научная статья по теме НЕБО В ГАММА-ЛУЧАХ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «НЕБО В ГАММА-ЛУЧАХ»

THE UNIVERSE

YOURS TO DISCOVER +

m '

INTERNATIONAL YEAR OF

ASTRONOMY

2009

Астрономия

Небо в гамма-лучах

Ф. А. АГАРОНЯН,

доктор физико-математических наук

Дублинский институт прогрессивных исследований (Ирландия) Институт ядерной физики им. М. Планка (Германия) М. А. ЧЕРНЯКОВА, кандидат физико-математических наук

Дублинский институт прогрессивных исследований (Ирландия)

Видимый свет - это лишь малая часть излучения, идущего от звезд, и люди задумались о том, как вы/глядит звездное небо в других диапазонах волн. Радиоизлучение внеземного происхождения бы/ло впервые зарегистрировано в 1930-х гг. Бурное развитие радиоастрономия получила в 1950-х гг., когда появились первы/е радиотелескопыI. Из-за поглощения в атмосфере оказы/ваются недоступны/ми для наблюдения с поверхности Земли большая часть инфракрасного и ультрафиолетового диапазона, а также рентгеновские и гамма-лучи космического происхождения. Первая инфракрасная обсерватория бы/ла запущена в космос в январе 1983 г. в рамках совместного американо-европейского проекта "IRAS". Ультрафиолето-вы/й телескоп-рефлек-

тор впервые установили на американо-европейском спутнике "Коперник", запущенном в августе 1972 г. Качественный ры/вок в развитии рентгеновской астрофизики произошел в резулытате вы/хода на околоземную орбиту спутника "Шиги" в конце 1970 г. К началу XXI в. все упомянуты/е области астрофизики достигли огромны/х успехов, достаточно упомянуты, например, наземные обсерватории У1.А и У1.БЛ

(радиодиапазон), VLT и KECK (видимый спектр), космические обсерватории "Спитцер" (2003; ИК-диапазон), КТХ (1990; видимый и ближний ультрафиолет), "Чандра" и "XMM-Newton" (1999; рентгеновский диапазон), "Integral" (2002; жесткий рентгеновский диапазон). Развитие гамма-астрономии происходило заметно медленнее, однако недавно сделан значительный проры/в и в этой области.

© Агаронян Ф.А., Чернякова М.А.

3

ОТ МэВ ДО ТэВ*

Первые данные о гамма-излучении космического происхождения были получены в 1968 г., когда с помощью гамма-телескопа, установленного на ИСЗ "OSO-3" (США), удалось надежно зарегистрировать гамма-излучение с энергией выше 100 МэВ от Млечного Пути. Дальнейшие исследования галактического гамма-излучения на спутниках-обсерваториях "SAS-2" (США, 1972-1973), "COS-B" (19751982) и особенно наблюдения, проведенные телескопом EGRET на борту Космической обсерватории им. Комптона ("CGRO", 1991-2000), позволили исследовать свойства диффузного гамма-излучения высоких энергий, а также зарегистрировать около 300 точечных источников галактического и внегалактического происхождения.

При увеличении энергии поток фотонов заметно падает, и возникает необходимость в детекторах большой эффективной площади, а ведь размер детектора, который можно вывести на орбиту, весьма ограничен. Этот фактор, наряду с относительно низким угловым разрешением (около 1°), приводит к тому, что исследования в гамма-диапазоне от МэВ до ГэВ значительно отстают от других областей астрофизики. К счастью, ситуация значительно улучшилась после ввода в строй Космической гамма-обсерватории им. Э. Ферми, первоначально названной "GLAST" (Земля и Вселенная, 2008, № 5). На ней установлен большой гамма-детектор LAT (Large Area Telescope) общей площадью 80 м2, улавливающий на 20% площади неба очень жесткое гамма-излучение в диапазоне от 20 МэВ до 300 ГэВ.

Поток фотонов с энергиями выше 1 ТэВ (1012 эВ) становится настолько мал, что на детектор с эффективной площадью 1 м2 от Крабовидной туманности (одного из самых ярких гамма-источников на небе) за год попадет всего два фотона с энергией выше 1 ТэВ. В то же время этот диапазон энергий необычайно важен для понимания процессов ускорения и излучения частиц вблизи различных астрофизических объектов, в частности нейтронных звезд, черных дыр, релятивистских джетов в ядрах галактик, а также происхождения галактических и внегалактических космических лучей, гамма-всплесков и т.д. Качественный скачок в развитии астрономии, занимающейся изучением источников с энергией более 1 ТэВ, произошел в начале XXI в. благодаря различным системам че-ренковских телескопов, в особенности международной кооперации HESS (High Energy Spectroscopic System - система спектроскопов высоких энергий). Число открытых за последние несколько лет источников ТэВ-излуче-ния приближается к 100. Далее мы расскажем о методах регистрации гам-

Космическая гамма-обсерватория им. Э. Ферми. Рисунок. NASA.

* В астрофизике высоких энергий принято измерять энергию в электрон-вольтах (эВ). Видимому свету соответствует энергия несколько эВ. В гамма-астрономии приняты следующие сокращения: 1 МэВ = 106 эВ, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 ТэВ = 1012 эВ.

27-

£ м

IS &

о £

£ о к я

о &

^

и се

к

Л Н

о о

3 PQ

20-

10-

0 -

-300

0 300-300 0

Поперечное сечение ливня, м

300

Вторичный широкий атмосферный ливень от фотона с энергией 300 ГэВ (слева) и протона с энергией 1 ТэВ, смоделированный по методу Монте-Карло.

ма-лучей сверхвысоких энергий и обсудим полученные результаты.

НАЗЕМНЫЕ ГАММА-ТЕЛЕСКОПЫ

Частица высоких энергий, попадая в атмосферу, в результате множественных каскадных реакций рождает широкий атмосферный ливень, достигающий поверхности Земли в виде потока электронов, протонов, фотонов, мюонов, мезонов и т.д. Полную информацию об энергии и направлении прихода первичных гамма-квантов можно получить, регистрируя излучение Черенкова - Вавилова (свечение частиц, движущихся со скоростью, превышающей фазовую скорость света в среде) от вторичных электронов. Поскольку максимум излучения, приходящего от вторичных электронов, испускается в конус с углом порядка 1° и отмечен на высоте 10 км над уровнем моря, черенковское излучение "освещает" на Земле круг радиусом около 100 м. Простое устройство (детектор), состоящее из оптического отражателя площадью порядка 10 м2 и фотоприемника в фокальной плоскости, может регистрировать фотоны с участка неба площадью, превосходящей 104 м2.

Черенковское излучение вторичных ливней очень слабое, каждая вспышка длится всего несколько наносекунд. Поэтому черенковские телескопы должны иметь зеркала площадью более 10 м2 для проецирования излучения на очень быстродействующую многопиксельную (порядка 103 пикселей) камеру с пикселем размером 0.1-0.2° и полем зрения несколько градусов. Хотя черенковское излучение приходится на оптический диапазон (голубой свет), стандартная ПЗС-камера не подходит для регистрации черенковского излучения из-за недостаточной скорости фиксации события. К счастью, камера, состоящая из обычных фотоумножителей с пикселем размером 0.1-0.2°, достаточна, чтобы получить информацию о развитии ливня, энергии и направлении прихода первичной частицы.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГАММА-АСТРОНОМИИ

Первые попытки использовать черенковское излучение для детектирования фотонов сверхвысоких энергий были сделаны в начале 1960-х гг. в СССР и Англии под руководством академика А.Е. Чудакова и профессора Дж.В. Джелли. В этих пионерских работах были получены данные только о верхних пределах гамма-излучения от космических источников, что показало необходимость разработки методики, снижающей фоновое излучение. Группа ученых Крымской астрофизической обсерватории под руководством А.А. Степаня-на и ученых Обсерватории Whipple (штат Аризона), возглавляемых Т.К. Уик-сом (США), стали разрабатывать в 1970 гг. проект телескопов, не только собирающих полный сигнал, но и записывающих его

изображение. Полное число фотонов на изображении характеризует энергию первичного фотона. Ориентация изображения позволяет восстановить направление прихода первичного фотона. Форма полученного изображения избавляет от большинства событий, в которых первичная частица не является высокоэнергичным гамма-квантом, снижая уровень фона от космических лучей, чей поток на порядки превосходит поток первичных гамма-лучей.

Эффективность этой методики была убедительно продемонстрирована в конце 1980-х гг., когда 10-м гамма-телескоп Обсерватории Whipple зарегистрировал достоверный сигнал от Крабовид-ной туманности. Следующим шагом в развитии наземной гамма-астрономии стал стереоскопический метод, предложенный и развитый в 1980-х гг. группой ученых Ереванского физического института. Идея метода состоит в том, что одновременная

Наземные гамма-обсерватории: а) один из четырех 13-м черен-ковских атмосферных телескопов HESS (Намибия, работают с 2004 г.). Фото HESS; б) 17-м международный телескоп MAGIC (Канарские острова, введен в строй в 2003 г.). Фото MAGIC.

регистрация события в нескольких проекциях позволяет определять направление прихода первичного гамма-кванта с точностью, превышающей 0.1°, и восстанавливать его энергию с точностью лучше 15%. Первоначально предполагалось установить вблизи Бюракан-ской обсерватории систему из пяти относительно маленьких (диаметр 3 м) телескопов. Прототип телескопа изготовили и протестировали, но различные экономические и политические причины не позволили завершить этот проект в Армении. Тем не менее его взяли за основу системы телескопов HEGRA, построенных на Канарских островах. В течение последующих 15 лет достигнуты успехи при детектировании гамма-лучей в диапазоне ТэВ телескопами САТ (Cheren-kov Atmosphere Telescope -черенковский атмосферный телескоп), CANGAROO (Collaboration of Australia and Nippon for a Gamma-Ray Observatory in the Outback - японо-австралийское сотрудничество для изучения космического гамма-излучения), HEGRA (High Energy Gamma-Ray Astronomy - гамма-астрономия высоких

Камера черенковского телескопа HESS, состоящая из обычных фотоумножителей размером 0.16°, угол зрения 5°. Фото HESS.

энергий) и Whipple. Один из наиболее выдающихся результатов, достигнутых в это время, - обнаружение излучения с энергией ТэВ от блазаров (мощные источники гамма-лучей вокруг сверхмассивных черных дыр в ядрах некоторых галактик получили название от переменного источника в созвездии Ящерицы). Однако за время работы че-ренковских телескопов этого поколения удалось открыть менее 10 источников, причем некоторые были зарегистрированы на пределе чувствительности. Стала очевидной необходимость с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком