Zece ani de telescopul Fermi gamma. Partea I

Zece ani de telescopul Fermi gamma. Partea I

Boris Stern
ved. științifice. și colab. INR RAS, redactor șef al TrV-Science
"Opțiunea Trinității" №15 (259), 31 iulie 2018

Boris Stern

La 11 iunie 2008 a fost lansat telescopul gamma spațial Fermi. Apoi a fost numit altfel – GLAST (Gamma-ray Large Space Telescope), numele Enrico Fermi a primit instrumentul în luna august a aceluiași an. Pentru mine personal, aniversarea Fermi vine pe 4 august – a fost la 4 august 2008 la 15:43 primul quantum gamma care a apărut într-o bază de date accesibilă publicului (înainte de aceasta, instrumentul a înregistrat și quanta gamma în modul de depanare și calibrare).

Primul gama-quantum de la mai mult de un miliard de fotoni de energie înaltă, informații despre care oricine se poate familiariza în aproape fiecare parte locuită a globului unde există Internet. Autorul acestui articol preia datele Fermi la laptopul său din interes profesional, dar orice student sau elev poate face același lucru din curiozitate – nu este interesant cum să consideri Universul în raze gamma?

În general, gama-quanta sunt fotoni cu energii mai mari de o sută keV – regiunea caracteristică reacțiilor nucleare și de mai sus. În această notă, ne vom concentra pe fotoni de energie de peste 100 MeV, chiar mai probabil de peste 1 GeV, unde puteți măsura direcția de sosire a unui quantum gamma suficient de bine.Aceste energii sunt cele mai convenabile pentru astronomia gama.

Ce este Observatorul de raze gama Fermi?

Primul detector cosmic de gamma a fost instalat pe satelitul Explorer-11, care a intrat în orbita Pământului în aprilie 1961 [1]. A înregistrat 22 de raze gamma. Primele telescoape cu gama spațială SAS-2 și COS B au fost lansate în 1972 și, respectiv, 1975. În plus, au fost lansați mici detectoare de gamma pe sateliții de recunoaștere sovietici ai seriei Cosmos. Acestea au fost detectoare mici (zona maximă efectivă a COS B a fost de aproximativ 50 cm2), dar au văzut multe lucruri interesante – o galaxie în raze gamma, Nebuloasa de Crab, primele pulsare gamma, obiecte extragalactice, numite mai târziu Blazars. COS-B a lucrat mai mult (mai mult de 6 ani) și cu mai mult succes decât alții din gama-telescoape din prima generație.

Următorul pas a fost instrumentul EGRET la bordul observatorului gamma Compton, lansat în 1991. Acest detector avea o suprafață efectivă de aproximativ 1000 cm.2 – un ordin de mărime mai mare decât predecesorii săi. În consecință, el a dat un ordin de mărime mai multe rezultate. Catalogul său cuprinde 271 de surse, dintre care majoritatea sunt blazare, inclusiv cele care nu au fost identificate până atunci cu obiecte optice. A lucrat pentru EGRET timp de aproximativ 6 ani – apoi au apărut probleme cu gazul pentru camerele de scântei.

Telescopul cu raze gama de la bordul lui Fermi a făcut o altă ordine de mărime. Zona efectivă este de aproximativ un metru pătrat. Există deja mai mult de 3000 de surse în catalogul Fermi.

Telescopul în sine este denumit LAT – Telescopul cu suprafață mare, există un alt instrument semnificativ mai mic – GBM la bordul Fermi, care servește la înregistrarea exploziilor cu raze gama în intervalul zeci de sute de keV. Dacă telescoapele gamma anterioare au fost făcute pe baza camerelor cu scânteie de sârmă, atunci detectorul Fermi este semiconductor. Acest lucru, pe lângă o rezoluție spațială mai bună, sporește durata de viață: LAT a depășit deja EGRET pentru câțiva ani.

Poziția telescopului LAT

LAT este un detector tipic de quanta gamma, iar în experimente pe acceleratoare se folosesc instrumente realizate conform aceleiași ideologii. Detectorul rezolvă următoarele trei probleme.

1. Conversia gama-quantului la perechea de electroni-pozitivi. Aici aveți nevoie de material cu o încărcătură nucleară mare (probabilitatea de conversie este proporțională cu Z2), în acest caz se utilizează plăci de tungsten.

2. Măsurarea direcției de sosire a gamma-cuantumului. Născută pereche de e + e salvează direcția de mișcare a gamma-cuantumului cu precizia me/ Eγ, care pentru o energie de 1 GeV este de 0,03 grade. Dar totul strică dispersia multiplă în plăcile de tungsten.Pentru a restabili mai bine direcția, mai întâi sunt necesare detectoare de cale multistrat și, în al doilea rând, plăcile de tungsten ar trebui să fie cât mai subțiri posibil și straturile detectorilor de cale urmate de plăci ar trebui să fie cât mai mari posibil. Ca detectori de cale, benzile de siliciu sunt folosite, așezate în cruce în straturile adiacente.

3. Măsurarea energiei totale cuantice gamma. Datorită bremsstrahlung de electroni și pozitroni, o cascadă electromagnetică apare, care "fluffs" în timp ce progresează. Pentru a măsura energia gamma-cuantului inițial, este necesar să "colectăm" majoritatea particulelor de cascadă. Un sandwich din plăcile de tungsten și detectoarele de cale nu face acest lucru. Folosește o altă tehnologie – un calorimetru de scintilație. În acest caz, este un set de plăci dintr-un scintilator popular în fizica energiei înalte (singur cristal de iodură de cesiu).

Desigur, detectorul este înconjurat de protecție anti-coincidență pentru a distinge un quantum gamma de o particulă încărcată. Greutatea totală a LAT a fost de 2,7 tone.

În plus, pentru a face un detector, este necesar să se calibreze, adică să se învețe să se traducă răspunsul multor elemente în caracteristicile gamma-cuantumului inițial.Este foarte dificil să facem acest lucru experimental pe acceleratoare – avem nevoie de o tehnologie complexă de fotoni etichetați și nu este un fapt că există în cantitatea potrivită. De aceea, detectorul a fost calibrat folosind simularea Monte-Carlo: cascade electromagnetice de diferite energii au fost simulate în cantități mari împreună cu răspunsul instalației. Această tehnică este bine dezvoltată, dar nu perfectă, care a dus ulterior la unele probleme, care vor fi discutate mai jos.

Calibrarea instrumentului a continuat în timpul zborului. În acest caz, s-au folosit obiecte cu mai mult sau mai puțin cunoscute proprietăți. Datorită deschiderii datelor, cercetătorii care nu fac parte din colaborarea Fermi au participat la procesul de calibrare, unul dintre aceste exemple fiind discutat în următorul articol.

Energia declarată Fermi este de la 20 MeV la sute de GeV. De fapt, razele gamma sub 100 MeV sunt detectate slab și sunt utile numai în cazul înregistrării exploziilor de raze gama. La energii sub 300 MeV, este foarte dificil să reconstruim un spectru de surse discrete – este dificil să se izoleze un semnal dintr-un fundal difuz. La energii mai mari de 300 GeV, problemele încep cu determinarea energiei unui quantum gamma.Dar, în ansamblu, instrumentul este minunat, iar baza sa de date deschisă va servi mult timp ca sursă de rezultate noi interesante.

Cerul prin ochii lui "Fermi"

În fig. 1 – hartă în raze gama de energie de peste 1 GeV, acumulată de Fermi în primii 5 ani de funcționare. Harta a fost construită în coordonate galactice, astfel încât discul galactic strălucitor se îndreaptă spre centrul figurii. Principala contribuție la banda luminată provine din emisia de raze cosmice, de protoni de înaltă energie, care, atunci când se ciocnesc cu particule din mediul interstelar, produc particule noi, inclusiv gama-quanta. Există, de asemenea, surse compacte – în special pulsari gamma și rămășițe supernova tinere.

Fig. 1.

Cele mai strălucite dintre ele sunt Nebuloasa de Crab (nebuloasa și pulsarul care strălucește acolo) și pulsarul Vela-X gamma cu nebuloasa din jur. Fermi vede aproximativ o suta de sute de pulsari gamma si cateva zeci de nebuloase – resturi supernova. În plus, clustere de stele mari strălucește, există și surse necunoscute. Arcurile care se extind din planul galactic sunt aproape de cochiliile supernovelor care au explodat acum un milion de ani. Radiația gamma difuză a galaxiei se extinde mult dincolo de discul galactic,o parte din ei zboară din anti-centru galactic.

În plus față de radiațiile galactice difuze, există, de asemenea, extragalactic, izotrop. În ceea ce privește ce și în ce proporție se dezvoltă, există încă dispute. Vom reveni la această problemă de mai jos.

În cele din urmă, cele mai interesante din punctul de vedere al autorului acestui articol sunt pete luminoase împrăștiate în cer. Cele mai multe dintre aceste locuri sunt blazare, situate la sute de milioane și miliarde de ani lumină de la noi. Blazarii au fost discutate în ediția anterioară a științei TrV – recent, un flux neutrin a fost înregistrat de unul dintre ei – doar câteva piese, dar începutul necazului [2].

În fig. Figura 1 prezintă harta cerului procesat – culoarea reflectă numărul de canale gamma provenite din această zonă. De fapt, orice procesare, deși facilitează percepția, ascunde unele informații. Este interesant să arătăm imaginile originale, unde fiecare quantum gamma este reprezentat de un punct. Harta generală va fi "iluminată" dacă arătați fotoni cu energii mai mari de 1 GeV (există prea multe), prin urmare dăm o hartă a fotonilor cu energii mai mari de 6 GeV (figura 2).

Fig. 2. Harta cerului în quanta gamma a energiei este mai mare de 6 GeV. "Fermi bule" sunt vizibile – dovezi ale activității anterioare a nucleului galactic

El arată același plan galactic, aceleași blazare, dar "stâlpii" care merg în sus și în jos din centrul Galaxiei sunt mai vizibili. Acestea sunt faimoasele "bule Fermi" – urme ale activității nucleului galaxiei noastre, unde există o gaură neagră cu o masă de 4,7 milioane de mase solare.

Cu aproximativ 10 milioane de ani în urmă, nucleul galaxiei noastre funcționa, emițând jeturi. Protonii accelerați în aceste jeturi încă trăiesc în bule și emite quanta gamma atunci când interacționează cu particulele mediului interstelar.

Este interesant să te uiți chiar în centrul galaxiei. În fig. 3 regiuni centrale ± 10 grade în latitudine galactică. În centru, marcat cu o cruce, există o mică sursă compactă. Acesta este quasarul nostru de dormit, sursa de radio Sagetator A: există un fel de activitate acolo, poate că există un disc de accreție rarefiat.

Fig. 3. Pe axe – longitudine galactică și latitudine în grade

Cerul din razele gamma este impermanent: blazarii flash și ieși, uneori până la punctul de a deveni invizibili. În fig. 4 cruci marchează blazare din catalogul EGRET, care a funcționat din 1991 până în 1996. Dacă ar fi permanente, ar fi surse strălucitoare pe această hartă, dar jumătate dintre ele nu există deloc: ele au dispărut în ultimii ani, depășind pragul de vizibilitate.Dimpotrivă, există blazare strălucitoare pe care EGRET ar fi trebuit să le fi văzut, dar ele nu se află în catalogul său. Mai multe detalii despre variabilitatea blazarelor vor fi discutate în următorul articol.

Fig. 4. Surse din catalogul EGRET suprapuse pe harta Fermi a fotonilor de energie de peste 1 GeV

Gradina zoologica "Fermi"

Sursele de raze gama pe care le vede Fermi sunt colectate într-un catalog compilat din observații de patru ani. Acum se pregătește un catalog mai recent, poate că va fi un "jubil". În total, catalogul publicat conține trei și jumătate de mie de obiecte de douăzeci de același tip. În catalog nu există Soare și Lună, care sunt vizibile și în raze gama, dar nu au coordonate fixe. Exploziile cu raze gama sunt colectate într-un director separat.

Cele mai multe obiecte sunt "latitudine mare", adică se află departe de planul galactic și majoritatea sunt foarte departe – în miliarde de ani de lumină. Acestea sunt blazare de diferite tipuri, dintre care 1667, inclusiv cele ale căror tipuri nu pot fi determinate.

Blazar este una dintre manifestările găurilor negre supermassive care stau în centrele galaxiilor (nuclee galactice active). O gaură neagră devine activă atunci când o substanță din apropiere este trasă peste ea.Schema clasică a unor astfel de obiecte: discul de acumulare și jeturile de plasmă magnetizată de-a lungul axei de rotație a discului de acumulare și gaura neagră (aceste axe coincid).

Jet emite raze gamma într-un con destul de îngust, ca un fascicul de lumină reflectoare. Dacă intrăm în acest fascicul, vedem blazarul: o sursă foarte luminată a întregului spectru electromagnetic, unde radiația gamma, de regulă, domină în putere. Probabilitatea de a intra în fasciculul quasar este mai mică de o mie, din care se poate concluziona că există milioane de nuclee galactice active cu jeturi suficient de puternice în partea observabilă a Universului. În mai multe detalii despre blazar se va spune în următorul articol.

Miezuri active care nu sunt blazare, Fermi vede doar două duzini. Deși concentrația lor este de trei ordine de mărime mai mare, luminozitatea este mult mai mică decât faptul că numai cele mai apropiate obiecte sunt vizibile. Există încă aproximativ o mie de surse neclasificate, dintre care majoritatea sunt, de asemenea, blazare.

Galaxiile obișnuite (inactive) "Fermi" vede doar câteva piese. Acestea sunt nori magellanici și M31 – nebuloasa Andromeda, plus câteva altele, caracterizate prin formarea rapidă a stelelor.

Printre obiectele cu latitudine mică (în principal galactice), domină pulsarii. În 143 pulsari se observă impulsuri în domeniul gamma. Unele obiecte mai sunt conectate într-un fel cu pulsarii – acestea sunt cochilii supernova, explozia cărora a dat naștere la pulsari și valuri de șoc, formate din interacțiunea vântului pulsar cu mediul. Unele, cum ar fi Nebuloasa de Crab, sunt superpoziții ale celor trei componente. Pulsarul se limpezește foarte simplu: momentul sosirii fotonilor, astfel încât spectrele nebuloasei și pulsarului pot fi construite separat, deși nu sunt rezolvate de unghi.

Obiectele galactice mai rare: globulele globulare (15 bucăți), sistemele binare ale unei stele și un obiect compact (5 bucăți) și zonele de formare a stelelor intense.

În cele din urmă, Zoo Fermi include nu numai obiecte, ci și evenimente. Principalele sunt explozii de raze gama. O explozie de raze gama este ceva de genul unui blazar mic, care trăiește o secundă, zeci de secunde și ocazional sute de secunde. Un blazar de scurtă durată se formează în interiorul unei stele care se prăbușește: o gaură neagră formată în centru, un disc de acumulare superdense în jurul său și jeturi: o versiune redusă a nucleului galactic activ în spațiu (dar nu la putere).Straturile exterioare ale stelei "inițial" nu știu nimic "despre asta, dar jeturile în câteva secunde ard printr-o grosime de un milion de kilometri și izbucnesc. Dacă jeturile sunt orientate în direcția noastră, după miliarde de ani vedem o explozie de raze gama.

Inițial au fost văzute în gama soft gamma – sute de keV. Ulterior, EGRET și alți detectori au înregistrat o "coadă" de spectru care se extinde în regiunea GeV. Departe de toate izbucnirile au această coadă, dar într-un fel Fermi a pus fotoni de energie înaltă de la gama-bursts pe stream: cel mai recent catalog de gama-burstre conține 130 astfel de evenimente.

Printre alte evenimente, Fermi vede rachete solare și fenomene geofizice asociate radiației gamma în straturile superioare ale atmosferei pământului. Din păcate, nu avem suficient spațiu pentru a le acorda atenția cuvenită.

În următoarea parte a acestui articol, vom discuta despre date despre blazare, pe fond difuz extragalactic, despre explozii de raze gama și despre interpretarea lor fizică.


1. Observatoare de mare astrofizică pentru energie: Explorer-11

2. Stern B. Primul strigăt al astronomiei neutrinului // TrV-Science No. 258 din 17 iulie 2018, p. 1.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: