Mười năm của kính viễn vọng gamma Fermi. Phần I

Mười năm của kính viễn vọng gamma Fermi. Phần I

Boris Stern
Ved. khoa học sotr. INR RAS, tổng biên tập của TrV-Science
"Tùy chọn Trinity" №15 (259), ngày 31 tháng 7 năm 2018

Boris Stern

Vào ngày 11 tháng 6 năm 2008, kính thiên văn gamma không gian Fermi đã được phóng lên. Sau đó, nó được gọi là khác nhau – GLAST (Kính viễn vọng Không gian Khu vực rộng lớn bằng tia gamma), tên Enrico Fermi đã nhận được công cụ vào tháng Tám cùng năm. Đối với cá nhân tôi, lễ kỷ niệm Fermi diễn ra vào ngày 4 tháng 8, vào ngày 4 tháng 8 năm 2008 lúc 15:43, lượng tử gamma đầu tiên xuất hiện trong cơ sở dữ liệu truy cập công khai (trước đó, công cụ này cũng ghi lại lượng gamma trong chế độ gỡ lỗi và hiệu chuẩn).

Lượng gamma-lượng tử đầu tiên từ hơn một tỷ photon năng lượng cao, thông tin về việc ai cũng có thể tự làm quen với mình ở hầu hết mọi nơi sinh sống của thế giới nơi có Internet. Tác giả của bài viết này tải dữ liệu Fermi về máy tính xách tay của mình từ sự quan tâm chuyên nghiệp, nhưng bất kỳ sinh viên hoặc học sinh nào cũng có thể làm tương tự với sự tò mò – không phải là thú vị khi xem xét vũ trụ trong các tia gamma?

Nói chung, gamma-quanta là các photon có năng lượng trên một trăm keV – đặc trưng vùng của các phản ứng hạt nhân và ở trên. Trong lưu ý này, chúng tôi sẽ tập trung vào các photon năng lượng trên 100 MeV, thậm chí nhiều khả năng trên 1 GeV, nơi bạn có thể đo lường hướng đến của một lượng tử gamma đủ tốt.Đó là những nguồn năng lượng thuận tiện nhất cho thiên văn học gamma.

Đài quan sát tia gamma Fermi là gì?

Đầu dò gamma vũ trụ đầu tiên được lắp đặt trên vệ tinh Explorer-11, đi vào quỹ đạo Trái đất vào tháng 4 năm 1961 [1]. Ông đã đăng ký 22 tia gamma. Kính thiên văn gamma không gian đầu tiên SAS-2 và COS B được ra mắt lần lượt vào năm 1972 và 1975. Ngoài ra, các máy dò hạt gamma nhỏ đã được phóng vào các vệ tinh trinh sát của Liên Xô trong seri Cosmos. Đây là những máy dò nhỏ (diện tích hiệu quả tối đa của COS B là khoảng 50 cm2), nhưng họ đã thấy rất nhiều điều thú vị – một thiên hà trong các tia gamma, Tinh vân Con cua, các xung gamma đầu tiên, các đối tượng ngoài vũ trụ, sau này được gọi là Blazars. COS-B làm việc lâu hơn (hơn 6 năm) và thành công hơn những người khác từ các kính thiên văn gamma của thế hệ đầu tiên.

Bước tiếp theo là công cụ EGRET trên đài quan sát gamma Compton, ra mắt vào năm 1991. Máy dò này có diện tích hiệu quả khoảng 1000 cm.2 – một đơn đặt hàng lớn hơn so với người tiền nhiệm của nó. Theo đó, ông đã đưa ra một thứ tự các kết quả lớn hơn. Danh mục của ông bao gồm 271 nguồn, hầu hết trong số đó là blazars, kể cả những nguồn không được xác định bởi thời gian đó với bất kỳ vật thể quang học nào. Ông đã làm việc cho EGRET trong khoảng 6 năm – sau đó các vấn đề về khí đốt cho các phòng tia lửa bắt đầu.

Kính viễn vọng tia gamma trên tàu Fermi bước lên một bậc lớn khác. Diện tích hiệu quả của nó là khoảng một mét vuông. Đã có hơn 3000 nguồn trong danh mục Fermi.

Bản thân kính thiên văn được gọi là Kính viễn vọng LAT – Vùng rộng, có một công cụ nhỏ hơn đáng kể – GBM trên tàu Fermi, nó phục vụ để đăng ký các vụ nổ tia gamma trong phạm vi từ hàng chục đến hàng trăm keV. Nếu các kính thiên văn gamma trước đó được tạo ra trên cơ sở các phòng tia lửa dây, thì đầu dò Fermi là chất bán dẫn. Điều này, ngoài độ phân giải không gian tốt hơn, làm tăng tuổi thọ: LAT đã vượt quá EGRET trong nhiều năm.

Bố cục kính thiên văn LAT

LAT là một phát hiện điển hình của lượng tử gamma, trong các thí nghiệm trên máy gia tốc, các dụng cụ được thực hiện theo cùng một hệ tư tưởng được sử dụng. Máy dò giải quyết ba vấn đề sau.

1. Chuyển đổi gamma-lượng tử thành cặp electron-positron. Ở đây bạn cần vật liệu với một khoản phí hạt nhân lớn (xác suất chuyển đổi tỷ lệ với Z2), trong trường hợp này tấm vonfram được sử dụng.

2. Đo lường hướng đến của gamma-lượng tử. Cặp sinh e + e- tiết kiệm hướng chuyển động của gamma-lượng tử với độ chính xác me/ Eγ, cho năng lượng 1 GeV là 0,03 độ. Nhưng mọi thứ đều phá vỡ sự tán xạ nhiều trong các tấm vonfram.Để khôi phục lại chính xác hơn hướng, trước tiên, các thiết bị dò theo dõi nhiều lớp là cần thiết, và thứ hai, các tấm vonfram phải mỏng nhất có thể, và theo dõi các lớp dò xen kẽ với các tấm nên càng lớn càng tốt. Các dải silicon được đặt theo cách chéo trong các lớp lân cận được sử dụng làm đầu dò theo dõi.

3. Đo lường tổng năng lượng lượng tử gamma. Do các bremsstrahlung của electron và positron, một tầng điện từ phát sinh, mà "fluffs up" khi nó tiến triển. Để đo năng lượng của gamma-lượng tử ban đầu, nó là cần thiết để "thu thập" hầu hết các hạt thác. Bánh sandwich từ đĩa vonfram và máy dò rãnh không làm điều này. Nó sử dụng một công nghệ khác – nhiệt lượng chớp nhoáng. Trong trường hợp này, nó là một tập hợp các tấm từ một máy phát quang phổ biến trong vật lý năng lượng cao (đơn tinh thể của xêzi iodua).

Tất nhiên, máy dò được bao quanh bởi sự bảo vệ chống trùng hợp ngẫu nhiên để phân biệt lượng tử gamma từ một hạt tích điện. Tổng trọng lượng của LAT là 2,7 tấn.

Ngoài ra, để tạo ra một máy dò, cần phải hiệu chỉnh nó, nghĩa là học cách dịch đáp ứng của nhiều nguyên tố thành các đặc tính của gamma-lượng tử ban đầu.Rất khó để thực hiện thí nghiệm này trên các máy gia tốc – bạn cần một công nghệ phức tạp của các photon được dán nhãn, và nó không phải là một thực tế rằng nó tồn tại với số lượng phù hợp. Do đó, detector được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng mô phỏng Monte-Carlo: các thác điện từ của các nguồn năng lượng khác nhau được mô phỏng với số lượng lớn cùng với phản ứng của quá trình cài đặt. Kỹ thuật này được phát triển tốt, nhưng không hoàn hảo, mà sau đó dẫn đến một số vấn đề, sẽ được thảo luận dưới đây.

Hiệu chỉnh thiết bị vẫn tiếp tục bay. Trong trường hợp này, các đối tượng có nhiều thuộc tính đã biết hoặc ít được biết đến đã được sử dụng. Do tính mở của dữ liệu, các nhà nghiên cứu không tham gia vào quá trình hợp tác Fermi đã tham gia vào quá trình hiệu chuẩn, một trong những ví dụ như vậy sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo.

Phạm vi năng lượng Fermi được tuyên bố là từ 20 MeV đến hàng trăm GeV. Trên thực tế, các tia gamma dưới 100 MeV được phát hiện kém và chỉ hữu ích trong trường hợp đăng ký các vụ nổ tia gamma. Ở năng lượng dưới 300 MeV, rất khó để tái tạo lại một phổ các nguồn riêng biệt – rất khó để cô lập một tín hiệu từ một nền khuếch tán. Ở các năng lượng trên 300 GeV, các vấn đề bắt đầu bằng việc xác định năng lượng của lượng tử gamma.Nhưng nhìn chung, công cụ này thật tuyệt vời, và cơ sở dữ liệu mở của nó sẽ phục vụ trong một thời gian dài như là một nguồn kết quả mới thú vị.

Bầu trời qua con mắt của "Fermi"

Trong hình. 1 – Bản đồ bầu trời trong các tia gamma năng lượng trên 1 GeV, được tích lũy bởi Fermi trong 5 năm hoạt động đầu tiên. Bản đồ được xây dựng trong các tọa độ thiên hà, vì vậy đĩa thiên hà sáng dọc theo trung tâm của hình. Đóng góp chính cho ban nhạc sáng đến từ sự phát xạ của tia vũ trụ, các proton năng lượng cao, khi va chạm với các hạt của môi trường giữa các vì sao, tạo ra các hạt mới, bao gồm cả gamma-quanta. Ngoài ra còn có các nguồn nhỏ gọn – chủ yếu là các xung gamma và tàn dư siêu tân tinh trẻ.

Hình 1.

Sáng nhất trong số chúng là Tinh vân Con cua (tinh vân và pulsar trong đó tỏa sáng ở đó) và xung gamma Vela-X với tinh vân xung quanh. Fermi thấy khoảng một trăm rưỡi các xung gamma và vài chục tinh vân – tàn dư siêu tân tinh. Ngoài ra, các cụm sao lớn tỏa sáng, cũng có những nguồn không rõ. Các vòng cung kéo dài từ mặt phẳng thiên hà gần với vỏ sao siêu mới phát nổ khoảng một triệu năm trước. Bức xạ gamma khuếch tán của thiên hà kéo dài vượt xa đĩa thiên hà,một số phần của nó bay từ trung tâm chống thiên hà.

Ngoài bức xạ khuếch tán thiên hà, cũng có extragalactic, đẳng hướng. Về những gì và tỷ lệ nó phát triển, vẫn còn tranh chấp. Chúng tôi sẽ quay trở lại vấn đề này bên dưới.

Cuối cùng, điều thú vị nhất từ ​​quan điểm của tác giả bài viết này là những đốm sáng rải rác khắp bầu trời. Hầu hết các điểm này đều là blazar, nằm cách chúng ta hàng trăm triệu năm ánh sáng. Blazars đã được thảo luận trong số trước của TrV-Science – gần đây một dòng neutrino được ghi lại từ một trong số chúng – chỉ một vài mẩu, nhưng sự khởi đầu của sự cố [2].

Trong hình. Hình 1 cho thấy bản đồ bầu trời được xử lý – màu phản ánh số tia gamma đến từ khu vực này. Trong thực tế, bất kỳ chế biến nào, mặc dù nó tạo điều kiện cho sự nhận thức, nhưng ẩn một số thông tin. Thật thú vị khi hiển thị các hình ảnh gốc, trong đó mỗi lượng tử gamma được biểu diễn bằng một dấu chấm. Toàn bộ bản đồ sẽ được "chiếu sáng" nếu bạn chỉ ra các photon có năng lượng trên 1 GeV (có quá nhiều), do đó chúng tôi đưa ra một bản đồ các photon có năng lượng trên 6 GeV (Hình 2).

Hình 2 Bản đồ bầu trời trong lượng tử gamma năng lượng cao hơn 6 GeV. "Fermi bong bóng" có thể nhìn thấy được – bằng chứng về hoạt động trước đây của hạt nhân thiên hà

Nó cho thấy cùng một mặt phẳng thiên hà, cùng một blazar, nhưng các "trụ cột" đi lên xuống từ trung tâm của Thiên hà rõ ràng hơn. Đây là những "bong bóng Fermi" nổi tiếng – dấu vết của hoạt động của hạt nhân của thiên hà của chúng ta, nơi có một lỗ đen với khối lượng 4,7 triệu khối lượng mặt trời.

Khoảng 10 triệu năm trước, cốt lõi của thiên hà chúng ta đang hoạt động, phát ra tia lửa. Các proton tăng tốc trong các tia lửa này vẫn tồn tại trong các bong bóng và phát ra lượng tử gamma khi tương tác với các hạt của môi trường giữa các vì sao.

Thật thú vị khi nhìn vào chính trung tâm của thiên hà. Trong hình. 3 vùng trung tâm ± 10 độ ở vĩ độ thiên hà. Ở giữa, được đánh dấu chéo, có một nguồn nhỏ gọn. Đây là "quasar ngủ" của chúng ta, nguồn radio Sagittarius A: có một loại hoạt động ở đó, có lẽ có một đĩa bồi hiếm hoi.

Hình 3 Dọc theo trục – kinh độ thiên hà và vĩ độ theo độ

Bầu trời trong tia gamma là vô thường: blazar nhấp nháy và đi ra ngoài, đôi khi để chúng trở nên vô hình nói chung. Trong hình. 4 cây thánh giá đánh dấu blazars từ danh mục EGRET, hoạt động từ năm 1991 đến năm 1996. Nếu chúng là vĩnh viễn, chúng sẽ là nguồn sáng trên bản đồ này, nhưng một nửa trong số chúng không tồn tại chút nào: chúng đã phai mờ trong những năm qua, đã vượt quá ngưỡng tầm nhìn.Ngược lại, có những ngọn lửa sáng mà EGRET đã thấy, nhưng chúng không có trong catalog của nó. Thêm chi tiết về sự thay đổi của blazar sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo.

Hình 4 Nguồn từ danh mục EGRET chồng lên bản đồ Fermi của các photon năng lượng trên 1 GeV

Sở thú "Fermi"

Các nguồn tia gamma mà Fermi thấy được thu thập trong một danh mục được biên soạn từ các quan sát bốn năm. Bây giờ một danh mục gần đây hơn có lẽ đang được chuẩn bị sẵn sàng, có lẽ nó sẽ là một danh sách “thánh”. Tổng cộng, danh mục được xuất bản chứa ba nghìn rưỡi đối tượng của hai mươi cùng loại. Trong danh mục không có Mặt trời và Mặt trăng, cũng có thể nhìn thấy rõ ràng trong các tia gamma, nhưng không có tọa độ cố định. Các vụ nổ tia gamma được thu thập trong một thư mục riêng biệt.

Hầu hết các vật thể là "vĩ độ cao", nghĩa là chúng nằm cách xa mặt phẳng thiên hà và hầu hết chúng đều ở rất xa – trong hàng tỉ năm ánh sáng. Đây là những loại blazars khác nhau, 1667 trong số đó, kể cả những loại không thể xác định được.

Blazar là một trong những biểu hiện của lỗ đen siêu lớn nằm ở trung tâm của các thiên hà (hạt nhân thiên hà đang hoạt động). Một lỗ đen sẽ hoạt động khi một chất lân cận được kéo lên trên nó.Lược đồ cổ điển của các vật thể như vậy: đĩa bồi và tia phản lực của plasma từ hóa dọc theo trục quay của đĩa bồi và lỗ đen (các trục này trùng với nhau).

Máy bay phản lực phát ra tia gamma trong một hình nón khá hẹp, giống như một chùm ánh sáng. Nếu chúng ta đi vào chùm tia này, chúng ta thấy blazar: một nguồn rất sáng của toàn bộ phổ điện từ, nơi bức xạ gamma, như một quy luật, thống trị trong quyền lực. Xác suất đi vào chùm quasar nhỏ hơn một phần nghìn, từ đó có thể kết luận rằng có hàng triệu hạt nhân thiên hà hoạt động với các tia phản lực đủ mạnh trong phần quan sát của Vũ trụ. Cụ thể hơn về blazary nó sẽ được nói trong bài viết sau.

Lõi hoạt động không phải là blazars, Fermi chỉ thấy hai tá. Mặc dù nồng độ của chúng cao hơn ba bậc so với độ lớn, nhưng độ sáng của chúng thấp hơn nhiều so với chỉ các vật thể gần nhất có thể nhìn thấy được. Vẫn còn khoảng một nghìn nguồn chưa được phân loại, hầu hết trong số đó có nhiều khả năng cũng là blazars.

Các thiên hà bình thường (không hoạt động) "Fermi" chỉ thấy một vài mẩu. Đây là những đám mây Magellanic và M31 – Tinh vân Andromeda, cộng với một số khác, đặc trưng bởi sự hình thành nhanh chóng của các ngôi sao.

Trong số các đối tượng có độ cao thấp (chủ yếu là thiên hà), các pulsar chiếm ưu thế. Trong 143 xung có thể nhìn thấy xung trong phạm vi gamma. Một số vật thể khác bằng cách nào đó kết nối với các pulsar – đây là những vỏ siêu tân tinh, sự bùng nổ trong đó đã tạo ra các pulsar và sóng xung kích, hình thành từ sự tương tác của gió pulsar với môi trường. Một số, chẳng hạn như Tinh vân Con cua, là sự chồng chất của cả ba thành phần. Các pulsar đứng ra khá đơn giản: thời gian của sự xuất hiện của photon, do đó, quang phổ của tinh vân và pulsar có thể được xây dựng riêng biệt, mặc dù chúng không được giải quyết bằng góc.

Các vật thể thiên hà hiếm hơn: cụm cầu (15 miếng), hệ nhị phân của một ngôi sao và một vật thể nhỏ gọn (5 miếng) và các vùng hình thành sao mãnh liệt.

Cuối cùng, Fermi Zoo không chỉ bao gồm các đối tượng, mà còn bao gồm các sự kiện. Những cái chính là các vụ nổ tia gamma. Một vụ nổ tia gamma là thứ gì đó giống như một ngọn lửa nhỏ, sống trong một giây, hàng chục giây và đôi khi là hàng trăm giây. Một dạng blazar ngắn ngủi bên trong một ngôi sao sụp đổ: một lỗ đen được hình thành ở giữa, một đĩa tích lũy siêu xung quanh nó và các tia lửa: một phiên bản giảm của hạt nhân thiên hà đang hoạt động trong không gian (nhưng không có trong sức mạnh).Các lớp bên ngoài của ngôi sao ban đầu "không biết gì về điều này", nhưng các tia lửa trong vài giây đốt cháy qua độ dày một triệu km và thoát ra ngoài. Nếu máy bay phản lực được định hướng theo hướng của chúng tôi, sau hàng tỷ năm chúng ta thấy một vụ nổ tia gamma.

Ban đầu chúng được nhìn thấy trong phạm vi gamma mềm – hàng trăm keV. Sau đó, EGRET và các thiết bị dò tìm khác đã đăng ký một “đuôi” phổ mở rộng vào vùng GeV. Xa tất cả các vụ nổ đều có đuôi này, nhưng bằng cách nào đó Fermi đặt các photon năng lượng cao từ các cụm gamma lên luồng: danh mục mới nhất của các vụ nổ gamma chứa 130 sự kiện như vậy.

Trong số các sự kiện khác, Fermi thấy hiện tượng pháo hoa mặt trời và hiện tượng địa vật lý kết hợp với bức xạ gamma ở các tầng trên của bầu khí quyển của trái đất. Thật không may, chúng tôi không có đủ không gian để thu hút sự chú ý của họ.

Trong phần tiếp theo của bài viết, chúng tôi sẽ thảo luận về dữ liệu về blazars, trên nền khuếch tán extragalactic, trên các vụ nổ tia gamma, và về cách giải thích vật lý của chúng.


1. Đài thiên văn vật lý năng lượng cao: Explorer-11

2. Stern B. Tiếng kêu đầu tiên của thiên văn học neutrino // TrV-Science số 258 ngày 17 tháng 7 năm 2018, tr. 1.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: