УДК 524.354.4
ОСТАТКИ СВЕРХНОВЫХ: КРАБОВИДНАЯ ТУМАННОСТЬ, КАССИОПЕЯ А И ТИХО КАК ИСТОЧНИКИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
В НАШЕЙ ГАЛАКТИКЕ
2011 г. В. Г. Синицина*, В. Ю. Синицина
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва Поступила в редакцию 21.03.2011 г.
Представлены результаты наблюдений двух типов галактических остатков сверхновых: плериона Крабовидная туманность и остатков сверхновых оболочечного типа Кассиопея А и Тихо, полученных с помощью зеркального черенковского телескопа ШАЛОН. Экспериментальные данные подтвердили предсказание теории об адронном механизме генерации гамма-квантов сверхвысоких энергий (0.8—100 ТэВ) в остатке сверхновой Тихо. Полученные данные свидетельствуют о различной природе происхождения гамма-излучения сверхвысоких энергий в обсуждаемых объектах.
Ключевые слова: остатки сверхновых, Крабовидная туманность, Кассиопея А, ОСН Тихо.
ВВЕДЕНИЕ
Гамма-астрономия — бурно развивающаяся область современной астрофизики, исследующей космическое гамма-излучение. Одной из основных задач гамма-астрономии сверхвысоких энергий является обнаружение и исследование объектов в Галактике и за ее пределами, где ускоряются космические лучи, а также изучение механизмов генерации элементарных частиц в активных астрофизических объектах. С самого начала физики космических лучей широко распространена гипотеза о том, что остатки сверхновых являются уникальными кандидатами в источники космических лучей (Березинский и др., 1984; Рейнольдс, 2008; Бережко, Крымский, 1988). Результаты недавних наблюдений нескольких остатков сверхновых в рентгеновских и ТэВ-ных гамма-лучах помогут в решении проблемы происхождения космических лучей, и являются ключевыми для понимания механизма ускорения частиц на распространяющейся ударной волне. Гамма-кванты регистрируются по вторичным электронам и их излучению. В зависимости от области регистрируемых энергий существуют различные способы детектирования гамма-лучей. В диапазоне энергий 105—3 х 1011 эВ регистрация гамма-квантов проводится за пределами атмосферы (на спутниках или аэростатах). Установки для наблюдения гамма-излучения на спутниках позволяют непосредственно регистрировать гамма-кванты и дают возможность практически полностью избавиться
Электронный адрес: sinits@sci.lebedev.ru
от фона заряженной компоненты космического излучения. Регистрация гамма-излучения ббльших энергий требует создания установок с большой эффективной площадью, так как интенсивность гамма-квантов становится малой. В настоящее время нет технических возможностей для выведения столь тяжелых установок в космическое пространство. Вследствие этого гамма-излучение с энергией более 3 1011 эВ регистрируется косвенным методом — с помощью наблюдения широких атмосферных ливней (ШАЛ). При этом площадь регистрации возрастает в 104 —105 раз. Развитие ШАЛ сопровождается черенковским излучением, вызванным электронами и позитронами, движущимися в атмосфере со скоростью большей, чем фазовая скорость света в атмосфере. На уровне наблюдения черенковских фотонов больше, чем заряженных частиц. Поскольку порог генерации черенковского света электронами высок (>21 МэВ), а угол излучения мал (~1°), то практически все распределение черенковских фотонов сосредоточенно в радиусе 300 м от оси ливня (Беляев и др., 1980). Поскольку пробег поглощения фотонов в нижней части атмосферы 18 км, черенковское излучение без заметных искажений достигает уровня наблюдения и его пространственно-временное распределение содержит информацию обо всех этапах развития электронно-фотонного каскада. Поэтому в области сверхвысоких энергий поиски и регистрация ливней от гамма-квантов, а как следствие и их источников, проводятся оптическими зеркальными системами, регистрирующими черенковское излу-
Таблица 1. Существующие черенковские обсерватории (обзор, Мори, 2009)
Эксперимент Место расположения Высота Телескопы Поле зрения Порог, ТэВ Начало работы
ШАЛОН 43°N77°E 3340 м 11.2 м2 x 2 8° 0.8 1992
TACTIC 25°N73°E 1300 m 9.5 m2 x 4 6° 1.0 2000
CANGAROO-III 31°S37°E 160 m 57 m2 x 4 4° 0.2 2004
HESS 23°S16.5°E 1800 м 107 m2 x 4 5° 0.1 2004
MAGIC 29°N18°W 2200 m 237 m2 x 1 3.6° 0.07 2004
VERITAS 32°N111°W 1268 m 110 m2 x 4 3.5° 0.1 2007
чение ливней — черенковскими телескопами (Ви-иксидр., 1989; Никольский, Синицина, 1987, 1989; Синицина, Никольский и др., 1993; Синицина, 1992, 1993). Основой способов выделения ливней от гамма-квантов на фоне адрон-электронных ливней служит различие каскадных процессов их образования и поглощения в атмосфере. Наиболее устойчивое различие ливней от гамма-квантов и ливней, генерированных протонами состоит в существенно разном числе электронов вблизи уровня наблюдения при одинаковом их числе в максимуме развития ливня. Так для выделения ливней от гамма-квантов используется в среднем большее различие характеристик широких атмосферных ливней разной природы при сопоставлении потоков фотонов в малом угле вокруг оси каскада с потоком в больших углах (Никольский, Синицина, 1987, 1989). Выделение электронно-фотонных ливней из ливней, образованных протонами и ядрами, можно улучшить путем увеличения точности определения направления оси ливня, которое соответствует направлению на источник гамма-квантов. Этого, можно достичь как путем увеличения числа разнесенных телескопов, объединенных в одну группу с параллельными осями наблюдения (телескопы ШАЛОН, TACTIC, CANGAROO, VERITAS, HESS), так и увеличением поля зрения телескопа (ШАЛОН, TACTIC, HESS). В настоящее время в мире существует несколько наземных телескопических установок для регистрации черенковского излучения с угловым разрешением <0.1° (табл. 1). Современные установки позволяют получать стабильные результаты относительно галактических и метагалактических источников гамма-квантов в энергетическом интервале от <~10и эВ до 1014 эВ при потоках менее 10"12 см-2 с-1. Это обсерватории VERITAS в Аризоне (Виикс и др., 2005), MAGIC на Канарских островах (Лоренц, 2005), HESS в Намибии (Хофманн, 2005), CANGAROO в Австралии (Мори, 2005),
TACTIC в горах Абу, Индия (Бати др., 1993) и Российские телескопы ШАЛОН в горах Тянь-Шаня (табл. 1, рис. 1). Зеркальные гамма-телескопы ШАЛОН (Никольский, Синицина, 1987, 1989, 2004; Синицина, 1992, 1993, 1995, 1996, 1997, 2005, 2006; Синицина и др., 1993, 1999а,б, 2001, 2003а,б; Синицина, Синицина и др., 2008а, 2009) Физического института им П.Н. Лебедева РАН, на которых получены приведенные в статье данные, являются единственными действующими гамма-телескопами в Российской Федерации и одной из шести телескопических установок в мире, ведущих в настоящее время систематические наблюдения локальных источников гамма-квантов в ТэВ-ной области энергий. В данной работе описываются как результаты исследований галактических источников, так и экспериментальный подход к решению проблемы генерации космических лучей в галактических источниках — остатках сверхновых.
ТЕЛЕСКОПЫ ШАЛОН
Комплекс зеркальных черенковских телескопов ШАЛОН АЛАТОО (рис. 1), предназначенный для наблюдений гамма-квантов в интервале энергий 0.8—100 ТэВ от локальных источников, состоит из двух, работающих независимо телескопов ШАЛОН, расположенных на расстоянии 260 м один от другого (Синицина, 1992, 1993, 1995, 1996, 1997, 2005, 2006; Синицина и др., 1999а,б, 2001, 2003а,б; Никольский, Синицина, 2004; Синицина и др., 2008а, 2009). Каждый из телескопов стоит в обсерватории для предотвращения разрушающего влияния осадков, загрязнений и засветок на системы телескопов. Методические эксперименты и наблюдения на первом зеркальном черенковском телескопе ШАЛОН были начаты почти двадцать лет тому назад. Гамма-телескопы ШАЛОН расположены на высоте 3340 м над уровнем моря,
Рис. 1. Зеркальный черенковский телескоп ШАЛОН-1.
каждый их которых имеет составное зеркало площадью 11.2 м2. Зеркала отражают >96% падающего на них света. Светоприемник состоит из 144 фотоумножителей ФЭУ-85, собранных в квадратную матрицу и установлен в фокусе зеркала. Матрица светоприемника имеет характеристики, достаточные для записи информации о структуре ливня в рассматриваемом диапазоне энергий. Светоприемник имеет наибольшие в мире угловые размеры >8°. Это позволяет вести контроль фона от заряженных частиц космического излучения и прозрачности атмосферы непрерывно, в процессе наблюдений, а также расширяет площадь наблюдения и, следовательно, эффективность наблюдений (Синицина, 1995). Методика одновременного получения информации о фоне космических лучей и ливнях, инициированных гамма-квантами, является уникальной и применяется в эксперименте ШАЛОН с самого начала его работы (Синицина, 1995, 1996). Эта методика служит увеличению полезного времени слежения за источником, при этом, что особенно важно, условия наблюдения источника и фона, такие как толщина и состояние атмосферы остаются одинаковыми. Такой способ недоступен другим гамма-астрономическим экспериментам из-за меньшего поля зрения используемых в мире телескопов. Кроме того, широкий угол обзора позволяет записывать полностью, и практически без искажений, нецентральные ливни, приходящие на расстояниях более 30 м от оси телескопа, количество которых составляет более 90%
от всех, регистрируемых телескопом. Направление прихода первичной частицы, при первичном анализе, определяется с точностью до 0.1°. Дальнейший, разработанный специально для телескопов ШАЛОН и основанный на методе регуляризации Тихонова (Тихонов, Арсенин, 1979), анализ улучшает точность определения до величины меньшей 0.01°.
Основной трудностью в обнаружении и исследовании источников гамма-квантов сверхвысоких энергий является наличие значительного, в 1000 раз большего, фона космических лучей, которые вызывают в атмосфере Земли черенков-ские вспышки, трудно отличимые от вспышек, вызванных гамма-квантами. Поэтому важным этапом гамма-астрономических экспериментов является определение критериев отбора гамма-ливней от фоновых ливней космических лучей. Черенковское излучение от ШАЛ попадает на зеркала и, отражаясь от них, вызывает засветку части фотоумножителей в матрице светоприемника (рис. 2 вверху). Изображен
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.