Гамма-кванты – одна из составляющих космического излучения. Наземная гамма-астрономия, активно изучающая их, в настоящее время очень актуальная и активно развивающаяся область астрофизики.

Гамма-кванты являются нейтральными частицами, их траектории не искривляются в магнитных полях, и зарегистрированный гамма-квант почти напрямую указывает на источник. Исследования по всему миру на протяжении многих лет выявили, что существуют локализованные источники гамма излучения высоких энергий. Такими источниками являются активные ядра галактик, остатки взрывов сверхновых, центр нашей галактики и другие подобные объекты.

Исследования источников гамма-излучения дают крайне полезную информацию для астрофизики. Согласно современным астрофизическим моделям причин появления гамма-излучения несколько. В области низких энергий (от радио- до рентгеновского диапазона излучений) основным механизмом рождения гамма-квантов является синхротронное излучение заряженных частиц вблизи источника. В области высоких энергий (от диапазона гамма-излучения и выше) основным механизмом является взаимодействие космических лучей с реликтовыми или инфракрасными фотонами вблизи источника. Таким образом наблюдения спектра гамма-излучения позволяют понять физику их источников, а так же ряд других вопросов. Например, поиск и наблюдение источников гамма квантов высокой энергии — это один из ключевых способов изучения происхождения космических лучей.

Кроме наблюдения и изучения источников проводятся наблюдения диффузного космического гамма излучения высокой энергии. Они могут открыть путь к изучению возможных процессов с участием аксионов (аксион-фотонные переходы) и изучению возможного нарушения Лоренц-инвариантности.

Краткая история гамма-астрономии
explorer-11_flight
Эксплорер 11 на орбите в представлении художника. (Изображение с сайта НАСА)

Задолго до первых наблюдений было известно о том, что во Вселенной должны существовать фотоны очень больших энергий. Работа нескольких выдающихся учёных показала, что ряд процессов, происходящих во Вселенной, должна приводить к возникновению гамма-излучения. Эти процессы включают в себя взаимодействие космических лучей с межзвёздной средой, взрывы сверхновых и взаимодействие электронов высоких энергий с магнитными полями. К концу 60-х годов XX века была окончательно сформирована потенциальная возможность регистрации гамма-излучения, и начиная с того времени мы всё время ищем и исследуем его.

Большая часть гамма-квантов приходящих из космоса поглощаются атмосферой, поэтому гамма-астрономия не могла бы начать развиваться без возможности разместить детекторы как можно выше в атмосфере (на аэростатах) или вне неё (на борту космических аппаратов). Первый гамма телескоп запущенный на спутнике Эксплорер 11 в 1961 году зарегистрировал 22 гамма-кванта космического происхождения. Все зарегистрированные кванты прилетали со случайных направлений, образуя некий вид «фонового гамма-излучения». Такой фон можно было бы ожидать взаимодействия космических лучей с газом, находящимся между звёздами.

Первая регистрация значимого количества гамма-квантов из нашей галактики была осуществлена в 1967 году гамма детектором расположенным на борту спутника OSO-3. Так же этим детектором было обнаружен первый внегалактический источник гамма-излучения Скорпион X-1.

Дальнейшие крупные успехи в области гамма-астрономии связаны со спутниками SAS-2 (1972 год) и COS-B (1975-1982 годы). Данные с этих спутников подтвердили сделанные ранее выводы о фоне гамма-излучения, по ним была сделана первая подробная карта неба в гамма-диапазоне и обнаружен ряд точечных источников. Несмотря на эти успехи, низкое разрешение приборов не позволили идентифицировать большинство из этих источников с отдельными звёздами или звёздными системами.

Карта центра Галактики в диапазоне гамма-излучения сделанная по данным спутника COS-B. (Изображение с сайта НАСА)

Одно из наиболее эффектных открытий в области гамма-астрономии произошло в конце 1960-х — начале 1970-х во время военной орбитальной программы. Спутники серии Vela участвовавшие в этой программе были спроектированы для регистрации вспышек гамма-излучения от ядерных взрывов. Вскоре после начала работы спутники стали регистрировать мощные которкие вспышки гамма-излучения из дальнего космоса. Эти гамма-всплески могут длиться от долей секунды до нескольких минут, появляясь со случайных направлений, они мерцают быстро спадающим блеском на короткое время становясь одними из самых ярких источников гамма-излучения на небе. Это явление изучается уже более 30 лет при помощи приборов расположенных на различных космических спутниках и зондах, несмотря на это его природа до сих пор неизвестна.

vela5b_1
Спутник Vela 5B на орбите в представлении художника. (Изображение с сайта НАСА)

Гамма-всплески являются предметом одной из самых интенсивных дискуссий в современной астрофизике. Одни учёные утверждают, что всплески рождаются в галло нейтронных звёзд, окружающих нашу галактику, другие — что они имеют внегалактическое происхождение. Начало решения этой проблемы положили орбитальная обсерватория BeppoSAX и космический телескоп Хаббл в 1996 году, когда им удалось точно определить местонахождение гамма-всплеска в далёкой галактике.

В 1977 году НАСА анонсировала планы по созданию «Большой обсерватории» для задач гамма-астрономии. Обсерватория Комптон проектировалась в 1980-е с использованием современных достижений в области физики и техники детекторов, и была запущена в 1991 году. Обсерватория имела на борту четыре научных прибора, которые существенно улучшили пространственное и временное разрешение наблюдений гамма-излучения. Большое количество данных с этих приборов позволило значительно улучшить наше понимание высокоэнергетических процессов во Вселенной.

Дальнейшее изучение гамма-излучения на орбите продолжилось с запуском в 2004 году орбитальной обсерватории Swift, предназначенной для регистрации и изучения гамма-всплесков, и запуском в 2008 году обсерватории Fermi. Оба прибора в настоящее время работают на орбите и продолжают снабжать нас данными новых наблюдений.

Карта неба в диапазоне гамма-излучения высоких энергий, построенная по данным наблюдений обсерватории Fermi за пять лет. (Изображение взято с сайта НАСА)

Помимо космической программы значительный вклад в наше понимание Вселенной внести наземные гамма-обсерватории. Поток гамма-излучения в области очень высоких энергий быстро падает с ростом его энергии, поэтому для его эффективной регистрации необходимо использовать площади детекторов превышающие сотни квадратных метров, что является практически недостижимым для орбитальных приборов. В случае наземной регистрации атмосфера выступает в роли своего рода калориметра, где гамма-кванты высоких энергий вызывают процессы каскадного рождения вторичных частиц, так называемые широкие атмосферные ливни, которые в свою очередь излучают электромагнитное излучение в широком диапазоне частот и черенковское излучение.

first_iact_1953_photo
Фотография экспериментальной установки – первого атмосферного черенковского телескопа Гобрайта и Джелли, 1953 год. (Изображение взято с сайта ЦЕРН)

К созданию новой области науки – наземной гамма-астрономии привёл очень простой, но крайне амбициозный эксперимент. В 1948 году Патрик Блэкет, изучая свечение ночного неба и полярные сияния, обратил внимание на то, что часть регистрируемого света при его наблюдениях может быть черенковским излучением от вторичных частиц атмосферных ливней. В ходе своего визита Харвелла в 1952 году он встретился с Джоном Джелли и Вильямом Гобрайтом, которые в тот момент занимались изучением черенковского излучения в воде, и рассказал им о его оценках. Через короткое время они собрали очень простую экспериментальную установку, состоящую из 25 сантиметрового зеркала от военного сигнального прожектора времён Второй Мировой в фокусе которого располагался фотоэлектронный умножитель. Корпусом для этого первого атмосферного черенковского телескопа служил простой мусорный бак. Его поле зрения составляло около 12°. В ночь с 25 на 26 сентября 1952 года вскоре после начала работы телескоп начал регистрировать импульсы примерно каждые две минуты. Необходимо было теперь доказать, что эти импульсы связаны с атмосферными ливнями.

Джелли и Гобрайт были членами Харвеллской группы по изучению космических лучей, которая проводила измерения на большой установке, состоящей из 16 счётчиков Гейгера-Мюллера, предназначенной для исследования атмосферных ливней. В течении нескольких ночей измерений ими было доказано, что импульсы регистрируемые телескопом совпадают с сигналами регистрируемыми большой установкой. В ходе последующих методических измерений с альфа-источником было установлено, что они видят около трех фотонов с длиной волны от 300 до 500 нм в каждом квадратном сантиметре за одну вспышку черенковского света ливня. Таким образом родилась новая область науки – наземная гамма-астрономия.

whipple_10m
10 метровый атмосферный черенковский телескоп Обсерватории Уиппла – первый специализированный телескоп для наземной гамма-астрономии.

Начиная с 1950-х многие группы по всему миру пытались заниматься наземной гамма-астрономией. Об одной из наиболее успешных из них следует рассказать подробнее. В 1967 году в Обсерватории имени Уиппла на горе Хопкинса на высоте 2300 м над уровнем моря в американском штате Аризона Ждовани Фацио и его коллеги начали постройку первого специализированного телескопа для гамма-астрономии диаметром 10 м. Большой диаметр телескопа в месте с быстрыми фотоумножителями позволял достичь самой высокой чувствительности недостижимой ранее на подобных телескопах. Телескоп начал работу в 1968 году. Поначалу в фокальной плоскости находился только один умножитель, однако, вскоре стали использовать два, а потом камеру, состоящую из десяти фотоэлектронных умножителей, для одновременного наблюдения источника и фонового излучения.

В 1983 году на 10 метровый телескоп Обсерватории Уиппла вместо устаревшей камеры была установлена новая, из 37 фотоумножителей. В последующие годы научному коллективу Обсерватории удалось измерить сигнал от Крабовидной туманности с уровнем статистической значимости равным чуть менее 5σ. Однако, для полноценного подтверждения наличия сигнала этого было недостаточно.

В 1985 году Майкл Хиллас предложил использовать специальную параметризацию получаемых изображений в камере. Этот метод анализа стал ключевым веховым столбом во истории наземных атмосферных черенковских телескопов. Несколько позднее, в 1988 году, использование этого специального анализа позволило впервые наблюдать сигнал от Крабовидной туманности с уровнем статистической значимости 9σ. Это измерение начало новую эру в астрономии и с тех пор считается датой рождения наземной гамма-астрономии высоких энергий.

В настоящее время наблюдения проводятся на третьем поколении атмосферных черенковских телескопов. К нему относятся системы H.E.S.S., VERITAS (комплекс телескопов на базе 10 метрового телескопа Обсерватории Уипла), CANGAROO и MAGIC I+II. Так же уже много лет идёт разработка большого комплекса атмосферных черенковских телескопов нового поколения – комплекса CTA.

Карта известных источников гамма-излучения высоких энергий в галактических координатах. Фон карты – данные, полученные орбитальной обсерваторией Ферми. (Изображение взято с сайта TeVCat)