Astronomia cu raze gamma

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Cerul la energii peste 100 MeV observat de Telescopul Energetic Gamma Ray Experiment Telescope (EGRET) de la observatorul satelit Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) (1991 - 2000)
Primul sondaj al cerului asupra energiilor peste 1 GeV, colectat de telescopul spațial cu raze gamma Fermi în trei ani de observație (din 2009 până în 2011)
2 septembrie 2011, Fermi, al doilea catalog Gamma Ray Sources construit în doi ani. O imagine a întregului cer pentru energii mai mari de 1 miliard de electroni volți (1 GeV). Culorile mai strălucitoare indică surse localizate de raze gamma [1]
Luna, așa cum este văzută de telescopul energetic pentru experimentarea razelor gamma (EGRET), în raze gamma de peste 20 MeV. Acestea sunt produse de bombardamente cu raze cosmice pe suprafața sa. [2]

Astronomia cu raze gamma este o ramură a astronomiei dedicată studiului emisiilor gamma : partea spectrului de radiații electromagnetice cu cea mai mare energie. Deși nu există o limită precisă, de obicei fotonii gamma sunt cei cu o energie mai mare de 100 keV . Radiațiile sub 100 keV sunt clasificate, cel puțin în astronomie, ca raze X și fac obiectul astronomiei cu raze X.

Razele gamma în ordinea MeV sunt, de asemenea, generate de radiația solară (și chiar în atmosfera pământului în timpul furtunilor), dar razele gamma de energie mai mari decât Gev nu sunt generate în sistemul solar și sunt importante în studiul astronomiei suplimentare solar și mai presus de toate cel extra-galactic. Procesele fizice care generează raze gamma sunt diferite și, în unele cazuri, coincid cu cele care produc raze X și, de exemplu, spectrul razelor gamma măsurat de CANGAROO [3] poate fi comparat cu spectrul razelor X cu energie redusă. Lista fenomenelor este lungă: anihilarea electron-pozitronii , efectul Compton invers și, în unele cazuri, chiar dezintegrarea gamma în spațiu, [4] care se reflectă pe evenimente extreme precum supernove și hipernove sau comportamentul materiei în condiții extreme, precum pulsarii sau blazarii (care emit energie de mare intensitate). Cele mai mari energii fotonice măsurate până acum sunt de ordinul TeV, în 2004 un foton de 80 TeV a fost chiar măsurat din Pulsarul Crabului , producând fotoni cu peste 80 TeV și în prezent este fotonul energiei maxime măsurate [5][ 6] [7] .

Măsurarea razelor gamma de origine astronomică

Numărul de fotoni gamma care ajung în unitatea de suprafață de pe pământ scade exponențial cu energia [8] . Prin urmare, în timp ce razele gamma de energie mai mici de câteva zeci de GeV pot fi detectate direct în atmosfera superioară cu baloane sau sateliți, razele gamma foarte energice, adică cu fotoni de energie mai mari de 30 GeV, trebuie detectate prin experimente pe uscat. De fapt, fluxurile de fotoni extrem de scăzute la energii atât de mari necesită zone relevante ale detectorului care nu sunt practice pentru instrumentele curente din spațiu. Din fericire, acești fotoni cu energie ridicată, care interacționează cu atmosfera Pământului, produc cascade electromagnetice mari de particule secundare care se mișcă mai repede decât viteza luminii din mediu, dar care pot fi observate de la sol fie direct de la contoare de radiații, fie prin intermediul opticii prin radiația Cherenkov emisă de aceste cascade de particule ultra-relativiste. Această tehnică, numită Imaging Atmospheric Cherenkov Technique (IACT) în engleză, atinge în prezent cea mai mare sensibilitate posibilă.

Observarea razelor gamma în astronomie a devenit posibilă abia în anii 1960. Observarea lor este mult mai problematică decât cea a razelor X sau a luminii vizibile, deoarece razele gamma sunt relativ rare, de fapt chiar și o sursă intensă necesită un timp de observare foarte lung, chiar și câteva minute, înainte de a putea fi detectate. Razele gamma se propagă în orice mediu la viteza luminii, astfel încât nu este posibil să le focalizăm și chiar dacă există unele noutăți experimentale, rezoluția spațială este foarte mică. Pentru a vă face o idee: cea mai recentă generație de telescoape cu raze gamma (2000) are o rezoluție de aproximativ 6 minute arc pe radiație de ordinul mărimii Gev, deci Nebuloasa Crab , care în vizibil apare ca un obiect extins cu multe detalii, în raza gamma este un singur „ pixel ”. Chiar și în raze cu energie redusă (1 keV), rezoluția unghiulară a nebuloasei Crab, așa cum se observă din Observatorul de raze X Chandra, este de 0,5 secunde de arc și aproximativ 1,5 minute de arc în câmpul de raze X cu energie ridicată. (100 KeV) ca văzut de Telescopul de focalizare cu energie înaltă (2005).

Radiațiile gamma din ordinea TeV-urilor care provin din Nebuloasa Crabului au fost detectate pentru prima dată în 1989 de Observatorul Fred Lawrence Whipple (FLWO), de pe Muntele Hopkins, Arizona (Statele Unite). Experimentele moderne ale telescopului Cherenkov precum HESS , CANGAROO III, VERITAS [9] și MAGIC pot detecta Nebuloasa Crabului în câteva minute. Primele două experimente studiază cerul sudic, în timp ce celelalte două observă emisfera nordică și, în timp ce MAGIC folosește un singur telescop pentru a oferi un prag de energie scăzut între 10 și 30 GeV, ceilalți observatori folosesc mai multe telescoape pentru a măsura lumina Cherenkov a unui roi electromagnetic, oferind astfel o respingere excelentă a tâlharilor și o rezoluție excelentă a energiei. Cei mai mulți fotoni energetici (pana la 16 TeV) observate de către un obiect extragalactic provin din Markarian 501 Blazar (Mrk 501).

Observațiile astronomice din banda gamma sunt încă limitate la cele mai mici energii de fluxul de raze cosmice (în principal non-gamma) și la energiile ridicate de numărul de fotoni care pot fi detectați (fluxul de fotoni scade în conformitate cu o lege a puterii ca „putere”. Detectoarele de suprafață mai mari și reducerea îmbunătățită a contaminării din raze cosmice non-gamma (predominant protoni) sunt esențiale pentru progresul în acest domeniu. [10] O descoperire din 2012 ar putea permite telescoapelor cu raze gamma să se concentreze: la energiile fotonice peste 700 keV, indicele de refracție începe să crească din nou [11] .

Istorie

Înainte de anii 1980

Cu mult înainte ca experimentele să poată dezvălui raze gamma emise de surse cosmice, oamenii de știință știau că universul va trebui să le producă. Lucrările lui Eugene Feenberg și Henry Primakoff în 1948 [12] , Sachio Hayakawa [13] și IB Hutchinson în 1952 și mai ales Philip Morrison în 1958 [14] i- au determinat pe oamenii de știință să creadă că într-adevăr o serie de procese fizice ar fi putut produce gama de emisii de raze. Aceste procese includeau interacțiuni cu raze cosmice cu gazul interstelar , explozii de supernova și interacțiuni cu electroni cu câmpuri magnetice . Cu toate acestea, până în anii șaizeci ai secolului trecut nu a fost posibil să se observe niciun tip de emisie [15] .

Majoritatea razelor gamma din spațiu sunt absorbite de atmosfera Pământului, astfel încât astronomia cu raze gamma nu s-ar putea dezvolta până când detectoarele tradiționale nu ar putea fi aduse peste cea mai mare parte a atmosferei folosind baloane și nave spațiale. Primul telescop pentru observarea razelor gamma a fost trimis pe orbită la bordul satelitului Explorer 11 în 1961 și a observat mai puțin de 100 de fotoni gamma. Acestea păreau să provină din toate direcțiile, sugerând prezența unui fel de „fundal uniform de raze gamma” care pătrunde în spațiu. Acest fundal s-ar putea forma tocmai din interacțiunea razelor cosmice cu gazul mediului interstelar.

Primele surse adevărate de raze gamma astrofizice au fost rachete solare , care au dezvăluit o linie de emisie intensă de 2.223 MeV prezisă de Morrison. Această linie derivă din formarea deuteriului prin fuziunea unui neutron și a unui proton; neutronii apar ca produse secundare ale interacțiunilor cu energie ridicată a ionilor accelerați de diferitele procese care acționează în timpul erupției. Observarea primei linii de emisie de raze gamma a fost făcută de doi dintre sateliții OSO-3 , OSO-7 și Solar Maximum Mission , lansat în 1980 . Observațiile solare au inspirat lucrarea teoretică a lui Reuven Ramaty și a altora. [16]

Primele emisii semnificative de raze gamma din galaxia noastră au fost detectate pentru prima dată în 1967 [17] de către detectorul de la bordul satelitului OSO-3 , care a înregistrat 621 de evenimente atribuibile razelor cosmice. Cu toate acestea, domeniul astronomiei cu raze gamma a făcut mari salturi înainte cu sateliții SAS-2 (1972) și COS-B a căror misiune a durat între 1975 și 1982 . Acești doi sateliți au oferit o viziune importantă asupra universului de mare energie (uneori numit „violent”, deoarece tipul de evenimente care produc raze gamma sunt predominant explozii, coliziuni de mare viteză și procese similare). Ambele au confirmat existența fundalului razelor gamma, producând prima hartă detaliată a cerului la lungimi de undă gamma și au descoperit o serie de surse punctuale. Cu toate acestea, rezoluția redusă a instrumentelor de la bord a făcut imposibilă identificarea celor mai multe dintre ele cu stele unice sau sisteme stelare.

O descoperire în astronomia cu raze gamma a venit la sfârșitul anilor 1960 și începutul anilor 1970 dintr-o constelație de sateliți militari de apărare. Detectoarele de la bordul rețelei de satelit Vela , concepute pentru a detecta explozii de raze gamma din explozii de bombe nucleare, au început să înregistreze explozii de raze gamma din spațiul adânc, mai degrabă decât de pe suprafața Pământului. Detectoarele cele mai recente au stabilit că aceste fascicule de raze gamma par să dureze de la fracțiuni de secundă la câteva minute: apar brusc din direcții neașteptate, clipesc și apoi dispar după ce au dominat pe scurt cerul gamma. Au fost studiate cu o atenție sporită de la mijlocul anilor 1980 cu instrumente la bordul diferiților sateliți și sonde spațiale, inclusiv sonda spațială sovietică Venera și Pioneer Venus Orbiter, deși sursele acestor blițuri de mare energie rămân un mister. Se pare că provin de departe în Univers și în prezent cea mai probabilă teorie pare că cel puțin unele dintre ele provin din așa-numitele explozii de hipernovă , adică supernove care creează găuri negre mai degrabă decât stele de neutroni .

Razele gamma nucleare au fost observate din flăcările solare pe 4 și 7 august 1972 și 22 noiembrie 1977 [18] . O erupție solară este o explozie în atmosfera solară și este ușor de detectat optic în soarele nostru. Flăcările solare creează cantități enorme de radiații pe întregul spectru electromagnetic, de la cele mai mari lungimi de undă, adică de la undele radio până la energiile mari ale razelor gamma. Corelația dintre fluxul de electroni cu energie ridicată generată în timpul fulgerului și razele gamma este cauzată în principal de originea comună datorită interacțiunii protonilor cu energie ridicată cu alți ioni mai grei. Aceste raze gamma pot fi observate și permit oamenilor de știință să determine principalele rezultate ale energiei eliberate, care nu este asigurată de emisiile provenite de la alte lungimi de undă. [19] .

Un eveniment important de la un Magnetar a fost detectat în 1979: explozii de raze gamma repetate neregulat.

Din anii 80 până în anii 90

Supernova SN 1987A din Norul Magellanic Mare (LMC) a fost descoperită la 23 februarie 1987 și progenitorul său era un supergigant albastru ( Sk-69 202 ), cu o luminozitate de 2-5 x 10 31 W. [20] Mai târziu este a fost cea mai apropiată supernovă care a fost observată după cea din 1604. În iunie 1988, a fost lansată o balonare într-o mică locație din Brazilia ( Birigui ), care a adus doi detectori (cu o suprafață totală de 600 cm 2 ) în stratosferă la aproximativ 35 km altitudine pentru un timp total de observare de 6 ore. [20] . În timpul acestei misiuni au fost detectate liniile gamma de 847 keV și 1238 keV cauzate de decăderea 56 Co [20] .

În timpul programului HEAO 1 care a început în 1977 , NASA a anunțat planurile de a construi un „mare observator” pentru astronomie cu raze gamma. Observatorul Compton Gamma Ray (CGRO) a fost conceput pentru a profita de progresele tehnologice majore realizate în anii 1980 în domeniul detectoarelor și a fost lansat în 1991 . Satelitul avea la bord patru instrumente principale care îmbunătățeau mult rezoluția spațială și temporală a observațiilor cu raze gamma. Dintre instrumentele de la bordul CGRO, Telescopul energetic cu raze gamma, care a măsurat și spectrul și distribuția spațială a răspândirii emisiilor galactice, a avut un mare succes în detectarea razelor gamma în ordinea razelor gamma GeV EGRET [21] cu sensibilitate și rezoluție fără precedent. Apoi, CGRO a furnizat o mulțime de date care ne-au servit pentru a avansa cunoștințele noastre despre procesele de înaltă energie prezente în Univers. Satelitul a fost reintrat în atmosfera Pământului și a plonjat în Oceanul Pacific pe 4 iunie 2000 din cauza unei defecțiuni la unul dintre giroscopii săi care și-a păstrat atitudinea. Printre succesele CGRO se numără identificarea a 8 pulsare în datele EGRET datorate emisiilor pulsate și detectarea a aproximativ 70 de salturi cu energii cuprinse între 100 MeV și 10 GeV.

Satelitul italo - olandez Beppo-SAX a fost lansat în 1996 și a reintrat în atmosferă în 2003 . Deși a fost conceput pentru a studia razele X , a fost de asemenea capabil să observe explozii de raze gamma . Mai multe modele Gamma Ray Burst prezic radiația la scară TeV de la dispersia inversă Compton sau alte procese cu o fluență comparabilă cu radiația la scară MeV bine măsurată. Cu toate acestea, identificând primul omolog al unei explozii de raze gamma într-o altă lungime de undă, Beppo-SAX a deschis calea pentru localizarea precisă și observarea în bandă optică a rămășițelor lor evanescente în galaxiile îndepărtate.

Exploratorul tranzitoriu de mare energie 2 (HETE-2) a fost lansat la 9 octombrie 2000 (într-o misiune planificată de 2 ani) și a fost operațional până în martie 2007.

Observații recente

Swift , un satelit NASA, a fost lansat în 2004 și echipat cu instrumentul BAT, care este specific pentru observarea exploziilor de raze gamma . Swift Gamma Ray Burst Explorer , care transporta și alte două telescoape, a rămas operațional până în 2015. Ulterior, folosind Beppo-SAX și HETE-2, au fost observați numeroși omologi optici și cu benzi X din aceste rafale Gamma Ray. Aceste observații au făcut posibilă determinarea distanței surselor și studierea rămășițelor acestor evenimente explozive. Acestea au arătat că majoritatea exploziilor provin din exploziile stelelor masive (supernove și hipernove) din galaxiile îndepărtate. În prezent, celelalte observatoare majore de raze gamma situate în spațiu sunt laboratorul INTErational National Astrophysics Gamma-Ray ( INTEGRAL ), Telescopul spațial cu suprafață mare ( GLAST ) și Light Gamma Astrodetector ( AGILE ):

  • INTEGRAL (lansată la 17 octombrie 2002) este o misiune ESA cu contribuții suplimentare din Republica Cehă, Polonia, Statele Unite și Rusia.
  • AGILE este o mică misiune italiană a colaborării ASI , INAF și INFN , o inițiativă anterioară misiunii GLAST și utilizată pentru a furniza date astronomice energiilor GeV. A fost lansată cu succes de racheta indiană PSLV-C8 de la baza ISRA Sriharikota la 23 aprilie 2007.
  • GLAST , succesorul planificat al EGRET, redenumit Fermi după lansare, a fost lansat de NASA pe 11 iunie 2008. Oferă un factor de opt zone mai sensibile la razele γ decât EGRET, care combinat cu un câmp vizual mult mai larg și mai bun energia și rezoluția spațială oferă un câștig foarte mare în sensibilitate față de EGRET. În cele din urmă, Fermi include LAT, telescopul de suprafață mare și GBM, GLAST Burst Monitor, pentru a studia exploziile de raze gamma .
Două bule gigantice de raze gamma în inima Căii Lactee.

În noiembrie 2010, cu ajutorul telescopului spațial cu raze gamma Fermi, au fost detectate două bule gigantice de raze gamma, care se extind pentru aproximativ 25.000 de ani lumină în inima galaxiei noastre . Se suspectează că aceste bule de radiații cu energie ridicată provin fie dintr-o gaură neagră uriașă, fie din formațiuni stelare care au avut loc cu milioane de ani în urmă. Aceste bule au fost descoperite după ce oamenii de știință au filtrat „ceața de fond cu raze gamma care străbate cerul”. Această descoperire a confirmat indicii anterioare că o mare „structură” necunoscută se afla în centrul Căii Lactee. [22]

În 2011, echipa Fermi și-a lansat al doilea catalog de surse de raze gamma detectate de Telescopul de suprafață mare (LAT) al satelitului, care a produs un inventar de 1.873 de obiecte cu emisie de gamma. 57% din surse sunt blazari. Mai mult de jumătate din surse sunt galaxii active, iar găurile negre centrale au generat emisiile de raze gamma detectate de LAT. O treime din surse nu au produs radiații la diferite lungimi de undă [23] .

Observatorii de raze gamma terestre includ HAWC, MAGIC , HESS și VERITAS. Principalele probleme cu detectoarele de raze gamma localizate în spațiu sunt totuși constrângerile tehnice, de fapt, observatorii terestri sondează o gamă de energii mai mare decât observatorii spațiali, deoarece zonele lor eficiente pot fi cu mai multe ordine de mărime mai mari decât un satelit.

Notă

  1. ^ NASA - Ultimul recensământ al razelor gamma Fermi evidențiază misterele cosmice, https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/gamma-ray-census.html
  2. ^ EGRET Detection of Gamma Rays from the Moon , la heasarc.gsfc.nasa.gov . Adus pe 29 aprilie 2019 (arhivat din original la 15 mai 2019) .
  3. ^ Pagina principală CANGAROO , la icrhp9.icrr.u-tokyo.ac.jp . Adus la 25 octombrie 2017 (arhivat din original la 23 septembrie 2017) .
  4. ^ De exemplu, supernova SN 1987A a emis o lumină post-lumină după explozia principală cauzată de degradarea radioactivă a cobaltului -56 generată în timpul exploziei supernovai. Spectrul electromagnetic - raze gamma , la science.hq.nasa.gov , NASA . Adus la 14 noiembrie 2010 .
  5. ^ G. Carlino, G. D'Ambrosio, L. Merola, P. Paolucci și G. Ricciardi, IFAE 2007: Meetings of High Energy Physics Italian Meeting on High Energy Physics , Springer Science & Business Media, 16 septembrie 2008, p. 245, ISBN 978-88-470-0747-5 . Adus pe 21 august 2014 .
  6. ^ Josep M. Paredes, Olaf Reimer și Diego F. Torres, The Multi-Messenger Approach to High-Energy Gamma-Ray Sources: Third Workshop on the Nature of Unidentified High-Energy Sources , Springer, 17 iulie 2007, p. 180, ISBN 978-1-4020-6118-9 . Adus pe 21 august 2014 .
  7. ^ F. Aharonian et. la. Nebuloasa crabului și pulsarul între 500 GeV și 80 TeV: observații cu HEGRA STEREOSCOPIC AIR CERENKOV TELESCOPES, The Astrophysical Journal, 614 , pp 897–913, (2004)
  8. ^ (EN) HESS - Sistemul stereoscopic de înaltă energie , pe www.mpi-hd.mpg.de. Adus la 25 octombrie 2017 .
  9. ^ J. Quinn și colab., Proc. 27th ICRC, Copernicus Gesellschaft, p. 2781, (2001)
  10. ^ Uwe Krieg, Reviews in Modern Astronomy, Cosmic Matter , editat de Siegfried Röser, vol. 20, WILEY-VCH, 2008, p. 191, ISBN 978-3-527-40820-7 . Adus la 14 noiembrie 2010 .
  11. ^ La energiile fotonice peste 700 KeV, indicele de refracție începe să crească din nou. Tim Wogan - „Prisma” din siliciu îndoaie razele gamma (mai 2012) - PhysicsWorld.com
  12. ^ E. Feenberg și H. Primakoff, Interacțiunea primarelor cu raze cosmice cu lumina soarelui și lumina stelelor , în Physical Review , vol. 73, 1948, pp. 449-469, DOI : 10.1103 / PhysRev.73.449 . Adus la 15 noiembrie 2008 .
  13. ^ S. Hayakawa, Propagarea radiației cosmice prin spațiul intersteller , în curs de desfășurare a fizicii teoretice , vol. 8, nr. 5, 1952, pp. 571-572, DOI : 10.1143 / PTP.8.571 . Adus la 15 noiembrie 2008 .
  14. ^ P. Morrison, Despre astronomie cu raze gamma [ link broken ] , în Il Nuovo Cimento , vol. 7, nr. 6, 1958, pp. 858-865, DOI : 10.1007 / BF02745590 . Adus la 15 noiembrie 2008 .
  15. ^ Cosmic Rays Hunted Down: Physicists Closing in on Origin of Mysterious Particles , pe sciencedaily.com , ScienceDaily, 7 decembrie 2009. Accesat la 14 noiembrie 2010 .
  16. ^ The History of Gamma-ray Astronomy , la imagine.gsfc.nasa.gov . Adus la 14 noiembrie 2010 (arhivat din original la 24 noiembrie 2010) .
  17. ^ Gamma ray , în Science Clarified . Adus la 14 noiembrie 2010 (arhivat din original la 9 martie 2011) .
  18. ^ (EN) Ramaty R și colab. , Raze gamma nucleare din interacțiuni cu particule energetice , în Ap J Suppl Ser. , Vol. 40, iulie 1979, pp. 487–526, Bibcode : 1979ApJS ... 40..487R , DOI : 10.1086 / 190596 .
  19. ^ Prezentare generală a erupțiilor solare , la hesperia.gsfc.nasa.gov , NASA . Adus la 14 noiembrie 2010 .
  20. ^ a b c ( EN ) Figueiredo N și colab. , Observații cu raze gamma ale SN1987A , în Rev Mex Astron Astrofis. , vol. 21, 1990, pp. 459–62, Bibcode : 1990RMxAA..21..459F .
  21. ^ Martin Pohl, Gamma-ray astronomonomy , în arXiv: astro-ph / 0111552 , 29 noiembrie 2001. Accesat la 25 octombrie 2017 .
  22. ^ Meng Su, Tracy R. Slatyer, Douglas P. Finkbeiner, Giant Gamma-ray Bubbles from Fermi-LAT: AGN Activity or Bipolar Galactic Wind? (Lansat pe 29 mai 2010 (v1), revizuit pe 18 octombrie 2010) arXiv: 1005.5480v3 ; Astronomii găsesc o structură gigantică, nevăzută anterior, în galaxia noastră , pe comunicatul de presă nr. Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics: marți, 9 noiembrie 2010 . Adus la 14 noiembrie 2010 . ; De ce Calea Lactee suflă bule? , pe SKY și Telescope . Adus la 14 noiembrie 2010 (arhivat din original la 14 noiembrie 2010) .
  23. ^ Ultimul recensământ al razelor gamma NASA-Fermi evidențiază misterele cosmice , la nasa.gov . Adus la 31 mai 2015 .

Elemente conexe

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85052982 · GND (DE) 4019200-3 · NDL (EN, JA) 00.576.592
Astronomie
Hubble2005-01-bară-spirală-galaxie-NGC1300.jpg Astrofizică | Cosmologie | Evoluția stelară | Astronomia cu raze gamma | Astronomia cu raze X | Astronomia ultravioletă | Astronomia în infraroșu | Radioastronomie | Astronomie cu mai multe mesaje | Planetologie | Astrometrie | Exobiologie | Arheoastronomie | Astronautică Saturn (planeta) mare rotit.jpg
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Astronomy_a_raggi_gamma&oldid=122171334 ”