Gamma-astronomiya

GAMMA-ASTRONOMIYa

Soderzhanie:

1. Vvedenie
2. Mehanizmy generacii gamma-izlucheniya
3. Metody registracii kosmicheskogo gamma-izlucheniya
4. Rezul'taty astronomicheskih issledovanii v gamma-diapazone spektra

1. Vvedenie

Gamma-astronomiya issleduet kosmich. ob'ekty i processy po harakternomu dlya nih zhestkomu el.-magn. izlucheniyu s energiei fotonov, prevyshayushei primerno 100 keV. Takie fotony obrazuyutsya, kak pravilo, pri vzaimodeistviyah chastic vysokih energii. Poetomu uzhe v 50-h gg. 20 v. izuchenie kosmich. gamma-izlucheniya (GI) rassmatrivalos' kak unikal'nyi metod obnaruzheniya energichnyh chastic (protonov, elektronov i dr.) v udalennyh oblastyah Vselennoi. Osobyi interes predstavlyalo GI, voznikayushee pri vzaimodeistviyah protonov i yader vysokih energii, kogda prakticheski ne generiruetsya el.-magn. izluchenie v dr. diapazonah dlin noli.

Atmosfera Zemli prepyatstvuet proniknoveniyu GI do zemnoi poverhnosti, rasseivaya i pogloshaya fotony GI na vysotah 30-50 km. Fotony GI s energiei MeV ispytyvayut komptonovskoe rasseyanie, a fotony bol'shih energii porozhdayut elektron-pozitronnye pary (sm. Vzaimodeistvie izlucheniya s veshestvom). Nablyudeniya v diapazone energii fotonov ot 100 keV do 10 GeV dolzhny poetomu provodit'sya s pomosh'yu gamma-teleskopov, ustanovlennyh libo na KA, libo na vysotnyh aerostatah. Fotony s energiei e > 10 GeV mogut byt' zaregistrirovany nazemnymi ustanovkami po cherenkovskomu izlucheniyu elektronov, porozhdennyh ih vzaimodeistviem s atmosferoi (sm. Cherenkova - Vavilova izluchenie).

V 70-h gg. 20 v., posle zapuska specializirovannyh sputnikov-observatorii, u mnogochislennyh astrofizich. ob'ektov (aktivnyh oblastei na Solnce, nek-ryh pul'sarov, yader aktivnyh galaktik, kvazarov) bylo obnaruzheno ves'ma moshnoe GI. Nablyudeniya v g-diapazone priveli takzhe k ryadu neozhidannyh rezul'tatov. Sredi nih sleduet otmetit' otkrytie moshnyh vspleskov kosmich. GI s energiei fotonov e ot 0,1 MeV do nesk. MeV (sm. Gamma-vspleski), a takzhe otkrytie galaktich. diskretnyh istochnikov GI s e >100 MeV.

Diapazon GI ochen' shirok, ego prinyato delit' na nesk. uchastkov so svoimi nauchnymi zadachami i metodikoi nablyudenii:

oblast' myagkogo GI e » 0,1-5 MeV (l » 0,12 - ),
oblast' promezhutochnyh energii s e » 5-50 MeV (l » 2,4^.10^-3 - ),
oblast' zhestkogo GI s e » 50 MeV - 10 GeV (l » 2,4^.10^-4-),
oblast' GI sverhvysokih energii s

2. Mehanizmy generacii gamma-izlucheniya

Elementarnye processy generacii GI horosho issledovany teoretich. i eksperimental'noi fizikoi; v to zhe vremya usloviya, v k-ryh eti processy protekayut v kosmose, issledovany nedostatochno.

Processy generacii kosmich. GI mozhno razdelit' na tri gruppy.

K pervoi gruppe otnosyat generaciyu GI pri vzaimodeistviyah elektronov vysokih energii s zaryazhennymi chasticami. Pri stolknovenii elektronov s zaryazhennymi chasticami obrazuetsya el.-magn. izluchenie s shirokim po chastote spektrom (energiya fotonov ogranichena sverhu nachal'noi energiei elektronov). Eto izluchenie nazyvayut tormoznym (sm. Tormoznoe izluchenie). Pri dostatochno bol'shih energiyah elektronov chast' izlucheniya prihoditsya na g-diapazon. El.-magn. izluchenie v diapazone GI obrazuetsya takzhe pri dvizhenii elektronov v magn. pole (sinhrotronnoe izluchenie), dlya generacii sinhrotronnogo GI neobhodimy vysokie energii elektronov i bol'shie napryazhennosti magn. polei. Fotony GI mogut generirovat'sya takzhe pri rasseyanii fotonov malyh energii na relyativistskih elektronah, etot process nazyvayut obratnym effektom Komptona (sm. Komptonizaciya).

Ko vtoroi gruppe otnosyat yadernye processy. Yadernye reakcii neredko soprovozhdayutsya obrazovaniem vozbuzhdennyh yader; pri perehode yader v osn. sostoyanie izluchayutsya fotony s energiyami, sootvetstvuyushimi oblasti myagkogo GI. Sredi yadernyh spektral'nyh g-linii osobyi interes predstavlyaet liniya s energiei 2,23 MeV, svyazannaya s obrazovaniem deitrona pri zahvate neitrona protonom; registraciya g-fotonov s energiei 2,23 MeV pozvolyaet ocenivat' potoki svobodnyh neitronov v udalennyh kosmich. istochnikah. Osn. istochnikom fotonov GI vysokih energii v yadernyh reakciyah sluzhit raspad p^o-mezonov, generiruemyh v reakciyah elementarnyh chastic vysokih energii. Spektr t. n. pionnyh fotonov GI nepreryvnyi; ego maksimum raspolozhen v oblasti energii e » 70 MeV.

K tret'ei gruppe otnosyat annigilyacionnye processy. Annigilyaciya veshestva i antiveshestva yavl. effektivnym mehanizmom generacii GI. Pri annigilyacii elektrona i pozitrona obrazuetsya libo dva fotona, kazhdyi s e = 0,511 MeV, libo tri fotona s nepreryvnym chastotnym spektrom. Annigilyaciya protonov i antiprotonov soprovozhdaetsya obrazovaniem bol'shogo chisla mezonov, v t. ch. i neitral'nyh, k-rye raspadayutsya na g-fotony. Energetich. spektr etogo GI blizok k tomu, k-ryi nablyudaetsya pri vzaimodeistvii kosmicheskih luchei s mezhzvezdnym gazom.

GI obladaet ves'ma vysokoi pronikayushei sposobnost'yu. Pogloshenie GI v mezhzvezdnoi srede neznachitel'no dazhe v napravlenii na centr Galaktiki, zakrytyi oblakami mezhzvezdnoi pyli. GI sposobno doiti k Zemle s rasstoyanii, sootvetstvuyushih krasnym smesheniyam z~10², t. e. v neskol'ko raz bol'shih, chem dlya fotonov diapazonov vidimogo izlucheniya. Pogloshenie v mezhgalakticheskoi srede stanovitsya sushestvennym lish' dlya fotonov s GeV, gde nachinaet skazyvat'sya process obrazovaniya elektron-pozitronnyh par pri stolknoveniyah s fotonami fonovogo izlucheniya v IK-oblasti spektra (sm. Fonovoe izluchenie Vselennoi).

3. Metody registracii kosmicheskogo gamma-izlucheniya

Ris. 1. Shema gamma-teleskopa diapazona nizkih energii. Gamma-fotony s energiei ot 0,2 do 12 MeV pogloshayutsya v scintilliruyushem kristalle NaI 1; obrazuyusheesya izluchenie sobiraetsya svetovodom 2 i registr i r u e t s ya fotoumnozhitelem 3. Scintillyacionnye schetchiki 4 formiruyut diagrammu napravlennosti teleskopa i obespechivayut zashitu central'nogo kristalla ot zaryazhennyh chastic i diffuznogo izlucheniya. Vhodnaya apertura teleskopa zashishena ot zaryazhennyh chastic plasticheskim scintillyatorom 5.

Ris. 2. Shema gamma-teleskopa diapazona vysokih  energii. Gamma-fotony s energiei ot 50 MeV do  5 GeV pogloshayutsya v konvertorah iskrovyh kamer 1 i obrazuyut elektron-pozitronnye pary. Zaryazhennye chasticy prohodyat cherez  scintillyacionnyi teleskop 2 i gazovyi cherenkovskii  schetchik 3, v k-ryh vyrabatyvaetsya komanda na zapusk iskrovyh kamer. Izobrazhenie iskr registriruetsya televizionnoi kameroi 4 s pomosh'yu zerkal'noi sistemy 5.  Energiya fotonov izmeryaetsya scintillyacionnym kalorimetrom 6. Zashita ot zaryazhennyh chastic i gamma-luchei, obrazuyushihsya v stenke sputnika 7, obespechivaetsya sistemoi scintillyacionnyh schetchikov 8.

V oblasti myagkogo GI nablyudeniya provodyatsya pri pomoshi scintillyacionnyh teleskopov s mehanich. kollimatorami; dlya zashity ot bokovogo fonovogo izlucheniya primenyayutsya schetchiki antisovpadenii iz neorganich. scintillyacionnyh kristallov. Na ris. 1 pokazana shema tipichnogo gamma-teleskopa so scintillyacionnymi schetchikami. Uglovoe razreshenie podobnyh teleskopov neveliko (~10^o); bolee vysokoe razreshenie mozhet byt' polucheno pri pomoshi teleskopov dvoinogo komptonovskogo rasseyaniya (» 1 - 2^o pri e ~1 MeV). Nablyudeniya yadernyh i annigilyacionnyh g-linii provodyatsya pri pomoshi poluprovodnikovyh spektrometrov s kristallami sverhchistogo germaniya, pozvolyayushih poluchit' vysokoe energetich. razreshenie (do 2 keV pri e ~1 MeV).

Nablyudeniya v oblasti GI promezhutochnyh energii svyazany s ser'eznymi eksperimental'nymi trudnostyami: v etoi oblasti effektivnost' scintillyacionnyh detektorov umen'shaetsya, a trekovye detektory, osnovannye na izmerenii traektorii elektron-pozitronnyh par, obrazuemyh g-fotonami, rabotayut nedostatochno effektivno.

Nablyudeniya zhestkogo GI provodyatsya pri pomoshi teleskopov, osn. elementom k-ryh yavl. trekovyi detektor, pozvolyayushii registrirovat' traektoriyu kazhdoi zaryazhennoi chasticy, obrazuyusheisya pri pogloshenii g-fotonov. Tipichnaya shema teleskopa, primenyaemogo v diapazone zhestkogo GI, privedena na ris. 2. V kachestve trekovyh detektorov mogut ispol'zovat'sya: iskrovye kamery, v k-ryh vdol' traektorii chasticy, ionizuyushei atomy gaza, razvivaetsya iskrovoi proboi i cepochka iskr vosproizvodit traektoriyu chasticy; dreifovye kamery, gde polozhenie traektorii opredelyaetsya po vremeni dreifa elektronov ot treka chasticy do sosednih elektrodov, i dr. V teleskopy zhestkogo GI vhodyat takzhe sistemy dlya isklyucheniya registracii postoronnih zaryazhennyh chastic (po sheme antisovpadenii), dlya zapuska iskrovyh ili dreifovyh kamer vo vremya proleta chastic, voznikayushih pri pogloshenii fotonov GI, dlya opredeleniya energii registriruemyh chastic. Osn. nedostatkom sovr. teleskopov zhestkogo GI s trekovymi detektorami yavl. nizkoe uglovoe razreshenie (» 5^o pri e ~100 MeV). Uvelichenie razresheniya do nesk. uglovyh minut pozvolilo by reshit' problemu otozhdestvleniya diskretnyh g-istochnikov s astrofizich. ob'ektami, nablyudaemymi v dr. diapazonah spektra.

Nablyudeniya v oblasti sverhvysokih energii fotonov ( GeV) provodyatsya nazemnymi ustanovkami po registracii cherenkovskogo izlucheniya. Eto izluchenie generiruetsya elektronami i pozitronami livnya chastic, soprovozhdayushego pogloshenie fotona sverhvysokoi energii v atmosfere (sm. Cherenkova-Vavilova izluchenie). Ustanovki dlya registracii cherenkovskogo izlucheniya predstavlyayut soboi reflektory, fokusiruyushie vspyshku cherenkovskogo izlucheniya na sistemu fotoelektronnogo usilitelya. Effektivnaya ploshad' registracii fotonov (shirokih atmosfernyh livnei) dostigaet pri etom 10⁵m².

4. Rezul'taty astronomicheskih issledovanii v gamma-diapazone spektra

Oblast' myagkogo GI yavl. estestv. prodolzheniem rentg. diapazona (sm. Rentgenovskaya astronomiya). V etom uchastke spektra nablyudalis' mnogie istochniki rentg. izlucheniya: ostatki vspyshek sverhnovyh, pul'sary (napr., Krabovidnaya tumannost' i nahodyashiisya v nei pul'sar PSR 0531 +21), aktivnye galaktiki (NGC 4151 i Kentavr A) i, vozmozhno, chernye dyry v tesnyh dvoinyh sistemah (Lebed' H-1).

Moshnoe GI obrazuetsya vo vremya vspyshek na Solnce. Pri nablyudeniyah vspyshek v avg. 1972 g. bylo vpervye obnaruzheno lineichatoe GI kosmich. istochnikov. Izmereniya intensivnosti annigilyac. linii s energiei 511 keV i yadernyh linii s energiyami 2,23 MeV, 4,43 MeV i 6,14 MeV pozvolili provesti issledovaniya mehanizmov uskoreniya chastic vysokih energii v solnechnyh vspyshkah. Byli obnaruzheny g-linii v spektrah dr. kosmich. ob'ektov: centra Galaktiki, radiogalaktiki Kentavr A, vspleskov kosmich. GI. Obnaruzhena peremennost' intensivnosti annigilyac. izlucheniya centra Galaktiki, ukazyvayushaya na kompaktnost' centr. istochnika (poperechnik 0,1 pk).

Odnim iz naibolee yarkih sobytii v G.-a. bylo otkrytie moshnyh vspleskov kosmich. GI (sm. Gamma-vspleski). K 1981 g. tochnost' opredeleniya koordinat vspleskov na nebesnoi sfere dostigla ~1', no, nesmotrya na eto, ni odin pz istochnikov do sih por ne otozhdestvlen s k.-l. astrofizich. ob'ektom, hotya est' dannye, pokazyvayushie svyaz' g-vspleskov s neitronnymi zvezdami.

Oblast' GI promezhutochnyh energii ostaetsya do sih por naimenee izuchennoi iz-za ser'eznyh metodich. trudnostei. V etoi oblasti edinstvennym dostoverno nablyudavshimsya istochnikom yavl. pul'sar PSR 0531 +21 v Krabovidnoi tumannosti.

Ris. 3. Raspredelenie yarkosti diffuznogo galakticheskogo g-izlucheniya (v proizvol'nyh edinicah) po galakticheskoi shirote b v intervale energii ot 300 MeV do 5 GeV v oblasti dolgot ot 320 do 350o (izmereno na sputnike "COS-B" , Evropeiskoe Kosmicheskoe Agentstvo, 1975 - 79 gg.).

Naibolee izuchena oblast' zhestkogo GI. Pervye dannye o GI kosmich. proishozhdeniya byli polucheny v 1968 g., kogda pri pomoshi gamma-teleskopa, ustanovlennogo na ISZ "OSO-3" (SShA), udalos' zaregistrirovat' izluchenie s e >100 MeV ot Mlechnogo Puti. Dal'neishie issledovaniya galaktich. GI na sputnikah-observatoriyah "SAS-2" (SShA, 1972-73 gg.) i "COS-B" (1975-82 gg.) pozvolili detal'no issledovat' sv-va galaktich. diffuznogo GI (t. e. izlucheniya, rozhdayushegosya v mezhzvezdnoi srede) i ob'yasnit' ih v ramkah modeli vzaimodeistviya yadernogo i elektronnogo komponentov kosmich. luchei s mezhzvezdnym gazom. Raspredelenie intensivnosti diffuznogo izlucheniya po galaktich. shirote i dolgote izucheno takzhe dostatochno podrobno (sm. ris. 3, a takzhe ris. 12 v st. Galaktika), poluchena informaciya o krupnomasshtabnom raspredelenii koncentracii kosmich. luchei v Galaktike. Nablyudeniya na sputnikah "SAS-2" i "COS-B" pozvolili takzhe obnaruzhit' diskretnye istochniki g-luchei s e > 100 MeV. Otkryto ok. 30 diskretnyh istochnikov zhestkogo GI, bol'shaya chast' k-ryh sosredotochena vblizi galaktich. ekvatora (ris. 4). Do sih por otozhdestvleny lish' tri istochnika: pul'sary v Krabovidnoi tumannosti i v sozvezdii Parusov, a takzhe kvazar ZS 273. Priroda neotozhdestvlennyh g-istochnikov do sih por ostaetsya neyasnoi; esli sr. rasstoyanie do nih prinyat' ravnym 3-4 kik, to ih svetimost' v zhestkih g-luchah dolzhna sostavlyat' 10³⁵-10³⁶ erg/s. Ne isklyucheno, chto nek-rye istochniki GI mogut byt' svyazany s plotnymi oblakami mezhzvezdnogo gaza, pronizyvaemymi kosmich. luchami. Povyshennaya intensivnost' GI byla obnaruzhena v napravlenii tumannosti Oriona, odnoi iz naibolee izuchennyh oblastei zvezdoobrazovaniya v Galaktike; eshe odin istochnik iz kataloga istochnikov GI, sostavlennogo po dannym "COS-B", mozhet byt' svyazan s plotnym oblakom v sozvezdii Zmeenosca.

Ris. 4. Polozhenie na nebesnoi sfere diskretnyh istochnikov g-izlucheniya, obnaruzhennyh pri pomoshi sputnika "SOS-B" v 1975 - 79 gg.

Vo vremya nablyudenii v oblasti GI sverhvysokih energii, provodivshihsya nazemnymi ustanovkami po registracii cherenkovskogo izlucheniya nachinaya s 60-h gg. 20 v., bylo obnaruzheno GI pul'sarov v Krabovidnoi tumannosti i v sozvezdii Parusov, istochnika Lebed' H-3, chto podtverzhdaet perspektivnost' dannogo metoda.

(O.F. Priluckii)