КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 6, с. 470-477
УДК 524.85, 539.12
КОСМИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА БОРТУ СПУТНИКА МГУ
ЛОМОНОСОВ
© 2013 г. В. А. Садовничий1, A. М. Aмелюшкин2, В. Ангелопулос7, В. В. Бенгин2,
B. В. Богомолов2, 3, Г. ^ Гарипов2, E. С. Горбовской4, Б. Гроссан5, П. А. Климов2, Б. А. Хренов2, Джик Ли6, В. M. Липунов4, Джи Ву На6, M. И. Панасюк2, 3, Ил Пак6, В. Л. Петров2, К. Рассел7,
C. И. Свертилов2, 3, Е. А. Сигаева2, Дж. Ф. Смут5, Ю. Шприц7, Н. Н. Веденькин2, И. В. Яшин2
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 2 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет 4Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ 5Берклиевский центр космологической физики, США 6Университет Сунгукван, физический факультет, Республика Корея 7 Университет Калифорнии, Институт геофизики и физики планет
sis@coronas.ru Поступила в редакцию 03.12.2012 г.
В настоящее время в НИИЯФ МГУ в кооперации с другими организациями ведется подготовка космических экспериментов на борту спутника Ломоносов. Основная задача этой миссии - исследование экстремальных астрофизических явлений, таких, как космические гамма-всплески и космические лучи предельно-высоких энергий. Эти явления связаны с процессами, происходившими в ранней Вселенной в очень удаленных астрофизических объектах, поэтому они могут дать информацию о первых стадиях эволюции Вселенной. В настоящей статье рассматриваются основные характеристики научного оборудования спутника Ломоносов.
Б01: 10.7868/8002342061306006Х
ВВЕДЕНИЕ
Исследование экстремально высокоэнергичных и мощных процессов, таких, как космические лучи предельно-высоких энергий (КЛПВЭ) и космические гамма-всплески (КГВ) имеют очень важное значение не только для понимания этих явлений, но и для построения адекватной теории эволюции ранней Вселенной.
Гамма-всплески проявляются как короткие (длительностью от миллисекунд до десятков секунд) возрастания потока гамма-квантов с энергиями вплоть до 109 эВ. Открытые в 60-х годах 20-го века КГВ остаются одним из наиболее активно изучаемых астрофизических феноменов. Это явление, будучи самым мощным процессом во Вселенной, наблюдается не только в гамма, но также в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Мощность взрыва в источнике гамма-всплеска может достигать 1051—1053 эрг/с. Оптическое излучение, связанное с КГВ может регистрироваться в течение нескольких часов и даже нескольких суток. Это, так называемое, "послесвечение", которое, по сути, является реакци-
ей межзвездной среды на прохождение ударной волны, вызванной взрывом. Причиной последнего, как полагают, может быть коллапс быстровра-щающейся массивной звезды в случае, так называемых, длительных (>1—2 с) гамма-всплесков, либо слияние нейтронных звезд в тесной двойной системе в случае коротких (<1—2 с) всплесков. Однако, эти модели не являются окончательно разработанными, поэтому природа КГВ до сих пор остаются до конца непонятой. Благодаря чрезвычайно высокой светимости в источнике, исследование КГВ позволяет как бы заглянуть в очень удаленный эпохи ранней Вселенной, в частности, КГВ могут использоваться для изучения эволюции звезд в очень широком диапазоне красных смещений: от г ~ 0.1 вплоть до г ~15—20, что составляет более чем 98% возраста нашей Вселенной.
Другим экстремальным явлением во Вселенной являются космические лучи сверхвысоких энергий, которые наиболее вероятно ускоряются в активных ядрах галактик (АЯГ). Фундаментальной проблемой является оценка максимальной
энергии частицы, до которой она может ускориться в таком источнике, а также существует ли вообще максимальная энергия ускорения во Вселенной. Поскольку АЯГ, также как и источники КГВ, очень удаленные объекты, КЛПВЭ проходят большие расстояния прежде, чем попадают в атмосферу Земли. В ходе их распространения КЛПВЭ теряют энергию, главным образом, благодаря процессу фото-рождения вторичных частиц (в основном пионов) на фотонах микроволнового фона. Это ограничивает наблюдаемую максимальную энергию космических частиц, что приводит к обрезанию энергетического спектра КЛПВЭ в области порога фото-рождения пионов, т.е. в районе 5 • 1019—1020 эВ (так называемый эффект Грейзена—Зацепина—Кузьмина). Однако, на сегодняшний день имеется весьма противоречивая и ограниченная информация относительно поведения энергетического спектра и состава космических лучей в области сверхвысоких энергий. Таким образом, пока невозможно сделать окончательные выводы о природе КЛПВЭ, их источниках и механизмах ускорения.
Экстремальные явления могут протекать и атмосфере Земли. В последнее время активно изучаются, так называемые транзиентные, то есть временные световые атмосферные явления (ТСЯ). По-видимому, такие явления связаны с высотными атмосферными разрядами, к которым относятся некоторые типы гроз, а также эльфы, спрайты и "голубые струи". Природа таких ТСЯ, происходящих на высотах 10—70 км, возможно, связана с высотными электрическими разрядами между облаками в верхней атмосфере или между облаком и ионосферой. Такие разряды наблюдаются как короткие (длительностью от миллисекунд до сотен миллисекунд) вспышки электромагнитного излучения в широком диапазоне электромагнитного спектра (от оптического до гамма). При этом может выделяться очень большая энергия - вплоть до МегаДжоулей. Современные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что высотные электрические разряды в верхней атмосфере имеют глобальный характер, число таких разрядов и высвобождаемая в них энергия настолько велики, что можно ожидать определенную связь между ними и другими геофизическими явлениями.
НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ
Таким образом, в ходе экспериментов на спутнике Московского государственного университета Ломоносов (предполагаемая орбита — круговая, солнечно-синхронная высотой 600 км, ожидае-
мое время запуска — конец 2013 г.) планируется решать следующие научные проблемы:
исследование космических лучей сверхвысоких энергий (1019—1020 эВ) вблизи области обрезания энергетического спектра вследствие эффекта Грейзена—Зацепина—Кузьмина;
одновременная регистрация космических гамма-всплесков в оптическом и гамма-диапазонах, в первую очередь, с целью изучения кривых блеска собственного излучения всплесков и их предшественников;
исследование транзиентных световых явлений в верхней атмосфере, которые ранее изучались в предыдущих космических проектах МГУ: "Уни-верситетский-Татьяна" и "Татьяна-2" [1, 2];
исследование потоков электронов и магнитного поля в околоземном пространстве.
В плане регистрации КЛПВЭ в ходе миссии Ломоносов предполагается использовать атмосферу Земли в качестве своеобразного "детектора" космических частиц. При попадании высокоэнергичной частицы в атмосферу возникает каскад вторичных частиц, так называемый, широкий атмосферный ливень (ШАЛ), по характеристикам которого в принципе можно определить энергию и направление прихода первичной частицы. Облако вторичных частиц ШАЛ ионизирует атомы атмосферного азота и кислорода вследствие чего возникает, так называемое, ионизационное свечение, которое наиболее интенсивно вдоль оси ШАЛ и выглядит как трек, высвечивающийся в течение очень короткого времени (порядка нескольких микросекунд) в диапазоне длин волн 300—400 нм. Интенсивность ионизационного света дает информацию об энергии первичной частицы, в то время, как если получить изображение трека, то можно оценить также и направление прихода. Для этого необходим прибор, обеспечивающий возможность получения изображений треков от КЛПВЭ. Такой прибор будет также способен регистрировать, так называемые транзиентные световые явления в верхней атмосфере.
Основная идея изучения КГВ в ходе миссии Ломоносов заключается в одновременной регистрации всплеска в оптическом и гамма-диапазонах с целью получения кривых блеска собственного излучения всплеска и его предшественников. Это даст уникальную информацию о работе, так называемой, "центральной машины" КГВ. В этом плане предполагается учесть успешный опыт наземной сети МАСТЕР, включающей оптические камеры широкого поля и робот-телескопы. С помощью этой системы в сентябре 2010 г. удалось зарегистрировать собственное оптиче-
ское излучение нескольких гамма-всплесков [3]. На спутнике Ломоносов будут использованы соос-но расположенные детекторы монитора гамма-всплесков и оптические камеры широкого поля, которые должны работать в режиме непрерывных измерений. При этом поле зрение оптической камеры постоянно будет находиться в пределах поля зрения гамма-детектора, поэтому в случае регистрации всплеска не потребуется переориентация оптической системы. Поэтому временная задержка между оптическим и гамма сигналом будет равна нулю, что позволит записывать полностью не только оптическую кривую блеска собственного излучения КГВ, но также и возможных предвестников. В ходе экспериментов по наблюдению КГВ на спутнике Ломоносов предполагается использовать и другой подход, основанный на быстрой (менее 1 с) переориентации зеркала оптического телескопа по триггеру, вырабатываемым рентгеновским прибором, позволяющим получать изображения.
В качестве дополнительной задачи на спутнике Ломоносов предполагается регистрировать потоки частиц в околоземном пространстве, в частности, магнитосферных электронов высоких энергий. При этом должны быть детально исследованы вариации подобных потоков в широком диапазоне характерных времен — от микросекунд до месяцев и даже лет (в зависимости от сроков миссии).
Основные проблемы космической физики, которые могут быть изучены в ходе этих измерений следующие:
каковы физические механизмы, приводящие к высыпаниям электронов из радиационных поясов Земли и каков спусковой механизм, приводящий к увеличению интенсивности высыпаний под влиянием магнитосферных и солнечных факторов; среди особенно важных в этом плане представляется изучение последствий проникновения высыпающихся частиц в атмосферу Земли, которое может приводить к локальным и крупномасштабным
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.