Presentation of our contribution to the project

Проект Джильда-Гала
Анализ возможности наблюдения и
мониторинга потоков
высокоэнергичного гамма-излучения
от известных рентгеновских
астрофизических источников
С.Б. Попов
(ГАИШ МГУ)
Проект Джильда-Гала
Проект в основном создается
учеными МИФИ
(Институт Космофизики)
Солнечно-синхронная
круговая орбита
Высота орбиты 835 км
Наклонение 98.68 градуса
Запуск 2010 год
Срок работы 5-7 лет
Основные особенности
 Чувствительность от 10 МэВ
 Большое поле зрения
 Хороший тайминг
Мониторинг неба в гамма-лучах
Предтечи
Гала vs. EGRET
EGRET
ГАЛА
Масса прибора
1830 кг
<100 кг
Энергетический диапазон
30 МэВ - 30 ГэВ
>10 МэВ
Апертура
0.5 ср
3 ср
Угловое разрешение
Чувствительная площадь
~15 (30 МэВ)
5.5 (100 МэВ)
1.2 (1 ГэВ)
1500 см2
4.9 (30 МэВ)
1.6 (100 МэВ)
0.3 (1 ГэВ)
200 см2 (~1000 см2)*
Мертвое время
>100 мс
<1 мс
Эффективная площадь (А), см
2
Эффективная площадь
ГАЛА
EGRET
1000
100
10
1
10
2
10
3
10
Энергия, МэВ
4
10
5
10
Эффективная площадь (A), см
2
Зависимость эффективной
площади от угла падения
ГАЛА
EGRET
1000
100
10
0
10
20
30
40
50
60
Угол падения , град.
70
80
90
Угловое разрешение, град.
Угловое разрешение
ГАЛА
EGRET
10
1
0,1
1
10
2
10
3
10
Энергия, МэВ
4
10
Точность
определения
ориентации
не хуже 0.1 градуса
Чувствительность
ГАЛА (E>20 МэВ)
ГАЛА (E>100 МэВ)
EGRET (E>20 МэВ)
EGRET (E>100 МэВ)
источники из 3-го
каталога EGRET
-8
1x10
-9
1x10
-8
1x10
-9
2
kmin, (см с МэВ)
2
kmin, (см с МэВ)
-1
-1
1x10
ГАЛА (E>20 МэВ)
ГАЛА (E>100 МэВ)
EGRET (E>20 МэВ)
EGRET (E>100 МэВ)
источники из 3-го
каталога EGRET
1x10
-10
1x10
-10
Средние широты:
o
o
o
o
l=0 –360 ; |b|=20 -60
Статистическая значимость: 5 
-
Спектр: F(E)=k(E/100 MeV)
7
T=10 с
Центр галактики:
o
o
o
l=330 -30 ; |b|<5
Статистическая значимость: 5
-
Спектр: F(E)=k(E/100 MeV)
7
T=10 с
10
-11
1,5
10
2,0
2,5
3,0

3,5
4,0
-11
1,5
2,0
2,5
3,0

3,5
4,0
Экспозиция
Экспозиция в секундах
Период наблюдений: 1 год
Галактическая широта, град.
90
8E6
4,9E6
60
5,4E6
7,1E6
6,7E6
30
0 6,3E6
7,1E6
6,7E6
6,3E6
6,7E6
5,8E6
6,3E6
7,6E6
5,4E6
7,1E6
7,6E6 7,6E6
7,1E6
5,8E6
5,4E6
-30
5,4E6
4,9E6
-60
5,8E6
6,7E6
4,5E6
4,9E6
-90
180
120
60
0
-60
Галактическая долгота, град.
-120
-180
Экспозиция за одни сутки наблюдений, с.
Экспозиция за сутки
4
2,5x10
4
2,0x10
4
1,5x10
4
1,0x10
o
o
Центр Галактики: l=0 ; b=0
3
5,0x10
0,0
0
60
120
180
Номер дня в году
240
300
AGILE и GLAST
У «ГАЛА» будет меньше собирающая площадь,
зато лучше угловое разрешение и
лучше чувствительность в диапазоне от 10 до 30 МэВ
Типы источников
•
•
•
•
•
•
Активные ядра галактик (блазары)
Галактики с мощным звездообразованием
Галактики с большим поглощением
Скопления галактик
Нейтронные звезды
- Радиопульсары
- «Радионевидимые» пульсары
- Магнитары
- Прочие ИНЗ
Остатки сверхновых
Типы источников-2
• Двойные системы
- Аккрецирующие (микроквазары)
- Столкновения ветров
- С радиопульсарами
- Источники INTEGRAL с большим поглощением
• Центр Галактики
• Диффузное излучение Галактики
• Диффузное внегалактическое излучение
• Излучение темной материи Галактики
• Гамма-всплески
• Ограничения на фундаментальные теории
• Экзотика (одиночные черные дыры, EGRET(+)/COMPTEL(-),
источники H.E.S.S.)
Основные механизмы
излучения
 Синхротронное (микроблазары, пульсары, пульсар в двойной)
 Обратный комптон (микроблазары, пульсары, пульсар в двойной,
скопления галактик)
 Тормозное излучение электронов (диффузное <100 МэВ, остатки сверхновых,

скопления галактик)
 Распад нейтральных пи-мезонов (диффузное выше неск. десятков МэВ,
остатки сверхновых, скопления галактик)
Активные ядра галактик
(блазары)
EGRET увидел 66 блазаров:
4 6 – FSRGs
1 7 – BL Lacs
Многие блазары наблюдались
только во время вспышек.
Важен мониторинг вспышек от
блазаров, которые будут открыты
на GLAST (>1000).
МэВные блазары
Излом в спектре на 1-30 МэВ
(Sikora et al. astro-ph/0205527)
Вспышки блазаров
Поток на 1-30 МэВ
10-10 эрг/см2/c, что
на порядок превосходит
чувствительность «Гала».
Переменность на масштабе
нескольких дней.
(Giommi et al. astro-ph/0606319)
Галактики с мощным
звездообразованием
NGC 253
Arp 220
(Torres & Domingo-Santamaria astro-ph/0509108)
Галактики с большим
поглощением
Примером является
источник IGR J17204-3554.
Как показали Bassani et al.
(astro-ph/0510338)
источник является
АЯГ за ГМО.
Nh = (7-9) 1021
Скопления галактик
Coma cluster
Пока скопления
галактик в гамма
не были зарегистр.
Важно для оценки
магнитных полей.
Максимум в спектре
10-30 МэВ.
(Atoyan, Volk astro-ph/9912557)
Радиопульсары
Спектр Крабовидной туманности
Спектр пульсара в Крабе
(Kuiper et al. astro-ph/0109200)
Важность «Галы»:
завал в спектре
В спектрах радиопульсаров в модели polar cap ожидается наличие
завала на высоких энергиях (Harding astro-ph/0012268).
Для магнитаров он может попадать на энергии порядка десятков МэВ.
Т.о. Эти объекты могут оказываться недоступными для AGILE и GLAST.
Для магнитарных полей нужен детальный расчет, которого пока нет.
Сейчас этим занимаются в Ярославле (Чистяков, Гвоздев, Михеев и др.).
Новый зоопарк
нейтронных звезд
oКомпактные рентгеновские
источники в остатках сверхновых
oАномальные рентгенов. пульсары
В последние 10 лет стало ясно,
что нейтронные звезды могут
рождаться очень разными,
совсем непохожими на обычные
радиопульсары типа Краба.
oИсточники мягких повторяющихся
гамма-всплесков
oВеликолепная семерка
oИсточники EGRET
oТранзиентные радиоисточники..............
«Радионевидимые»
пульсары
(Grenier astro-ph/0011298)
Потухшие пульсары
Бескин и Елисеева (ПАЖ т. 29,
стр. 25 2003) показали, что при
модели свободного выхода
частиц потухшие
радиопульсары могут
оставаться заметными
источниками в жестком
рентгене – мягком гамма).
Оценки показывают, что
«Гала» сможет видеть такие
объекты из области до
нескольких сот парсек, т.е. Из
всего пояса Гулда.
Магнитары
Спектры магнитаров.
Жесткий хвост обнаружен по данным
наблюдений на спутнике Integral
Оценки показывают, что если хвост тянется
вплоть до 10-20 МэВ, то источники будут
потенциально регистрируемы на «Гале».
Не нужно забывать и о вспышках магнитаров!
(Gotz et al. astro-ph/0602359)
Остатки сверхновых
(из обзора McEnery et al. astro-ph/0406250)
Остатки сверхновых
SN1006
RX J1713.7-3946
(из обзора McEnery et al. astro-ph/0406250)
Двойные
(Bednarek astro-ph/0601657)
Аккрецирующие двойные
(микроквазары)
Модель спектра микроквазара
в массивной двойной системе.
(Paredes astro-ph/0412057)
Аккрецирующие двойные
(микроквазары)
LS I +61 303
LS 5039
(Paredes astro-ph/0412057)
Двойные с радиопульсарами
PSR B1259-63
Завал на 5 МэВ обусловлен выбором модели инжекции электронов
(из работы Aharonian et al. astro-ph/0506280, см. также Kirk et al. astro-ph/9808112)
Столкновения ветров
Система γ2 Velorum
(Tatischeff et al. astro-ph/0404097)
Источники INTEGRAL
с большим поглощением
Спектр IGR J18135-1751
(он же HESS J1713-178)
по данным INTEGRAL и HESS.
Вверху показан спектр Краба.
(Ubertini et al. astro-ph/0505191)
Центр Галактики
(Aharonian, Neronov astro-ph/0408303)
Диффузное излучение
Галактики
Внегалактическое
диффузное излучение
Открыто на SAS-2.
Наблюдалось на EGRET.
Происхождение неясно:
АЯГ, темная материя, ...
(McEnery et al. astro-ph/0406250)
Излучение темной материи
(De Boer et al. astro-ph/0508617)
Гамма-всплески
Теоретический спектр
гамма-всплеска
(Baring NASA/GSFC)
Наблюдаемый спектр GB 920622
Данные COMPTEL и др. Приборов
(Greiner et al. astro-ph/9505146)
Большое поле зрения, хороший тайминг, чувствительность от 10 МэВ !!!
Проверка фундаментальных
теорий
Нарушение лоренц-инвариантности
(Amelino-Camelia astro-ph/0309174)
T порядка 1017 секунд – время распространения сигнала
от космологического источника.
Отношение этого времени к характерному времени переменности
(или, в нашем случае, к предельному временному разрешению)
определяет безразмерную величину, характеризующую эффективность
тестирования лоренц-инвариантности.
Расплывание сигнала свидетельствует о зависимости скорости света
от энергии квантов.
Наблюдение гамма-вслесков в жестком диапазоне с большим временным
разрешением предоставляет хорошую возможность для проверок теорий.
Одиночные черные дыры
В работе Прохоров, Попов (2002) было показано,
что можно оценить положение нескольких близких
молодых черных дыр.
В серии работ Torres et al., Punsly et al. было
показано, что одиночные черные дыры
Керра-Ньюмена могут быть наблюдаемы как
EGRETовские источники.
EGRET(+)/COMPTEL(-)
Zhang et al (astro-ph/0405492) выдели популяцию из
22 источников,
которые обладают весьма примечательным
свойством:
EGRET видел их, как достаточно мягкие источники,
COMPTEL не видел их, хотя экстраполяция давала
регистрируемый поток.
Источники показывают концентрацию к центру
галактики.
Представляется, что «Гала» сможет
зарегистрировать эти источники.
Обладая при этом лучшим угловых разрешением,
«Гала» сможет помочь понять природу этих
загадочных объектов.
EGRET(+)/COMPTEL(-)
(Zhang et al astro-ph/0405492)
Источники H.E.S.S.:
восемь новых источников
На момент открытия
источники не были отождествлены
в других диапазонах.
astro-ph/0504380
astro-ph/0505191
Отдельные источники
I.
II.
III.
IV.
V.
Двойные системы с аккрецией (микроквазары)
Cyg X-1, Cyg X-3, LS 5039, LSI +61 303
Магнитары
1E 1841-045; SGR 1900+14; SGR 1806-20; 4U 0142+614
Пульсары в двойных
PSR B1259-63
Вспышки блазаров
3C 279
22 источника EGRET(+)/COMPTEL(-)
Распределение на небе
Можно выделить несколько компонент:
1.
2.
3.
4.
Изотропное – внегалактические источники
Концентрация к плоскости Галактики – SNR, PSR
Концентрация к центру Галактики
Пояс Гулда – близкие молодые объекты
Пояс Гулда
Пояс Гулда по звездам
b= +90°
Col 121 +Ori OB
l=90°
l=180°
Cep + Cyg Ass
l=270°
Sco OB2
b= -90°
Распределение молодых одиночный нейтронных
звезд в окрестности Солнца (моделирование)
3 кпк от Солнца
Характерные потоки
Поскольку чувствительность «Гала» не существенно отличается от
EGRET, то распределение источников по потокам будет близко к
наблюдавшемуся на этом приборе.
Наибольший интерес будут представлять стационарные источники
на пределе регистрации.
Характерная переменность
От долей секунды (структура гамма-всплесков и вспышек магнитаров)
до дней (орбитальные периоды двойных).
Блазары показывают переменность на масшатабах от минут до месяцев.
Всеволновые наблюдения и
совместные программы
1.
2.
3.
Транзиентное поведение в разных диапазонах.
В первую очередь в оптике (МАСТЕР и др.)
Вспышки блазаров, гамма-всплески.
После 2008-09 гг. планируется запуск российского детектора
гамма-всплесков с оптическими детекторами на борту.
Совместный анализ данных с GLASTи AGILE.
Мониторинг на 10-30 МэВ объектов, открытых GLAST.
Анализ данных совместно с рентгеновскими:
переходы между soft и hard состояниями в двойных.
Рекомендации
1.
2.
3.
4.
5.
Возможно более быстрое сообщение о транзиентных событиях.
Доступность этой информации для всего научного сообщества
Поиск в данных известных транзиентных событий (гамма-всплески и др.)
Уделение особого внимания области Пояса Гулда
Выделение зависимости потока и спектра от фазы для ярких пульсаров
При возможности совместный анализ данных «Гала» и других аппаратов
(GLAST, AGILE) с учетом тайминга для более точного определения
координат.
«Поехали!» (с)
Запуск намечен на 2010 год.
Срок работы спутника 5-7 лет.