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 в Солнечной системе . 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 .
В пресс-релизе от 18 мая 2021 года Китайская обсерватория больших высотных атмосферных ливней (LHAASO) сообщила об обнаружении дюжины гамма-лучей сверхвысокой энергии с энергией, превышающей 1 пета-электрон-вольт (квадриллион электрон-вольт или ПэВ), включая один на 1,4 ПэВ, фотон с самой высокой энергией из когда-либо наблюдавшихся. Авторы отчета назвали источники этих гамма-квантов ПэВатронами.
Детекторная технология
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-излучение очень высокой энергии с энергией фотонов более ~ 30 ГэВ также может быть обнаружено с помощью наземных экспериментов. Чрезвычайно низкие потоки фотонов при таких высоких энергиях требуют эффективных площадей детектора, 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 Т ) , наблюдаемых от внегалактического объекта происходят из блазара , Маркарян 501 (Mrk 501). Эти измерения были выполнены воздушными черенковскими телескопами с использованием гамма-излучения высоких энергий ( HEGRA ) .
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. [5] Открытие в 2012 году может позволить фокусировать гамма-телескопы. [6] При энергии фотонов более 700 кэВ показатель преломления снова начинает увеличиваться. [6]
Ранняя история
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. [7] 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. [8]
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 проводились с OSO 3 , OSO 7 и Solar Maximum Mission , последний космический корабль был запущен в 1980 году. Наблюдения за Солнцем вдохновили теоретическую работу Реувена Рамати и других. [9]
Значительное гамма-излучение нашей галактики было впервые обнаружено в 1967 году [10] детектором на борту спутника OSO 3 . Он зарегистрировал 621 событие, связанное с космическими гамма-лучами. Однако в области гамма-астрономии произошел большой скачок вперед с появлением спутников SAS-2 (1972 г.) и Cos-B (1975–1982 гг.). 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 разнообразие спутников и космических аппаратов, в том числе советского Venera корабля и Pioneer Venus Orbiter , 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 происходят от 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. [11] солнечная вспышка происходит взрыв в атмосфере Солнца и первоначально была обнаружена визуально в Солнце . Солнечные вспышки создают огромное количество излучения во всем электромагнитном спектре, от самых длинных волн, радиоволн , до высокоэнергетических гамма-лучей. 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. [12]
См. Также Magnetar # 1979 обнаружение обнаружения мягкого гамма-ретранслятора .
1980-е по 1990-е годы
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. [13] 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. [13] Были обнаружены линии гамма-излучения 847 кэВ и 1238 кэВ от распада 56 Co. [13]
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 годы
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. [15]
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.
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, произошедшей 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». [16]
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. [14]
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.
Недавние наблюдения
В апреле 2018 года был опубликован самый крупный каталог источников гамма-излучения высоких энергий в космосе. [17]
В 2020 году некоторые диаметры звезд были измерены с помощью интерферометрии гамма-излучения . [18]
Смотрите также
- Обсерватория космических лучей
- Галактический Центр Превышение ГэВ
- Сеть координат гамма-всплесков
- История исследований гамма-всплесков
- Космические лучи сверхвысокой энергии
Рекомендации
Заметки
- ^ Астрономическая литература обычно ставит дефис «гамма-луч», когда используется как прилагательное, но использует «гамма-луч» без дефиса для существительного.
Цитаты
- ^ "EGRET обнаружение гамма-лучей с Луны" . Центр космических полетов Годдарда. 1 августа 2005 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.
- ^ 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 . - ^ Криг, Уве (2008). Зигфрид Рёзер (ред.). Обзоры в современной астрономии: космическое вещество . 20 . Вайли. п. 191. ISBN. 978-3-527-40820-7.
- ^ а б Воган, Тим (9 мая 2012 г.). «Кремниевая призма искривляет гамма-лучи» . PhysicsWorld.com .
- ^ Моррисон, Филип (март 1958). «О гамма-астрономии». Il Nuovo Cimento . 7 (6): 858–865. Bibcode : 1958NCim .... 7..858M . DOI : 10.1007 / BF02745590 .
- ^ Лутц, Диана (7 декабря 2009 г.). «Физики Вашингтонского университета вплотную подошли к вопросу о происхождении космических лучей» . Вашингтонский университет в Сент-Луисе.
- ^ «История гамма-астрономии» . НАСА . Проверено 14 ноября 2010 года .
- ^ «Гамма-луч» . Разъяснение науки . Проверено 14 ноября 2010 года .
- ^ Раматы, Р .; 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 .
- ^ «Обзор солнечных вспышек» . НАСА . Проверено 14 ноября 2010 года .
- ^ а б в Figueiredo, N .; и другие. (Ноябрь 1990 г.). «Гамма-наблюдения SN 1987A». Revista Mexicana de Astronomía y Astrofísica . 21 : 459–462. Bibcode : 1990RMxAA..21..459F .
- ^ а б «Последняя перепись гамма-излучения, проведенная Ферми, высветила космические тайны» . НАСА. 9 сентября 2011 . Проверено 31 мая 2015 года .
- ^ "Обсерватория Нила Герелса Свифта" . НАСА. 12 января 2021 . Проверено 17 января 2021 года .
- ^ 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 . - ^ «Самый большой из когда-либо опубликованных каталог источников гамма-излучения очень высоких энергий в Галактике» (пресс-релиз). CNRS . Phys.org. 9 апреля 2018.
- ^ Ученые гамма-излучения "пылесосят" интерферометрию интенсивности, модернизацию технологии с помощью цифровой электроники, большие телескопы и улучшенную чувствительность
Внешние ссылки
- 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.