VERITAS ( Система массивов телескопов с очень энергичной радиационной визуализацией ) — это крупная наземная обсерватория гамма-излучения с массивом из четырех 12-метровых оптических отражателей для гамма-астрономии в диапазоне энергий фотонов в диапазоне ГэВ – ТэВ . VERITAS использует метод визуализации атмосферного черенковского телескопа для наблюдения гамма-лучей, которые вызывают ливни частиц в атмосфере Земли, известные как обширные воздушные ливни . Массив VERITAS расположен в обсерватории Фреда Лоуренса Уиппла на юге Аризоны , США . Конструкция рефлектора VERITAS аналогична более раннему 10-метровому гамма-телескопу Whipple, расположенному на том же месте, но больше по размеру и имеет большее фокусное расстояние для лучшего контроля оптических аберраций. VERITAS состоит из ряда визуализирующих телескопов, развернутых для наблюдения за атмосферными черенковскими ливнями из разных мест, что обеспечивает высочайшую чувствительность в диапазоне 100 ГэВ – 10 ТэВ (с чувствительностью от 50 ГэВ до 50 ТэВ). Эта обсерватория очень высоких энергий, построенная в 2007 году, эффективно дополняет телескоп большой площади (LAT) космического гамма-телескопа Ферми благодаря большей площади сбора данных, а также охвату диапазона более высоких энергий.
VERITAS состоит из четырех черенковских телескопов диаметром 12 м для получения изображений атмосферы с приблизительным расстоянием 100 м (330 футов) между каждым соседним телескопом. [1] Каждый телескоп состоит из большого управляемого оптического рефлектора и высокоскоростной камеры с фотоумножителем . Для стереоскопических наблюдений черенковского света, возникающего в обширных воздушных ливнях, необходимы несколько телескопов. Эти стереоскопические наблюдения позволяют точно восстановить геометрию потока частиц , что дает значительно лучшее угловое и энергетическое разрешение по сравнению с одним телескопом. Угловое направление падающего ливня определяется путем нахождения центральной оси распространения ливня на каждом телескопе и отслеживания этих осей до их пересечения. Пересечение этих осей определяет направление падения первичной частицы (космического луча или гамма-луча), вызвавшей воздушный ливень в верхних слоях атмосферы. Он также определяет положение ядра ливня, т.е. экстраполированное положение первичной частицы на Земле, если бы она не взаимодействовала. Энергия первичной частицы определяется по общему количеству черенковского света, измеренному в каждом телескопе, а также по расстоянию этого телескопа от ядра ливня.
Каждый из отдельных телескопов имеет апертуру диаметром 12 м и поле зрения 3,5 градуса. Телескопы построены по оптической схеме Дэвиса-Коттона, в которой используется сферический отражатель, и ее легко собрать и настроить. Такая конструкция действительно вызывает некоторый разброс во времени прибытия черенковских фотонов в камеру, но этот разброс невелик (~ 4 наносекунды). [2] Рефлектор состоит из 350 отдельных зеркальных граней шестиугольной формы, закрепленных на жесткой оптической опорной конструкции. Камера каждого телескопа имеет 499 отдельных пикселей (высокоскоростные фотоумножители диаметром 26 мм ). VERITAS, как и другие IACT , чувствителен к первичным частицам, которые производят достаточно атмосферного черенковского света, чтобы их можно было обнаружить на земле. Его полный диапазон чувствительности составляет от 50 ГэВ до 50 ТэВ (хотя реконструкция спектра начинается не раньше 100 ГэВ, в зависимости от мощности источника). Энергетическое и угловое разрешение зависят от энергии падающего гамма-излучения, но при энергии 1 ТэВ энергетическое разрешение составляет ~ 17%, а угловое разрешение - 0,08 градуса (радиус удержания 65%). Вся установка имеет пиковую эффективную площадь 100 000 квадратных метров при энергии выше 1 ТэВ. Очень слабый астрофизический источник с потоком гамма-излучения, составляющим всего 1% Крабовидной туманности, может быть обнаружен VERITAS менее чем за 25 часов наблюдения. Более сильные источники можно обнаружить за значительно меньшее время.
Чтобы отличить фоновые события (т.е. адронные ливни и мюоны ) или шум (т.е. звездный и лунный свет) от целевых данных (т.е. электромагнитных ливней, создаваемых гамма-лучами), VERITAS использует трехуровневую систему триггера. Первый уровень соответствует пересечению уровней на каждом пикселе с использованием дискриминаторов постоянной доли . Второй уровень — это триггер выбора шаблона, который выбирает фотонные ливни, имеющие компактные формы, и устраняет большую часть фоновых ливней, которые создают более случайные формы в каждой камере. Третий уровень — это триггер массива, который ищет совпадение времени прихода потока на нескольких телескопах. [3]
Черенковский свет , создаваемый гамма-лучами в верхних слоях атмосферы, очень тусклый, поэтому VERITAS лучше всего ведет наблюдения при ясном темном небе. Наблюдения невозможны в пасмурное или дождливое небо, а также при очень яркой Луне. Однако наблюдения регулярно проводятся, когда Луна тусклая или умеренная по яркости (обычно освещенность менее 60%). Общее годовое время наблюдений обычно составляет около 1200 часов (из которых около 200–250 часов приходится на более яркий лунный свет с освещенностью от 20 до 60%). Обсерватория обычно не собирает данные в июле или августе из-за местных муссонных условий.
VERITAS был разработан для исследования гамма-неба очень высоких энергий (VHE) выше 100 ГэВ , вслед за успехом 10-метрового гамма-телескопа Whipple. Телескоп Уиппл первым применил черенковскую камеру в сочетании с большим отражателем диаметром 10 м, чтобы впервые окончательно обнаружить источник гамма-излучения VHE, Крабовидную туманность, в 1989 году . [4] Впоследствии телескоп HEGRA Ла-Пальма продемонстрировала хорошую чувствительность выше 1 ТэВ с использованием ряда черенковских телескопов для получения изображений атмосферы. VERITAS сочетает в себе преимущества стереоскопических наблюдений с большими отражателями для низкого энергетического порога. По сравнению с телескопом Whipple, VERITAS использует более крупные рефлекторы диаметром 12 м, улучшенную оптику и эффективность сбора света, а также камеру с более мелкими пикселями. И запись (с использованием специальных Flash-АЦП со скоростью 500 MS/s), и электроника запуска (с использованием сложной трехуровневой системы) были значительно улучшены по сравнению с более ранними приборами. VERITAS был задуман в 1990-х годах вместе с тремя другими массивами черенковских телескопов для получения изображений атмосферы (IACT): CANGAROO-III, HESS и MAGIC . VERITAS в настоящее время является единственным массивом IACT, работающим в западном полушарии.
Первое предложение по VERITAS (в то время называвшееся VHEGRA) было представлено Тревором Уиксом ( Смитсоновская астрофизическая обсерватория (SAO)) в Смитсоновский институт в 1995 году; это предложение описывало группу из девяти черенковских телескопов диаметром 10 м. В 1998 году в Чикагском университете прошла первая встреча сотрудничества VERITAS . В 2000 году концепция VERITAS как группы из семи телескопов была рекомендована Десятилетним обзором астрономии и астрофизики 2000 года как проект среднего размера. [5] Задержки возникли из-за трудностей с двумя предложенными участками в Аризоне (Каньон Монтоза у подножия горы Хопкинс и Китт-Пик ), а также из-за сокращения доступного финансирования. Предложение о создании группы из четырех телескопов (теперь с рефлекторами диаметром 12 м) было положительно рассмотрено в 2002 году, а строительство VERITAS началось в 2003 году в обсерватории Фреда Лоуренса Уиппла . Первоначальный прототип телескопа был построен как Телескоп №1 и увидел первый свет в 2004 году. Строительство Телескопа №2 было завершено в 2005 году, и в том же году начались первые стереонаблюдения. Телескопы №3 и №4 были завершены к началу 2007 года, а первый световой праздник для всей массива телескопов состоялся 27-28 апреля 2007 года. [6] Регулярные научные операции VERITAS начались в сентябре 2007 года. Строительство VERITAS в значительной степени финансировалось. в США Министерством энергетики , Национальным научным фондом и Смитсоновским институтом . Дополнительное финансирование строительства было предоставлено Enterprise Ireland (ныне Science Foundation Ireland ) и Советом по исследованию физики элементарных частиц и астрономии в Соединенном Королевстве .
Усовершенствования и обновления VERITAS периодически вносились с 2007 года. Летом 2009 года телескоп №1 был перенесен в новое место для улучшения геометрии решетки (и повышения чувствительности к гамма-излучению). [1] В период с 2009 по 2011 год была проведена программа модернизации, которая улучшила выравнивание граней зеркала VERITAS и заменила триггерную систему уровня 2. Кроме того, летом 2012 года все фотоумножители фотоаппаратов были заменены на трубки с высокой квантовой эффективностью, что снова увеличило чувствительность, особенно вблизи нижнего конца энергетического диапазона гамма-излучения. По сравнению с первоначальной расчетной чувствительностью фактическая достигнутая чувствительность VERITAS значительно выше, а время, необходимое для обнаружения слабых источников гамма-излучения, уменьшено более чем в два раза. [6]
В июне 2017 года в обсерватории Уиппла состоялось празднование десятилетия науки VERITAS. [7]
VERITAS имеет обширную научную программу, которая сочетает в себе ключевые аспекты астрономии, исследование Вселенной в новом диапазоне волн гамма-лучей VHE, и физику, поиск новых частиц в явлениях, выходящих за рамки стандартной модели физики элементарных частиц. Основные рассматриваемые вопросы включают: понимание ускорения космических частиц в нашей Галактике (с особым упором на понимание происхождения космических лучей ) и за ее пределами, исследование экстремальных сред вблизи компактных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры , природу темной материи и межгалактическое магнитное поле и постоянна ли скорость света при этих экстремальных энергиях гамма-лучей. Программа наблюдений VERITAS включает в себя галактические источники, такие как остатки сверхновых , пульсары , пульсарные ветровые туманности , двойные системы и загадочный источник гамма-излучения в Галактическом центре . Внегалактические источники включают активные ядра галактик , галактики со вспышками звезд и гамма-всплески . Важным компонентом наблюдений VERITAS является наблюдение за несколькими длинами волн и несколькими посланиями , включая быстрые радиовсплески (FRB), нейтрино высоких энергий и гравитационно-волновые события. VERITAS имеет обширную программу по темной материи, в рамках которой проводятся косвенные поиски гамма-лучей VHE, образующихся в результате аннигиляции частиц темной материи. Большинство этих поисков нацелено на Галактический Центр и карликовые сфероидальные галактики . Начиная с 2017 года научная программа VERITAS была расширена и теперь включает наблюдения в оптическом диапазоне волн посредством измерений затмений астероидов с высоким временным разрешением и интерферометрии интенсивности звезд.
По состоянию на 2020 год в результате исследования VERITAS было создано 58 докторов наук. и более 100 рецензируемых публикаций. Как показано на рисунке, VERITAS обнаружил 63 астрофизических источника гамма-лучей очень высоких энергий (по состоянию на январь 2020 года). В первом каталоге источников VERITAS было всего шесть источников.
Некоторые из научных достижений VERITAS включают в себя:
Исследователи VERITAS также стали пионерами в использовании IACT для проведения гражданской науки . Для улучшения обнаружения мюонных событий на платформе Zooniverse создан проект Muon Hunter . В рамках проекта были показаны изображения, сделанные с помощью VERITAS, и гражданам-добровольцам пришлось классифицировать изображения как мюонные и немюонные события. Затем исследователи обучили алгоритм машинного обучения , который работал лучше, чем стандартный анализ. [22] В Muon Hunter 2.0 проект попытается улучшить результат с помощью другого подхода к машинному обучению. [23]
Сотрудничество VERITAS было официально сформировано путем подписания соглашения о сотрудничестве в 2000 году между девятью учреждениями-членами в трех странах. В число учреждений-членов входили: Университет штата Айова , Университет Пердью , Смитсоновская астрофизическая обсерватория , Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Чикагский университет , Университет Юты и Вашингтонский университет в Сент-Луисе в США, Университет Лидса в Великобритании и Национальный университет. Ирландский университет в Дублине , Ирландия. Десятое учреждение-член, Университет Макгилла в Канаде, было добавлено в соответствии с обновленным соглашением в 2008 году. Представители учреждений-членов образуют Исполнительный совет VERITAS (VEC), который служит высшим органом принятия решений в рамках сотрудничества. [6]
В 2008 году сотрудничество было расширено за счет добавления сотрудничающих учреждений, которые представлены в Научном совете VERITAS, который руководит научной программой VERITAS. Первыми сотрудничающими учреждениями были: Планетарий Адлера , Колледж Барнарда , Технологический институт Корка , Университет ДеПау , Технологический институт Голуэй-Мейо , Колледж Гриннелл , Национальный университет Ирландии, Голуэй , Калифорнийский университет, Университет Санта-Крус , Университет Айовы и Университет штата Калифорния. Массачусетс, Амхерст .
По состоянию на 2019 год в коллаборацию VERITAS входят около 80 ученых из учреждений Канады, Германии, Ирландии и США. Участвующие учреждения: Барнард-колледж , Колумбийский университет , Технологический институт Корка , DESY , Технологический институт Джорджии , Университет штата Айова , Университет Макгилла , Национальный университет Ирландии, Голуэй , Университет Пердью , Смитсоновская астрофизическая обсерватория , Университетский колледж Дублина , Калифорнийский университет, Лос-Анджелес , Калифорнийский университет, Санта-Круз , Чикагский университет , Университет Делавэра , Университет Айовы , Университет Миннесоты , Университет Юты и Вашингтонский университет в Сент-Луисе . Есть также независимые и ассоциированные члены из ряда других учреждений. [6]
Председатель научного совета VERITAS является пресс-секретарем. Есть заместитель пресс-секретаря, который помогает в руководстве сотрудничеством. Хронологический список представителей и заместителей представителей VERITAS приведен в таблице ниже. Начиная с 2007 года срок полномочий пресс-секретаря/заместителя пресс-секретаря составляет два года и он может быть переизбран.
По состоянию на 2019 год операционное финансирование VERITAS обеспечивают следующие агентства: Национальный научный фонд и Смитсоновский институт в США, Совет естественных наук и инженерных исследований в Канаде, Ассоциация Гельмгольца в Германии.
