Sepuluh tahun teleskop gamma Fermi. Bahagian I

Sepuluh tahun teleskop gamma Fermi. Bahagian I

Boris Stern
Ved. saintifik sotr. INR RAS, ketua editor TrV-Science
"Trinity Option" №15 (259), 31 Julai, 2018

Boris Stern

Pada 11 Jun 2008, teleskop gamma ruang Fermi dilancarkan. Kemudian ia dipanggil secara berbeza – GLAST (Gamma-ray Space Telescope Area Besar), nama Enrico Fermi menerima alat pada bulan Ogos tahun yang sama. Bagi saya secara peribadi, ulang tahun Fermi datang pada 4 Ogos – pada 4 Ogos 2008 pada pukul 15:43 bahawa kuantum gamma pertama tiba, yang muncul dalam pangkalan data yang boleh diakses secara umum (sebelum itu, alat ini juga mencatatkan gamma quanta dalam mod debugging dan kalibrasi).

Kuantum gamma yang pertama dari lebih daripada satu bilion foton tenaga tinggi, maklumat mengenai mana-mana orang yang boleh membiasakan diri di hampir setiap tempat yang didiami di dunia di mana terdapat Internet. Penulis artikel ini memuat turun data Fermi ke komputer ribanya dari minat profesional, tetapi mana-mana pelajar atau anak sekolah boleh melakukan perkara yang sama dengan rasa ingin tahu – tidakkah menarik bagaimana untuk mempertimbangkan Alam semesta dalam sinar gamma?

Secara amnya, gamma-quanta adalah foton dengan tenaga di atas seratus keV – ciri rantau tindak balas nuklear dan ke atas. Dalam nota ini, kami akan memberi tumpuan kepada foton tenaga di atas 100 MeV, lebih tinggi lagi di atas 1 GeV, di mana anda boleh mengukur arah kedatangan kuantiti gamma dengan cukup baik.Ia adalah tenaga yang paling mudah untuk astronomi gamma.

Apakah fenomena sinar gamma Fermi?

Pengesan gamma kosmik yang pertama dipasang pada satelit Explorer-11, yang masuk ke orbit Bumi pada bulan April 1961 [1]. Dia mencatatkan 22 sinar gamma. Space teleskop gamma pertama SAS-2 dan COS B dilancarkan pada tahun 1972 dan 1975, masing-masing. Di samping itu, pengesan gamma kecil dilancarkan pada satelit peninjauan Soviet siri Cosmos. Ini adalah pengesan kecil (kawasan berkesan maksimum COS B adalah kira-kira 50 cm2), tetapi mereka melihat banyak perkara yang menarik – galaksi dalam sinar gamma, Nebula Ketam, pulsar gamma pertama, objek extragalactic, kemudian dipanggil Blazars. COS-B bekerja lebih lama (lebih daripada 6 tahun) dan lebih berjaya daripada yang lain dari gamma-teleskop generasi pertama.

Langkah seterusnya ialah alat EGRET yang melayari kompatori gamma Compton, yang dilancarkan pada tahun 1991. Pengesan ini mempunyai kawasan berkesan sekitar 1000 cm.2 – satu perintah magnitud lebih daripada yang terdahulu. Sehubungan itu, beliau memberi perintah lebih banyak hasil. Katalognya mengandungi 271 sumber, kebanyakannya adalah blazar, termasuk yang tidak dikenal pasti pada waktu itu dengan objek optik. Beliau bekerja untuk EGRET selama kira-kira 6 tahun – maka masalah dengan gas untuk bilik percikan bermula.

Teleskop sinar gamma di atas kapal Fermi melangkah satu lagi magnitud. Kawasannya yang berkesan ialah kira-kira satu meter persegi. Terdapat lebih daripada 3000 sumber dalam katalog Fermi.

Teleskop itu sendiri dipanggil LAT – Teleskop Kawasan Besar, terdapat satu lagi, alat yang jauh lebih kecil – GBM di atas kapal Fermi; ia berfungsi untuk mendedahkan letupan gamma dalam julat antara puluhan hingga ratusan keV. Sekiranya teleskop gamma sebelumnya dibuat berdasarkan ruang percikan wayar, maka pengesan Fermi adalah semikonduktor. Ini, sebagai tambahan kepada resolusi spasial yang lebih baik, meningkatkan hayat perkhidmatan: LAT telah melepasi EGRET selama beberapa tahun.

LAT teleskop susun atur

LAT adalah pengesan tipikal quanta gamma; dalam eksperimen pada pemecut, instrumen yang dibuat menurut ideologi yang sama digunakan. Pengesan menyelesaikan tiga masalah berikut.

1. Penukaran kuantum gamma kepada pasangan elektron-positron. Di sini anda perlu bahan dengan caj nuklear yang besar (kebarangkalian penukaran adalah berkadar dengan Z2), dalam hal ini plat tungsten digunakan.

2. Pengukuran arah ketibaan kuantum gamma. Pasangan yang lahir dari e + e- menjimatkan arah pergerakan kuantum gamma dengan ketepatan me/ Eγ, yang untuk tenaga 1 GeV ialah 0.03 darjah. Tetapi segala-galanya merosakkan pelbagai hamburan dalam plat tungsten.Untuk lebih tepat memulihkan arah, terlebih dahulu, pengesan trek multilayer diperlukan, dan kedua, plat tungsten sepatutnya nipis yang mungkin, dan melacak lapisan pengesan yang diselang dengan plat harus serendah mungkin. Jalur silikon dibentangkan dengan cara salib di lapisan bersebelahan yang digunakan sebagai pengesan trek.

3. Pengukuran tenaga kuantum total gamma. Oleh kerana elektron dan positron bremsstrahlung, litar elektromagnetik timbul, yang "mengembang" ketika ia berlangsung. Untuk mengukur tenaga kuantum gamma awal, adalah perlu untuk "mengumpul" sebahagian besar zarah lata. Sandwic dari plat tungsten dan pengesan trek tidak melakukan ini. Ia menggunakan teknologi lain – calorimeter penipisan. Dalam kes ini, ia adalah satu set plat dari scintillator yang popular dalam fizik tenaga tinggi (kristal tunggal daripada cesium iodide).

Sudah tentu, pengesan dikelilingi oleh perlindungan anti-kebetulan untuk membezakan kuantum gamma dari zarah yang dikenakan. Jumlah berat LAT ialah 2.7 tan.

Di samping itu, untuk membuat pengesan, diperlukan untuk menentukurnya, iaitu belajar bagaimana untuk menterjemahkan tindak balas dari banyak unsur ke dalam ciri-ciri kuantum gamma asli.Sangat sukar untuk melakukan eksperimen ini pada pemecut – anda memerlukan teknologi yang kompleks dari foton berlabel, dan itu bukan fakta bahawa ia wujud dalam jumlah yang betul. Oleh itu, pengesan telah dikalibrasi menggunakan simulasi Monte-Carlo: cascade elektromagnetik pelbagai tenaga telah disimulasikan dalam kuantiti yang besar bersama-sama dengan sambutan pemasangan. Teknik ini dibangunkan dengan baik, tetapi tidak sempurna, yang kemudiannya menghasilkan beberapa masalah, yang akan dibincangkan di bawah.

Penentukuran instrumen berterusan dalam penerbangan. Dalam kes ini, objek yang mempunyai sifat lebih atau kurang dikenali digunakan. Oleh kerana keterbukaan data, penyelidik yang bukan sebahagian daripada kerjasama Fermi mengambil bahagian dalam proses penentukuran, contohnya akan dibincangkan dalam artikel seterusnya.

Julat tenaga Fermi yang diisytiharkan adalah dari 20 MeV hingga beratus-ratus GeV. Sebenarnya, sinar gamma di bawah 100 MeV dikesan kurang dan hanya berguna dalam hal pendaftaran pecahan sinar gamma. Pada tenaga di bawah 300 MeV, sangat sukar untuk membina semula spektrum sumber diskret – sukar untuk mengasingkan isyarat dari latar belakang yang meresap. Pada tenaga di atas 300 GeV, masalah bermula dengan penentuan tenaga kuantum gamma.Tetapi secara keseluruhannya, alat itu indah, dan pangkalan data terbukanya akan berfungsi untuk masa yang lama sebagai sumber hasil baru yang menarik.

Langit melalui mata "Fermi"

Dalam ara. 1 – peta langit dalam sinaran gamma tenaga di atas 1 GeV, terkumpul oleh Fermi untuk 5 tahun pertama operasi. Peta itu dibina dalam koordinat galaksi, jadi cakera galaksi cerah berjalan di sepanjang pusat angka tersebut. Sumbangan utama kepada band cerah berasal dari pancaran sinar kosmik, proton tenaga tinggi, yang, apabila bertabrakan dengan zarah-zarah media interstellar, menghasilkan zarah-zarah baru, termasuk gamma-quanta. Terdapat juga sumber padat – terutamanya pulsar gamma dan sisa-sisa supernova muda.

Rajah. 1.

Yang paling terang dari mereka adalah Nebula Kepiting (nebula dan pulsar di dalamnya bersinar di sana) dan gamma pulsar Vela-X dengan nebula sekitarnya. Fermi melihat kira-kira satu setengah setengah pulsa gamma dan beberapa sedozen nebula – sisa-sisa supernova. Di samping itu, kelompok bintang besar bersinar, terdapat juga sumber yang tidak diketahui. Arka yang meluas dari pesawat galaksi adalah dekat dengan cengkerang supernova yang meletup sekitar sejuta tahun yang lalu. Radiasi gamma yang meresap galaksi meluas jauh melebihi cakera galaksi,sebahagian daripada bahagiannya terbang dari anti-pusat galaksi.

Sebagai tambahan kepada radiasi meresap galaksi, terdapat juga extragalactic, isotropic. Mengenai apa dan bagaimana perkadaran itu berkembang, masih ada perselisihan. Kami akan kembali ke isu ini di bawah.

Akhirnya, yang paling menarik dari sudut pandang pengarang artikel ini adalah bintik-bintik terang yang tersebar di seluruh langit. Kebanyakan tempat ini adalah blazar, yang terletak beratus juta dan berbilion tahun cahaya dari kami. The Blazars telah dibincangkan dalam isu TrV-Science sebelum ini – baru-baru ini satu fluks neutrino direkodkan dari salah satu daripada mereka – hanya beberapa kepingan, tetapi permulaan masalah [2].

Dalam ara. Rajah 1 menunjukkan peta langit yang diproses – warna mencerminkan bilangan gamma quanta yang datang dari kawasan ini. Malah, apa-apa pemprosesan, walaupun ia memudahkan persepsi, tetapi menyembunyikan beberapa maklumat. Ia menarik untuk menunjukkan imej asal, di mana setiap kuantum gamma diwakili oleh titik. Peta umum akan "diterangi" jika anda menunjukkan foton dengan tenaga di atas 1 GeV (terdapat terlalu banyak daripada mereka), oleh itu kami memberi peta foton dengan tenaga di atas 6 GeV (Rajah 2).

Rajah. 2 Peta langit dalam gamma quanta tenaga adalah di atas 6 GeV. "Gelembung Fermi" dapat dilihat – bukti mengenai aktiviti bekas nukleus galaksi

Ia menunjukkan satah galaksi yang sama, yang sama blazars, tetapi "tiang" yang naik dan turun dari pusat Galaxy lebih jelas kelihatan. Ini adalah "gelembung Fermi" yang terkenal – jejak aktiviti nukleus galaksi kita, di mana terdapat lubang hitam dengan massa sebanyak 4.7 juta massa solar.

Kira-kira 10 juta tahun yang lalu, teras galaksi kami bekerja, mengeluarkan jet. Proton dipercepat dalam jet ini masih hidup dalam gelembung dan mengeluarkan gamma quanta apabila berinteraksi dengan zarah-zarah media interstellar.

Sangat menarik untuk melihat pusat galaksi yang sangat. Dalam ara. 3 kawasan pusat ± 10 darjah dalam latitud galaksi. Di pusat, ditandakan dengan salib, terdapat sumber padat kecil. Ini adalah "quasar tidur" kami, sumber radio Sagittarius A: terdapat beberapa jenis aktiviti di sana, mungkin terdapat cakera akrilik jarang.

Rajah. 3 Sepanjang paksi – bujur galaksi dan latitud dalam darjah

Langit dalam sinar gamma adalah tidak kekal: blazar kilat dan keluar, kadang-kadang supaya mereka menjadi tidak kelihatan secara umum. Dalam ara. 4 melintasi tanda blazar dari katalog EGRET, yang bekerja dari tahun 1991 hingga 1996. Jika mereka kekal, mereka akan menjadi sumber yang terang di peta ini, tetapi separuh daripada mereka tidak wujud sama sekali: mereka telah memudar sejak tahun-tahun yang lalu, setelah melampaui ambang penglihatan.Sebaliknya, terdapat kegilaan terang yang seharusnya dilihat oleh EGRET, tetapi mereka tidak dalam katalognya. Lebih terperinci tentang kebolehubahan blazar akan dibincangkan dalam artikel seterusnya.

Rajah. 4 Sumber dari katalog EGRET ditumpangkan pada peta Fermi foton tenaga di atas 1 GeV

Zoo "Fermi"

Sumber sinar gamma yang dilihat oleh Fermi dikumpulkan dalam katalog yang dikumpulkan dari pemerhatian empat tahun. Sekarang katalog yang lebih baru mungkin sedang disediakan, mungkin ia akan menjadi "jubili". Secara keseluruhan, katalog yang diterbitkan mengandungi tiga dan setengah ribu objek dari dua puluh jenis yang sama. Di dalam katalog tidak terdapat Sun dan Moon, yang juga kelihatan jelas dalam sinar gamma, tetapi tidak mempunyai koordinat tetap. Pucuk sinar gamma dikumpulkan dalam direktori berasingan.

Kebanyakan objek adalah "latitud tinggi", iaitu, mereka terletak jauh dari pesawat galaksi dan kebanyakannya sangat jauh – dalam berbilion tahun cahaya. Ini adalah blazar pelbagai jenis, 1667 daripadanya, termasuk yang jenisnya tidak dapat ditentukan.

Blazar adalah salah satu manifestasi lubang hitam supermasepak yang terletak di pusat galaksi (galaksi aktif nukleus). Lubang hitam menjadi aktif apabila bahan berdekatan ditarik ke atasnya.Skema klasik objek tersebut: cakera akretion dan jet plasma magnet di sepanjang paksi putaran cakera akretion dan lubang hitam (paksi ini bertepatan).

Jet mengeluarkan sinar gamma dalam kerucut yang agak sempit, seperti pancaran sinar. Jika kita masuk ke dalam rasuk ini, kita melihat blazar: satu sumber spektrum elektromagnetik yang sangat terang, di mana radiasi gamma, sebagai peraturan, menguasai kuasa. Kebarangkalian masuk ke dalam balok quasar adalah kurang daripada seperseribu, yang mana dapat disimpulkan bahawa ada jutaan nukleus galaksi aktif dengan jet yang cukup kuat di bahagian yang dapat dilihat di Semesta. Lebih terperinci tentang blazari ia akan diberitahu dalam artikel berikut.

Teras aktif yang tidak blazar, Fermi melihat hanya dua dozen. Walaupun konsentrasi mereka adalah tiga pesanan magnitud yang lebih tinggi, kilauannya jauh lebih kecil sehingga objek terdekat hanya dapat dilihat. Masih ada kira-kira seribu sumber yang tidak dikelaskan, yang kebanyakannya kemungkinan besar adalah juga kekacauan.

Galaksi biasa (tidak aktif) "Fermi" hanya melihat beberapa keping. Ini adalah Awan Magellan dan M31 – Andromeda Nebula, ditambah beberapa yang lain, dicirikan oleh pembentukan pesat bintang.

Antara objek rendah (terutamanya galaksi), pulsar menguasai. Dalam 143 pulsar kelihatan denyut dalam jarak gamma. Sesetengah benda lain entah bagaimana dihubungkan dengan pulsar – ini adalah kerang supernova, letupan yang menimbulkan pulsar dan gelombang kejutan, terbentuk daripada interaksi angin pulsar dengan alam sekitar. Ada, seperti Nebula Ketam, adalah superposisi semua tiga komponen. Pulsar menonjol agak sederhana: masa ketibaan foton, jadi spektrum nebula dan pulsar boleh dibina secara berasingan, walaupun mereka tidak dapat diselesaikan oleh sudut.

Objek galaksi yang lebih jarang: kelompok globular (15 keping), sistem binari bintang dan objek padat (5 keping) dan bidang pembentukan bintang yang sengit.

Akhirnya, Zoo Fermi bukan sahaja meliputi objek, tetapi juga peristiwa. Yang utama adalah pecah sinar gamma. Pucuk sinar gamma adalah seperti blazar kecil, hidup selama puluhan detik, dan kadang-kadang beratus-ratus detik. Bentuk blazar yang tinggal pendek di dalam bintang yang runtuh: lubang hitam yang terbentuk di tengah, cakera aksion superdense di sekelilingnya dan jet: versi berkurang daripada nukleus galaksi aktif dalam ruang (tetapi tidak berkuasa).Lapisan luar bintang pada mulanya "tidak tahu apa-apa" tentang ini, tetapi jet dalam beberapa saat membakar melalui ketebalan satu juta kilometer dan keluar. Sekiranya jet berorientasikan arah kami, selepas berbilion tahun kita melihat pecah gamma.

Pada mulanya mereka dilihat dalam jarak gamma lembut – beratus-ratus keV. Kemudian, EGRET dan pengesan lain mencatatkan spektrum "ekor" yang memanjangkan ke kawasan GeV. Jauh dari semua pecah mempunyai ekor ini, tetapi entah bagaimana Fermi meletakkan foton tenaga tinggi dari pecahan gamma ke aliran: katalog terbaru gamma-bursts mengandungi 130 peristiwa sedemikian.

Antara peristiwa lain, Fermi melihat sinar surya dan fenomena geofisika yang berkaitan dengan radiasi gamma di lapisan atas atmosfer bumi. Malangnya, kami tidak mempunyai ruang yang cukup untuk memberi mereka perhatian.

Di bahagian seterusnya artikel ini, kita akan membincangkan data tentang blazars, pada latar belakang penyebaran extragalactic, pada pecahan sinar gamma, dan penafsiran fizikal mereka.


1. Astrofisika Tenaga Tinggi Observatories: Explorer-11

2. Stern B. Shout Pertama Neutrino Astronomy // TrV-Science No. 258 dari 17 Julai 2018, ms. 1.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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