Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Обзор неба при энергиях выше 1 ГэВ, полученный космическим гамма-телескопом Ферми за пять лет наблюдений (с 2009 по 2013 год).
Небо при энергиях выше 100 МэВ, наблюдаемое телескопом для экспериментов с энергетическим гамма- лучами (EGRET) спутника Комптоновской гамма-обсерватории (CGRO) (1991–2000).
Луна, видимая с помощью энергетического телескопа для экспериментов с гамма-лучами (EGRET) в гамма-лучах с энергией более 20 МэВ. Они возникают в результате бомбардировки его поверхности космическими лучами . [1]

Гамма-астрономия - это астрономическое наблюдение гамма-лучей , [nb 1] наиболее энергичной формы электромагнитного излучения с энергией фотонов выше 100  кэВ . Излучение ниже 100 кэВ классифицируется как рентгеновское излучение и является предметом рентгеновской астрономии .

В большинстве известных случаев гамма-лучи от солнечных вспышек и атмосферы Земли генерируются в диапазоне МэВ, но теперь известно, что гамма-лучи в диапазоне ГэВ также могут генерироваться солнечными вспышками. Считалось, что гамма-лучи в диапазоне ГэВ не происходят из Солнечной системы . Поскольку гамма-лучи с энергией ГэВ важны для изучения внесолнечной и особенно внегалактической астрономии, новые наблюдения могут усложнить некоторые предыдущие модели и выводы. [2] [3]

Механизмы испускания гамма-лучей разнообразны, в основном идентичны механизмам, излучающим рентгеновские лучи, но с более высокими энергиями, включая аннигиляцию электронов и позитронов , обратный эффект Комптона , а в некоторых случаях также распад радиоактивного материала (гамма-распад) в космосе [4 ] отражающие экстремальные явления, такие как сверхновые и гиперновые , а также поведение вещества в экстремальных условиях, например, в пульсарах и блазарах .

Наибольшая энергия фотонов, измеренная на сегодняшний день, находится в диапазоне ТэВ, рекорд, установленный Крабовидной туманностью в 2004 году, дает фотоны с энергией до 80 ТэВ. [5] [6] [7]

Детекторная технология [ править ]

Впервые наблюдение гамма-лучей стало возможным в 1960-х годах. Их наблюдение намного более проблематично, чем наблюдение рентгеновских лучей или видимого света, потому что гамма-лучи сравнительно редки, даже для «ярких» источников требуется время наблюдения в несколько минут, прежде чем он будет даже обнаружен, и потому что гамма-лучи трудны. для фокусировки, что приводит к очень низкому разрешению. Последнее поколение гамма-телескопов (2000-е годы) имеет разрешение порядка 6 угловых минут в диапазоне ГэВ (рассматривая Крабовидную туманность как один «пиксель»), по сравнению с 0,5 угловыми секундами, наблюдаемыми в области X с низкой энергией. в диапазоне рентгеновских лучей (1 кэВ) рентгеновской обсерваторией Чандра (1999 г.) и около 1,5 угловых минут в диапазоне высокоэнергетических рентгеновских лучей (100 кэВ), наблюдаемых с помощью фокусирующего телескопа высоких энергий (2005 г.).

Гамма-лучи очень высокой энергии с энергией фотонов более ~ 30 ГэВ также могут быть обнаружены с помощью наземных экспериментов. Чрезвычайно низкие потоки фотонов при таких высоких энергиях требуют эффективных площадей детекторов, которые непрактично велики для современных космических приборов. Такие высокоэнергетические фотоны создают в атмосфере обширные потоки вторичных частиц, которые можно наблюдать на земле, как непосредственно с помощью счетчиков излучения, так и оптически через черенковский свет, который излучают ультрарелятивистские частицы ливня. В настоящее время технология Черенковского телескопа для визуализации атмосферы обеспечивает наивысшую чувствительность.

Гамма-излучение в диапазоне ТэВ, исходящее из Крабовидной туманности, было впервые обнаружено в 1989 году обсерваторией Фреда Лоуренса Уиппла на горе. Хопкинс в Аризоне в США. Современные эксперименты на черенковских телескопах, такие как HESS , VERITAS , MAGIC и CANGAROO III, позволяют обнаружить Крабовидную туманность за несколько минут. Наиболее энергичные фотоны (до 16 ТэВ ) , наблюдаемые от внегалактического объекта происходят из блазара , Маркарян 501 (Mrk 501). Эти измерения были сделаны с помощью высоких энергий-гамма-астрономии ( HEGRA ) воздуха Черенкова телескопы.

Гамма-астрономические наблюдения все еще ограничены не гамма-фоном при более низких энергиях, а при более высоких энергиях - количеством фотонов, которые могут быть обнаружены. Детекторы большей площади и лучшее подавление фона необходимы для прогресса в этой области. [8] Открытие в 2012 году может позволить фокусировать гамма-телескопы. [9] При энергии фотонов более 700 кэВ показатель преломления снова начинает увеличиваться. [9]

Ранняя история [ править ]

Задолго до того, как эксперименты смогли обнаружить гамма-лучи, испускаемые космическими источниками, ученые знали, что Вселенная должна их производить. Работа Юджина Финберга и Генри Примакоффа в 1948 г., Сачио Хаякавы и И.Б. Хатчинсона в 1952 г. и, в особенности, Филипа Моррисона в 1958 г. [10] заставила ученых поверить в то, что ряд различных процессов, происходящих во Вселенной, приведет к гамма-излучению. -лучевое излучение. Эти процессы включали взаимодействие космических лучей с межзвездным газом , взрывы сверхновых и взаимодействие энергичных электронов с магнитными полями.. Однако наша способность обнаруживать эти выбросы реализовалась только в 1960-х годах. [11]

Большинство гамма-лучей, приходящих из космоса, поглощается атмосферой Земли, поэтому гамма-астрономия не могла развиваться до тех пор, пока не стало возможным получать детекторы над всей или большей частью атмосферы с помощью воздушных шаров и космических кораблей. Первый гамма-телескоп, выведенный на орбиту на спутнике Explorer 11 в 1961 году, уловил менее 100 космических гамма-фотонов. Похоже, они пришли со всех сторон Вселенной, подразумевая 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 2,223 МэВ, предсказанную Моррисоном. Эта линия возникает в результате образования дейтерия в результате объединения нейтрона и протона; при солнечной вспышке нейтроны появляются как вторичные частицы в результате взаимодействия ионов высоких энергий, ускоренных в процессе вспышки. Эти первые наблюдения линий гамма-излучения были получены с помощью OSO 3 , OSO 7 и Solar Maximum Mission , последнего космического корабля, запущенного в 1980 году. Наблюдения за Солнцем вдохновили теоретическую работу Реувена Рамати и других. [12]

Значительное гамма-излучение нашей галактики было впервые обнаружено в 1967 году [13] детектором на борту спутника OSO 3 . Он зарегистрировал 621 событие, связанное с космическими гамма-лучами. Тем не менее, область гамма-астрономии сделала большой шаг вперед с появлением SAS-2 (1972 г.) и Cos-B.(1975–1982) спутники. Эти два спутника обеспечивали захватывающий вид на высокоэнергетическую Вселенную (иногда называемую «жестокой» Вселенной, потому что виды событий в космосе, которые производят гамма-лучи, как правило, представляют собой высокоскоростные столкновения и аналогичные процессы). Они подтвердили ранее сделанные открытия гамма-фона, составили первую подробную карту неба в гамма-диапазоне длин волн и обнаружили ряд точечных источников. Однако разрешение инструментов было недостаточным для идентификации большинства этих точечных источников с конкретными видимыми звездами или звездными системами.

Открытие в области гамма-астрономии было сделано в конце 1960-х - начале 1970-х годов с созвездия военно-оборонных спутников. Детекторы на борту спутников серии Vela , разработанные для обнаружения вспышек гамма-лучей от взрывов ядерных бомб, начали регистрировать всплески гамма-лучей из дальнего космоса, а не из окрестностей Земли. Более поздние детекторы определили, что эти гамма-всплески длятся от долей секунды до минут, внезапно появляются с неожиданных направлений, мерцают, а затем исчезают после кратковременного доминирования в гамма-небе. Училась с середины 1980-х годов с инструментами на борту различных спутников и космических аппаратов, в том числе советского Venera корабля и Pioneer Venus Orbiterисточники 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 происходят в результате так называемых взрывов гиперновых звезд - сверхновых, создающих черные дыры, а не нейтронные звезды .

Ядерные гамма - лучи наблюдались от солнечных вспышек от 4 августа и 7, 1972, и 22 ноября 1977 г. [14] солнечная вспышка происходит взрыв в атмосфере Солнца и первоначально была обнаружена визуально в Солнце . Солнечные вспышки создают огромное количество излучения во всем электромагнитном спектре самой длинной волны - радиоволн., к гамма-лучам высоких энергий. Корреляции электронов высоких энергий, возбуждаемых во время вспышки, и гамма-лучей в основном вызваны ядерными комбинациями протонов высоких энергий и других более тяжелых ионов. Эти гамма-лучи можно наблюдать, и они позволяют ученым определять основные результаты выделяемой энергии, которая не обеспечивается излучениями с другими длинами волн. [15]

См. Также Magnetar # 1979 обнаружение обнаружения мягкого гамма-ретранслятора .

С 1980-х по 1990-е годы [ править ]

Комптон, выпущенный на орбиту космическим шаттлом, 1991 г.

19 июня 1988 г. из Биригуи (50 ° 20 'з.д., 21 ° 20' ю.ш.) в 10:15 UTC был запущен аэростат с двумя детекторами NaI (Tl) (600 см 2 ) до высоты атмосферного давления 5,5 мб с общим временем наблюдения 6 часов. [16] сверхновой SN1987A в БМО (ОБК) был обнаружен 23 февраля 1987 года, и его предшественников, Sanduleak -69 202 , был синим сверхгигант со свечением 2-5 × 10 38 эрг / с. [16] Были обнаружены линии гамма-излучения 847 кэВ и 1238 кэВ от распада 56 Co. [16]

Во время своей программы астрономической обсерватории высоких энергий в 1977 году НАСА объявило о планах строительства «большой обсерватории» для гамма-астрономии. Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) был разработан , чтобы воспользоваться преимуществами крупных достижений в области технологии детектора в течение 1980 - х годов, и был запущен в 1991 году спутнике четыре основных инструментов , которые значительно улучшили пространственное и временное разрешение гамма-наблюдений . CGRO предоставил большие объемы данных, которые используются для улучшения нашего понимания высокоэнергетических процессов в нашей Вселенной. CGRO был сброшен с орбиты в июне 2000 года в результате 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 гамма-всплески. Выявление первых не-гамма-аналогов гамма-всплесков открыло путь для их точного определения местоположения и оптического наблюдения их затухающих остатков в далеких галактиках.

Исследователь переходных процессов высоких энергий 2 (HETE-2) был запущен в октябре 2000 года (номинальная двухлетняя миссия) и все еще работал (но постепенно прекращал свою работу) в марте 2007 года. Миссия HETE-2 завершилась в марте 2008 года.

2000-е и 2010-е [ править ]

Дополнительная информация: Pulsar и Blazar
Второй каталог источников гамма-излучения Ферми, построенный за два года. Изображение всего неба с энергиями более 1 ГэВ. Более яркие цвета указывают на источники гамма-излучения. [17]

Космический аппарат НАСА Swift был запущен в 2004 году и оснащен прибором BAT для наблюдений за гамма-всплесками. Вслед за BeppoSAX и HETE-2 он наблюдал множество рентгеновских и оптических аналогов всплесков, что привело к определению расстояния и подробным оптическим наблюдениям. Они установили, что большинство всплесков происходит от взрывов массивных звезд ( сверхновых и гиперновых ) в далеких галактиках. По состоянию на 2021 год Swift продолжает работать. [18]

В настоящее время (другими) основными космическими обсерваториями гамма-излучения являются INTEGRAL (Международная лаборатория гамма-астрофизики), Fermi и AGILE (Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero).

  • INTEGRAL (запущен 17 октября 2002 г.) - это миссия ЕКА с дополнительным участием Чешской Республики , Польши, США и России.
  • AGILE - это полностью итальянская миссия , созданная при сотрудничестве ASI , INAF и INFN . Он был успешно запущен индийской ракетой PSLV-C8 с базы ISRO в Шрихарикоте 23 апреля 2007 года.
  • Ферми был запущен НАСА 11 июня 2008 года. Он включает в себя LAT, большой телескоп, и GBM, монитор гамма-всплесков, для изучения гамма-всплесков.
Концепция двух гигантских пузырей гамма-излучения в центре Млечного Пути.

В ноябре 2010 года с помощью космического гамма-телескопа Ферми в центре Млечного Пути были обнаружены два гигантских пузыря гамма-излучения, размером около 25 000 световых лет . Предполагается, что эти пузыри высокоэнергетического излучения возникли из массивной черной дыры или являются свидетельством вспышки звездных образований миллионы лет назад. Они были обнаружены после того, как ученые отфильтровали «туман фонового гамма-излучения, заполняющий небо». Это открытие подтвердило предыдущие подсказки о том, что в центре Млечного Пути находилась большая неизвестная «структура». [19]

В 2011 году команда Ферми выпустила свой второй каталог источников гамма-излучения, обнаруженных спутниковым телескопом Large Area Telescope (LAT), в котором было собрано 1873 объекта, сияющих самой высокоэнергетической формой света. 57% источников - блазары . Более половины источников являются активными галактиками , их центральные черные дыры создают гамма-излучение, обнаруженное LAT. Треть источников в других длинах волн не обнаружена. [17]

Наземные обсерватории гамма-излучения включают HAWC , MAGIC , HESS и VERITAS . Наземные обсерватории исследуют более высокий энергетический диапазон, чем космические обсерватории, поскольку их эффективная площадь может быть на много порядков больше, чем у спутника.

Последние наблюдения [ править ]

В апреле 2018 года был опубликован самый крупный каталог источников гамма-излучения высоких энергий в космосе. [20]

В 2020 году некоторые диаметры звезд были измерены с помощью интерферометрии гамма-излучения . [21]

См. Также [ править ]

  • Обсерватория космических лучей
  • Галактический Центр Превышение ГэВ
  • Сеть координат гамма-всплесков
  • История исследований гамма-всплесков
  • Космические лучи сверхвысокой энергии

Ссылки [ править ]

Заметки [ править ]

  1. ^ Астрономическая литература обычно ставит дефис «гамма-луч», когда используется как прилагательное, но использует «гамма-луч» без дефиса для существительного.

Цитаты [ править ]

  1. ^ "EGRET обнаружение гамма-лучей с Луны" . Центр космических полетов Годдарда. 1 августа 2005 г.
  2. ↑ Гроссман, Лиза (24 августа 2018 г.). «Странные гамма-лучи солнца могут помочь расшифровать его магнитные поля» . Новости науки .
  3. ↑ Редди, Фрэнсис (30 января 2017 г.). «Ферми НАСА видит гамма-лучи от« скрытых »солнечных вспышек» . НАСА.
  4. ^ например, сверхновая SN 1987A испустила "послесвечение" гамма-фотонов от распада недавно образованного радиоактивного кобальта-56, выброшенного в космос в облаке в результате взрыва. «Электромагнитный спектр - гамма-лучи» . НАСА . Проверено 14 ноября 2010 года .
  5. ^ Карлино, G .; и другие. (16 сентября 2008 г.). IFAE 2007: Итальянское совещание Incontri di Fisica delle Alte Energie по физике высоких энергий . Springer Science & Business Media. п. 245. ISBN 978-88-470-0747-5.
  6. ^ Paredes, Josep M .; и другие. (17 июля 2007 г.). Подход с использованием нескольких мессенджеров к источникам высокоэнергетического гамма-излучения: третий семинар по природе неопознанных источников высоких энергий . Springer. п. 180. ISBN 978-1-4020-6118-9.
  7. ^ Aharonian, F .; и другие. (Октябрь 2004 г.). «Крабовидная туманность и пульсар между 500 ГэВ и 80 ТэВ: наблюдения с помощью стереоскопических воздушных телескопов Черенкова HEGRA» (PDF) . Астрофизический журнал . 614 (2): 897–913. arXiv : astro-ph / 0407118 . Bibcode : 2004ApJ ... 614..897A . DOI : 10.1086 / 423931 . Архивировано из оригинального (PDF) 23 июня 2013 года.
  8. ^ Криг, Уве (2008). Зигфрид Рёзер (ред.). Обзоры в современной астрономии: космическое вещество . 20 . Вайли. п. 191. ISBN. 978-3-527-40820-7.
  9. ^ a b Воган, Тим (9 мая 2012 г.). «Кремниевая призма искривляет гамма-лучи» . PhysicsWorld.com .
  10. ↑ Моррисон, Филип (март 1958 г.). «О гамма-астрономии». Il Nuovo Cimento . 7 (6): 858–865. Bibcode : 1958NCim .... 7..858M . DOI : 10.1007 / BF02745590 .
  11. ↑ Лутц, Диана (7 декабря 2009 г.). «Физики Вашингтонского университета вплотную подошли к вопросу о происхождении космических лучей» . Вашингтонский университет в Сент-Луисе.
  12. ^ "История гамма-астрономии" . НАСА . Проверено 14 ноября 2010 года .
  13. ^ "Гамма-луч" . Разъяснение науки . Проверено 14 ноября 2010 года .
  14. ^ Ramaty, R .; и другие. (Июль 1979 г.). «Ядерные гамма-лучи от взаимодействий энергичных частиц» . Серия дополнений к астрофизическому журналу . 40 : 487–526. Bibcode : 1979ApJS ... 40..487R . DOI : 10.1086 / 190596 . ЛВП : 2060/19790005667 .
  15. ^ "Обзор солнечных вспышек" . НАСА . Проверено 14 ноября 2010 года .
  16. ^ a b c Фигейредо, штат Нью-Йорк; и другие. (Ноябрь 1990 г.). «Гамма-наблюдения SN 1987A». Revista Mexicana de Astronomía y Astrofísica . 21 : 459–462. Bibcode : 1990RMxAA..21..459F .
  17. ^ a b «Последняя перепись гамма-лучей Ферми выявляет космические тайны» . НАСА. 9 сентября 2011 . Проверено 31 мая 2015 года .
  18. ^ "Обсерватория Нила Герелса Свифт" . НАСА. 12 января 2021 . Проверено 17 января 2021 года .
  19. ^ Су, Мэн; Slatyer, Tracy R .; Финкбайнер, Дуглас П. (декабрь 2010 г.). "Гигантские пузыри гамма-излучения от Fermi-LAT: Активная активность ядра галактики или биполярный галактический ветер?". Астрофизический журнал . 724 (2): 1044–1082. arXiv : 1005.5480v3 . Bibcode : 2010ApJ ... 724.1044S . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 724/2/1044 .
    Агилар, Дэвид А. и Пуллиам, Кристин (9 ноября 2010 г.). «Астрономы нашли гигантскую, ранее невидимую структуру в нашей Галактике» . Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики . Проверено 14 ноября 2010 года .
    Битти, Келли (11 ноября 2010 г.). "Почему Млечный Путь пускает пузыри?" . Небо и телескоп . Проверено 14 ноября 2010 года .
  20. ^ "Самый большой из когда-либо опубликованных каталог источников гамма-излучения очень высоких энергий в Галактике" (пресс-релиз). CNRS . Phys.org. 9 апреля 2018.
  21. ^ Ученые гамма-излучения "пылесосят" интерферометрию интенсивности, модернизацию технологии с помощью цифровой электроники, большие телескопы и улучшенную чувствительность

Внешние ссылки [ править ]

  • История гамма-астрономии, включая связанные с ней открытия
  • Высотная водная Черенковская обсерватория
  • Система атмосферного черенковского телескопа HEGRA
  • Наземный гамма-эксперимент HESS
  • Проект MAGIC Telescope
  • Наземный гамма-эксперимент VERITAS
  • Космическая обсерватория ИНТЕГРАЛ
  • Миссия НАСА по быстрому гамма-всплеску
  • Спутник НАСА HETE-2
  • TeVCat , каталог источников гамма-излучения ТэВ.
  • GammaLib , универсальный набор инструментов для высокоуровневого анализа астрономических данных гамма-излучения.
  • ТАКТИКА , 1-10TeV гамма-астрономии в Индии.