Gamma-Ray Bursts. Einführung in die extragalaktische Astronomie. Prof. Peter Schneider & Dr. Patrick Simon. Phänomenologie. BATSE-Beobachtungen

Transkript

1 Phänomenologie BATSE-Beobachtungen Interpretation z-verteilung Feuerball-Modell Einführung in die extragalaktische Astronomie Prof. Peter Schneider & Dr. Patrick Simon

2 Phänomenologie Entdeckt Simulation wurden Gamma-Ray Bursts 1968 von Spionagesatelliten zur Überwachung von Atomtest-Abkommen. Gamma-Blitze wurden tatsächlich gefunden -- allerdings aus einer falschen Richtung (von oben). Weil es sich um geheime Beobachtungen handelte, konnten diese Ergebnisse erst 1973 veröffentlicht werden. Quellen erhielten den Namen Gamma-Ray Bursts (GRBs). Quelle: 1973, ApJ, 182, 85

3 Simulation Quelle: Bonnell, J.T., NASA/GSFC Gamma-Ray Bursts Phänomenologie Quelle: NASA Lichtkurven verschiedener GRBs. Blitze haben sehr unterschiedliche Dauer, von einigen 10-6 s bis ~ 100 s. GRBs werden beobachtet im Energiebereich von ~ 100 kev bis mehrere MeV; Maximum aber im Gamma-Bereich. Dauer der GRBs ist bimodal; > 2s (lange GRBs) < 2s (kurze GRBs)

4 Phänomenologie Natur Simulation der Blitze war zunächst völlig unklar, insbesondere weil die Entfernung zu den Quellen nicht bestimmt werden konnte. Was ist die absolute Leuchtkraft dieser Objekte? Position eines GRBs am Himmel war nur sehr ungenau bekannt: Winkelauflösung von γ-detektoren betrug viele Grad (teilweise 2π Raumwinkel). Genauere Position erhält man aus Ankunftszeit der Bursts bei verschiedenen Satelliten. Aber Fehlerbox immer war noch zu groß, um Quelle in anderen Spektralbereichen zu suchen. Lange Zeit war das favourisierte Modell: Akkretionsphänomen auf Neutronenstern; falls D ~ 100 pc, dann wäre Leuchtkraft etwa L ~ erg/s = W, also etwa die Eddington- Leuchtkraft eines Neutronensterns.

5 BATSE Wesentlichen Durchbruch brachte BATSE auf dem Compton Gamma Ray Simulation Observatory ( ), das über acht Jahre GRBs mit einer Rate von ~ ein Ereignis pro Tag entdeckte. Aus der Statistik ergab sich: GRBs sind isotrop am Himmel verteilt; Flussverteilung N(> F) weicht vom F -3/2 -Gesetz bei kleinen Flüssen deutlich ab! Compton Gamma Ray Observatory BATSE Modul; Quelle: NASA

6 BATSE Das war das Ende der Modelle mit Neutronensternen in unserer Milchstraße: Simulation Galaktische Neutronensterne sind zur Scheibe hin konzentriert, deshalb sollte Verteilung der GRBs deutliche Anisotropie besitzen es sei denn, typische Entfernungen sind sehr klein (D <~ 100 pc); dann ist Verteilung möglicherweise isotrop, aber dann muss auch N(> F) F -3/2! Also ist andere Verteilung (und andere Quellen) notwendig. Quelle: G. Fishman et al., BATSE/CGRO/NASA Quelle: BATSE/CGRO/NASA

7 Interpretation Simulation Die einzige Möglichkeit, isotrope Verteilungen zu erhalten, sind Entfernungen deutlich größer als der Virgo Haufen, d.h. D >> 20 Mpc; sonst würde man in dieser Richtung eine Überdichte sehen. Darüber hinaus sagt einem die Abweichung vom F -3/2 -Gesetz, dass wir bis zum Rand der Verteilung schauen, also typische Entfernung von GRBs sollte relativ hohe Rotverschiebung sein. Energie der Bursts ist E ~ bis zu erg: Das entspricht der Ruhemasse E ~ Mc 2 eines Sterns! Da größter Teil der Energie innerhalb ~ 1 s abgestrahlt wird, sind GRBs kurzzeitig in dieser Zeitspanne leuchtkräftiger als alle andere Quellen im beobachtbaren Universum zusammen!

8 Afterglows Mit dem Röntgensatelliten Beppo-SAX ist im Februar 1997 erstmals die Simulation Identifikation eines GRBs in einem anderen Wellenlängenbereich geglückt. Innerhalb weniger Stunden nach dem Burst beobachtete Beppo-SAX das Feld mit der GRB-Fehlerbox und entdeckte eine Quelle mit abfallender Helligkeit, wodurch sich die Positionsungenauigkeit auf wenige Bogenminuten reduzierte. Optische Beobachtung dieses Feldes fand dann ebenfalls einen Transienten ; Position war nun sehr genau bestimmt. Inzwischen sind viele dieser Afterglows entdeckt worden (lange GRBs); die optische Identifikation erlaubt Spektroskopie und daher Bestimmung von z. Beppo-SAX Entdeckung vom 28. Feb Quelle: NASA/GFSC Beppo-SAX

9 Simulation Gamma-Ray Bursts z-verteilung z-verteilung bekannter langer GRBs und die Entdeckung eines GRBs bei z = 8.2 mit dem Satelliten SWIFT! GRB treten auf in Galaxien großer Rotverschiebung. In einem Fall wurde auch optischer Burst mit V ~ 9 mag ca. 30 s nach GRB entdeckt, bei z ~ 1.6! Quelle: Harvard/CfA Press Release SWIFT heute SWIFT (seit 2004) ist auf GRBs spezialisiert. Es ist ausgerüstet mit einem Weitwinkel γ-teleskop, Röntgenteleskop und UV-optisches Teleskop. Quelle: NASA

10 Feuerball-Modell Simulation Natur der GRBs immer noch nicht eindeutig geklärt.? Feuerball-Modell: relativistischer Ausfluss mit Lorenz-Faktor γ >= 100 von Elektron/Positron-Paaren; gibt gute Übereinstimmung mit beobachteten Eigenschaften, inklusive Afterglow. Vermutlich wird Feuerball erzeugt durch Verschmelzung zweier Neutronensterne oder eines Neutronensterns mit einem Schwarzen Loch (kurze GRBs) oder einer stark gerichteten Supernova (lange GRBs). Emission ist vermutlich anisotrop, daher kann Abschätzung der Leuchtkraft aus beobachtetem Fluss fehlerhaft sein. Illustration des Feuerball-Modells Quelle: M. Weiss/NASA/CXC