Прохождение гамма-всплеска через молекулярное облако: ионизационная структура облака

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Построена модель прохождения излучения гамма-всплеска через плотное молекулярное облако. В расчетах учитываются основные процессы взаимодействия излучения с веществом облака: ионизация атомов Н, Не, ионизация ионов металлов с учетом испускания Оже-электронов, ионизация и фотодиссоциация молекул Н₂, поглощение ультрафиолетового излучения в линиях Н₂ полос Лаймана и Вернера, испарение частиц пыли. Ионизация ионов металлов рентгеновским излучением определяет степень ионизации газа в области, где газ преимущественно нейтральный. Фотоионизация внутренних электронных оболочек ионов сопровождается испусканием Оже-электронов, что приводит к образованию ионов металлов в высоком ионизационном состоянии. В частности, лучевые концентрации ионов Mg, Si, Fe в состоянии ионизации I–IV много меньше, чем лучевые концентрации этих ионов в состоянии ионизации V и выше. Фотоионизация ионов металлов ультрафиолетовым излучением происходит только на расстояниях меньше радиуса испарения пыли и для нейтральных атомов с порогом ионизации меньше 13.6 эВ. Результаты наших расчетов подтвердили выдвинутое ранее предположение, что ионизация атомов не играет важную роль в поглощении излучения в рентгеновском диапазоне длин волн. Для низкой металличности, [M/H ] ≤ –1, роль атомов гелия является доминирующей.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. В. Нестерёнок

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Author for correspondence.
Email: alex-n10@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  1. Акерлоф и др. (C. Akerlof, R. Balsano, S. Barthelmy, J. Bloch, P. Butterworth, D. Casperson, T. Cline, S. Fletcher, et al.), Nature 398, 400 (1999).
  2. Амати (L. Amati), MNRAS 372, 233 (2006).
  3. Архипов и др. (D.N. Arkhipov, S.A. Astashkevich, A.A. Mityureva, and V.V. Smirnov), Phys. Lett. A Phys. Lett. A 382, 1881 (2018).
  4. Бадьин Д.А., Блинников С.И., Постнов К.А., Письма в Астрон. журн. 36, 723 (2010) [D.A. Bad’in, S.I. Blinnikov, K.A. Postnov, Astron. Lett. 36, 687 (2010)].
  5. Барков М.В., Бисноватый-Коган Г.С., Астрон. журн. 82, 29 (2005а) [M.V. Barkov, G.S. Bisnovaty-Kogan, Astron. Rep. 49, 24 (2005a)].
  6. Барков М.В., Бисноватый-Коган Г.С., Астрон. журн. 82, 685 (2005б) [M.V. Barkov, G.S. Bisnovaty-Kogan, Astron. Rep. 49, 611 (2005b)].
  7. Барниол Дуран (R. Barniol Duran), MNRAS 442, 3147 (2014).
  8. вон Басч, Данн (F. von Busch and G.H. Dunn), Phys. Rev. A 5, 1726 (1972).
  9. Беньямини и др. (P. Beniamini, L. Nava, and T. Piran), MNRAS 461, 51 (2016).
  10. Беньямини, ван дер Хорст (P. Beniamini, and A.J. van der Horst), MNRAS 472, 3161 (2017).
  11. Болмер и др. (J. Bolmer, C. Ledoux, P. Wiseman, A. De Cia, J. Selsing, P. Schady, J. Greiner, S. Savaglio, et al.), Astron. Astrophys. 623, A43 (2019).
  12. Боссион и др. (D. Bossion, Y. Scribano, F. Lique, and G. Parlant), MNRAS 480, 3718 (2018).
  13. Брук и др. (E. Brook, M.F.A. Harrison, and A.C.H. Smith), J. Phys. B: Atom. Molec. Phys. 11, 3115 (1978).
  14. Бэнд и др. (D. Band, J. Matteson, L. Ford, B. Schaefer, D. Palmer, B. Teegarden, T. Cline, M. Briggs, et al.), Astrophys. J. 413, 281 (1993).
  15. Ваксман, Дрейн (E. Waxman and B.T. Draine), Astrophys. J. 537, 796 (2000).
  16. Ван и др. (Y. Wan, B.H. Yang, P.C. Stancil, N. Balakrishnan, N.J. Parekh, and R.C. Forrey), Astrophys. J. 862, 132 (2018).
  17. Вейнгартнер, Дрейн (J.C. Weingartner and B.T. Draine), Astrophys. J. 548, 296 (2001).
  18. Вернер, Яковлев (D.A. Verner and D.G. Yakovlev), Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 109, 125 (1995).
  19. Вернер и др. (D.A. Verner, G.J. Ferland, K.T. Korista, and D.G. Yakovlev), Astrophys. J. 465, 487 (1996).
  20. Волниевич и др. (L. Wolniewicz, I. Simbotin, and A. Dalgarno), Astrophys. J. Suppl. Ser. 115, 293 (1998).
  21. Вресвийк и др. (P.M. Vreeswijk, C. Ledoux, A. Smette, S.L. Ellison, A.O. Jaunsen, M.I. Andersen, A.S. Fruchter, J.P.U. Fynbo, et al.), Astron. Astrophys. 468, 83 (2007).
  22. Гарднер и др. (D.J. Gardner, D.R. Reynolds, C.S. Woodward, and C.J. Balos), ACM Transactions on Mathematical Software 48, 31 (2022).
  23. Голдштейн и др. (A. Goldstein, V. Connaughton, M.S. Briggs, and E. Burns), Astrophys. J. 818, 18 (2016).
  24. Гранот, Сари (J. Granot and R. Sari), Astrophys. J. 568, 820 (2002).
  25. Гухатхакурта, Дрейн (P. Guhathakurta and B.T. Draine), Astrophys. J. 345, 230 (1989).
  26. Гэй и др. (C.D. Gay, N.P. Abel, R.L. Porter, P.C. Stancil, G.J. Ferland, G. Shaw, P.A.M. van Hoof, and R.J.R. Williams), Astrophys. J. 746, 78 (2012).
  27. Дрейн, Бертольди (B.T. Draine, and F. Bertoldi), Astrophys. J. 468, 269 (1996).
  28. Дрейн, Ли (B.T. Draine and A. Li), Astrophys. J. 551, 807 (2001).
  29. Дрейн, Хао (B.T. Draine and L. Hao), Аstrophys. J. 69, 780 (2002).
  30. Дрейн (B.T. Draine), Astrophys. J. 598, 1026 (2003).
  31. Дрейн (B.T. Draine), Physics of the Interstellar and Intergalactic Medium (Princeton: Princeton Univer. Press, 2011).
  32. Жанг и др. (B. Zhang, E. Liang, K.L. Page, D. Grupe, B.-B. Zhang, S.D. Barthelmy, D.N. Burrows, S. Campana, et al.), Astrophys. J. 655, 989 (2007).
  33. Каастра, Меве (J.S. Kaastra and R. Mewe), Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 97, 443 (1993).
  34. Кампана и др. (S. Campana, C.C. Thöne, A. de Ugarte Postigo, G. Tagliaferri, A. Moretti, and S. Covino), MNRAS 402, 2429 (2010).
  35. Кампана и др. (S. Campana, R. Salvaterra, A. Melandri, S.D. Vergani, S. Covino, P. D’Avanzo, D. Fugazza, G. Ghisellini, et al.), MNRAS 421, 1697 (2012).
  36. Канеко и др. (Y. Kaneko, R.D. Preece, M.S. Briggs, W.S. Paciesas, C.A. Meegan, and D.L. Band), Astrophys. J. Suppl. Ser. 166, 298 (2006).
  37. Краутер (P. Crowther), Astron. Geophys. 53, 4.30 (2012).
  38. Кронгольд, Прочаска (Y. Krongold and J.X. Prochaska), Astrophys. J. 774, 115 (2013).
  39. Куккьяра и др. (A. Cucchiara, A.J. Levan, D.B. Fox, N.R. Tanvir, T.N. Ukwatta, E. Berger, T. Krühler, A.K. Yoldas, et al.), Astrophys. J. 736, 7 (2011).
  40. Куккьяра и др. (A. Cucchiara, M. Fumagalli, M. Rafelski, D. Kocevski, J.X. Prochaska, R.J. Cooke, and G.D. Becker), Astrophys. J. 804, 51 (2015).
  41. Кумар, Жанг (P. Kumar and B. Zhang), Phys. Rep. 561 1 (2015).
  42. Курран и др. (P.A. Curran, P.A. Evans, M. de Pasquale, M.J. Page, and A.J. van der Horst), Astrophys. J. 716, L135 (2010).
  43. Лаззати и др. (D. Lazzati, R. Perna, and G. Ghisellini), MNRAS 325, L19 (2001).
  44. Лаззати, Перна (D. Lazzati and R. Perna), MNRAS 330, 383 (2002).
  45. Лаззати, Перна (D. Lazzati and R. Perna), MNRAS 340, 694 (2003).
  46. Лаор, Дрейн (A. Laor and B.T. Draine), Astrophys. J. 402, 441 (1993).
  47. Лоддерс (K. Lodders), Space Sci. Rev. 217, 44 (2021).
  48. Нава и др. (L. Nava, G. Ghirlanda, G. Ghisellini, and A. Celotti), Astron. Astrophys. 530, A21 (2011).
  49. Нава и др. (L. Nava, R. Salvaterra, G. Ghirlanda, G. Ghisellini, S. Campana, S. Covino, G. Cusumano, P. D’Avanzo, et al.), MNRAS 421, 1256 (2012).
  50. Нава и др. (L. Nava, G. Vianello, N. Omodei, G. Ghisellini, G. Ghirlanda, A. Celotti, F. Longo, R. Desiante, et al.), MNRAS 443, 3578 (2014).
  51. Накар, Пиран (E. Nakar and T. Piran), MNRAS 353, 647 (2004).
  52. Накар, Пиран (E. Nakar and T. Piran), Astrophys. J. 619, L147 (2005).
  53. Оганесян и др. (G. Oganesyan, S. Karpov, O.S. Salafia, M. Jelínek, G. Beskin, S. Ronchini, B. Banerjee, M. Branchesi, et al.), Nature Astron. 7, 843 (2023).
  54. Остерброк, Ферланд (D.E. Osterbrock and G.J. Ferland), Astrophysics of gaseous Nebulae and Active Galactic Nuclei (Sausalito: Univer. Sci. Books, 2006).
  55. Панаитеску, Кумар (A. Panaitescu and P. Kumar), Astrophys. J. 571, 779 (2002).
  56. Пекино и др. (D. Péquignot, P. Petitjean, and C. Boisson), Astron. Astrophys. 251, 680 (1991).
  57. Перна, Лоеб (R. Perna and A. Loeb), Astrophys. J. 501, 467 (1998).
  58. Перна и др. (R. Perna, J. Raymond, and A. Loeb), Astrophys. J. 533, 658 (2000).
  59. Перна, Лаззати (R. Perna and D. Lazzati), Astrophys. J. 580, 261 (2002).
  60. Перна и др. (R. Perna, D. Lazzati, and F. Fiore), Astrophys. J. 585, 775 (2003).
  61. Петросян, Даинотти (V. Petrosian and M.G. Dainotti), Astrophys. J. 963, L12 (2024).
  62. Позаненко А.С., Барков М.В., Минаев П.Ю., Вольнова А.А., 47, 823 (2021) [A.S. Pozanenko, M.V. Barkov, P.Yu. Minaev, A.A. Volnova, Astron. Lett. 47, 791 (2021)].
  63. Прочаска и др. (J.X. Prochaska, H.-W. Chen, M. Dessauges-Zavadsky, and J.S. Bloom), Astrophys. J. 666, 267 (2007).
  64. Прочаска и др. (J.X. Prochaska, M. Dessauges-Zavadsky, E. Ramirez-Ruiz, and H.-W. Chen), Astrophys. J. 685, 344 (2008).
  65. Райан и др. (G. Ryan, H. van Eerten, A. MacFadyen, and B.-B. Zhang) Astrophys. J. 799, 3 (2015).
  66. Райан и др. (G. Ryan, H. van Eerten, L. Piro, and E. Troja), Astrophys. J. 896, 166 (2020).
  67. Растинежад и др. (J.C. Rastinejad, B.P. Gompertz, A.J. Levan, W. Fong, M. Nicholl, G.P. Lamb, D.B. Malesani, A.E. Nugent, et al.), Nature 612, 223 (2022).
  68. Рахин, Бехар (R. Rahin and E. Behar), Astrophys. J. 885, 47 (2019).
  69. Роджерс, Вильямс (C.D. Rodgers and A.P. Williams), J. of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 14, 319 (1974).
  70. Сантана и др. (R. Santana, R. Barniol Duran, and P. Kumar), Astrophys. J. 785, 29 (2014).
  71. Сари, Пиран (R. Sari and T. Piran), Astrophys. J. 520, 641 (1999).
  72. Сталинг и др. (R.L.C. Starling, R. Willingale, N.R. Tanvir, A.E. Scott, K. Wiersema, P.T. O’Brien, A.J. Levan, and G.C. Stewart), MNRAS 431, 3159 (2013).
  73. Танвир и др. (N.R. Tanvir, J.P.U. Fynbo, A. de Ugarte Postigo, J. Japelj, K. Wiersema, D. Malesani, D.A. Perley, A.J. Levan, et al.), MNRAS 483, 5380 (2019).
  74. Тон и др. (C.C. Thöne, J.P.U. Fynbo, P. Goldoni, A. de Ugarte Postigo, S. Campana, S.D. Vergani, S. Covino, T. Krühler, et al.), MNRAS 428, 3590 (2013).
  75. Уотсон и др. (D. Watson, J. Hjorth, J.P.U. Fynbo, P. Jakobsson, S. Foley, J. Sollerman, and R.A.M.J. Wijers), Astrophys. J. 660, L101 (2007).
  76. Уотсон и др. (D. Watson, T. Zafar, A.C. Andersen, J.P.U. Fynbo, J. Gorosabel, J. Hjorth, P. Jakobsson, T. Krühler, et al.), Astrophys. J. 768, 23 (2013).
  77. Ферланд и др. (G.J. Ferland, M. Chatzikos, F. Guzmán, M.L. Lykins, P.A.M. van Hoof, R.J.R. Williams, N.P. Abel, N.R. Badnell, et al.), Revista Mexicana de Astronomia y Astrofisica 53, 385 (2017).
  78. Финбо и др. (J.P.U. Fynbo, P. Jakobsson, J.X. Prochaska, D. Malesani, C. Ledoux, A. de Ugarte Postigo, M. Nardini, P.M. Vreeswijk, et al.), Astrophys. J. Suppl. Ser. 185, 526 (2009).
  79. Фокс и др. (A.J. Fox, C. Ledoux, P.M. Vreeswijk, A. Smette, and A.O. Jaunsen), Astron. Astrophys. 491, 189 (2008).
  80. Хаббелл и др. (J.H. Hubbell, Wm.J. Veigele, E.A. Briggs, R.T. Brown, D.T. Cromer, and R.J. Howerton), J. of Physical and Chemical Reference Data 4, 471 (1975).
  81. Хейнтц и др. (K.E. Heintz, D. Watson, P. Jakobsson, J.P.U. Fynbo, J. Bolmer, M. Arabsalmani, Z. Cano, S. Covino, et al.), MNRAS 479, 3456 (2018).
  82. Хиндмарш и др. (A.C. Hindmarsh, P.N. Brown, K.E. Grant, S.L. Lee, R. Serban, D.E. Shumaker, and C.S. Woodward), ACM Transactions on Mathematical Software 31, 363 (2005).
  83. Цветкова и др. (A. Tsvetkova, D. Frederiks, D. Svinkin, R. Aptekar, T.L. Cline, S. Golenetskii, K. Hurley, A. Lysenko, et al.), Astrophys. J. 908 83 (2021).
  84. Чанг и др. (Y.M. Chung, E.-M. Lee, T. Masuoka, and J.A.R. Samson), J. of Chemical Phys. 99, 885 (1993).
  85. Шади и др. (P. Schady, S. Savaglio, T. Krühler, J. Greiner, and A. Rau), Astron. Astrophys. 525, A113 (2011).
  86. Шади (P. Schady), Royal Soc. Open Sci. 4, 170304 (2017).
  87. Шоу и др. (G. Shaw, G.J. Ferland, N.P. Abel, P.C. Stancil, and P.A.M. van Hoof), Astrophys. J. 624, 794 (2005).
  88. Ян и др. (M. Yan, H.R. Sadeghpour, and A. Dalgarno), Astrophys. J. 496, 1044 (1998).
  89. Ян и др. (M. Yan, H.R. Sadeghpour, and A. Dalgarno), Astrophys. J. 559, 1194 (2001).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Рис. 1. Спектральная плотность светимости для разных компонент излучения гамма-всплеска (излучение активной фазы, оптической вспышки и послесвечения). По оси абсцисс отложена энергия фотонов в эВ, по оси ординат приведены значения изотропной спектральной плотности светимости в эрг с⁻¹ Гц⁻¹ (т.е. в предположении, что излучение распространяется в полный телесный угол 4≠). На графиках показана спектральная плотность светимости для четырех различных моментов времени: 1, 10, 10², 10³c.

Download (408KB)
Indexing metadata
3. Рис. 2. Зависимость степени ионизации и отношения масс пыли и газа от расстояния до источника гамма-всплеска. Для каждого расстояния приведены значения величин в один и тот же момент запаздывающего времени tmax = 10⁵ с.

Download (99KB)
Indexing metadata
4. Рис. 3. Зависимость распространенности Н, Не, Н2 и их ионов от расстояния до источника гамма-всплеска (в момент запаздывающего времени tmax = 10⁵с).

Download (145KB)
Indexing metadata
5. Рис. 4. Распространенность ионов C, N, O и Ne в различных ионизационных состояниях в зависимости от расстояния (в момент запаздывающего времени tmax = 10⁵с). Запись NV–NVII означает суммарную распространенность ионов с NV по NVII, и аналогично для других ионов.

Download (485KB)
Indexing metadata
6. Рис. 5. То же, что на рис. 4, только для ионов Mg, Si, S и Fe.

Download (507KB)
Indexing metadata
7. Рис. 6. Лучевая концентрация ионов C, N, O и Ne в различных ионизационных состояниях в зависимости от лучевой концентрации водорода NH,tot . На графиках не показаны лучевые концентрации полностью ободранных ионов (CVII, NVIII, OIX, NeXI). Результаты расчетов соответствуют моменту времени tmax = 10⁵с после начала гамма-всплеска.

Download (453KB)
Indexing metadata
8. Рис. 7. То же, что на рис. 6, только для ионов Mg, Si, S и Fe.

Download (474KB)
Indexing metadata
9. Рис. 8. Энергетический спектр излучения послесвечения гамма-всплеска после прохождения слоя облака, которое имеет лучевую концентрацию ядер водорода NH,tot. Спектр нормирован на значение спектра для энергии фотонов эВ. Показаны результаты расчетов для разных значений NH,tot. Результаты расчетов соответствуют моменту времени tmax = 10⁵С.

Download (171KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences