Гамма-астрономия
Гамма-астрономия — это раздел астрономии , в котором ученые наблюдают и изучают небесные объекты и явления в космическом пространстве , которые излучают космическое электромагнитное излучение в виде гамма-лучей . [номер 1] т.е. фотоны с самыми высокими энергиями (выше 100 кэВ ) на самых коротких длинах волн. Излучение ниже 100 кэВ классифицируется как рентгеновское излучение и является предметом рентгеновской астрономии .
В большинстве случаев гамма-лучи от солнечных вспышек и земной атмосферы попадают в диапазон МэВ, но теперь известно, что солнечные вспышки также могут производить гамма-лучи в диапазоне ГэВ, вопреки предыдущим представлениям. Большая часть обнаруженного гамма-излучения возникает в результате столкновений газообразного водорода и космических лучей в нашей галактике . Эти гамма-лучи, возникающие в результате различных механизмов, таких как электрон-позитронная аннигиляция , обратный эффект Комптона и в некоторых случаях гамма-распад , [2] происходят в регионах с экстремальными температурами, плотностью и магнитными полями, отражая бурные астрофизические процессы, такие как распад нейтральных пионов . Они дают представление об экстремальных событиях, таких как сверхновые и гиперновые , а также о поведении материи в таких средах, как пульсары и блазары . Огромное количество высокоэнергетических систем, испускающих гамма-лучи, таких как черные дыры , звездные короны , нейтронные звезды , белые карлики, остатки сверхновых, скопления галактик, включая Крабовидную туманность и пульсар Вела (самый мощный источник на сегодняшний день), были идентифицированы наряду с общим диффузным фоном гамма-излучения вдоль плоскости галактики Млечный Путь . Космическое излучение с самой высокой энергией запускает электронно-фотонные каскады в атмосфере, тогда как гамма-лучи с более низкой энергией можно обнаружить только над ней. Гамма-всплески , такие как GRB 190114C при высоких энергиях , представляют собой кратковременные явления, бросающие вызов нашему пониманию астрофизических процессов и продолжающиеся от микросекунд до нескольких сотен секунд.
Гамма-лучи трудно обнаружить из-за их высокой энергии и их блокировки атмосферой Земли, что требует использования детекторов на воздушных шарах и искусственных спутников в космосе. В ранних экспериментах 1950-х и 1960-х годов использовались воздушные шары для переноски инструментов для доступа к высотам, где атмосферное поглощение гамма-лучей низкое, после чего последовал запуск первых гамма-спутников: SAS 2 (1972 г.) и COS-B (1975 г.). Первоначально это были военные спутники, предназначенные для обнаружения гамма-лучей в результате секретных ядерных испытаний, но они, к счастью, обнаружили загадочные гамма-всплески, исходящие из глубокого космоса. В 1970-х годах спутниковые обсерватории обнаружили несколько источников гамма-излучения, среди которых очень сильный источник под названием Геминга позже был идентифицирован как находящийся поблизости пульсар. Комптоновская гамма-обсерватория (запущенная в 1991 году) обнаружила в космосе многочисленные источники гамма-излучения. Сегодня как наземные обсерватории, такие как массив VERITAS , так и космические телескопы, такие как космический гамма-телескоп Ферми (запущенный в 2008 году), вносят значительный вклад в гамма-астрономию. Эта междисциплинарная область предполагает сотрудничество физиков, астрофизиков и инженеров в таких проектах, как Стереоскопическая система высоких энергий (HESS), которая исследует экстремальные астрофизические среды, такие как окрестности черных дыр в активных ядрах галактик .
Изучение гамма-лучей дает ценную информацию об экстремальных астрофизических условиях, наблюдаемых обсерваторией HESS. Продолжающиеся исследования направлены на расширение нашего понимания источников гамма-излучения, таких как блазары, и их значения для космологии. Поскольку гамма-лучи ГэВ важны для изучения внесолнечной и особенно внегалактической астрономии, новые наблюдения могут усложнить некоторые предыдущие модели и результаты. [3] [4]
Будущие разработки в области гамма-астрономии будут интегрировать данные гравитационно-волновых и нейтринных обсерваторий ( мультимессенджерная астрономия ), обогащая наше понимание космических событий, таких как слияние нейтронных звезд. Технологические достижения, в том числе усовершенствованные зеркал конструкции камер , более совершенные технологии , улучшенные триггерные системы, более быстрая считывающая электроника , высокопроизводительные детекторы фотонов, такие как кремниевые фотоумножители (SiPM), а также инновационные алгоритмы обработки данных, такие как методы метки времени и методы реконструкции событий , улучшат пространственное пространство. и временное разрешение . Алгоритмы машинного обучения и анализ больших данных будут способствовать извлечению значимой информации из обширных наборов данных, что приведет к открытию новых источников гамма-излучения, идентификации конкретных сигнатур гамма-излучения и улучшенному моделированию механизмов гамма-излучения. Будущие миссии могут включать в себя космические телескопы и лунные обсерватории гамма-излучения (используя отсутствие на Луне атмосферы и стабильной среды для длительных наблюдений), что позволит проводить наблюдения в ранее недоступных регионах. Наземное базирование Проект Cherenkov Telescope Array , гамма-обсерватории следующего поколения, которая будет включать в себя многие из этих усовершенствований и будет в десять раз более чувствительной, планируется ввести в полную эксплуатацию к 2025 году. [5]
Ранняя история [ править ]
Задолго до того, как эксперименты смогли обнаружить гамма-лучи, испускаемые космическими источниками, ученые знали, что Вселенная должна их производить. Работы Юджина Финберга и Генри Примакова в 1948 году, Сачио Хаякавы и И.Б. Хатчинсона в 1952 году и особенно Филипа Моррисона в 1958 году. [6] заставило ученых поверить в то, что ряд различных процессов, происходящих во Вселенной, приведут к гамма-излучению. Эти процессы включали взаимодействие космических лучей с межзвездным газом , взрывы сверхновых и взаимодействие энергичных электронов с магнитными полями . Однако только в 1960-х годах мы смогли реально обнаружить эти выбросы. [7]
Большая часть гамма-лучей, приходящих из космоса, поглощается атмосферой Земли, поэтому гамма-астрономия не могла развиваться до тех пор, пока не стало возможным получить детекторы над всей или большей частью атмосферы с помощью воздушных шаров и космических кораблей. Первый гамма-телескоп, выведенный на орбиту на спутнике «Эксплорер-11» в 1961 году, уловил менее 100 космических гамма-фотонов. Казалось, они приходили со всех сторон Вселенной, что подразумевало некий однородный «гамма-фон». Такой фон можно было бы ожидать от взаимодействия космических лучей (очень энергичных заряженных частиц в космосе) с межзвездным газом.
Первыми настоящими астрофизическими источниками гамма-излучения были солнечные вспышки, которые выявили сильную линию с энергией 2,223 МэВ, предсказанную Моррисоном. Эта линия возникает в результате образования дейтерия в результате соединения нейтрона и протона; при солнечной вспышке нейтроны появляются как вторичные частицы в результате взаимодействия ионов высоких энергий, ускоренных в процессе вспышки. Эти первые наблюдения гамма-линий были проведены с помощью OSO 3 , OSO 7 и Solar Maximum Mission , последнего космического корабля, запущенного в 1980 году. Солнечные наблюдения вдохновили Реувена Рамати и других на теоретические работы. [8]
Значительное гамма-излучение нашей галактики было впервые обнаружено в 1967 году. [9] детектором на борту спутника OSO 3 . Он обнаружил 621 событие, связанное с космическими гамма-лучами. Однако область гамма-астрономии сделала большой шаг вперед со спутниками SAS-2 (1972 г.) и Cos-B (1975–1982 гг.). Эти два спутника предоставили захватывающий вид на Вселенную с высокими энергиями (иногда называемую «жестокой» Вселенной, поскольку те виды событий в космосе, которые производят гамма-лучи, обычно представляют собой высокоскоростные столкновения и подобные процессы). Они подтвердили более ранние выводы о гамма-фоне, составили первую подробную карту неба в длинах волн гамма-излучения и обнаружили ряд точечных источников. Однако разрешения инструментов было недостаточно, чтобы идентифицировать большинство этих точечных источников с конкретными видимыми звездами или звездными системами.
Открытие в области гамма-астрономии было сделано в конце 1960-х и начале 1970-х годов благодаря созвездию военных оборонительных спутников. Детекторы на борту спутников серии Vela , предназначенных для обнаружения вспышек гамма-лучей от взрывов ядерных бомб, начали регистрировать всплески гамма-лучей из глубокого космоса, а не из окрестностей Земли. Более поздние детекторы определили, что эти гамма-всплески длятся от долей секунды до минут, появляются внезапно с неожиданных направлений, мерцают, а затем затухают после кратковременного доминирования на гамма-небе. изучаемые с середины 1980-х годов с помощью приборов на борту различных спутников и космических зондов, включая советский космический корабль «Венера» и орбитальный аппарат «Пионер Венеры» Источники этих загадочных высокоэнергетических вспышек, , остаются загадкой. Похоже, они приходят издалека во Вселенной, и в настоящее время наиболее вероятной теорией является то, что по крайней мере некоторые из них возникают в результате так называемых взрывов гиперновых — сверхновых, создающих черные дыры , а не нейтронные звезды .
Ядерные гамма-лучи наблюдались во время солнечных вспышек 4 и 7 августа 1972 г. и 22 ноября 1977 г. [10] Солнечная вспышка — это взрыв в солнечной атмосфере, который первоначально был обнаружен визуально на Солнце . Солнечные вспышки создают огромное количество излучения во всем электромагнитном спектре: от самых длинноволновых радиоволн до высокоэнергетических гамма-лучей. Корреляции электронов высокой энергии, возбужденных во время вспышки, и гамма-лучей в основном вызваны ядерными комбинациями протонов высокой энергии и других более тяжелых ионов. Эти гамма-лучи можно наблюдать и позволяют ученым определить основные результаты высвобождения энергии, которая не обеспечивается излучением других длин волн. [11]
См. также Magnetar#1979: обнаружение мягкого гамма-ретранслятора .
Детекторная технология [ править ]
Наблюдение гамма-лучей впервые стало возможным в 1960-х годах. Их наблюдение гораздо более проблематично, чем наблюдение рентгеновских лучей или видимого света, потому что гамма-лучи сравнительно редки, даже «яркий» источник требует времени наблюдения в несколько минут, прежде чем он даже будет обнаружен, и потому что гамма-лучи трудны. для фокусировки, что приводит к очень низкому разрешению. Гамма-телескопы последнего поколения (2000-е годы) имеют разрешение порядка 6 угловых минут в диапазоне ГэВ (рассматривая Крабовидную туманность как один «пиксель») по сравнению с 0,5 угловыми секундами, наблюдаемыми в низкоэнергетическом диапазоне X. -диапазона (1 кэВ) рентгеновской обсерватории Чандра (1999 г.) и около 1,5 угловых минут в диапазоне рентгеновских лучей высоких энергий (100 кэВ), наблюдаемых фокусирующим телескопом высоких энергий (2005 г.).
Очень энергичные гамма-лучи с энергией фотонов более ~30 ГэВ также можно обнаружить с помощью наземных экспериментов. Чрезвычайно низкие потоки фотонов при таких высоких энергиях требуют эффективных площадей детекторов, которые непрактично велики для современных приборов космического базирования. Такие фотоны высокой энергии создают в атмосфере обширные ливни вторичных частиц, которые можно наблюдать на Земле как непосредственно с помощью счетчиков радиации, так и оптически через черенковский свет , излучаемый ультрарелятивистскими ливневыми частицами. Методика телескопа Черенкова для визуализации атмосферы в настоящее время обеспечивает высочайшую чувствительность.
Гамма-излучение в ТэВ-диапазоне, исходящее из Крабовидной туманности, было впервые обнаружено в 1989 году обсерваторией Фреда Лоуренса Уиппла на горе Хопкинса , в Аризоне , США. Современные черенковские телескопы, такие как HESS , VERITAS , MAGIC и CANGAROO III, позволяют обнаружить Крабовидную туманность за несколько минут. Самые энергичные фотоны (до 16 ТэВ ), наблюдаемые от внегалактического объекта происходят от блазара , Маркарян 501 (Марк 501). Эти измерения были выполнены телескопами High-Energy-Gamma-Ray Astronomy ( HEGRA ) воздушными черенковскими .
Гамма-астрономические наблюдения по-прежнему ограничены фоном, не связанным с гамма-излучением, при более низких энергиях, а при более высоких энергиях - количеством фотонов, которые можно обнаружить. Для прогресса в этой области необходимы детекторы большей площади и лучшее подавление фона. [12] Открытие 2012 года может позволить сфокусировать гамма-телескопы. [13] При энергиях фотонов более 700 кэВ показатель преломления снова начинает увеличиваться. [13]
1980-е - 1990-е годы [ править ]
19 июня 1988 г. из Биригуи (50°20' з.д., 21°20' ю.ш.) в 10:15 UTC произошел запуск аэростата с двумя детекторами NaI(Tl) ( 600 см ). 2 общая площадь) до барометрической высоты 5,5 мб при общем времени наблюдения 6 часов. [14] Сверхновая SN1987A Сандулек в Большом Магеллановом Облаке (БМО) была открыта 23 февраля 1987 года, а ее прародитель -69 202 был голубым сверхгигантом со светимостью 2-5 × 10 38 очень с. [14] Линии гамма-излучения 847 кэВ и 1238 кэВ от 56 Обнаружен распад Со. [14]
В ходе своей программы «Обсерватория астрономии высоких энергий» в 1977 году НАСА объявило о планах построить «большую обсерваторию» для гамма-астрономии. Комптонская гамма-обсерватория (CGRO) была спроектирована с учетом основных достижений в области детекторных технологий 1980-х годов и была запущена в 1991 году. На спутнике было установлено четыре основных инструмента, которые значительно улучшили пространственное и временное разрешение наблюдений гамма-излучения. . CGRO предоставил большие объемы данных, которые используются для улучшения нашего понимания высокоэнергетических процессов в нашей Вселенной. CGRO была снята с орбиты в июне 2000 года из-за отказа одного из стабилизирующих гироскопов .
BeppoSAX был запущен в 1996 году и сошел с орбиты в 2003 году. Он в основном изучал рентгеновские лучи, но также наблюдал и гамма-всплески. Идентифицировав первые негамма-аналоги гамма-всплесков, он открыл путь для точного определения их положения и оптического наблюдения их затухающих остатков в далеких галактиках.
High Energy Transient Explorer 2 (HETE-2) был запущен в октябре 2000 года (номинально сроком на 2 года) и все еще работал (но постепенно угасал) в марте 2007 года. Миссия HETE-2 завершилась в марте 2008 года.
2000-е и 2010-е годы [ править ]
.jpg)
Swift , космический корабль НАСА, был запущен в 2004 году и оснащен прибором BAT для наблюдения гамма-всплесков. Вслед за BeppoSAX и HETE-2 он наблюдал многочисленные рентгеновские и оптические аналоги всплесков, что привело к определению расстояния и детальному оптическому наблюдению. Они установили, что большинство всплесков возникает в результате взрывов массивных звезд ( сверхновых и гиперновых ) в далеких галактиках. По состоянию на 2021 год Swift продолжает работать. [16]
В настоящее время (другими) основными космическими обсерваториями гамма-излучения являются INTEGRAL (Международная астрофизическая лаборатория гамма-излучения), Fermi и AGILE (Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero).
- INTEGRAL (запущен 17 октября 2002 г.) — миссия ЕКА с дополнительным участием Чехии , Польши, США и России.
- AGILE — это небольшая итальянская миссия, созданная в сотрудничестве ASI , INAF и INFN . Он был успешно запущен индийской ракетой PSLV-C8 с Шрихарикота базы ISRO 23 апреля 2007 года.
- Ферми был запущен НАСА 11 июня 2008 года. Он включает в себя LAT, телескоп большой площади, и GBM, монитор гамма-всплесков, для изучения гамма-всплесков.
В ноябре 2010 года с помощью космического гамма-телескопа Ферми гигантских гамма-пузыря диаметром около 25 000 световых лет в центре Млечного Пути были обнаружены два . эти пузыри высокоэнергетического излучения Предполагается, что возникли из массивной черной дыры или являются свидетельством взрыва звездных образований, произошедшего миллионы лет назад. Они были обнаружены после того, как ученые отфильтровали «туман фоновых гамма-лучей, заполняющий небо». Это открытие подтвердило предыдущие предположения о том, что в центре Млечного Пути находится большая неизвестная «структура». [17]
В 2011 году команда Ферми опубликовала свой второй каталог источников гамма-излучения, обнаруженных спутниковым телескопом большой площади (LAT), который составил список из 1873 объектов, излучающих свет самой высокой энергии. 57% источников — блазары . Более половины источников являются активными галактиками , их центральные черные дыры создают гамма-излучение, обнаруженное LAT. Треть источников на других длинах волн не обнаружена. [15]
Наземные обсерватории гамма-излучения включают HAWC , MAGIC , HESS и VERITAS . Наземные обсерватории исследуют более высокий энергетический диапазон, чем космические, поскольку их эффективная площадь может быть на много порядков больше, чем у спутника.
Недавние наблюдения [ править ]
В апреле 2018 года был опубликован крупнейший на сегодняшний день каталог источников высокоэнергетического гамма-излучения в космосе. [18]
В пресс-релизе от 18 мая 2021 года Китайская большая высотная обсерватория воздушных потоков (LHAASO) сообщила об обнаружении дюжины гамма-лучей сверхвысокой энергии с энергией, превышающей 1 петаэлектронвольт (квадриллион электронвольт или ПэВ), в том числе один с энергией 1,4 ПэВ, фотоном с самой высокой энергией, когда-либо наблюдавшимся. Авторы доклада назвали источники этих пеВ-гамма-лучей PeVatrons. [ нужна цитата ]
всплеск GRB221009A г. 2022 Гамма -
Астрономы с помощью телескопа Gemini South, расположенного в Чили, наблюдали вспышку гамма-всплеска, идентифицированного как GRB221009A , 14 октября 2022 года. Гамма-всплески — это самые энергичные вспышки света, которые, как известно, происходят во Вселенной. Ученые НАСА подсчитали, что всплеск произошел в точке на расстоянии 2,4 миллиарда световых лет от Земли. Гамма-всплеск произошел, когда некоторые гигантские звезды в конце своей жизни взорвались, прежде чем коллапсировать в черные дыры в направлении созвездия Стрелец . Было подсчитано, что всплеск высвободил до 18 тераэлектронвольт энергии или даже до 251 ТэВ. Судя по всему, GRB221009A представлял собой длинный гамма-всплеск, возможно, вызванный взрывом сверхновой. [19] [20]
См. также [ править ]
- Обсерватория космических лучей
- Избыток Галактического центра ГэВ
- Сеть координат гамма-всплесков
- История исследования гамма-всплесков
- Космические лучи сверхвысокой энергии
Ссылки [ править ]
Примечания [ править ]
- ^ В астрономической литературе слово «гамма-лучи» обычно ставится через дефис, когда оно используется в качестве прилагательного, но вместо существительного используется «гамма-луч» без дефиса.
Цитаты [ править ]
- ^ «EGRET Обнаружение гамма-лучей с Луны» . Центр космических полетов Годдарда. 1 августа 2005 г.
- ^ например, сверхновая SN 1987A испустила «послесвечение» гамма-фотонов в результате распада вновь образовавшегося радиоактивного кобальта-56 , выброшенного в космос в облаке в результате взрыва.
«Электромагнитный спектр – гамма-лучи» . НАСА . Архивировано из оригинала 30 апреля 2007 года . Проверено 14 ноября 2010 г. - ^ Гроссман, Лиза (24 августа 2018 г.). «Странные гамма-лучи Солнца могут помочь расшифровать его магнитные поля» . Новости науки .
- ^ Редди, Фрэнсис (30 января 2017 г.). «Ферми НАСА видит гамма-лучи от «скрытых» солнечных вспышек» . НАСА.
- ^ «CTAO — самая мощная в мире наземная гамма-обсерватория» . ESO.org . Проверено 23 мая 2024 г.
- ^ Моррисон, Филип (март 1958 г.). «О гамма-астрономии». Иль Нуово Чименто . 7 (6): 858–865. Бибкод : 1958NCim....7..858M . дои : 10.1007/BF02745590 . S2CID 121118803 .
- ^ Лутц, Диана (7 декабря 2009 г.). «Физики Вашингтонского университета приближаются к происхождению космических лучей» . Вашингтонский университет в Сент-Луисе.
- ^ «История гамма-астрономии» . НАСА. Архивировано из оригинала 20 мая 1998 года . Проверено 14 ноября 2010 г.
- ^ "Гамма-луч" . Наука разъяснена . Проверено 14 ноября 2010 г.
- ^ Рамати, Р.; и другие. (июль 1979 г.). «Ядерные гамма-лучи от взаимодействия энергичных частиц» . Серия дополнений к астрофизическому журналу . 40 : 487–526. Бибкод : 1979ApJS...40..487R . дои : 10.1086/190596 . hdl : 2060/19790005667 .
- ^ «Обзор солнечных вспышек» . НАСА . Проверено 14 ноября 2010 г.
- ^ Криг, Уве (2008). Зигфрид Рёзер (ред.). Обзоры в журнале «Современная астрономия: космическая материя» . Том. 20. Уайли. п. 191. ИСБН 978-3-527-40820-7 .
- ^ Перейти обратно: а б Воган, Тим (9 мая 2012 г.). «Кремниевая «призма» искривляет гамма-лучи» . PhysicsWorld.com .
- ^ Перейти обратно: а б с Фигейредо, Н.; и другие. (ноябрь 1990 г.). «Гамма-наблюдения SN 1987A». Мексиканский журнал астрономии и астрофизики . 21 : 459–462. Бибкод : 1990RMxAA..21..459F .
- ^ Перейти обратно: а б «Последняя перепись гамма-лучей, проведенная Ферми, раскрывает космические загадки» . НАСА. 9 сентября 2011 года . Проверено 31 мая 2015 г.
- ^ «Обсерватория Нила Герельса Свифта» . НАСА. 12 января 2021 г. . Проверено 17 января 2021 г.
- ^ Су, Мэн; Слейер, Трейси Р.; Финкбайнер, Дуглас П. (декабрь 2010 г.). «Гигантские гамма-пузыри из Fermi-LAT: активная активность галактического ядра или биполярный галактический ветер?». Астрофизический журнал . 724 (2): 1044–1082. arXiv : 1005.5480v3 . Бибкод : 2010ApJ...724.1044S . дои : 10.1088/0004-637X/724/2/1044 . S2CID 59939190 .
Агилар, Дэвид А. и Пуллиам, Кристина (9 ноября 2010 г.). «Астрономы обнаружили гигантскую, ранее невиданную структуру в нашей Галактике» . Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики . Проверено 14 ноября 2010 г.
Битти, Келли (11 ноября 2010 г.). «Почему Млечный Путь пускает пузыри?» . Небо и телескоп . Проверено 14 ноября 2010 г. - ^ «Крупнейший из когда-либо опубликованных каталогов источников гамма-излучения очень высоких энергий в Галактике» (пресс-релиз). ЦНРС . Физика.орг. 9 апреля 2018 г.
- ^ Рекордный гамма-всплеск
- ^ Астрономы заметили самую мощную вспышку света
Внешние ссылки [ править ]
- История гамма-астрономии, включая связанные с ней открытия
- Высотная водная Черенковская обсерватория
- Атмосферная черенковская телескопическая система HEGRA
- Наземный гамма-эксперимент HESS
- Проект телескопа MAGIC
- Наземный гамма-эксперимент VERITAS
- Космическая обсерватория ИНТЕГРАЛ
- Миссия НАСА по гамма-всплеску Swift
- Спутник НАСА HETE-2
- TeVCat — каталог источников гамма-излучения в ТэВном диапазоне.
- GammaLib. Архивировано 1 мая 2010 г. в Wayback Machine — универсальном наборе инструментов для высокоуровневого анализа астрономических данных гамма-излучения.
- ТАКТИКА , Гамма-астрономия 1-10 ТэВ в Индии.
