Исследования: Гамма лучи

English version

Исследования в области гамма-астрономии сверхвысоких энергий


В Крымской астрофизической обсерватории исследования в области астрофизики высоких энергий были начаты в 1955 году. Через три года под руководством Арнольда Арташесовича Степаняна была создана Станция космических лучей, из которой впоследствии выросла Лаборатория гамма-астрономии. Основная задача, которая стояла перед сотрудниками станции, – это исследование космического фона элементарных частиц у поверхности Земли и в ее атмосфере. Станция была оснащена двумя установками: кубическим тeлескопом для регистрации мезонной компоненты космических лучей (Степанян, 1960 [1]) и нейтронным монитором для регистрации более низко энергичных частиц. Эти приборы работали до 1961 года, их показания посылались в Международный центр данных. Исследования показали, что магнитные бури сопровождаются понижением интенсивности космических лучей по всему энергетическому спектру (Степанян, Владимирский, 1960 [2]). Был также установлен ряд закономерностей в распространении космических лучей, генерированных на Солнце в межпланетном пространстве (Владимирский, Степанян, 1961). Было показано, что длительности хромосферных вспышек коррелируются с амплитудами понижения интенсивности космических лучей во время эффекта Форбуша (Степанян, 1962 [3]).

С 1961 по 1965 годы на Станции проводились измерения потока космических лучей в стратосфере с помощью шаров зондов. Анализ полученных данных показал, что практически все солнечные вспышки приводят к генерации частиц высоких энергий (Владимирский, 1968 [4]).


Результаты наблюдений на регистраторе черенковских вспышек РЧВ-1

С 1965 года были начаты работы по созданию детектора для обнаружения гамма-излучения сверхвысоких энергий (СВЭ, Е>1012 эВ) от галактических и внегалактических объектов методом регистрации черенковских вспышек от электронно-фотонного ливня, возникающего при попадании гамма-кванта в атмосферу Земли. Первые наблюдения были начаты в 1969 году на простейших по нынешним временам гамма-телескопах (детекторах), изготовленных из прожекторов с зеркалами диаметром 1.5 метра, в фокусе которых помещались фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Детектор РЧВ-1 (рис. 1) представлял собой две пары телескопов, включенных попарно на совпадения.

Рис. 1.: Черенковский телескоп 1-го поколения РЧВ-1 в КрАО.

За период с 1969 до 1980 годов были исследованы объекты различных типов: остатки сверхновых, пульсары, радиогалактики, рентгеновские источники, квазары и другие. Для большинства объектов были определены лишь верхние значения потоков гамма-квантов СВЭ. Однако при сканировании галактической плоскости (1971–1973 гг.) в созвездии Кассиопеи был обнаружен источник гамма-излучения СВЭ с координатами α = 1h 16±4m, δ=62° 00′ (Степанян и др., 1972; Фомин и др., 1975). Источник был назван Cas γ-1. В 1971 году в ходе эксперимента UHURU в рентгеновском диапазоне был обнаружен источник 4U 0115+63, представляющий собой двойную систему с рентгеновским пульсаром (период 3.6 с), орбитальный период которой – 24 дня (Раппопорт и др., 1978). На спутнике SAS-2 от этого объекта был зарегистрирован поток гамма-квантов с энергией E>108 эВ (Хоустон, Волфиндейл, 1983). Близость координат 4U 0115+63 и Cas γ-1 и найденный период 24 дня в наблюдениях гамма-источника СВЭ (Нешпор, Зыскин, 1988) дали основания отожествить эти два объекта. При наблюдениях источника Cas γ-1 в 1992 и 1993 годах в Крыму (гамма-телескоп ГТ-48) был зарегистрирован поток гамма-квантов СВЭ с достоверностью 4.5σ (стандартных отклонений). Таким образом, можно предполагать, что объект 4U 0115+63 (Cas γ-1) излучает в широком диапазоне частот от рентгеновского до гамма СВЭ.

Регулярные наблюдения рентгеновского источника Cyg X-3 на регистраторе черенковских вспышек РЧВ-1 в Крыму были начаты 5 сентября 1972 года после получения сообщения о мощной вспышке в радиодиапазоне. Первые же наблюдения в сентябре 1972 года показали, что объект Cyg X-3 излучает гамма-кванты СВЭ, что впоследствии подтвердили другие обсерватории. Наблюдения рентгеновского источника Cyg X-3 на регистраторе РЧВ-1 продолжались вплоть до 1980 года. Девятилетние наблюдения объекта Cyg X-3 позволили обнаружить ряд интересных его особенностей. Найден в излучении гамма-квантов СВЭ период 4.8 часа и его производная (3×10-9 с/c), обнаружены вариации потока гамма-квантов с периодом 328 дней (Нешпор и др., 1980; Нешпор, Зыскин, 1982; Нешпор, Зыскин, 1988; Зыскин и др., 1988). Сходство электромагнитных спектров Крабовидной туманности и рентгеновского источника Cyg X-3 позволило многим исследователям высказать предположение о наличие пульсара в объекте Cyg X-3. Для решения этого вопроса в КрАО была создана специальная аппаратура для регистрации точного времени черенковской вспышки и проведены наблюдения Cyg X-3 на установке РЧВ-1 в период с 26.09 по 04.10.1978 года. Поиск периода в диапазоне от 8 мс до 100 секунд проводился методом наложения эпох на ЭВМ БЭСМ-6 и потребовалось 100 часов машинного времени. В результате было показано, что объект Сyg X-3 содержит пульсар с периодом 9.2209 мс, излучающий гамма-кванты СВЭ (Зыскин и др., 1988). Cyg X-3 является тесной двойной системой, в состав которой, вероятно, входят нейтронная звезда (или черная дыра) и звезда Вольфа-Райе.

Многолетние наблюдения галактической плоскости в различных ее областях показали в среднем наличие гамма-излучения СВЭ от этого протяженного объекта (Фомин, 1977 [5]). Впоследствии, спустя 30 лет, данный результат был подтвержден на гамма-установке HESS.

В 1971 году для наблюдений южного неба в Чили был разработан и изготовлен гамма-телескоп первого поколения (типа РЧВ-1), который был отвезен в Чили, там собран и отлажен. Были проведены первые наблюдения, и только военный переворот в Чили помешал в дальнейшем проводить наблюдения на нем.

к началу

Результаты наблюдений на гамма-телескопе ГТ-48

В 1973 году сотрудниками Лаборатории гамма-астрономии под руководством Арнольда Арташесовича Степаняна была начата разработка, а затем и строительство нового гамма-телескопа второго поколения (ГТ-48), состоящего из 48 зеркал диаметром 1.2 метра (общая площадь 54 м2). Гамма-телескоп ГТ-48 представляет собой первую в мире стереоскопическую установку, которая предназначена для регистрации изображений черенковских вспышек, вызываемых как протонно-ядерной компонентой космической лучей, так и гамма-квантами СВЭ (Е>1012 эВ) при их попадании в атмосферу Земли. Это единственная в мире установка, которая одновременно регистрирует черенковские вспышки как в видимом (3000–5500 Å), так и в ультрафиолетовом (2000–3000 Å) диапазонах. Гамма-телескопы второго поколения (включая и телескоп ГТ-48) позволяют определить не только величину потока, но и его направление, следовательно, координаты источника гамма-излучения СВЭ (Владимирский и др., 1994). Наблюдения на гамма-телескопе ГТ-48 были начаты в 1989 году и ведутся по настоящее время. В частности, успешными оказались наблюдения Крабовидной туманности в октябре 1993 года. За восемь часов наблюдений был зарегистрирован поток гамма-квантов СВЭ на уровне 5σ, в то время как на установке обсерватории Уиппла с 37-канальным детектором аналогичный результат был получен за 20 часов наблюдений (Калекин и др., 1995; Панч и др., 1991 [6]). Полученные результаты показывают, что телескопы второго поколения в десятки раз эффективнее гамма-телескопов 60-70-х годов и то, что телескоп ГТ-48 имеет некоторые преимущества по сравнению с другими черенковскими телескопами. Кроме того, анализ данных наблюдений 1989, 1994 и 1995 годов позволил сделать вывод о том, что объект Cyg X-3 является источником гамма-квантов СВЭ, что подтверждает результаты наблюдений Cyg X-3 на установке РЧВ-1 в период 1972–1980 гг. (Владимирский и др., 1991; Нешпор и др., 2003).

При наблюдениях в сентябре-октябре 1993 года созвездия Лебедя был зарегистрирован поток гамма-квантов СВЭ с высокой достоверностью (7σ) от нового объекта, расположенного вблизи рентгеновского источника Cyg X-3 (Нешпор и др., 1995). Этому источнику гамма-излучения СВЭ было дано название Cyg γ-2 (Калекин и др., 1996). Спустя 10 лет, в 2003 году, на 28-ой Международной конференции по космическим лучам было сделано сообщение о регистрации потока гамма-квантов СВЭ от объекта Cyg γ-2 (Cyg OB2) при наблюдениях группой HEGRА в период 1999–2002 гг. (Роуелл, Хорнс, 2003 [7]). Анализ результатов наблюдений области Лебедя в период 1989–1990 годов, проведенных в обсерватории Whipple, также показал наличие потока гамма-квантов СВЭ от объекта Cyg γ-2 (Ленг и др., 2004). Гамма-источник Cyg γ-2 остается до настоящего времени неидентифицированным объектом. Cyg γ-2 расположен в области чрезвычайно активного звездообразования в созвездии Лебедя, содержащей большое количество рентгеновских источников и источников низкоэнергетического гамма-излучения. Тем не менее этот объект не имеет "дублеров" на других длинах волнах, и (что особенно странно) их нет даже в рентгеновском диапазоне. В связи с этим гамма-источник СВЭ Cyg γ-2, по-видимому, можно отнести к классу высокоэнергичных источников гамма-излучения СВЭ неизвестной природы.

Рис. 2.: Изофоты распределения направлений прихода гамма-квантов от Cyg X-3 и Cyg γ-2. Δα – отклонение от координат источника по прямому восхождению, Δδ – по склонению. Числа событий в правом верхнем углу.

В 1996–1997 годах были проведены наблюдения объекта Геминга. Это один из самых загадочных объектов астрофизических исследований наших дней. Прежде всего он интересен тем, что поток энергии от него в гамма-диапазоне Е>50 МэВ в тысячу раз больше, чем в рентгеновском, и в 200 тысяч раз больше, чем в оптическом. Изучение данных наблюдений на ГТ-48 показало, что этот объект является источником гамма-квантов сверхвысоких энергий. Анализ распределения гамма-квантов по времени методом наложения эпох показал наличие периодической составляющей в гамма-излучении СВЭ с периодом 0.237 с. Также показано, что поток излучения гамма-квантов СВЭ модулируется с периодом "59 с". Значения периодов (0.237 с и 59 с) получены ранее по спутниковым данным в рентгеновском и гамма (Е>35 МэВ) диапазонах.

В начале 90-х годов гамма-излучение СВЭ было обнаружено от активных ядер галактик (АЯГ) Мrк 421 и Мrк 501. С 1996 года в КрАО ведутся наблюдения АЯГ на гамма-телескопе ГТ-48 (Степанян и др., 2002; Нешпор и др., 2001; Нешпор и др., 2007). Результаты наблюдений представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты наблюдений АЯГ, наблюдавшихся на ГТ-48.
Объект Расстояние, кпк lg L (эрг/с)
1 3C 66A 1800000 46.3
2 1H 1426+428 516000 44.0
3 BL Lac 280000 44.5
4 Mrk 501 136000 44.5
5 Mrk 421 124000 44.0

В таблице величина светимости гамма-излучения СВЭ (L) в эрг/c представлена исходя из предположения, что гамма-излучение испускается изотропно и без учета межгалактического поглощения.

Гамма-излучение СВЭ от активных ядер галактик 3C 66А и BL Lac обнаружено впервые в Крыму. Показано, что потоки в гамма-диапазоне СВЭ от АЯГ 3С 66А и BL Lac коррелируют с потоками в оптике.

Для галактики Мrк 501 обнаружена переменность гамма-излучения СВЭ от ночи к ночи (Андреева и др., 2000). По данным наблюдений НИИ "КрАО" в 1997, 1998, 2000, 2002, 2004 и 2006 годах поток гамма-квантов СВЭ галактики Мrк 501 изменяется от года к году. Подтверждено наличие периодической составляющей с периодом 23.2 дня (Нешпор и др. 2003 [8]), а также найдена положительная корреляция между средними за год потоками в рентгене (2–10 кэВ) и гамма-излучения СВЭ (Нешпор, Жовтан, 2008).

Спектры активных ядер галактик похожи друг на друга и имеют два максимума. Один максимум – низкочастотный, приходится на оптическую, ультрафиолетовую область или смещается в область рентгена для АЯГ, излучающих гамма-кванты СВЭ, другой – высокочастотный – максимум находится в области гамма-излучения высоких энергий (Нешпор, Степанян, 2006). По литературным данным, включая результаты наблюдений на ГТ-48, для 24 АЯГ вычислены светимости гамма-излучения СВЭ Е=(0.1-1.0) ТэВ и Е>1.0 ТэВ, исходя из предположения, что гамма-излучение испускается изотропно, с учетом и без учета межгалактического поглощения. Были также использованы опубликованные данные наблюдений гамма-излучения Е>100 МэВ, полученные на GRO COMPTON за период с апреля 1991 года по октябрь 1995 года (3-ий каталог EGRET для 74 объектов). Показано, что мощность гамма-излучения с высокой достоверностью растет как квадрат расстояния до галактики, а коэффициент корреляции равен 0.80±0.01. Возможно, это связано с тем, что с расстоянием объем Вселенной растет, а также растет и число мощных объектов, и, следовательно, вероятность обнаружить мощный объект на больших расстояниях увеличивается, поэтому наблюдается такая зависимость. Возможно, это связано с космологией, т.е. с особенностями эволюции Вселенной (более молодые объекты светят ярче). Как следствие, величина поглощения гамма-квантов СВЭ меньше, чем приводимые величины в литературе, поэтому есть большая вероятность обнаружить гамма-излучение СВЭ от АЯГ на значительно удаленных от нас (z>0.5) внегалактических объектах. Показано, что с увеличением активности АЯГ спектр гамма-излучения СВЭ становится более пологим (Нешпор, 2011). Кроме того, на основании опубликованных данных наблюдений внегалактических и галактических источников в разных диапазонах энергий делается заключение, что должен существовать такой механизм генерации излучения, при котором увеличение потока происходит только в узком диапазоне энергий, причем частицы более высоких энергий ускоряются более эффективно (Нешпор, Жовтан, 2014).

к началу

Таким образом, лаборатория непрерывно развивалась как в техническом, так и в научном планах. В 2011 году Лаборатория гамма-астрономии вошла в состав Лаборатории внегалактических исследований и гамма-астрономии под руководством Сергея Геннадьевича Сергеева. В 2015 году Лаборатория внегалактических исследований и гамма-астрономии преобразована в Отдел внегалактических исследований и гамма-астрономии.


Список литературных ситочников отсутствующих в SAO/NASA ADS:

  1. Stepanian А. А. // Bull. of the Crimean Astrophys. Obs. Vol. 24. p. 313 (1960).
  2. Stepanian А. А., Vladimirskiy B. М. // Bull. of the Crimean Astrophys. Obs. Vol. 24. p. 320 (1960).
  3. Stepanian А.А. // Bull. of the Crimean Astrophys. Obs. Vol. 28. p. 324 (1962).
  4. Vladimirskiy B.М. // Bull. of the Crimean Astrophys. Obs. Vol. 38. № 3. p. 432 (1968).
  5. Fomin V. P. // Bull. of the Crimean Astrophys. Obs. Vol. 56. p. 35 (1977).
  6. Panch M. et al. // Proc. of 22nd Intern. Cosm. Ray Conf. 1991. Vol. 1. P. 464.
  7. Gavin Rowele, Dieter Horns // Proc. of 28th Intern. Cosm. Ray Conf. 2003. P. 2345.
  8. Neshpor et al. // Bull. of the Crimean Astrophys. Obs. Vol. 99. p. 34 (2003).