrirovany v gamma-diapazone tol'ko vo vremya vspleskov. Na ris.2 pokazan primer nedavnei vspyshki istochnika 3C454.3 [2]. Potok na 1-30 MeV sostavil 10 -10 erg/sm2/c.
Ris. 2. Spektr blazara vo vremya vspyshki.
Mozhno ozhidat', chto v nedalekom budushem kolichestvo izvestnyh blazarov so vspyshechnoi aktivnost'yu sushestvenno vozrastet na schet raboty sputnika GLAST. Monitoring mnozhestva etih istochnikov stanet vazhnoi zadachei dlya novyh priborov, kotorye budut zapusheny v nedalekom budushem, no budut ustupat' GLAST po chuvstvitel'nosti, naprimer dlya AGILE.
V dopolnenie k blazaram sleduet upomyanut' seifertovskie galaktiki. Eto bolee mnogochislennyi klass galaktik s aktivnymi yadrami, obychno nablyudayushihsya ne slishkom daleko (po kosmologicheskim merkam) ot nas. Eti istochniki aktivno izuchayutsya v rentgenovskom diapazone. Mnogie byli zaregistrirovany i v gamma luchah.
Krome togo, rastet vyborka aktivnyh yader galaktik, otkrytyh po dannym sputnika INTEGRAL. Eto ob'ekty, lezhashie v ploskosti Galaktiki, sootvetstvenno, ih nablyudeniya v bolee myagkih diapazonah zatrudneny iz-za poglosheniya mezhzvezdnym veshestvom.
Nakonec, k vozmozhnym gamma-istochnikam sleduet otnesti galaktiki s vysokim tempom zvezdoobrazovaniya. V nih mnogo molodyh massivnyh zvezd s korotkim vremenem zhizni, sootvetstvenno, veliko i chislo ostatkov sverhnovyh i molodyh kompaktnyh ob'ektov. Blagodarya etomu v nih nablyudaetsya mnozhestvo rentgenovskih istochnikov. Takzhe v takih galaktikah obychno mnogo mezhzvezdnogo gaza. Vse eto vmeste delaet ih privlekatel'nymi celyami dlya gamma-nablyudenii. V pervuyu ochered' sredi etih ob'ektov stoit vydelit' blizkie galaktiki NGC 253, M82, a takzhe t.n. "fabriki sverhnovyh" - galaktiki s tempom vspyshek sverhnovyh na poltora-dva poryadka vyshe, chem v gashei Galaktike, - sredi kotoryh odnoi iz blizhaishih yavlyaetsya Arp 220.
4.2. Skopleniya galaktik
Ris. 3. Model'nyi spektr skopleniya galaktik v sozvezdii Volosy Veroniki. Takzhe pokazan verhnii predel po dannym EGRET i chuvstvitel'nost' GLAST.
Skopleniya galaktik yavlyayutsya istochnikami neteplovogo izlucheniya v radio i rentgenovskom diapazonah. V nih sushestvuyut moshnye udarnye volny, v kotoryh vozmozhno uskorenie chastic do ochen' vysokih energii. Vse eto delaet skopleniya privlekatel'noi cel'yu dlya gamma-nablyudenii. Poka skopleniya galaktik ne byli zaregistrirovany v diapazone 10 MeV - neskol'ko GeV. Odnako, est' vse osnovaniya polagat', chto oni yavlyayutsya istochnikami takogo izlucheniya. Na ris. 3 privoditsya model'nyi spektr dlya skopleniya v Volosah Veroniki (Coma) iz raboty [3]. Priveden verhnii predel, poluchennyi na EGRET, a takzhe chuvstvitel'nost' budushei missii GLAST. Maksimum v spektre prihoditsya na oblast' 10-30 MeV.
4.3. Neitronnye zvezdy
Razlichnye tipy neitronnyh zvezd yavlyayutsya perspektivnymi istochnikami gamma-izlucheniya. Mnogie iz nih uzhe byli zaregistrirovany v gamma-diapazone.
V poslednie 10 let stalo yasno, chto neitronnye zvezdy mogut rozhdat'sya ochen' raznymi, sovsem nepohozhimi na obychnye radiopul'sary tipa Kraba. Nizhe privoditsya spisok podklassov molodyh neitronnyh zvezd, ch'i nablyudatel'nye proyavleniya otlichayutsya ot proyavlenii obychnyh radiopul'sarov:
Dlya bol'shinstva iz etih istochnikov izvestny periody, chto dolzhno pomoch' v vydelenii gamma-signala ot nih pri nablyudeniyah na novyh sputnikah.
Pervye dva klassa ob'ektov, schitayushiesya kandidatami v t.n. magnitary, budut rasmotreny nizhe bolee detal'no. No v nachale pogovorim o samih radiopul'sarah.
4.3.1. Radiopul'sary
Radiopul'sary nablyudayutsya vo vseh diapazonah spektra, v tom chisle v rentgenovskom i gamma diapazonah. V spektrah radiopul'sarov v modeli polyarnoi shapki (polar cap) ozhidaetsya
nalichie zavala na vysokih energiyah [4]. Dlya obychnyh magnitnyh polei (poryadka 1012 Gs) zaval proishodit na energiyah poryadka GeVa. Dlya magnitarov on mozhet popadat' na energii poryadka desyatkov MeV. T.o. eti ob'ekty mogut okazyvat'sya nedostupnymi dlya AGILE i GLAST, no dostupnymi dlya drugih razrabatyvaemyh proektov, naprimer, dlya rossiisko-ital'yanskogo pribora "Dzhil'da-Gala". Odnako mnogie voprosy elektrodinamiki magnitosfer sil'no zamagnichennyh neitronnyh zvezd poka ne resheny. V chastnosti, raschet energii, sootvetstvuyushei zavalu, nuzhdaetsya v utochnenii. Seichas issledovaniem etoi problemy aktivno zanimayutsya neskol'ko issledovatel'skih grupp, v tom chisle i v Rossii (naprimer, v Yaroslavskom universitete).Ochevidno, chto chast' aktivnyh pul'sarov yavlyaetsya dlya nas "radionevidimymi", t.k. diagramma napravlennosti radioizlucheniya ne popadaet na nablyudatelya. "Radionevidimye" pul'sary mogut tem ne menee nablyudat'sya v gamma-diapazone. V nekotorom smysle Geminga mozhet schitat'sya primerom takih ob'ektov (hotya na nizkih chastotah radioizluchenie ot etoi neitronnoi zvezdy bylo vse-taki zaregistrirovano v Pushinskoi observatorii). Veroyatno, chto neskol'ko desyatkov neotozhdestvlennyh istochnikov EGRET prinadlezhat k etomu tipu ob'ektov. Sushestvenno, chto raspredelenie blizkih neitronnyh zvezd obladaet vazhnoi osobennost'yu, svyazannoi s sushestvovaniem t.n. Poyasa Gulda - lokal'noi struktury v raspredelenii zvezd s razmerom menee 1 kpk i vozrastom 30-50 millionov let (sm. nizhe). Nalichie takoi struktury dolzhno pomoch' vydelit' molodye neitronnye zvezdy sredi drugih gamma-istochnikov.
4.3.2. Potuhshie pul'sary
Vremya zhizni radiopul'sara sostavlyaet neskol'ko millionov let. Zatem neitronnaya zvezda perestaet izluchat' radiovolny iz-za prekrasheniya rozhdeniya vtorichnoi plazmy v oblasti magnitnyh polyusov. Odnako ostaetsya vozmozhnost' izlucheniya v zhestkom diapazone. Na risunke 4 iz raboty [5] pokazan ozhidaemyi spektr
izlucheniya v sluchae realizacii modeli so svobodnym vyhodom chastic (ne vdavayas' v detali, skazhem, chto est' dve modeli, v odnoi iz kotoryh dlya togo, chtoby vyrvat' zaryazhennuyu chasticu s poverhnosti neitronnoi zvezdy, nuzhno zatratit' nekotoruyu energiyu, a v drugoi chasticy pokidayut poverhnost' "bez usilii"). Takzhe privedeny krivye chuvstvitel'nosti priborov sputnika INTEGRAL. K sozhaleniyu, avtory [5] ne proveli analiz dlya bolee zhestkogo diapazona, takaya rabota vedetsya v nastoyashee vremya. Otkrytie gamma-izlucheniya ot potuhshih radiopul'sarov dolzhno sygrat' vazhnuyu rol' v proyasnenii modeli izlucheniya radiopul'sarov.
Ris. 4. Pokazany ozhidaemye potoki ot potuhshih pul'sarov na rasstoyanii 10 i 100 pk. Dlya sravneniya pokazany chuvstvitel'nosti razlichnyh priborov na bortu sputnika INTEGRAL.
4.3.3. Magnitary
Ris. 5. Spektry magnitarov. Sprava vidny "zhestkie hvosty" (po dannym INTEGRAL).
K klassu magnitarov otnosyat neitronnye zvezdy, ch'e izluchenie svyazano s dissipaciei energii magnitnogo polya (v protivopolozhnost' radiopul'saram, izluchayushim energiyu vrasheniya, ili ostyvayushim neitronnym zvezdam, izluchayushim teplovuyu energiyu). V principe, bol'shoe znachenie magnitnogo polya ne yavlyaetsya ni neobhodimym, ni dostatochnym svoistvom magnitara, odnako real'nost' takova, chto vse neitronnye zvezdy, schitayushiesya kandidatami v magnitary, obladayut bol'shimi magnitnymi polyami poryadka 1014 Gs, t.e. v desyatki raz vyshe, chem u obychnyh radiopul'sarov.
Neozhidannym otkrytiem, sdelannym na sputnike INTEGRAL, stalo obnaruzhenie zhestkih hvostov v spektrah neskol'kih magnitarov (sm. ris. 5, vzyatyi iz raboty [6]). Skoree vsego, spektr ne tyanetsya do desyatkov MeV, odnako, eto nuzhdaetsya v proverke. Budushie missii, osobenno te, chto budut chuvstvitel'ny v diapazone poryadka 10 MeV, dolzhny proyasnit' etot vopros.
4.4. Dvoinye sistemy
Razlichnye tipy tesnyh dvoinyh sistem tradicionno otnosyat k vozmozhnym gamma-istochnikam. Mozhno vydelit' sleduyushie osnovnye tipy:
- Sistemy s akkreciruyushim kompaktnym ob'ektom (neitronnoi zvezdoi ili chernoi dyroi).
- Sistemy, sostoyashie iz normal'noi zvezdy i radiopul'sara.
- Sistemy iz dvuh massivnyh zvezd s moshnymi zvezdnymi vetrami.
Krome togo, v svete novyh dannyh, poluchennyh na sputnike INTEGRAL, mozhno dobavit' istochniki s bol'shim poglosheniem. Ih priroda do konca ne yasna. Po vsei vidimosti, vse oni yavlyayutsya sistemami s akkreciruyushimi kompaktnymi ob'ektami, veroyatno normal'nye kompan'ony yavlyayutsya massivnymi zvezdami. Tem ne menee, poka razumno rassmotret' ih otdel'no.
Iz chisla akkreciruyushih dvoinyh naibol'shii interes v nastoyashee vremya predstavlyayut t.n. mikrokvazary.
4.4.1. Mikrokvazary
Ris. 6. Spektr sistemy LS I 61+303.
Ris. 7. Spektr sistemy LS 5039.
Mikrokvazarami nazyvayut tesnye dvoinye sistemy, v kotoryh voznikayut relyativistskie strui (dzhety). Sootvetstvenno, nablyudatel'nye proyavleniya takih ob'ektov yavlyayutsya otmasshtabirovannoi versiei aktivnyh yader galaktik.
Sistemy dannogo tipa aktivno nablyudayutsya kak v rentgenovskom, tak i v drugih (naprimer, v radio) diapazonah spektra. Veroyatno, nekotorye iz nih byli zaregistrirovany priborami na bortu CGRO. Horoshie obzory po etim ob'ektam mozhno naiti v stat'yah [7,8]. Seichas izvestno pochti 20 galakticheskih mikrokvazarov. Shest' iz nih yavlyayutsya massivnymi dvoinymi. V ih chislo vhodyat takie izvestnye ob'ekty kak SS 433, Cygnus X-1, Cygnus X-3. Sredi malomassivnyh sistem stoit upomyanut' Scorpius X-1, Circinus X-1 i GRS 1915+105.
Ris. 8. Model'nyi spektr mikrokvazara.
Na risunkah 6 i 7 privedeny nablyudaemye spektry dlya dvuh istochnikov: LS I +61 303 (ris. 6) i LS 5039 (ris. 7). Oba risunka vzyaty iz raboty [9].
Takzhe priveden (iz raboty [9]) model'nyi spektr mikrokvazara (Ris. 8).4.4.2. Dvoinye sistemy s radiopul'sarami
Bolee poloviny zvezd vhodit v dvoinye sistemy. Sootvetstvenno, dolzhny sushestvovat' dvoinye, sostoyashie iz normal'noi zvezdy i kompaktnogo ob'ekta, naprimer, radiopul'sara. I oni v samom dele nablyudayutsya.
Ris. 9. Spektr dvoinoi sistemy s pul'sarom V1259-63.
Sistemy, sostoyashie iz radiopul'sara i normal'noi zvezdy yavlyayutsya istochnikami zhestkogo izlucheniya. Primerom horosho izuchennoi sistemy yavlyaetsya PSR B1259-63. Etot istochnik detal'no issledovan v zhestkom rentgene s pomosh'yu priborov INTEGRAL. Krome togo, na ustanovke H.E.S.S. ot nego zaregistrirovano ochen' zhestkoe gamma-izluchenie.
Spektr sistemy priveden na risunke 9, vzyatom iz raboty [10]. Zaval spektra na 5 MeV svyazan s vyborom modeli inzhekcii elektronov. Ne isklyucheno, chto obryv spektra prihoditsya na bolee zhestkii diapazon. T.o., eto perspektivnyi istochnik dlya nablyudeniya na budushih priborah, osobenno s vysokoi chuvstvitel'nost'yu uzhe na 10 MeV.
4.4.3. Stolknoveniya zvezdnyh vetrov
Gamma-izluchenie mozhet generirovat'sya i v sistemah bez kompaktnyh ob'ektov. Poyavlenie zhestkih kvantov mozhet byt' svyazano so stolknoveniem dvuh zvezdnyh vetrov. Dlya etogo neobhodimo, chtoby v sisteme bylo dve massivnye zvezdy, dlya kotoryh harakterna vysokaya poterya massy v vide moshnogo potoka chastic. Skorost' vetrov v takih sistemah sostavlyaet neskol'ko tysyach km/s.
Ris. 10. Model'nyi spektr sistemy so stolknoveniem vetrov.
Na risunke 10 iz raboty [11] pokazan model'nyi spektr sistemy g 2 Velorum. Eto blizhaishaya (200-300 pk) sistema, sostoyashaya iz dvuh massivnyh zvezd (klassy WC8 i O7.5). Vidno, chto maksimum popadaet v oblast' energii poryadka desyatkov MeV, chto ideal'no dlya sputnikovyh nablyudenii na apparatah GLAST, AGILE ili "Dzhil'da-Gala".
4.4.4. Istochniki INTEGRAL
s bol'shim poglosheniem
Odnim iz neozhidannyh otkrytii, sdelannyh s pomosh'yu observatorii INTEGRAL, stalo obnaruzhenie istochnikov s ochen' bol'shim poglosheniem.
Ris. 11. Spektr istochnika IGR J18135 (vnizu) i spektr Kraba.
Na risunke 11 iz raboty [12] pokazan spektr istochnika IGR J18135-1751 (on zhe HESS J1713-178) po dannym INTEGRAL i H.E.S.S. Vverhu dlya sravneniya priveden spektr pul'sara v Krabovidnoi tumannosti. Hotya ne isklyucheno, chto mezhdu diapazonami chuvstvitel'nosti INTEGRAL i H.E.S.S. est' proval, tem ne menee ochen' inteersno, chto dadut nablyudeniya na GLAST.
4.5. Diffuznoe izluchenie
Krome potoka ot tochechnyh istochnikov vo vseh diapazonah, v tom chisle i v gamma, nablyudaetsya t.n. diffuznoe izluchenie. Ono mozhet byt' svyazano kak s deistvitel'no protyazhennymi istochnikami (oblaka gaza i t.p.), tak i prosto s tem, chto potok sozdaetsya za schet vklada mnozhestva slabyh istochnikov, nerazreshimyh po otdel'nosti.
Tradicionno izuchenie diffuznogo izlucheniya yavlyaetsya vazhnoi sostavlyayushei lyubogo proekta, rabotayushego v gamma-diapazone. Vydelyayut dve osnovnye sostavlyayushie: galakticheskoe i vnegalakticheskoe diffuznoe izluchenie. Vnegalakticheskoe v bol'shoi stepeni svyazano so mnozhestvom nerazreshennyh istochnikov (v pervuyu ochered' blazarov). Galakticheskoe opredelyaetsya v osnovnom vzaimodeistviem chastic kosmicheskih luchei s gazom, a takzhe obratnym komptonovskim effektom. Est' odnako eshe odin vazhnyi i kraine interesnyi gipoteticheskii komponent: eto raspad
chastic temnoi materii, sostavlyayushih galo nashei Galaktiki.
Ris. 12. Spektr diffuznogo izlucheniya. Vydelen vklad fona i izbytok, svyazyvaemyi s raspadom chastic temnoi materii v galo.
V nedavnei rabote [13] avtory pokazali, chto izvestnyi izbytok (prevyshenie fona) v dannyh EGRET mozhet byt' ob'yasnen za schet ucheta raspada chastic temnoi materii (na risunke 12 zheltym pokazan galakticheskii fon, a krasnym - izbytok, svyazannyi s temnoi materiei). T.o. astronomicheskie gamma-nablyudeniya mogut neposredstvenno testirovat' oblast' energii, nedostupnuyu poka uskoritel'noi fizike elementarnyh chastic. Odnako zdes' neobhodimy novye nablyudeniya, ibo rezul'taty raboty [13] ne stol' odnoznachny i nuzhdayutsya v podtverzhdenii.
4.6. Gamma-vspleski
Issledovanie kosmicheskih gamma-vspleskov nesmotrya na svoyu 40-letnyuyu istoriyu ostaetsya na perednem krae astrofiziki. S konca 90-h godov nablyudeniya etih istochnikov stali vsevolnovymi. V nachale udalos' uvidet' poslesvechenie v rentgenovskom diapazone. Zatem poyavilis' dannye v opticheskom i radio diapazonah. Neskol'ko gamma-vspleskov byli zaregistrirovany priborami COMPTEL i EGRET na bortu CGRO.
Ris. 13. Spektr gamma-vspleska po dannym COMPTEL.
Na risunke pokazan spektr vspleska GB 920622, nablyudavshegosya priborom COMPTEL (iz raboty [14]). Blagodarya bol'shomu polyu zreniya i horoshemu vremennomu razresheniyu novye pribory smogut effektivno registrirovat' gamma-vspleski. Zdes' budet vazhno vzaimodeistvie s proektami, special'no prednaznachennymi dlya izucheniya gamma-vspleskov, dlya polucheniya kompleksnyh dannyh. Ved' standartnye pribory dlya nablyudeniya kosmicheskih gamma-vspleskov rabotayut v bolee myagkom diapazone, chem obsuzhdaemye gamma-observatorii.
4.7. Proverka fundamental'nyh teorii
V ryade sovremennyh fundamental'nyh teorii voznikayut predskazaniya, proverka kotoryh vozmozhna tol'ko s pomosh'yu astronomicheskih dannyh. Odin iz tipov takih predskazanii svyazan s narusheniem lorenc-invariantnosti [15]. Esli takoe narushenie imeet mesto, to skorost' sveta dlya kvantov s raznoi energiei budet razlichnoi. Odnoi iz vozmozhnyh proverok mozhet sluzhit' poisk rasplyvaniya po vremeni ne monoenergeticheskogo signala ot dalekih istochnikov. Esli istochnik odnovremenno (vo vspyshke) ispustil dva kvanta raznoi energii, to nablyudatel' zaregistriruet, chto mezhdu prihodom fotonov proshel interval vremeni D t. Dlya proverki teorii nado, chtoby otnoshenie D t ko vremeni rasprostraneniya bylo vozmozhno men'she. Dlya kosmologicheskih istochnikov vremya rasprostraneniya, T, poryadka 10
17 sekund. Otnoshenie etogo vremeni k harakternomu vremeni, harakterizuyushemu peremennost', naprimer k shirine impul'sa gamma-vspleska (ili k predel'nomu vremennomu razresheniyu, esli vremennoe razreshenie pribora nedostatochno dlya vydeleniya samyh korotkih iz izvestnyh impul'sov gamma-vspleskov) opredelyaet bezrazmernuyu velichinu, harakterizuyushuyu effektivnost' testirovaniya lorenc-invariantnosti. Rasplyvanie signala svidetel'stvuet o zavisimosti skorosti sveta ot energii kvantov. Nablyudenie gamma-vsleskov v zhestkom diapazone s bol'shim vremennym razresheniem predostavlyaet horoshuyu vozmozhnost' dlya proverok teorii. V nastoyashee vremya nailuchshie predely polucheny imenno po nablyudeniyam v gamma-diapazone.4.8. Odinochnye chernye dyry
Ris. 14. Oblast' lokalizacii dlya chernoi dyry, svyazannoi so zvezdoi ζ Pup.
Ris. 15. Oblast' lokalizacii chernoi dyry, svyazannoi so zvezdoi
ξ
Per.
Dlya astrofiziki vysokih energii chernye dyry yavlyayutsya odnimi iz samyh interesnyh ob'ektov. Poka chernye dyry nablyudayutsya za schet akkrecii v tesnyh dvoinyh sistemah i v centrah galaktik. Vyshe my uzhe rassmotreli, chto i dvoinye s chernymi dyrami, i aktivnye yadra galaktik mogut byt' yarkimi gamma-istochnikami. Odinochnye chernye dyry zvezdnyh mass poka ne obnaruzheny. Svyazano eto s "trudnoulovimost'yu" takih ob'ektov.
V rabote [16] avtorami bylo rasschitano vozmozhnoe mestopolozhenie neskol'kih blizkih molodyh odinochnyh chernyh dyr. V oblasti vozmozhnoi lokalizacii chernyh dyr soglasno raschetam imeyutsya neotozhdestvlennye istochniki EGRET. Na risunkah pokazany primery oblastei lokalizacii dlya dvuh istochnikov i sootvetstvuyushie neotozhdestvennye istochniki EGRET (podrobnee ob eto rabote mozhno prochest' na saite Astronet v tekste lekcii, prochitannoi na zimnei shkole v Kourovke).
V serii rabot [17] bylo pokazano, chto odinochnye chernye dyry Kerra-N'yumena mogut byt' gamma-istochnikami. Bolee togo, avtory predlozhili gipotezu, chto nekotorye iz neotozhdestvlennyh istochnikov EGRET svyazany imenno s takimi ekzoticheskimi ob'ektami. Bolee vysokoe uglovoe razreshenie novyh apparatov pozvolit proverit' etu interesnuyu ideyu.
4.9. Myagkie istochniki EGRET, nezaregistrirovannye COMPTEL
Ris. 16. Dannye po myagkim istochnikam EGRET, nezaregistrirovannym COMPTEL.
V rabote [18] avtory vydelili populyaciyu iz 22 istochnikov, kotorye obladayut ves'ma primechatel'nym svoistvom: EGRET videl ih, kak dostatochno myagkie istochniki, a COMPTEL ne videl, hotya ekstrapolyaciya davala registriruemyi potok.
Istochniki pokazyvayut koncentraciyu k centru galaktiki.Predstavlyaetsya, chto GLAST smozhet zaregistrirovat' eti istochniki.
Obladaya pri etom luchshim uglovym razresheniem, on pomozhet ponyat' prirodu etih zagadochnyh ob'ektov. Odnako ne isklyucheno, chto pridetsya zhdat' vvoda v stroi "Dzhil'da-Gala", poskol'ku planiruetsya, chto etot apparat budet obladat' luchshei chuvstvitel'nost'yu na nizkih energiyah (poryadka 10 MeV).
4.10. Neotozhdestvlennye istochniki H.E.S.S.
V poslednie gody aktivno razvivaetsya nazemnaya gamma-astronomiya. Osnovnymi instrumentami yavlyayutsya teleskopy, registriruyushie cherenkovskoe izluchenie v diapazone poryadka TeVa. V nastoyashee vremya na etih priborah dostignuto horoshee uglovoe razreshenie. Takzhe, blagodarya bol'shoi sobirayushei ploshadi, rezko umen'shilos' vremya nablyudenii, neobhodimoe dlya uverennoi registracii istochnikov. Naibolee produktivno rabotaet nemeckaya ustanovka H.E.S.S., postroennaya v Namibii. Takzhe vstupil v stroi pervyi iz dvuh teleskopov evropeiskogo proekta MAGIC, ustanovlennyi na Kanarskii ostrovah.
S pomosh'yu nazemnoi sistemy gamma-teleskopov H.E.S.S. v 2004-2005 g. bylo obnaruzheno neskol'ko gamma-istochnikov, kotorye ne udalos' otozhdestvit' v drugih diapazonah [19]. Vse istochniki lezhat v ploskosti Galaktiki v predelah +/-30 gradusov ot ee centra (eto opredelyalos' metodikoi nablyudenii: bylo provedeno skanirovanie vnutrennei chasti ploskosti Galaktiki). Veroyatnee vsego, oni yavlyayutsya ili tesnymi dvoinymi sistemami, ili ostatkami sverhnovyh, ili pul'sarnymi tumannostyami. Vse eti tipy ob'ektov potencial'no registriruemy priborami tipa GLAST, AGILE i dr. Uchityvaya, chto nazemnye gamma-nablyudeniya budut prodolzhat'sya, predstavlyaetsya, chto budushie pribory (naprimer, "Dzhil'da-Gala") smogut sygrat' vazhnuyu rol' v identifikacii istochnikov (osobenno tranzientnyh), obnaruzhivaemyh v zhestkom gamma-diapazone.
4.11. Neotozhdestvlennye istochniki COMPTEL
V pervom kataloge COMPTEL naschityvaetsya 9 neotozhdestvlennyh istochnikov (sm. [20] i ssylki tam). Zatem byl otkryt eshe odin - GRO J1411-64. Eto sil'no peremennyi ob'ekt, nahodyashiisya v ploskosti Galaktiki. Nedavnie nablyudeniya etogo istochnika na sputnike INTEGRAL [20] dali nulevoi rezul'tat.
Predstavlyaetsya, chto neobhodimy novye nablyudeniya etih istochnikov v diapazone poryadka neskol'kih desyatkov MeV s pomosh'yu bolee chuvstvitel'noi apparatury s vysokim uglovym razresheniem.
5. Raspredelenie na nebe
Vsegda pri planirovanii novyh nablyudenii vazhno znat', kak ozhidaemye istochniki mogut byt' raspredeleny na nebe. Mozhno vydelit' neskol'ko osnovnyh komponent, opisyvayushih raspredelenie gamma-istochnikov:
1. Izotropnoe raspredelenie. Ono harakterno dlya vnegalakticheskih istochnikov
2. Istochniki, koncentriruyushiesya k ploskosti Galaktiki. Takoe povedenie harakterno dlya galakticheskih istochnikov, svyazannyh s molodymi zvezdami i produktami ih evolyucii (ostatki sverhnovyh, radiopul'sary, dvoinye sistemy s massivnymi zvezdami)
3. Istochniki, koncentriruyushiesya k centru Galaktiki. Eto, v pervuyu ochered', tesnye dvoinye sistemy s malomasivnymi kompan'onami.
4. Poyas Gulda - blizkie molodye ob'ekty (neitronnye zvezdy, massivnye molodye zvezdy).
Neskol'ko podrobnee rassmotrim poslednyuyu sostavlyayushuyu. Na risunke 17 pokazano raspredelenie zvezd v okrestnosti Solnca. Vydelyaetsya Poyas Gulda. Eto disk, naklonennyi k ploskosti Galaktiki pod uglom primerno 20 gradusov. Poyas raspolozhen vyshe ploskosti Mlechnogo Puti v napravlenii na centr Galaktiki. Na risunke 18 pokazano promodelirovannoe raspredelenie molodyh neitronnyh zvezd v okrestnosti Solnca [21]. Otdel'nye "volokna" svyazany s prostranstvennymi traektoriyami otdel'nyh neitronnyh zvezd (modelirovanie provodilos' metodom Monte-Karlo). Sgusheniya vblizi ploskosti poyasa Gulda sootvetstvuyut krupnym blizkim zvezdnym associaciyam. Radiopul'sary i drugie molodye neitronnye zvezdy dolzhny otslezhivat' privedennoe na etom risunke raspredelenie.
Ris. 17. Poyas Gulda po dannym o blizkih zvezdah. Izobrazhenie s saita http://ottawa.rasc.ca/observers/1999/an9912p8.html
Ris. 18.
Model'noe raspredelenie blizkih molodyh neitronnyh zvezd.
Nizhe pokazano raspredelenie massivnyh zvezd v okrestnostyah Solnca. Eto raspredelenie ispol'zovalos' v raschetah raspredeleniya molodyh neitronnyh zvezd. Vydeleny tri sostavlyayushie: blizkie (<400 pk) zvezdy, nablyudavshiesya sputnikom Gipparkos (zvezdy v kruzhke v centre levogo risunka, vydeleny sinim), molodye zvezdnye associacii (chernye simvoly), i zvezdy galakticheskogo diska (krasnye tochki). Gamma-istochniki, svyazannye s molodymi massivnymi zvezdami, a takzhe s nedavno poyavivshimisya produktami ih evolyucii, dolzhny otslezhivat' eto raspredelenie.
Ris.
19. Raspredelenie massivnyh zvezd v okrestnostyah Solnca.
My rassmotreli osnovnye tipy istochnikov, izluchayushii v gamma-diapazone, izuchaemom s pomosh'yu priborov, ustanovlennyh na sputnikah. Kak vidno, zoopark gamma-ob'ektov obshiren i raznoobrazen. Krome togo, my ne znaem, kakie eshe otkrytiya nas zhdut. Predstavlyaetsya, chto pri uspeshnom osushestvlenii novyh proektov novye nahodki ne zastavyat sebya zhdat', poetomu pozhelaem uspeshnyh zapuskov GLAST i AGILE, a takzhe pozhelaem uspehov razrabotchikam novyh apparatov i gamma-teleskopov.
7. Spisok literatury
[1] Sikora M. et al., 2003, Astroph. J. 577, 78 [astro-ph/0205527]
[2] Giommi P. et al., 2006, (v pechati) astro-ph/0606319
[3] Atoyan A.M., Voelk H.J., 2000, Astroph. J. 535, 45 [ astro-ph/9912557]
[4] Harding A., 2001, AIP Proc. vol. 558, p. 115 [astro-ph/0012268]
[5] Beskin V.S., Eliseeva S., 2003, Pis'ma v Astron. Zh., 29, 25
[6] Gotz D. et al., 2006, A&A Letters (v pechati) [astro-ph/0602359]
[7] Paredes J.M., 2004, in Proceedings of the 4th AGILE Science Workshop, Eds. M.Tavani et al., Aracne, Roma, p. 147
[8] Aharonian F., 2004, in Proceedings of the 4th AGILE Science Workshop, Eds. M.Tavani et al., Aracne, Roma, p. 139
[9] Paredes J.M., 2005, Ap&SS 300, 267 [astro-ph/0412057]
[10] Aharonian F. et al., 2005, A&A 442, 1 [astro-ph/0506280]
[11] Tatischeff V. et al., 2004, Proc. of the 5th INTEGRAL conf., p.409 [astro-ph/0404097]
[12] Ubertini P. et al., 2005, ApJ 629, L109 [ astro-ph/0505191]
[13] de Boer W. et al., 2005, A&A 444, 51 [astro-ph/0508617]
[14] Greiner J. et al., 1995, A&A 302, 121 [astro-ph/9505146]
[15] Amelino-Camelia G., 2004, Gen.Rel. Grav. 36, 539 [astro-ph/0309174]
[16] Prohorov M.E., Popov S.B., 2002,
Pis'ma Astron. Zh. 28, 609
(sm. takzhe material na
Astronete)
[17] Torres D.F. et al., 2001, A&A 370, 468
[astro-ph/0007464],
Punsly B. et
al., 2000, AA 364, 552 [astro-ph/0007465]
[18] Zhang S.et al., 2004, A&A 421, 983 [astro-ph/0405492]
[19] Aharonian F. et al., 2005, Science 307, 1938 [astro-ph/0504380]
[20] Torres D.F. et al., A&A (v pechati) [astro-ph/0606470]
[21] Popov S.B., Posselt B. et al., 2006, (gotovitsya k pechati)
[22] "Microquasar workshop", Eds. A.J. Castro-Tirado et al., Kluwer, 2001;
kniga takzhe opublikovana v vide otdel'nogo toma
zhurnala Astrophysics and Space Science 276 (Suppl.)
[23] Wagner S. et al., 1997, astro-ph/9708105
[24] Belloni T., 2004, in Proceedings of the 4th AGILE Science Workshop, Eds. M.Tavani et al., Aracne, Roma, p.113
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
gamma-astronomiya - istochniki gamma izlucheniya - kompaktnye ob'ekty
Publikacii so slovami: gamma-astronomiya - istochniki gamma izlucheniya - kompaktnye ob'ekty | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
