Гамма-астрономия — это астрономические наблюдения гамма -лучей , [nb 1] наиболее энергичной формы электромагнитного излучения с энергией фотонов выше 100 кэВ . Излучение ниже 100 кэВ классифицируется как рентгеновское излучение и является предметом рентгеновской астрономии .
В большинстве известных случаев гамма-лучи от солнечных вспышек и атмосферы Земли генерируются в МэВ-диапазоне, но сейчас известно, что гамма-лучи в ГэВ-диапазоне могут генерироваться и солнечными вспышками. Считалось, что гамма-лучи в диапазоне ГэВ не возникают в Солнечной системе . Поскольку гамма-лучи ГэВ важны для изучения внесолнечной и особенно внегалактической астрономии, новые наблюдения могут усложнить некоторые предыдущие модели и результаты. [2] [3]
Механизмы испускания гамма-лучей разнообразны, в основном идентичны механизмам испускания рентгеновских лучей, но при более высоких энергиях, включая электрон-позитронную аннигиляцию , обратный эффект Комптона , а в некоторых случаях также распад радиоактивного материала (гамма-распад) в космосе [4] . ] отражающие экстремальные события, такие как сверхновые и гиперновые , а также поведение материи в экстремальных условиях, таких как пульсары и блазары .
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 [5] привели учёных к убеждению, что ряд различных процессов, происходящих во Вселенной, приведут к образованию гамма-излучения. -лучевое излучение. Эти процессы включали взаимодействие космических лучей с межзвездным газом , взрывы сверхновых и взаимодействие энергичных электронов с магнитными полями . Однако только в 1960-х годах мы смогли реально обнаружить эти выбросы. [6]
Большая часть 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 с помощью воздушных шаров и космических кораблей. Первый гамма-телескоп, выведенный на орбиту на спутнике «Эксплорер-11» в 1961 году, уловил менее 100 космических гамма-фотонов. Казалось, они приходили со всех сторон Вселенной, что подразумевало 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 с энергией 2,223 МэВ, предсказанную Моррисоном. Эта линия возникает в результате образования дейтерия в результате соединения 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 проведены с помощью OSO 3 , OSO 7 и Solar Maximum Mission , последнего космического корабля, запущенного в 1980 году. Солнечные наблюдения вдохновили Реувена Рамати и других на теоретические работы. [7]
Значительное гамма-излучение нашей галактики было впервые обнаружено в 1967 году [8] детектором на борту спутника ОСО-3 . Он обнаружил 621 событие, связанное с космическими гамма-лучами. Однако область гамма-астрономии сделала большой шаг вперед со спутниками SAS-2 (1972 г.) и Cos-B (1975–1982 гг.). Эти два спутника предоставили захватывающий вид на Вселенную с высокими энергиями (иногда называемую «жестокой» Вселенной, поскольку те виды событий в космосе, которые производят гамма-лучи, обычно представляют собой высокоскоростные столкновения и подобные процессы). Они подтвердили более ранние выводы о гамма-фоне, составили первую подробную карту неба в длинах волн гамма-излучения и обнаружили ряд точечных источников. Однако разрешения инструментов было недостаточно, чтобы идентифицировать большинство этих точечных источников с конкретными видимыми звездами или звездными системами.
Открытие в области гамма-астрономии было сделано в конце 1960-х и начале 1970-х годов благодаря созвездию военных оборонительных спутников. Детекторы на борту спутников серии Vela , предназначенных для обнаружения вспышек гамма-лучей от взрывов ядерных бомб, начали регистрировать всплески гамма-лучей из глубокого космоса, а не из окрестностей Земли. Более поздние детекторы определили, что эти гамма-всплески длятся от долей секунды до минут, появляются внезапно с неожиданных направлений, мерцают, а затем затухают после кратковременного доминирования на гамма-небе. Источники этих загадочных высокоэнергетических вспышек, изучаемые с середины 1980-х годов с помощью приборов на борту различных спутников и космических зондов, включая советский космический корабль «Венера» и орбитальный аппарат «Пионер Венеры» , остаются загадкой. Похоже, они приходят издалека во Вселенной, и в настоящее время наиболее вероятной теорией является 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 г. и 22 ноября 1977 г. [9] Солнечная вспышка представляет собой взрыв в солнечной атмосфере и первоначально была обнаружена визуально на Солнце . Солнечные вспышки создают огромное количество радиации во всем электромагнитном спектре: от самых длинноволновых радиоволн до высокоэнергетических гамма-лучей. Корреляции электронов высокой энергии, возбужденных во время вспышки, и гамма-лучей в основном вызваны ядерными комбинациями протонов высокой энергии и других более тяжелых ионов. Эти гамма-лучи можно наблюдать и позволяют ученым определить основные результаты высвобождения энергии, которая не обеспечивается излучением других длин волн. [10]
См. также Magnetar#1979: обнаружение мягкого гамма-ретранслятора .
Наблюдение гамма-лучей впервые стало возможным в 1960-х годах. Их наблюдение гораздо более проблематично, чем наблюдение рентгеновских лучей или видимого света, потому что гамма-лучи сравнительно редки, даже «яркий» источник требует времени наблюдения в несколько минут, прежде чем он даже будет обнаружен, и потому что гамма-лучи трудны для наблюдения. для фокусировки, что приводит к очень низкому разрешению. Гамма-телескопы последнего поколения (2000-е годы) имеют разрешение порядка 6 угловых минут в диапазоне ГэВ (рассматривая Крабовидную туманность как один «пиксель») по сравнению с 0,5 угловых секунды, наблюдаемыми в низкоэнергетическом диапазоне X. -диапазона (1 кэВ) рентгеновской обсерватории Чандра (1999 г.) и около 1,5 угловых минут в диапазоне высоких энергий рентгеновского излучения (100 кэВ), наблюдаемого фокусирующим телескопом высоких энергий (2005 г.).
Очень энергичные гамма-лучи с энергией фотонов более ~30 ГэВ также можно обнаружить с помощью наземных экспериментов. Чрезвычайно низкие потоки фотонов при таких высоких энергиях требуют эффективных площадей детекторов, которые непрактично велики для современных приборов космического базирования. Такие фотоны высокой энергии создают в атмосфере обширные ливни вторичных частиц, которые можно наблюдать на Земле как непосредственно с помощью счетчиков радиации, так и оптически через черенковский свет , излучаемый ультрарелятивистскими ливневыми частицами. Методика телескопа Черенкова для визуализации атмосферы в настоящее время обеспечивает высочайшую чувствительность.
Гамма-излучение в ТэВ-диапазоне, исходящее из Крабовидной туманности, было впервые обнаружено в 1989 году обсерваторией Фреда Лоуренса Уиппла на горе Хопкинса , в Аризоне , США. Современные черенковские телескопы, такие как HESS , VERITAS , MAGIC и CANGAROO III, позволяют обнаружить Крабовидную туманность за несколько минут. Самые энергичные фотоны (до 16 ТэВ ), наблюдаемые от внегалактического объекта, происходят от блазара Маркарян 501 ( Марк 501). Эти измерения были выполнены воздушными черенковскими телескопами High-Energy-Gamma-Ray Astronomy ( HEGRA ) .
Гамма-астрономические наблюдения по-прежнему ограничены фоном, не связанным с гамма-излучением, при более низких энергиях, а при более высоких энергиях - количеством фотонов, которые можно обнаружить. Для прогресса в этой области необходимы детекторы большей площади и лучшее подавление фона. [11] Открытие 2012 года может позволить фокусировать гамма-телескопы. [12] При энергиях фотонов более 700 кэВ показатель преломления снова начинает увеличиваться. [12]
19 июня 1988 г. из Биригуи (50°20' з.д., 21°20' ю.ш.) в 10:15 UTC произошел запуск аэростата с двумя детекторами NaI(Tl) (общая площадь 600 см 2 ) до барометрической высоты 5,5 мб при общем времени наблюдения 6 часов. [13] Сверхновая SN1987A в Большом Магеллановом Облаке (БМО) была открыта 23 февраля 1987 года, а ее прародитель, Сандулек -69 202 , был голубым сверхгигантом со светимостью 2-5 × 1038 эрг/с. [13] Обнаруженыгамма-линии с энергией 847 кэВ и 1238 кэВ от распада 56 Co. [13]
В ходе своей программы «Обсерватория астрономии высоких энергий» в 1977 году НАСА объявило о планах построить «великую обсерваторию» для гамма-астрономии. Комптонская гамма-обсерватория (CGRO) была спроектирована с учетом основных достижений в детекторной технологии 1980-х годов и была запущена 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 снята с орбиты в июне 2000 года из-за отказа одного из стабилизирующих гироскопов .
BeppoSAX был запущен в 1996 году и сошел с орбиты в 2003 году. Он в основном изучал рентгеновские лучи, но также наблюдал и гамма-всплески. Идентифицировав первые негамма-аналоги гамма-всплесков, он открыл путь для точного определения их положения и оптического наблюдения их затухающих остатков в далеких галактиках.
High Energy Transient Explorer 2 (HETE-2) был запущен в октябре 2000 года (номинально сроком на 2 года) и все еще работал (но постепенно угасал) в марте 2007 года. Миссия HETE-2 завершилась в марте 2008 года.
Swift , космический корабль НАСА, был запущен в 2004 году и оснащен прибором BAT для наблюдения гамма-всплесков. Вслед за BeppoSAX и HETE-2 он наблюдал многочисленные рентгеновские и оптические аналоги всплесков, что привело к определению расстояния и детальному оптическому наблюдению. Они установили, что большинство всплесков возникает в результате взрывов массивных звезд ( сверхновых и гиперновых ) в далеких галактиках. По состоянию на 2021 год Swift продолжает работать. [15]
В настоящее время (другими) основными космическими обсерваториями гамма-излучения являются INTEGRAL (Международная астрофизическая лаборатория гамма-излучения), 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 гамма-пузыря диаметром около 25 000 световых лет . Предполагается, что эти пузыри высокоэнергетического излучения возникли из массивной черной дыры или являются свидетельством взрыва звездных образований, произошедшего миллионы лет назад. Они были обнаружены после того, как ученые отфильтровали «туман фоновых гамма-лучей, заполняющий небо». Это открытие подтвердило предыдущие предположения о том, что в центре Млечного Пути находится большая неизвестная «структура». [16]
В 2011 году команда Ферми опубликовала свой второй каталог источников гамма-излучения, обнаруженных спутниковым телескопом большой площади (LAT), который составил список из 1873 объектов, излучающих свет самой высокой энергии. 57% источников — блазары . Более половины источников являются активными галактиками , их центральные черные дыры создают гамма-излучение, обнаруженное LAT. Треть источников на других длинах волн не обнаружена. [14]
Наземные обсерватории гамма-излучения включают HAWC , MAGIC , HESS и VERITAS . Наземные обсерватории исследуют более высокий энергетический диапазон, чем космические, поскольку их эффективная площадь может 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. [17]
В пресс-релизе от 18 мая 2021 года Китайская большая высотная обсерватория воздушных потоков (LHAASO) сообщила об обнаружении дюжины гамма-лучей сверхвысокой энергии с энергией, превышающей 1 петаэлектронвольт (квадриллион электронвольт или ПэВ), в том числе один с энергией 1,4 ПэВ, фотоном с самой высокой энергией, когда-либо наблюдавшимся. Авторы доклада назвали источники этих пеВ-гамма-лучей PeVatrons. [ нужна цитата ]
Астрономы с помощью телескопа Gemini South, расположенного в Чили, наблюдали вспышку гамма-всплеска, идентифицированного как GRB221009A, 14 октября 2022 года. Гамма-всплески — это самые энергичные вспышки света, которые, как известно, происходят во Вселенной. Ученые НАСА подсчитали, что всплеск произошел в точке на расстоянии 2,4 миллиарда световых лет от Земли. Гамма-всплеск произошел, когда некоторые гигантские звезды в конце своей жизни взорвались, а затем превратились в черные дыры в направлении созвездия Стрелец . Было подсчитано, что в результате взрыва было выделено 18 тераэлектронвольт энергии. Судя по всему, GRB221009A представлял собой длинный гамма-всплеск, возможно, вызванный взрывом сверхновой. [18] [19]
