Gamma-rayBursts(GRBs)

Bljeskovi/Eksplozijegama-zračenja

Autor:MilošKovačević

2/3/18 2

Izposmatračkogugla

Našagalaksija TransparentnostZemljineatmosfere

Nebou2D(ugalaktičkimkoordinatama)

infracrveno-optički gama

2/3/18 3

Izposmatračkogugla

CGRO-BATSE(1991–2000) Swift-BAT(2004–2018…)1GRBsvaka3dana

2/3/18 4

Kakonastaju?

Krajživotamasivnezvezde>GRB&hipernova(jakasupernova)

Sudardveneutronskezvezde>GRB&kilonova(slabasupernova)

2/3/18 5

Velasateliti

12satelitasaXigamadetektorimalansiranihuperiodu1963–’70(SAD)

InternacionalnidogovorosmanjenunuklearnihtestovaPartialNuclearTestBanTreatypotpisan1963.izmedju,presvega,SADiSSSR.

PrvidetektovaniGRB1967.godine(deklasifikovani1973.) GrubalokalizacijaànisusaZemlje,Sunca,Meseca

GRBGRB

11

2 2

2/3/18 6

CGROsatelit:BATSEdetektor(i)…ComptonGamma-Ray

Observatory:SatelitsaXigamadetektorima(1991–2000;NASA)

Izotropnostpozicijananebu

àvangalaktickiobjekti

BATSE:1GRBdnevno;lokalizacija2°-3°;pokrivacelonebo

DužinatrajanjaGRBDvefele:kratkiidugi;

granicaoko2s.

Grupeserazlikujuipospektru,tj.energijama

fotona

2/3/18 7

Profil

o  Primeri12GRBo  Svirazličitio  Pulsevitastruktura(simetričniiliFRED)o  Bezperiodičnosti(zarazlikuodnpr.pulsara)o  ΔTp=...10ms–10s...

Maksimalnaveličinaizvora

detektor

detektor

ΔTp[10ms]xc=3000km(Sunce:1milionkm)

2/3/18 8

Spektar

o  Band(dvostrukistepenizakon–Estepen)o  Netermalni(nijecrnotelo)àzonazračenjatransparentna/prozirnao  Maksimumugamadomenuo  Maksimumidekanižimenergijamatokomtrajanjajednogpulsao  MaksimumjeuprosekuvećizakratkeGRBnegoduge

•  Spectralenergydistribution•  Količinaenergijepoenergijskojdekadi(gama,X,UV,O,IR,radio)•  Logaritamskaskala•  Stepenizakonàprava

Spektar(BATSEidrugidetektorinaCGRO)

2/3/18 9

BeppoSAXsatelit

SatelitsaXigamadetektorima(1996–2002;Italija,Holandija)WFC:pokrivadeoneba20°x20°;LokalizacijaGRB5’[1°=60’]X-teleskopi:detekcijaafterglow

Afterglow/naknadnisjaj(GRB970228–prviput)

o  Nakonglavneemisijeo  Mnogoslabijio  Trajedanimao  Gama, X, O, mikro, radio – stepeni

sp.o  Detektuju ga teleskopi (detektori

fokusirani na deo neba); X-teleskopinasatelitu,ioptički,radio…naZemlji

2/3/18 10

Udaljenost

GRB970228

detektor

GRBugalaksijama(vancentra)

ßspektralnelinije

z=0.78milijardisvetlosnihgodina

•  Zemlja–Sunce:8sv.min.•  Najblizazvezda:4sv.god.•  MlecniPut:100.000sv.god.

o  1997–2018…•  DugiGRB:zmin<0.01(100milionasv.god.)•  KratkiGRB:zmin=0.1(1milijardasv.god.)*•  GRB:zmax=8,9(30milijardisv.god.)

2/3/18 11

GRB–Supernovaveza

GRB980425–SN1998bw(prvipotvrdjenipar)

o  1998–2018…20-50potvrdjenihparova(energicneSNtipaIb/c)v  SamodugiGRB:•  zmin<0.01(100milionasv.god.)•  zmax=1(1milijardasv.god.)[ograničenostteleskopa]•  GRBEiso=1048–1054erg•  Pretpostavljasedavelikuvecinudugih

GRBpratiSN(hipernova)v  KratkiGRB:makronova/kilonovaGRB130603,GRB170817

tokomGRB SNpardanakasnije

GRBnisuucentrugalaksija&povezanisusaSNà  stelarnifenomeni(krajzvezde)(zarazlikuodAGN/AGJ)

2’z=0.0085

2/3/18 12

Energija

Fluks&udaljenost&korekcijezbogširenjasvemiraà (izotropna)energijaEisoGRB970228:Eiso=1052erg[1J=107erg]!Eiso-samofotoni/EM-zračenje

o  1997–2018…•  DugiGRB:Eiso=1048–1055erg•  KratkiGRB:Eiso=1049–1053ergGRB:Lmax=1053,54erg/s

Kolikoje1054erg?

Msunce=1030kg

1054ergE=mc2

SN2015L(najintenzivnijaSNikad)

Supernova(neutronskazvezda)

Etot=1053erg

Ekin=1051erg

Eph=1049erg

Eph=1052ergtokom4meseca

Lmax=1045erg/s

2/3/18 13

Compactnessproblem/kompaknosti

Kratakpuls

Maksimalnavelicinaizvora

Spektar(pulsa)

Transparentno

Eiso(pulsa)Brojfotona(koncentracija)Eγ>0.5MeV

γ

γ

e-

e+

e-

γ

γ

foton-leptonplazma;optičkagustina=1015à  Veomanetransparentno!à  Zračenjesamosapovršine(dostaslabije)!à  Spektarcrnogtela(termalni)!

2/3/18 14

(Ultra)relativističkokretanje

Fokusiranjezracenja

startStatickiizvor

Photonboosting/povecanjeenergije

fotona

γ

Eγ=10keV

γ

v=0.9999c(Γ=100)

Eγ=1MeVdetektor

optičkagustina=1àΓ=100,Γmax=1000Γ=1/√�𝟏 −(𝒗/𝒄 )𝟐  ;v=0.9999,0.999999c

AGN/AGJΓ=2-20v=0.99c

X-binariΓ=2

v=0.9c

2/3/18 15

Crnarupa&jet/mlazZvezdapresupernove

AGN X-binari

Gvozdenojezgro,R=10.000km(+rotacija)(proto) Neutronska zvezda,R=30km

Etot=1053erg(Eph=0.001Etot)

Crnarupa,R=6km(+rotacija)Etot>1053erg(Eiso=1054,55erg)

Akumuliranjematerijenacrnurupu

àjet-ovi/mlazevi

GRB

Θj=…3⁰-10°…àEph=0.01Eiso

Θj

2/3/18 16

Fireball/vatrenaloptamodel

Centralnimotor:o  Etot=1054erg:neutrine+GW+•  nizFireballs(Efbs=1052erg):foton-lepton-(malo)protonaplazmaTfb=1MeVRfb=10-100km

Fireballevolucija:•  Fokusujet/snopàdeosferneljuskedebljineRfb•  EuàEkprotonaΓ=100(r=103km);Fbsehladi•  Transparentnost(r=107km);fotoninapusteFb(malaEph)•  Sudaridvefireball(r=109km)à Ubrzanjeelektrona+magnetnop.à  sinhrotronskozracenje(Eph=1051erg;netermalnis.)à UsledfokusaEiso=1053erg

Afterglow:•  Kadasesvifireball-ovispojeisudaresakontinualnimiretkimISM(r=1011km)(interstelarnimmedijumom)•  Slabijezracenjekojetrajedanimausvimdelovimaspektra

Rsunce=106km;c=105km/s

2/3/18 17

Swift&Fermi

o  Swift•  Satelitsagama,XiUVdetektorima(2004–2018…;NASAidrugi)Brzaipreciznalokalizacija•  GRB050509b:prvalokalizacijakratkogGRB(z=0.225)•  Swift lokalizovao skoro sve kratke

GRBsivecinudugih

o  Fermi•  SatelitsagamaiXdetektorima(2008–2018…;NASAidrugi)•  Velikienergijskiopseg

o  Svejejavno!(sirovipodaci,katalozi,softver…naNASAserveru)

2/3/18 18

LokacijedugihikratkihGRBsugalaksijama

o  GalaksijedugihGRBs:•  nepravilne,patuljaste,spiralne-svetlijidelovi(starformingregions/regijesformiranjemzvezda)•  Masivnijezvezde–kraćeživeà  Krajživotamasivnihzvezda(+SupernovetipaIb/c)

o  GalaksijekratkihGRBs:•  Uglavnomelipticne(starije)•  Bezpreferencijemesta•  Ponekiveomaudaljeniodcentraà Starezvezdeà Sudari2neutronskezvezde(+kilonova,odsustvoregulraneSN)

2/3/18 19

GW170817-GRB170817

•  2LIGOiVirgoGVdetektori:signal100s;2015–2018…7GV,prviput2NS(85<d<160Msg)•  2snakonkrajaGVFermi-GBMkratkiGRB•  11satinakonoptickadetekcijaàGalaksijad=130Msg(z=0.01)•  kilonovao  GRB:z=0.01(zmin=0.1);Eiso=1046,47(Eiso,min=1049)erg

{Abbottetal(2017),ApJ}

{Abbottetal(2017),ApJ}

X,radioposmatranjaidaljetraju