Гамма-астрономия — это раздел астрономии , в котором ученые наблюдают и изучают небесные объекты и явления в космическом пространстве , которые испускают космическое электромагнитное излучение в форме гамма-лучей , [nb 1] т. е. фотонов с самыми высокими энергиями (выше 100 кэВ ) на самых коротких длинах волн. Излучение ниже 100 кэВ классифицируется как рентгеновское излучение и является предметом рентгеновской астрономии .
В большинстве случаев гамма-лучи от солнечных вспышек и атмосферы Земли попадают в диапазон МэВ, но теперь известно, что солнечные вспышки также могут производить гамма-лучи в диапазоне ГэВ, вопреки предыдущим представлениям. Большая часть обнаруженного гамма-излучения возникает в результате столкновений между водородным газом и космическими лучами в нашей галактике . Эти гамма-лучи, возникающие в результате различных механизмов, таких как электронно-позитронная аннигиляция , обратный эффект Комптона и в некоторых случаях гамма-распад , [2] происходят в областях экстремальной температуры, плотности и магнитных полей, отражая бурные астрофизические процессы, такие как распад нейтральных пионов . Они дают представление об экстремальных событиях, таких как сверхновые , гиперновые и поведение материи в таких средах, как пульсары и блазары . Было идентифицировано огромное количество систем гамма-излучения высокой энергии, таких как черные дыры , звездные короны , нейтронные звезды , белые карлики, остатки сверхновых, скопления галактик, включая Крабовидную туманность и пульсар Вела (самый мощный источник на сегодняшний день), наряду с общим диффузным фоном гамма-излучения вдоль плоскости галактики Млечный Путь . Космическое излучение с самой высокой энергией запускает каскады электрон-фотонов в атмосфере, в то время как гамма-излучение с более низкой энергией обнаруживается только над ней. Гамма-всплески , такие как GRB 190114C , представляют собой кратковременные явления, бросающие вызов нашему пониманию астрофизических процессов высокой энергии , длительностью от микросекунд до нескольких сотен секунд.
Гамма-лучи трудно обнаружить из-за их высокой энергии и их блокировки атмосферой Земли, что требует детекторов на воздушных шарах и искусственных спутников в космосе. Ранние эксперименты в 1950-х и 1960-х годах использовали воздушные шары для переноса инструментов для доступа к высотам, где атмосферное поглощение гамма-лучей низкое, за которыми последовал запуск первых спутников гамма-излучения: SAS 2 (1972) и COS-B (1975). Это были оборонные спутники, изначально разработанные для обнаружения гамма-излучения от секретных ядерных испытаний, но, к счастью, они обнаружили загадочные гамма-всплески, исходящие из глубокого космоса. В 1970-х годах спутниковые обсерватории обнаружили несколько источников гамма-излучения, среди которых очень сильный источник под названием Геминга был позже идентифицирован как пульсар в непосредственной близости. Обсерватория гамма-излучения Комптона (запущенная в 1991 году) обнаружила многочисленные источники гамма-излучения в космосе. Сегодня как наземные обсерватории, такие как массив VERITAS , так и космические телескопы, такие как Fermi Gamma-ray Space Telescope (запущен в 2008 году), вносят значительный вклад в гамма-астрономию. Эта междисциплинарная область включает сотрудничество между физиками, астрофизиками и инженерами в таких проектах, как High Energy Stereoscopic System (HESS), которая исследует экстремальные астрофизические среды, такие как окрестности черных дыр в активных ядрах галактик .
Изучение гамма-лучей дает ценную информацию об экстремальных астрофизических средах, как это наблюдалось в обсерватории HESS. Текущие исследования направлены на расширение нашего понимания источников гамма-лучей, таких как блазары, и их значения для космологии. Поскольку гамма-лучи ГэВ важны для изучения внесолнечной и особенно внегалактической астрономии, новые наблюдения могут усложнить некоторые предыдущие модели и выводы. [3] [4]
Будущие разработки в области гамма-астрономии будут интегрировать данные из гравитационно-волновых и нейтринных обсерваторий ( многоканальная астрономия ), обогащая наше понимание космических событий, таких как слияния нейтронных звезд. Технологические достижения, включая усовершенствованные конструкции зеркал , улучшенные технологии камер , улучшенные системы запуска, более быструю электронику считывания , высокопроизводительные детекторы фотонов, такие как кремниевые фотоумножители (SiPM), наряду с инновационными алгоритмами обработки данных, такими как методы временной маркировки и методы реконструкции событий , улучшат пространственное и временное разрешение . Алгоритмы машинного обучения и аналитика больших данных будут способствовать извлечению значимых идей из обширных наборов данных, что приведет к открытию новых источников гамма-излучения, идентификации конкретных сигнатур гамма-излучения и улучшению моделирования механизмов гамма-излучения. Будущие миссии могут включать космические телескопы и лунные гамма-обсерватории (использующие отсутствие атмосферы Луны и стабильную среду для длительных наблюдений), что позволит проводить наблюдения в ранее недоступных регионах . Планируется, что наземный проект Cherenkov Telescope Array , гамма-обсерватория следующего поколения, которая будет включать в себя многие из этих усовершенствований и будет в десять раз чувствительнее, будет полностью введен в эксплуатацию к 2025 году. [5]
Задолго до того, как эксперименты смогли обнаружить гамма-лучи, испускаемые космическими источниками, ученые знали, что Вселенная должна их производить. Работы Юджина Финберга и Генри Примакова в 1948 году, Сачио Хаякавы и И. Б. Хатчинсона в 1952 году и, особенно, Филипа Моррисона в 1958 году [6] привели ученых к мысли, что ряд различных процессов, происходящих во Вселенной, могут привести к излучению гамма-лучей. Эти процессы включали взаимодействие космических лучей с межзвездным газом , взрывы сверхновых и взаимодействие энергичных электронов с магнитными полями . Однако только в 1960-х годах у нас появилась возможность фактически обнаруживать эти излучения. [7]
Большинство гамма-лучей, приходящих из космоса, поглощаются атмосферой Земли, поэтому гамма-астрономия не могла развиваться, пока не стало возможным получить детекторы над всей или большей частью атмосферы с помощью воздушных шаров и космических аппаратов. Первый гамма-телескоп, выведенный на орбиту на спутнике Explorer 11 в 1961 году, уловил менее 100 космических гамма-фотонов. Казалось, что они исходят со всех направлений во Вселенной, что подразумевает 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 посредством объединения нейтрона и протона; в солнечной вспышке нейтроны появляются как вторичные частицы от взаимодействия высокоэнергетических ионов, ускоренных в процессе вспышки. Эти первые наблюдения гамма-линий были получены от OSO 3 , OSO 7 и Solar Maximum Mission , последний из которых был запущен в 1980 году. Солнечные наблюдения вдохновили на теоретические работы Реувена Рамати и других. [8]
Значительное гамма-излучение из нашей галактики было впервые обнаружено в 1967 году [9] детектором на борту спутника OSO 3. Он обнаружил 621 событие, приписываемое космическим гамма-лучам. Однако область гамма-астрономии сделала большой скачок вперед со спутниками SAS-2 (1972) и Cos-B (1975–1982). Эти два спутника предоставили захватывающий вид на высокоэнергетическую вселенную (иногда называемую «жестокой» вселенной, потому что типы событий в космосе, которые производят гамма-лучи, как правило, представляют собой высокоскоростные столкновения и подобные процессы). Они подтвердили более ранние выводы о гамма-фоне, создали первую подробную карту неба на длинах волн гамма-излучения 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 произошло в конце 1960-х и начале 1970-х годов на созвездии военных оборонных спутников. Детекторы на борту спутников серии Vela , разработанные для обнаружения вспышек гамма-лучей от взрывов ядерных бомб, начали регистрировать всплески гамма-лучей из глубокого космоса, а не из окрестностей Земли. Позднее детекторы определили, что эти гамма-всплески длятся от долей секунды до минут, внезапно появляясь с неожиданных направлений, мерцая, а затем затухая после кратковременного доминирования на небе гамма-лучей. Изучаемые с середины 1980-х годов с помощью инструментов на борту различных спутников и космических зондов, включая советский космический аппарат Venera и Pioneer Venus Orbiter , источники этих загадочных высокоэнергетических вспышек остаются загадкой. Судя по всему, они прилетают из далеких уголков Вселенной, и в настоящее время наиболее вероятной теорией представляется то, что по крайней мере некоторые из них возникают в результате так называемых взрывов гиперновых — сверхновых, создающих черные дыры, а не нейтронные звезды .
Ядерные гамма-лучи наблюдались во время солнечных вспышек 4 и 7 августа 1972 года и 22 ноября 1977 года. [10] Солнечная вспышка — это взрыв в солнечной атмосфере, который первоначально был визуально обнаружен на Солнце . Солнечные вспышки создают огромное количество излучения во всем электромагнитном спектре от самой длинной волны, радиоволн , до гамма-лучей высокой энергии. Корреляции высокоэнергетических электронов, возбужденных во время вспышки, и гамма-лучей в основном вызваны ядерными комбинациями высокоэнергетических протонов и других более тяжелых ионов. Эти гамма-лучи можно наблюдать, и они позволяют ученым определять основные результаты высвобождаемой энергии, которая не обеспечивается излучением других длин волн. [11]
См. также Magnetar#1979 обнаружение мягкого гамма-повторителя .
Наблюдение гамма-лучей впервые стало возможным в 1960-х годах. Их наблюдение гораздо более проблематично, чем наблюдение рентгеновских лучей или видимого света, поскольку гамма-лучи сравнительно редки, даже «яркий» источник требует времени наблюдения в несколько минут, прежде чем его вообще обнаружат, и поскольку гамма-лучи трудно сфокусировать, что приводит к очень низкому разрешению. Самое последнее поколение гамма-телескопов (2000-е годы) имеет разрешение порядка 6 угловых минут в диапазоне ГэВ (видя Крабовидную туманность как один «пиксель»), по сравнению с 0,5 угловых секунд, наблюдаемых в диапазоне рентгеновских лучей низкой энергии (1 кэВ) рентгеновской обсерваторией Чандра (1999), и около 1,5 угловых минут в диапазоне рентгеновских лучей высокой энергии (100 кэВ), наблюдаемом телескопом High-Energy Focusing Telescope (2005).
Очень энергичные гамма-лучи 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 производят обширные ливни вторичных частиц в атмосфере, которые можно наблюдать на земле как напрямую с помощью счетчиков излучения, так и оптически через черенковский свет , который испускают ультрарелятивистские частицы ливня. Методика Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope в настоящее время достигает наивысшей чувствительности.
Гамма-излучение в диапазоне ТэВ, исходящее от Крабовидной туманности, было впервые обнаружено в 1989 году обсерваторией Фреда Лоуренса Уиппла в Маунт-Хопкинс , в Аризоне , США. Современные эксперименты с черенковскими телескопами, такие как HESS , VERITAS , MAGIC и CANGAROO III, могут обнаружить Крабовидную туманность за несколько минут. Наиболее энергичные фотоны (до 16 ТэВ ), наблюдаемые от внегалактического объекта, исходят от блазара Маркарян 501 (Mrk 501). Эти измерения были выполнены воздушными черенковскими телескопами High-Energy-Gamma-Ray Astronomy ( HEGRA ) .
Наблюдения гамма-астрономии по-прежнему ограничены фоном не-гамма-излучения при более низких энергиях, а при более высоких энергиях — числом фотонов, которые можно обнаружить. Детекторы большей площади и лучшее подавление фона имеют важное значение для прогресса в этой области. [12] Открытие 2012 года может позволить фокусировать гамма-телескопы. [13] При энергии фотонов более 700 кэВ показатель преломления снова начинает увеличиваться. [13]
19 июня 1988 года из Биригуи (50° 20' з.д., 21° 20' ю.ш.) в 10:15 UTC был запущен воздушный шар, на борту которого находились два детектора NaI(Tl) (600 см2 общей площади) до высоты давления воздуха 5,5 мб для общего времени наблюдения 6 часов. [ 14] Сверхновая SN1987A в Большом Магеллановом Облаке (БМО) была открыта 23 февраля 1987 года, а ее предшественник, Сандулек -69 202 , был голубым сверхгигантом со светимостью 2-5 × 1038 эрг/с. [14] Были обнаруженылинии гамма-излучения 847 кэВ и 1238 кэВ от распада 56 Co. [14]
В ходе своей программы High Energy Astronomy Observatory в 1977 году NASA объявило о планах по строительству «великой обсерватории» для гамма-астрономии. Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) была разработана для использования основных достижений в технологии детекторов в 1980-х годах и была запущена в 1991 году. Спутник нес четыре основных инструмента, которые значительно улучшили пространственное и временное разрешение наблюдений гамма-излучения. CGRO предоставил большой объем данных, которые используются для улучшения нашего понимания высокоэнергетических процессов во Вселенной. CGRO был выведен с орбиты в июне 2000 года в результате отказа одного из его стабилизирующих гироскопов .
BeppoSAX был запущен в 1996 году и сведен с орбиты в 2003 году. Он в основном изучал рентгеновские лучи, но также наблюдал гамма-всплески. Определив первые негамма-аналоги гамма-всплесков, он открыл путь для точного определения их положения и оптического наблюдения их затухающих остатков в далеких галактиках.
Космический аппарат High Energy Transient Explorer 2 (HETE-2) был запущен в октябре 2000 года (номинально на двухлетнюю миссию) и по состоянию на март 2007 года все еще функционировал (но его эффективность снижалась). Миссия HETE-2 завершилась в марте 2008 года.
Swift , космический аппарат NASA, был запущен в 2004 году и несет на борту прибор BAT для наблюдения за гамма-всплесками. После BeppoSAX и HETE-2 он наблюдал многочисленные рентгеновские и оптические аналоги всплесков, что привело к определению расстояний и детальному оптическому наблюдению. Они установили, что большинство всплесков возникают в результате взрывов массивных звезд ( сверхновых и гиперновых ) в далеких галактиках. По состоянию на 2021 год Swift остается работоспособным. [16]
В настоящее время (другими) основными космическими гамма-обсерваториями являются INTEGRAL (Международная гамма-астрофизическая лаборатория), Fermi и AGILE (Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero).
В ноябре 2010 года с помощью космического гамма-телескопа Ферми в центре Млечного Пути были обнаружены два гигантских пузыря гамма-излучения, охватывающих около 25 000 световых лет в поперечнике. Предполагается, что эти пузыри высокоэнергетического излучения вырываются из массивной черной дыры или являются свидетельством вспышки звездообразования миллионы лет назад. Они были обнаружены после того, как ученые отфильтровали «туман фонового гамма-излучения, заполняющего небо». Это открытие подтвердило предыдущие подсказки о том, что в центре Млечного Пути находится большая неизвестная «структура». [17]
В 2011 году команда Fermi опубликовала свой второй каталог источников гамма-излучения, обнаруженных телескопом Large Area Telescope (LAT) спутника, который составил список из 1873 объектов, излучающих самую высокоэнергетическую форму света. 57% источников — блазары . Более половины источников — активные галактики , их центральные черные дыры создают гамма-излучение, обнаруженное LAT. Треть источников не была обнаружена в других длинах волн. [15]
Наземные гамма-обсерватории включают HAWC , MAGIC , HESS и VERITAS . Наземные обсерватории исследуют более высокий энергетический диапазон, чем космические обсерватории, поскольку их эффективные площади могут быть на много порядков больше, чем у спутника.
В апреле 2018 года был опубликован крупнейший на сегодняшний день каталог источников высокоэнергетического гамма-излучения в космосе. [18]
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 петаэлектронвольт (квадриллион электронвольт или ПэВ), включая один с энергией 1,4 ПэВ, самый высокоэнергетический фотон, когда-либо наблюдавшийся. Авторы отчета назвали источники этих гамма-лучей ПэВ ПэВатронами. [ необходима цитата ]
Астрономы, использующие телескоп Gemini South, расположенный в Чили, наблюдали вспышку от гамма-всплеска, идентифицированного как GRB221009A , 14 октября 2022 года. Гамма-всплески являются самыми энергичными вспышками света, известными во Вселенной. Ученые НАСА подсчитали, что всплеск произошел в точке, удаленной на 2,4 миллиарда световых лет от Земли. Гамма-всплеск произошел, когда некоторые гигантские звезды взорвались в конце своей жизни, прежде чем коллапсировать в черные дыры, в направлении созвездия Стрелы . Было подсчитано, что всплеск высвободил до 18 тераэлектронвольт энергии или даже возможный ТэВ в 251. Казалось, что GRB221009A был длинным гамма-всплеском, возможно, вызванным взрывом сверхновой. [19] [20]
