Гамма-астрономия - Gamma-ray astronomy

Обзор неба при энергиях выше 1 ГэВ, сделанный Космический гамма-телескоп Ферми за пять лет наблюдения (с 2009 по 2013 гг.).
Небо при энергиях выше 100 МэВ, наблюдаемое телескопом Энергетический телескоп для экспериментов с гамма-лучами (EGRET) Гамма-обсерватория Комптона (CGRO) спутник (1991–2000).
Луна глазами Энергетический телескоп для экспериментов с гамма-лучами (EGRET) в гамма-лучах более 20 МэВ. Они производятся космический луч бомбардировка его поверхности.[1]

Гамма-астрономия это астрономический наблюдение за гамма излучение,[nb 1] самая энергичная форма электромагнитное излучение, с энергии фотонов выше 100кэВ. Излучение ниже 100 кэВ классифицируется как Рентгеновские лучи и является предметом Рентгеновская астрономия.

В большинстве известных случаев гамма-лучи от солнечные вспышки и Атмосфера 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 возникают в Солнечная система. 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 испускающим рентгеновское излучение, но с более высокими энергиями, в том числе электрон-позитронная аннигиляция, то обратный эффект Комптона, а в некоторых случаях также распад радиоактивного материала (гамма-распад) в космосе[4] отражающие экстремальные явления, такие как сверхновые и гиперновые звезды, и поведение вещества в экстремальных условиях, как в пульсары и блазары.

Наибольшая энергия фотонов, измеренная на сегодняшний день, находится в диапазоне ТэВ, рекорд установлен Крабовидная туманность в 2004 г., давая фотоны с энергией до 80 ТэВ.[5][6][7]

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. Самое последнее поколение гамма-телескопов (2000-е годы) имеет разрешение порядка 6 угловых минут в диапазоне ГэВ (виден Крабовидная туманность в виде одного «пикселя»), по сравнению с 0,5 угловыми секундами, наблюдаемыми в низкоэнергетическом рентгеновском диапазоне (1 кэВ) на Рентгеновская обсерватория Чандра (1999), и около 1,5 угловых минут в диапазоне высокоэнергетических рентгеновских лучей (100 кэВ), наблюдаемых Фокусирующий телескоп высоких энергий (2005).

Гамма-лучи очень высокой энергии с энергией фотонов более ~ 30 ГэВ также могут быть обнаружены наземными экспериментами. 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 Черенков свет которые излучают ультрарелятивистские ливневые частицы. В Отображение атмосферного черенковского телескопа техника в настоящее время достигает наивысшей чувствительности.

Гамма-излучение в диапазоне ТэВ, исходящее от Крабовидная туманность был впервые обнаружен в 1989 г. Обсерватория Фреда Лоуренса Уиппла в Mt. Хопкинс, в Аризона в США. Современные эксперименты на черенковском телескопе вроде H.E.S.S., ВЕРИТАС, МАГИЯ, а CANGAROO III может обнаружить Крабовидную туманность за несколько минут. Наиболее энергичные фотоны (до 16 ТэВ ), наблюдаемые с внегалактического объекта, происходят из блазар, Маркарян 501 (Мрк 501). Эти измерения были выполнены Астрономией высоких энергий гамма-лучей (HEGRA ) воздуха Черенков 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 энергиях фотонов более 700 кэВ показатель преломления снова начинает увеличиваться.[9]

Ранняя история

Задолго до того, как эксперименты смогли обнаружить гамма-лучи, испускаемые космическими источниками, ученые знали, что Вселенная должна их производить. Работа Юджин Финберг и Генри Примакофф в 1948 г., Сачио Хаякава и И. Хатчинсоном в 1952 г., и особенно Филип Моррисон в 1958 г.[10] привело ученых к мысли, что ряд различных процессов, происходящих во Вселенной, приведет к гамма-излучению. Эти процессы включали космический луч взаимодействие с межзвездный газ, сверхновая звезда взрывы и взаимодействия энергетических электроны с магнитные поля 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 получить детекторы над всей или большей частью атмосферы, используя шарики и космический корабль. Первый гамма-телескоп, выведенный на орбиту, на Исследователь 11 спутник в 1961 году уловил менее 100 космических гамма-квантов. Похоже, они исходили 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 гамма-линий были сделаны в OSO 3, OSO 7, а Миссия Solar Maximum, последний космический аппарат был запущен в 1980 году. Наблюдения за Солнцем вдохновили теоретическую работу Реувен Рамати и другие.[12]

Значительное гамма-излучение нашей галактики было впервые обнаружено в 1967 году.[13] детектором на борту OSO 3 спутник. Он зарегистрировал 621 событие, связанное с космическими гамма-лучами. Однако в области гамма-астрономии произошел большой скачок вперед. САС-2 (1972) 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 более ранние открытия фона гамма-излучения, составили первую подробную карту неба в диапазоне длин волн гамма-излучения и обнаружили ряд точечных источников. Однако разрешение инструментов было недостаточным для отождествления большинства этих точечных источников с конкретными видимыми звездами или звездными системами.

Открытие в области гамма-астрономии произошло в конце 1960-х - начале 1970-х годов с созвездия военных спутников. Детекторы на борту Vela Спутники серии, разработанные для обнаружения вспышек гамма-излучения от взрывов ядерных бомб, начали регистрировать всплески гамма-излучения из дальнего космоса, а не из окрестностей Земли. Позже детекторы определили, что эти гамма-всплески длится от долей секунды до минут, внезапно появляясь с неожиданных направлений, мерцая, а затем угасая после кратковременного доминирования в гамма-небе. Изучается с середины 80-х годов с использованием приборов на борту различных спутников и космических зондов, в том числе советских. Венера космический корабль и Орбитальный аппарат Pioneer Venus, источники этих загадочных вспышек высокой энергии остаются загадкой. Похоже, что они приходят издалека во Вселенной, и в настоящее время наиболее вероятной теорией является то, что по крайней мере некоторые из них происходят из так называемых гипернова взрывы - создание сверхновых черные дыры скорее, чем нейтронные звезды.

Ядерная гамма излучение наблюдались с солнечные вспышки от 4 и 7 августа 1972 г. и 22 ноября 1977 г.[14]А Солнечная вспышка представляет собой взрыв в солнечной атмосфере и первоначально был обнаружен визуально в солнце. Солнечные вспышки создают огромное количество излучения во всем электромагнитном спектре самой длинной волны, радиоволны, 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]

Смотрите также Открытие Магнитар # 1979 обнаружение репитер с мягкой гаммой.

1980-е по 1990-е годы

Комптон выпущен на орбиту космическим шаттлом, 1991 г.

19 июня 1988 г. из г. Биригуи (50 ° 20 'з.д., 21 ° 20' ю.ш.) в 10:15 UTC был запущен аэростат с двумя детекторами NaI (Tl) (600 см2 общая площадь) до высоты атмосферного давления 5,5 мб с общим временем наблюдения 6 часов.[16] В сверхновая звезда SN1987A в Большое Магелланово Облако (LMC) был обнаружен 23 февраля 1987 г., а его прародитель, Сандулек-69 202, был синий сверхгигант при яркости 2-5×1038 эрг / с.[16] Гамма-линии 847 кэВ и 1238 кэВ от 56Со-распад не обнаружен.[16]

Во время своего Обсерватория астрономии высоких энергий программа 1977 г., НАСА объявил о планах построить «большую обсерваторию» для гамма-астрономии. В Гамма-обсерватория Комптона (CGRO) был разработан, чтобы воспользоваться преимуществами основных достижений в технологии детекторов в течение 1980-х, и был запущен 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 спущена с орбиты в июне 2000 года в результате отказа одного из стабилизирующих устройств. гироскопы.

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.

В Исследователь переходных процессов высоких энергий 2 (HETE-2) был запущен в октябре 2000 года (номинально с двухлетней миссией) и все еще работал (но постепенно исчезал) в марте 2007 года.

2000-е и 2010-е годы

Дальнейшая информация: Pulsar и Blazar
Первый обзор неба при энергиях выше 1 ГэВ, сделанный Ферми за три года наблюдения (с 2009 по 2011 гг.).
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]

Быстрый космический корабль НАСА был запущен в 2004 году и оснащен прибором BAT для наблюдений за гамма-всплесками. Вслед за BeppoSAX и HETE-2 он наблюдал многочисленные рентгеновские и оптические аналоги всплесков, что привело к определению расстояния и детальному оптическому контролю. Они установили, что большинство всплесков происходит от взрывов массивных звезд (сверхновые и гиперновые ) в далеких галактиках. Он все еще работает в 2015 году.

В настоящее время (другие) основные космические гамма-обсерватории являются ИНТЕГРАЛ (Международная лаборатория гамма-астрофизики), Ферми, и ГИБКИЙ (Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero).

  • ИНТЕГРАЛ (запущен 17 октября 2002 г.) - это миссия ЕКА с дополнительным участием Чехия, Польша, США и Россия.
  • ГИБКИЙ это всеитальянская миссия КАК И Я, INAF и INFN сотрудничество. Его успешно запустила индийская PSLV-C8 ракета из Шрихарикота ISRO база на 23 апреля 2007 г.
  • 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 г. с помощью Космический гамма-телескоп Ферми, два гигантских пузыря гамма-излучения, охватывающих около 25000 световых лет поперек, были обнаружены в центре Млечный Путь. Эти пузыри излучение высоких энергий подозреваются в том, что они возникли в результате массивного черная дыра или свидетельство 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».[18]

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 активные галактики, их центральные черные дыры создаваемое гамма-излучение, обнаруженное LAT. Треть источников в других длинах волн не обнаружена.[17]

Наземные обсерватории гамма-излучения включают: HAWC, МАГИЯ, HESS, и ВЕРИТАС. 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.[19]

В 2020 году некоторые диаметры звезд были измерены с помощью гамма-излучения. интерферометрия интенсивности.[20]

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

  1. ^ Астрономическая литература обычно переносит слово «гамма-луч» в качестве прилагательного, но употребляет слово «гамма-луч» без дефиса для существительного.

Цитаты

  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 испускал "послесвечение" гамма-фотонов от распада недавно созданных радиоактивных кобальт-56 выброшен в космос в облаке взрывом.
    «Электромагнитный спектр - гамма-лучи». НАСА. Получено 14 ноября, 2010.
  5. ^ Carlino, 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 к источникам высокоэнергетического гамма-излучения с использованием нескольких мессенджеров: 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. Дои:10.1086/423931. Архивировано из оригинал (PDF) 23 июня 2013 г.
  8. ^ Криг, Уве (2008). Зигфрид Рёзер (ред.). Обзоры в Modern Astronomy: Cosmic Matter. 20. Вайли. п. 191. ISBN  978-3-527-40820-7.
  9. ^ а б Воган, Тим (9 мая 2012 г.). «Кремниевая призма искривляет гамма-лучи». PhysicsWorld.com.
  10. ^ Моррисон, Филип (март 1958). «О гамма-астрономии». Il Nuovo Cimento. 7 (6): 858–865. Bibcode:1958NCim .... 7..858M. Дои: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. Получено 14 ноября, 2010.
  13. ^ "Гамма-луч". Разъяснение науки. Получено 14 ноября, 2010.
  14. ^ 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. Дои:10.1086/190596. HDL:2060/19790005667.
  15. ^ «Обзор солнечных вспышек». НАСА. Получено 14 ноября, 2010.
  16. ^ а б c Figueiredo, N .; и другие. (Ноябрь 1990 г.). «Гамма-наблюдения SN 1987A». Revista Mexicana de Astronomía y Astrofísica. 21: 459–462. Bibcode:1990RMxAA..21..459F.
  17. ^ а б «Последняя перепись гамма-лучей, проведенная Ферми, высветила космические тайны». НАСА. 9 сентября 2011 г.. Получено 31 мая, 2015.
  18. ^ 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. Дои:10.1088 / 0004-637X / 724/2/1044.
    Агилар, Дэвид А. и Пуллиам, Кристина (9 ноября 2010 г.). «Астрономы нашли гигантскую, ранее невиданную структуру в нашей Галактике». Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики. Получено 14 ноября, 2010.
    Битти, Келли (11 ноября 2010 г.). "Почему Млечный Путь пускает пузыри?". Небо и телескоп. Получено 14 ноября, 2010.
  19. ^ «Самый большой из когда-либо опубликованных каталог источников гамма-излучения очень высоких энергий в Галактике» (Пресс-релиз). CNRS. Phys.org. 9 апреля 2018.
  20. ^ Ученые, занимающиеся гамма-излучением, «отрывают» интенсивную интерферометрию, модернизируют технологию с помощью цифровой электроники, телескопы большего размера и повышенную чувствительность

внешняя ссылка