Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Для регистрации оптических вспышек используют специализированные телескопы-рефлекторы и их системы с зеркалами (обычно сегментированными) размерами около 10 м. Поскольку для таких наблюдений не нужно высокое угловое разрешение и хорошее качество изображения, эти телескопы устроены гораздо проще аналогичных установок для оптической астрономии (соответственно, при том же диаметре зеркала они намного дешевле). Примерами подобных наземных крупных установок для гамма-астрономии являются MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes, Большой атмосферный черенковский гамма-телескоп, Канарские острова), H. E. S. S. (High Energy Stereoscopic System, Стереоскопическая система для регистрации [частиц] высоких энергий, Намибия) и VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, Массив телескопов для регистрации радиации очень высоких энергий, Аризона, США).

Наземные гамма-телескопы позволяют достигать хорошего (по меркам астрономии высоких энергий) углового разрешения в доли градуса. Однако для регистрации астрономических источников необходимо длительное время наблюдений. При малом поле зрения (около 5 градусов) и возможности проводить полноценные наблюдения лишь в очень темные безлунные ночи (около 10 % времени) для обзорных наблюдений требуется очень много времени. Тем не менее за несколько лет обзор галактической плоскости с помощью телескопа H. E. S. S. позволил обнаружить десятки источников: в первую очередь пульсарные туманности, остатки сверхновых и двойные системы (несколько десятков источников еще остаются неидентифицированными).

Однако наблюдать фотоны самых высоких энергий (десятки тераэлектронвольт и выше) оказывается затруднительно (их просто крайне мало). Так, например, за 24 часа чистого времени наблюдений Крабовидной туманности (яркого источника!) установка H. E. S. S. регистрирует лишь несколько фотонов с энергиями выше 30 ТэВ. Поэтому для ультравысоких энергий пытаются применять другую методику наблюдения атмосферного черенковского излучения. Этот способ не позволяет напрямую получать изображения, однако с помощью обработки сигнала можно определить направление на источник. Метод состоит в том, что на большой площади (десятки или в будущем даже сотни квадратных километров) размещаются чувствительные фотоумножители, регистрирующие атмосферное черенковское излучение. Именно так работает, например, установка «Тунка-HiSCORE» (Hundred Square-km Cosmic ORigin Explorer, Прибор для исследования частиц космического происхождения площадью в сто квадратных километров), расположенная в Тункинской долине вблизи озера Байкал.

Известно более сотни источников на энергиях выше 1 ТэВ.

Другой тип наземных установок регистрирует сами вторичные частицы, порожденные гамма-квантами в атмосфере. Водяные черенковские детекторы представляют собой цистерны, заполненные водой. При попадании в них электроны испускают черенковское излучение, регистрируемое фотоумножителями. Угловое разрешение таких установок невелико, зато они могут работать практически постоянно и получают данные о фотонах очень высоких энергий.

Обсерватория HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Observatory, Высокогорная водная черенковская обсерватория, Мексика) состоит из нескольких сотен емкостей, каждая из которых содержит по 188 т воды. Она позволяет регистрировать фотоны с энергиями до 100 ТэВ (почти в миллион миллиардов раз выше энергии красных фотонов видимой части спектра).

Существуют и другие методики регистрации вторичных частиц. Например, сцинтилляционные детекторы установки Tibet-III или счетчики с резистивными платами (resistive plate counters) установки ARGO-YBJ (Astrophysical Radiation with Ground-based Observatory at YangBaJing, Наземная обсерватория астрофизической радиации в Янбацзине). Однако пока они менее эффективны.

Отдельное место в гамма-астрономии занимают космические гамма-всплески. Они были открыты в 1967 г. c помощью американских спутников-разведчиков Vela (название происходит от испанского velar – нести дозор), предназначенных для слежения за ядерными испытаниями. Из-за плохого углового разрешения в гамма-диапазоне до 1997 г. не удавалось даже определить, на каких расстояниях они происходят. Одновременная регистрация гамма- и рентгеновского излучения от одного из всплесков приборами, установленными на борту итало-голландского спутника BeppoSAX (Beppo – в честь итальянского физика Джузеппе Оккиалини (Giuseppe Occhialini), Satellite per Astronomia a raggi X–Cпутник для рентгеновской астрономии), позволила определить достаточно точные координаты события. В результате удалось провести оптические наблюдения на крупных телескопах, был открыт транзиентный оптический источник в далекой галактике, и подтвердилась гипотеза космологического происхождения гамма-всплесков.

Космические гамма-всплески связаны со слияниями нейтронных звезд и со вспышками особого типа сверхновых.

Гамма-всплески делят на два типа. Короткие (обычно короче нескольких секунд) связывают со слияниями нейтронных звезд, а длинные (до нескольких часов) – со взрывами массивных звезд с быстро вращающимися ядрами. В год наблюдается несколько сотен гамма-всплесков, это одни из самых мощных взрывных процессов, происходящих в настоящее время во Вселенной.

Поиск аннигиляции частиц темного вещества – перспективная задача гамма-астрономии.

Хотя обычно основная энергия всплеска приходится на диапазон энергий до 1 МэВ, для некоторых всплесков были получены данные и на гораздо больших энергиях – вплоть до нескольких гигаэлектронвольт. Детали механизма излучения гамма-всплесков остаются неясными, поэтому здесь необходимы новые наблюдения, в том числе и на очень высоких энергиях.

Количество известных гамма-источников (не считая космических гамма-всплесков и солнечных вспышек) составляет сейчас несколько тысяч. Однако в основном они обнаружены спутником Fermi на энергиях ниже 300 ГэВ. С ростом энергии число известных источников уменьшается, среди них много неидентифицированных объектов. Большинство идентифицированных гамма-источников относится или к пульсарам, или к активным ядрам галактик, и дальнейшие наблюдения помогают лучше понять эти типы источников и механизмы генерации излучения в них. Возможно, самой перспективной задачей гамма-астрономии является обнаружение аннигиляционного сигнала от темного вещества. Во многих моделях предсказывается, что частицы, составляющие темную материю, могут аннигилировать друг с другом, порождая гамма-кванты. Обнаружение аннигиляционного гамма-сигнала было бы прямым доказательством существования этой составляющей нашей Вселенной.

Нейтрино – это легкие незаряженные частицы, относящиеся к лептонам. Известно три типа нейтрино: электронные, мюонные и тау, все типы нейтрино имеют античастицы. Эти частицы относятся к самым фундаментальным – они входят в Стандартную модель элементарных частиц. С другой стороны, обнаружение массы у нейтрино и открытие нейтринных осцилляций (в некотором смысле превращение одного типа нейтрино в другой) является важнейшим доказательством неполноты Стандартной модели.