НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ГОЛОВНА АСТРОНОМІЧНА ОБСЕРВАТОРІЯ

Марченко Володимир Володимирович

УДК 524.1+524.3+524.5

РЕЛЯТИВІСТСЬКІ УДАРНІ ХВИЛІ

В ОБОЛОНКАХ ГІПЕРНОВИХ ЗІР

01.03.02 – Астрофізика, радіоастрономія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в НДЛ “Астрономічна обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Гнатик Богдан Іванович,

НДЛ “Астрономічна обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, завідувач НДЛ.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Конторович Віктор Мусійович,

Радіоастрономічний інститут НАН України,

старший науковий співробітник;

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Шахов Борис Олексійович,

Головна астрономічна обсерваторія НАН України,

завідувач лабораторії.

Захист відбудеться 16 травня 2008 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.208.01 при Головній астрономічній обсерваторії НАН України за адресою: ГАО НАН України, 03860 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, .

Початок засідань о 10 годині.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ГАО НАН України за адресою: ГАО НАН України, 03860 МСП, м. Київ, вул. Академіка Заболотного, .

Автореферат розісланий 15 квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Васильєва І.Е.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Однією з найбільш актуальних проблем сучасної астрофізики є пояснення природи космологічних гамма-спалахів – короткочасних (0.1 – 100 с) спалахів нетеплового жорсткого (10 кеВ – 2 МеВ) випромінювання з ізотропно розподілених по небу транзієнтних джерел [, ]. Суттєвий прогрес в розумінні природи гамма-спалахів пов’язаний із результатами спостереження супутника Beppo-SAX, за допомогою якого в 1997 році вперше вдалось ототожнити джерело гамма-спалаху із віддаленою галактикою [, ].

Спостережувальні дані, отримані космічними місіями гамма-обсерваторії імені Комптона, Beppo-SAX, Swift тощо, найбільш природньо пояснюються колапсарною моделлю, в якій гамма-спалах супроводжується надзвичайно потужною ( ерг) Надновою – Гіперновою [, ].

Актуальність теми. Головним елементом формування гамма-спалаху в моделі колапсара є релятивістський потік плазми, який формується при колапсі ядра зорі-попередника Гіпернової [, , ]. Основний гамма-спалах в цій моделі виникає при виході ультра-релятивістського струменя з надр зорі та при взаємодії його з навколозоряним та міжзоряним середовищем [, ].

Велика енергетика вибуху приводить також до того, що сферична ударна хвиля, яка виходить на поверхню зорі досягає релятивістських швидкостей (з середнім Лоренц-фактором 3–10). Тоді, коли дослідженню релятивістських струменів присвячено багато робіт (див., наприклад, [, ], а також огляд [] та посилання там), дослідження астрофізичних проявів сферично-симетричної помірно-релятивістської ударної хвилі представлені тільки декількома публікаціями [, , ].

Основними проявами цієї ударної хвилі є, крім традиційного для залишку Наднових викиду оболонки зорі, також значно послаблений гамма-спалах ( ерг)].

В роботі [] було показано, що вихід релятивістської ударної хвилі на поверхню білого карлика при спалаху Наднової SNIa приводить до генерації гамма-спалаху іншої (адронної) природи, внаслідок непружних р-р зіткнень та наступного розпаду нейтральних піонів на гамма-кванти.

В дисертаційній роботі ми досліджуємо прояв цього механізму гамма-випромінювання у випадку Гіпернової і показуємо, що ефективність його суттєво зростає внаслідок більшої енергетики та вищих Лоренц-факторів потоків релятивістської плазми в Гіпернових.

Оскільки передбачений гамма-спалах ізотропний, то детальна розробка цієї моделі має принципове значення для детектування основної маси Гіпернових. Це зумовлено тим, що немає обмеження на попадання спостерігача у конус вузькоколімованого струменя.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження було проведене в НДЛ “Астрономічна обсерваторія” кафедри астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка в рамках бюджетних тем “Підтримка міжнародної небесної системи відліку, вивчення її особливостей, зв’язку з носіями в оптичному діапазоні” 2000–2005 рр. (номер держреєстрації 0101U000965) та “Спостереження та моделювання космічних джерел нетеплового випромінювання і комплексу малих тіл Сонячної системи, вдосконалення міжнародної небесної системи відліку” 2006–2010 рр. (номер держреєстрації 0106U006357).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у дослідженні руху ударних хвиль в оболонках Гіпернових зір та аналізі спостережувальних наслідків цього руху. Для її досягнення були поставлені такі задачі дослідження: *

аналіз особливостей руху сильних довільно релятивістських ударних хвиль (нерелятивістських, релятивістських та ультрарелятивістських) в неоднорідному середовищі;*

дослідження гідродинамічно колімованих потоків плазми, викликаних загальмованими релятивістськими струменями під час спалахів Гіпернових зір;*

аналіз спостережувальних проявів виходу релятивістської ударної хвилі на поверхню Гіпернової зорі та подальшої взаємодії прискорених частинок з навколозоряним середовищем.

Об’єкт дослідження: Гіпернові зорі, релятивістські струмені та ударні хвилі в оболонках Гіпернових зір.

Предмет дослідження: рух ударної хвилі в оболонці Гіпернової зорі, взаємодія прискорених частинок з навколозоряним середовищем.

Методи дослідження: наближені аналітичні методи космічної газодинаміки, чисельні методи розв’язування нелінійних рівнянь, теоретичні моделі взаємодії космічних променів із частинками плазми.

Наукова новизна одержаних результатів.*

Вдосконалено порівняльні характеристики поведінки релятивістської та нерелятивістської ударної хвилі в неоднорідному середовищі;*

Вперше проведено 2D гідродинамічне моделювання еволюції фронту ударної хвилі від зупиненого струменя в оболонці Гіпернової зорі. Оцінена ступінь колімації потоку плазми при виході ударної хвилі на поверхню зорі;*

Вперше розраховано енергетичний спектр гідродинамічно прискорених частинок, внаслідок виходу релятивістської ударної хвилі на поверхню Гіпернової зорі;*

Вдосконалено розрахунок параметрів жорсткого теплового випромінювання, яке виникає при виході сферичної ударної хвилі на поверхню Гіпернової зорі;*

Вперше досліджено взаємодію прискорених частинок оболонки Гіпернової зорі з частинками навколозоряного середовища. Розраховано параметри адронного гамма-спалаху від розпаду нейтральних піонів і проаналізовано можливість детектування такого спалаху сучасними та майбутніми космічними місіями.

Практичне значення одержаних результатів. *

Досліджені в роботі спільні та відмінні риси динаміки релятивістських та нерелятивістських ударних хвиль в неоднорідних середовищах можуть бути використані в моделюванні астрофізичних об’єктів, де ударні хвилі відіграють суттєву роль (залишки Наднових, активні ядра галактик тощо);*

Особливості еволюції нецентрального вибуху в Наднових мають значення для інтерпретації спостережувальних даних щодо залишків Наднових;*

Результати розрахунку виходу релятивістської ударної хвилі на поверхню Гіпернової зорі мають значення для планування спостережень та інтерпретації спостережувальних даних сучасних та майбутніх космічних місій;*

Передбачений в роботі спалах гамма-випромінювання, що супроводжує вибух Гіпернової, представляє інтерес для патрульних спостережень за Гіперновими.

Особистий внесок здобувача. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 4 статтях [1–4] та 2 працях конференцій [, ]. В усіх роботах автор виконував всі необхідні розрахунки, приймав участь у постановці задачі, розробці програмного забезпечення, аналізі отриманих результатів та написанні статей.

Апробація результатів дисертації. Результати доповідалися і обговорювалися на наступних міжнародних конференціях:*

Наукова конференція “Астрономічна школа молодих вчених” (2003, 2004), Біла Церква, Україна; *

Annual International Conference “Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology” (2003, 2004), Kyiv, Ukraine; *

Memorial international conference dedicated to 100-th anniversary of Sergij Kostyantynovych Vsekhsvyatsky and 160-th anniversary of Astronomical Observatory of National Taras Shevchenko University of Kyiv, 2005, Kyiv,Ukraine; *

10th, 11th, 12th Young Scientists’ Conference on Astronomy and Space Physics (2003, 2004, 2005), Kyiv, Ukraine; *

International Conference “Astrophysical sources of high energy particles and radiation”, 2005, Torun, Poland; *

35th COSPAR Scientific Assembly, 2004, Paris, France; *

“Astrophysics and cosmology after Gamow – Theory and observations” Gamow Memorial International Conference dedicated to 100-th anniversary of George Gamow, 2004, Odessa, Ukraine; *

International School of Cosmic Ray Astrophysics, 14th Course: “Neutrinos and Explosive Events in the Universe”, a NATO Advanced Study Institute, 2004, Erice, Italy; *

34-я студенческая научная конференция “Физика Космоса”, 2005, Екатеринбург, Россия; *

Международная байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике, VIII научная конференция молодых ученых “Астрофизика и физика околоземного космического пространства”, 2005, Иркутск, Россия,

а також на об’єднаному астрофізичному семінарі АО КНУ, ІТФ НАН України, ГАО НАН України, на семінарах відділу астрометрії та на наукових зборах АО КНУ.

Публікації. Результати дисертації представлені у 4 публікаціях у фахових журналах [1–4], 2 працях конференцій [, ] та у 11 збірниках тез конференцій [7–17].

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 160 найменувань, містить 24 рисунки і 8 таблиць. Повний обсяг дисертації становить 131 сторінку.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульовано актуальність, мету та основні задачі дисертаційної роботи. Відзначено наукову новизну отриманих результатів.

У першому розділі подано огляд літератури, де висвітлено сучасний стан проблем, що досліджуються, представлені основні досягнення в галузі вивчення релятивістських ударних хвиль в астрофізиці, зокрема в оболонках Гіпернових зір.

Оригінальні результати подано в Розділах 2–5.

Другий розділ дисертації присвячений дослідженню особливостей поширення ударних хвиль в релятивістському та нерелятивістському випадках.

В п. 2.2 наведено аналітичний апроксимаційний закон руху ударної хвилі в довільно неоднорідному середовищі для нерелятивістського (п. 2.2.1) та довільнорелятивістського (п. 2.2.2) руху, який використовувався нами для дослідження руху ударної хвилі.

В п. 2.3 досліджено порівняльні характеристики поведінки релятивістської та нерелятивістської ударної хвилі в неоднорідному середовищі.

Дослідження проводилось на прикладі експоненційної атмосфери, причому було враховано, що в реалістичних моделях густина середовища не може спадати до нуля і на деякій відстані виходить на ділянку постійної густини (випадок ненульової асимптотики). Розглянуто випадки як нульової, так і ненульової асимптотики.

Для нерелятивістської ударної хвилі профіль фронту буде суттєво залежати від поведінки густини на далеких відстанях (рис. 1).

Видно, що у випадку нульової асимптотики (рис. 1) в момент часу t~30.7 (час вимірюється в одиницях , де – автомодельна постійна, – густина в точці виділення енергії, H – масштаб висот, E – енергія вибуху) відбувається так званий прорив атмосфери, коли за скінчений проміжок часу ударна хвиля іде на нескінченність, в той час як у випадку ненульової асимптотики прориву не буде, і ударна хвиля досягаючи плато сповільнює свій рух. Після досягнення плато профіль ударної хвилі стає більш округлим (сферизується), на відміну від вузьмоколімованого профілю у випадку прориву.

Показано, що суттєвою відмінністю релятивістського руху від нерелятивістського, є відсутність прориву атмосфери (рис. 2), внаслідок існування максимального значення швидкості ударної хвилі в?1. Це призводить до того, що профіль ударної хвилі стає майже сферичним, так як швидкість не сильно відрізняється для різних напрямків (рис. 2).

Важливим з астрофізичної точки зору є питання про колімацію потоку плазми. Показано, що колімація ультрарелятивістського потоку плазми якісно відрізняється від нерелятивістського. Особливостями нерелятивістської течії є анізотропія форми фронту і параметрів всередині ударної хвилі. Внаслідок градієнта густини профіль ударної хвилі буде витягуватися в напрямку, протилежному до градієнта густини.

Показано, що в ультрарелятивістському ж випадку профіль фронту суттєво спотворюватись не буде, але колімація по Лоренц-фактору може бути суттєва і параметри всередині ударної хвилі будуть різко анізотропні. Така особливість релятивістської течії важлива з огляду на гамма-спалахи, де очікується значна колімація ультрарелятивістського потоку.

В третьому розділі досліджується механізм гідродинамічної колімації релятивістського потоку плазми, викликаного загальмованими релятивістськими струменями під час спалахів Гіпернових зір.

Запропоновано механізм колімації релятивістського потоку плазми при виході ударної хвилі на поверхню Гіпернової зорі, який суттєво розширює можливості генерування гамма-спалахів внаслідок спалаху Гіпернових зір.

В цьому розділі розглядався випадок, коли первинний вузькоколімований струмінь, згенерований внаслідок колапсу центральних областей масивної зорі-колапсара, не має достатньо енергії, щоб вийти на поверхню, і зупиняється в надрах зорі на висоті h. Подальша еволюція нагрітої області описувалася задачею про точковий вибух в неоднорідному середовищі. Для дослідження руху виникаючої при цьому релятивістської ударної хвилі було використано наближений аналітичний метод, запропонований в [].

Оскільки для кожного сектора градієнт густини буде різний, то швидкість, а отже і Лоренц-фактор, будуть змінюватися по-різному. На рис. 3 наведено зміну Лоренц-фактора речовини з часом для чотирьох секторів, які характеризуються кутами , , та при h=0.7 (в радіусах зорі) та  ерг.

Залежність максимального Лоренц-фактора від кута приведена на рис. 4. Цей рисунок характеризує ступінь гідродинамічної колімації початково симетричного фронту ударної хвилі. Ця колімація відбувається внаслідок швидкого падіння густини в зовнішніх шарах зорі.

Відомо, що ефективна генерація гамма-випромінювання релятивістським струменем очікується тоді, коли Лоренц-фактор потоку перевищує 100–200. В розглядуваній задачі такі Лоренц-фактори отримуються при типових параметрах енерговиділення. Отримано, що кут колімації потоку речовини з Лоренц-фактором більше 100 становить близько 30–40 градусів. Однак повна енергія релятивістського потоку з Лоренц-фактором більше 100 незначна, тому спостережувальні прояви не відповідатимуть параметрам класичних космологічних гамма-спалахів, а зведуться до відносно слабкого спалаху жорсткого випромінювання, пов’язаного з виходом ударної хвилі на поверхню та спалаху ГеВ-ного випромінювання адронної природи.

Четвертий розділ присвячений дослідженню гідродинаміки руху сферичної ударної хвилі в оболонці Гіпернової зорі та вихіду цієї ударної хвилі на поверхню зорі.

В п. 4.2 описано модель зорі-попередника Гіпернової, яку ми використовували в своїх дослідженнях.

Відомо, що вихід ударної хвилі буде супроводжуватися спалахом теплового випромінювання []. В п. 4.3.2 показано, що при виході релятивістської ударної хвилі на поверхню Гіпернової зорі отримаємо спалах жорсткого теплового випромінювання з характерною енергією фотонів 10–100 кеВ. Показано, що максимальні відстані, з яких цей спалах може бути зафіксований приладом з чутливістю, подібною до чутливості детектора BATSE з космічної обсерваторії імені А. Комптона, сягають  см, тому такий спалах може бути присутнім в значній кількості спостережуваних гамма-спалахів.

Параметри цього спалаху та оцінку відстаней, з яких цей спалах може бути зафіксовано космічними місіями, приведені в табл. .

В п. 4.4.2 показано, що в результаті виходу ударної хвилі на поверхню зорі ми будемо мати пучок гідродинамічно прискорених релятивістських частинок зі степеневим енергетичним спектром з показником степеня від 3.5 до 4.8.

Диференційний спектр та кумулятивна енергія (кінетична енергія всіх протонів з енергією, більшою ніж ) представлені на рис. 5. Спектри на цих графіках різко обрізані справа, що зумовлено досягненням ударною хвилею місця в оболонці зорі, після якого відбувається руйнування ударної хвилі. Чисельні значення параметрів гідродинамічно прискорених частинок після другої фази прискорення представлені в табл.  (де – показник диференційного спектру протонів).

В п’ятому розділі розглянуто взаємодію гідродинамічно прискорених частинок з навколозоряним середовищем. Досліджено адронний спалах гамма-випромінювання, який виникає внаслідок розпаду нейтральних піонів – продуктів непружних p-p зіткнень прискорених частинок з навколозоряним середовищем. Розраховано параметри цього спалаху та оцінено можливість його детектування сучасними та майбутніми космічними місіями.

В роботі розглянуто взаємодію прискорених частинок з частинками зоряного вітру та оболонки постійної густини. Максимальні відстані, з яких цей гамма-спалах може бути зафіксований місією GLAST, приведені в табл.  і дорівнюють десяткам Мпк.

Кількість гамма-квантів всіх енергій, утворених за одиницю часу та світність для випадку зоряного вітру та оболонки постійної товщини приведені на рис. 6, 7.

Очікувана частота реєстрації таких гамма-спалахів у випадку зоряного вітру рік, а для зір-попередників Гіпернових з навколозоряними оболонками  рік.

Враховуючи те, що для зорі-попередника Гіпернової SN1998bw, яка використовувалась як прототип, темп втрати маси суттєво нижчий від типових значень  /рік [], то можна зробити висновок, що ці оцінки становлять нижню межу. При найсприятливих умовах, (в напрямках на акреційний диск, молекулярну хмару тощо) з тілесним кутом Щ та фактором заповнення f=Щ/4р , коли концентрація мішеней достатньо висока, щоб більшість релятивістських протонів провзаємодіяли з частинками-мішенями, ця частота може зрости до  рік.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі досліджено рух релятивістських ударних хвиль в оболонках Гіпернових зір. Зокрема:

1. Досліджено порівняльні характеристики поведінки релятивістської та нерелятивістської ударної хвилі в неоднорідному середовищі. Показано, що суттєвою відмінністю релятивістського руху від нерелятивістського, є відсутність так званого прориву атмосфери. Показано, що особливостями нерелятивістської течії є анізотропія форми фронту і параметрів всередині ударної хвилі. Розраховано, що в ультрарелятивістському випадку профіль фронту суттєво спотворюватись не буде, але колімація по Лоренц-фактору може бути суттєва і параметри всередині ударної хвилі будуть різко анізотропні. Така особливість релятивістської течії важлива з огляду на гамма-спалахи.

2. Досліджено механізм гідродинамічної колімації релятивістського потоку плазми, викликаного загальмованими релятивістськими струменями під час спалахів Гіпернових зір. Отримано, що для типових енергій спалаху Гіпернової при виході гідродинамічно колімованого струменя на поверхню Гіпернової зорі максимальні Лоренц-фактори можуть досягати 200–300. Отримано, що кут колімації потоку речовини з Лоренц-фактором більше 100 становить близько 30–40 градусів. Однак повна енергія релятивістського потоку з Лоренц-фактором більше 100 незначна, тому спостережувальні прояви не відповідатимуть параметрам класичних космологічних гамма-спалахів, а зведуться до відносно слабкого спалаху жорсткого випромінювання, пов’язаного з виходом ударної хвилі на поверхню та спалаху ГеВ-ного випромінювання адронної природи.

3. Досліджено гідродинаміку руху сферичної ударної хвилі в оболонці Гіпернової зорі та вихід цієї ударної хвилі на поверхню зорі. Розраховані параметри спалаху жорсткого теплового випромінювання, яке виникає при виході релятивістської ударної хвилі на поверхню Гіпернової зорі. Показано, що характерна енергія фотонів цього спалаху 10–100 кеВ і максимальні відстані, з яких цей спалах може бути зафіксований приладом з чутливістю подібною до чутливості детектора BATSE з космічної обсерваторії імені А. Комптона, сягають  см.

4. Розраховано параметри гідродинамічно прискорених релятивістських частинок при виході ударної хвилі на поверхню зорі. Показано, що енергетичний спектр цих частинок буде степеневим з показником степеня від 3.5 до 4.8, а максимальні енергії частинок сягатимуть 400 ГеВ.

5. Досліджено взаємодію гідродинамічно прискорених частинок з навколозоряним середовищем. Розраховані параметри адронного спалаху гамма-випромінювання, який виникає внаслідок розпаду нейтральних піонів – продуктів непружних p-p зіткнень. Показано, що максимальні відстані, з яких цей гамма-спалах може бути зафіксований місією GLAST, дорівнюють порядку десятків Мпк. Розраховано, що очікувана частота таких гамма-спалахів у випадку зоряного вітру рік, а оболонки постійної густини  рік. Зроблено оцінку, що при найсприятливих умовах (в напрямках на акреційний диск, молекулярну хмару тощо) з тілесним кутом Щ та фактором заповнення f=Щ/4р , ця частота може зрости до  рік.

Список літератури

Опубліковані статті за темою дисертації

[1] Марченко В., Гнатик Б. Колімація релятивістських та нерелятивістських ударних хвиль в середовищі з великомасштабним градієнтом густини // Вісник Астрон. Школи. – 2003. – Т.4. – №2. – С.104–111.

[2] Marchenko V.V., Hnatyk B.I. Relativistic shock break out at the surface of hypernova star // Odessa Astronomical Publications. – 2004 – v. 17. – P.48–50.

[3] Марченко В.В., Гнатик Б.І. Гідродинамічна колімація релятивістських струменів при спалахах гіпернових зір // Вісник КНУ, Астрономія. – 2005. – №41-42. – С.21–24.

[4] Гнатик Б.І., Марченко В.В. Спостережні прояви виходу релятивістської ударної хвилі на поверхню Гіпернової зорі // Кин. и физ. неб. тел. – 2006. – Т.22, № 2. – С.125–137.

Праці та тези конференцій

[5] Marchenko V. г-ray flash from relativistic shock accelerated particles in the Hypernova environment // International conference “Astrophysical sources of high energy particles and radiation”. Torun, Poland, 20–24 June 2005, – AIP Conference Proceedings, 2005. – Vol. 801. – P. 129–130.

[6] Марченко В.В. Всплеск жесткого теплового излучения при выходе релятивистской ударной волны на поверхность Гиперновой // Байкальская Международная молодежная научная школа по фундаментальной физике. Иркутск, Россия, 12–17 сентября 2005 г., Труды VIII конференции молодых ученых “Астрофизика и физика околоземного космического пространства”. – Иркутск, 2005. – С.210–212.

[7] Hnatyk B., Marchenko V. Ultrarelativistic jet-like flows in stellar envelopes // Міжнародна наукова конференція “Астрономічна школа молодих вчених”. Біла Церква, Україна, 20–23 травня 2003 р. Програма і тези доповідей. – Біла Церква, 2003. – P.34.

[8] Marchenko V.V., Hnatyk B.I. The investigation of the shock wave propagation in the stellar envelopes // 10th Open Young Scientists’ Conference on Astronomy and Space Physics. Kyiv, Ukraine, 22–26 April 2003. Abstracts. – Kyiv, 2003. – P.52.

[9] Marchenko V.V., Hnatyk B.I. Relativistic shocks in external layers of Hypernova star // Міжнародна наукова конференція “Астрономічна школа молодих вчених”. Біла Церква, Україна, 19–21 травня 2004 р. Програма і тези доповідей. – Біла Церква, 2004. – P.43.

[10] Marchenko V.V., Hnatyk B.I. Relativistic shocks in extenal layers of Hypernova stars // 11th Open Young Scientists’ Conference on Astronomy and Space Physics. Kyiv, Ukraine, 20–24 April 2003. Abstracts. – Kyiv, 2004. – P.98.

[11] Marchenko V., Hnatyk B. GRBs from hydrodynamically collimated ultrarelativistic jets in Hypernova stars // 35-th COSPAR Scientific Assembly. Paris, France, 18–25 July, 2004. Abstracts. – Paris, 2004. – P.232.

[12] Marchenko V.V., Hnatyk B.I. Gamma-ray flash from relativistic shock break out at the surface of Hypernova star // Gamow memorial international conference dedicated to 100-th anniversary of George Gamow “Astrophysics and cosmology after Gamow – theory and observations”, Odessa, Ukraine, 8–14 August 2004. Abstracts. – Odessa, 2004. – P.110.

[13] Marchenko V.V., Hnatyk B.I. The relativistic shocks break out at the surface of Hypernova stars and GRBs // 12th Open Young Scientists’ Conference on Astronomy and Space Physics. Kyiv, Ukraine, 19–23 April 2005. Abstracts. – Kyiv, 2005. – P.47.

[14] Марченко В.В., Гнатик Б.И. Гамма-всплеск при выходе релятивистской ударной волны на поверхность Гиперновой звезды // 34-я Международная студенческая конференция “Физика космоса”. Екатеринбург, Россия, 31 января – 4 февраля 2005 г. Труды конференции. – Екатеринбург, 2005. – С.255.

[15] Марченко В.В., Гнатык Б.И. Гамма-всплеск при выходе релятивистской ударной волны на поверхность гиперновой звезды // Байкальская Международная молодежная научная школа по фундаментальной физике. Иркутск, Россия, 12–17 сентября 2005 г. VIII Сессия молодых ученых “Астрофизика и физика околоземного космического пространства”. Программа и тезисы докладов. – Иркутск, 2005. – С.136.

[16] Marchenko V. Gamma-ray flash from relativistic shock break out at the surface of Hypernova // International conference “Astrophysical sources of high energy particles and radiation”. Torun, Poland, 20–24 June 2005. Abstracts. – Poland, 2005. – P.36.

[17] Marchenko V., Hnatyk B. Relativistic shock waves in Hypernova stars // Memorial international conference “Astronomy and space physics at Kyiv university” devoted to 100-th anniversary of Sergij Kostyantynovych Vsekhsvyatsky and 160-th anniversary of Astronomical Observatory of National Taras Shevchenko University of Kyiv. Kyiv, Ukraine, 22–26 May 2005. Programme and book of abstracts. – Kyiv, 2005. – P.85.

Цитована література

[18] Piran T. Gamma-ray bursts and the fireball model // Phys. Rept. – 1999. – Vol. 314. – P.575-667.

[19] Zhang B., Meszaros P. Gamma-Ray Bursts: progress, problems & prospects// IJMPA. – 2004. – Vol. 19, P.2385-2472.

[20] Woosley S. E. Zhang W., Heger A. The Collapsar Model for Gamma-Ray Bursts // American Institute of Physics. – 2004. – P.343-348.

[21] Nomoto K. et al. Hypernovae and Gamma-Ray Bursts // Astrophysics and Space Science. – 2005. – Vol. 298, Issue 1-2, P.81-86.

[22] Aloy M. A. et al. Relativistic Jets from Collapsars // ApJ. – 2000. – Vol. 531, P.L119-L122.

[23] Zhang W., Woosley S.E., McFadyen A.I. Relativistic Jets in Collapsars// ApJ. – 2003. – Vol. 586. – P. 356-371.

[24] Matzner C.D., MacKee C.F. The expulsion of Stellar Envelopes in Core-Collapse Supernovae // ApJ. – 1999. – Vol. 510. – P.379.

[25] Tan J.C., Matzner C.D., McKee C.F. Trans-Relativistic Blast Waves in Supernovae as Gamma-Ray Burst Progenitors // ApJ. – 2001. – Vol. 551. – P. 946-972.

[26] Woosley S.E., Eastman R. G., Schmidt B. P. Gamma-Ray Bursts and Type Iс Supernova SN 1998bw // ApJ. – 1999. – Vol. 516. – P.788-796.

[27] Berezinsky V.S., Blasi P., Hnatyk B.I. A new mechanism for gamma-ray bursts in SN type I explosions. 1. Weak magnetic field // ApJ. – 1996. – Vol. 469. – P. 311-319.

[28] Гнатык Б.И., Закономерности движения релятивистских ударных волн в неоднородных средах // Письма в АЖ. – 1985. – Т. 11. – С.785-788.

[29] Waxman E. Does the Detection of X-Ray Emission from SN 1998bw Support Its Association with GRB 980425? // ApJ. – 2004. – Vol. 605. – P.L97-L100.

АНОТАЦІЯ

Марченко В.В. Релятивістські ударні хвилі в оболонках Гіпернових зір. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.02 – Астрофізика, радіоастрономія. – Головна астрономічна обсерваторія НАН України, Київ, 2007.

В дисертації досліджено рух релятивістських ударних хвиль в оболонках Гіпернових зір та проаналізовано спостережувальні наслідки цього руху. Порівняно характеристики поведінки релятивістської та нерелятивістської ударної хвилі в неоднорідному середовищі. Проведено 2D гідродинамічне моделювання еволюції фронту ударної хвилі від зупиненого струменя в оболонці Гіпернової зорі. Показано, що кут колімації потоку речовини з Лоренц-фактором більше 100 становить близько 30–40 градусів. Розраховані параметри спалаху жорсткого теплового випромінювання та гідродинамічно прискорених частинок при виході сферично-симетричної релятивістської ударної хвилі на поверхню Гіпернової зорі. Показано, що характерна енергія фотонів теплового спалаху 10–100 кеВ, енергетичний спектр прискорених частинок буде степеневим з показником степеня від 3.5 до 4.8, а максимальні енергії прискорених частинок сягати 400 ГеВ. Розраховані параметри адронного спалаху гамма-випромінювання, який виникає внаслідок розпаду нейтральних піонів – продуктів непружних зіткнень між прискореними частинками та навколозоряним середовищем. Проаналізовано можливість детектування теплового та адронного спалахів сучасними та майбутніми космічними місіями.

Ключові слова: Гіпернові зорі, гамма-спалахи, релятивістські струмені, ударні хвилі, навколозоряне середовище.

ABSTRACT

Marchenko V.V. Relativistic shock waves in Hypernova envelopes. – Manuscript.

Thesis for candidate’s degree by speciality 01.03.02 – Astrophysics, radioastronomy. – Main Astronomical Observatory of NASU, Kyiv, 2007.

The thesis deals with the study of motion of relativistic shock waves in the Hypernova envelopes and the observational signatures of this motion. The similarity and difference in motion of relativistic and nonrelativistic shock waves in nonuniform medium are investigated. The 2D modeling of shock front evolution from stopped jet in the Hypernova envelope are performed. It is shown that hydrodynamical collimation of particles with Lorentz-factors above 100 is about 30–40 degrees. The parameters of hard thermal radiation flash and hydrodynamically accelerated particles from relativistic spherically symmetric shock break-out at Hypernova star surface are estimated. It is shown that representative value of photon energy of thermal flash is about 10–100energy spectrum of accelerated particles is power low with index 3.5–4.8 and maximum accelerated particle energy about 400 GeV. The parameters of hadronic gamma-flash that appears from neutral pions decay as a result of inelastic collisions between accelerated particles and circumstellar environment are estimated. The detectability of thermal and hadronic flashes by space X-ray and gamma-ray missions are estimated.

Key words: Hypernova, gamma-ray bursts, relativistic jets, shock waves, circumstellar environment.

АННОТАЦИЯ

Марченко В.В. Релятивистские ударные волны в оболочках Гиперновых звезд. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.03.02 – Астрофизика, радиоастрономия. – Главная астрономическая обсерватория НАН Украины, Киев, 2007.

В диссертации исследовано движение релятивистских ударных волн в оболочках Гиперновых звезд и проанализированы наблюдательные проявления этого движения.

В работе проведено сравнение характеристик поведения релятивистской и нерелятивистской ударной волны в неоднородной среде. Показано, что особенностями нерелятивисткого течения являются анизотропия формы фронта и параметров за фронтом ударной волны. Показано, что в ультрарелятивистском случае профиль фронта существенно искажаться не будет, но коллимация по Лоренц-фактору может быть значительной и параметры внутри ударной волны будут резко анизотропными.

Проведено 2D гидродинамическое моделирование эволюции фронта ударной волны от остановленной струи в оболочке Гиперновой звезды. Показано, что угол коллимации потока вещества с Лоренц-фактором больше 100 составляет около 30–40 градусов.

Исследована гидродинамика движения сферически-симметричной релятивистской ударной волны в оболочке Гиперновой звезды и выход этой ударной волны на поверхность звезды. Рассчитаны параметры всплеска жесткого теплового излучения, которое возникает при выходе ударной волны на поверхность звезды. Показано, что характерная энергия фотонов этого всплеска составляет 10–100 кэВ и максимальные расстояния, с которых этот всплеск может быть зафиксирован прибором с чувствительностью, подобной чувствительности детектора BATSE с космической обсерватории имени А. Комптона, достигают  см.

Рассчитаны параметры гидродинамически ускоренных релятивистских частиц при выходе ударной волны на поверхность Гиперновой звезды. Показано, что энергетический спектр этих частиц будет степенной с показателем степени от 3.5 до 4.8, а максимальные энергии частиц будут достигать 400 ГэВ.

Рассчитаны параметры адронного всплеска гамма-излучения, который возникает вследствие распадов нейтральных пионов – продуктов неупругих столкновений ускоренных частиц с веществом околозвездной среды. Показано, що максимальные расстояния, с которых этот всплеск может быть зафиксирован космической миссией GLAST, равны десяткам Мпк.

Ключевые слова: Гиперновые звезды, гамма-всплески, релятивистские струи, ударные волны, околозвездная среда.