Рентгеновская и гамма - астрономия (лекция 1)

1.

Рентгеновская и гамма-астрономия
Свинкин Дмитрий Сергеевич
доцент кафедры Физика космоса СПбАУ
н.с. лаб. Экспериментальной астрофизики ФТИ
)
e-mail: svinkin_ds@spbau.ru
Дмитрий Свинкин
Лаборатория экспериментальной астрофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе
2023

2.

Предварительные темы лекций
Тема 1. Небо в гамма-лучах
Тема 2. Механизмы генерации гамма-излучения.
Тема 3. Взаимодействие гамма-излучения с веществом, распространение
гамма-излучения.
Тема 4. Детектирование гамма-излучения. Гамма-телескопы.
Тема 5. Гамма-излучение Солнца.
Тема 6. Дискретные галактические источники гамма-излучения.
Тема 7. Диффузный галактический фон гамма-излучения.
Тема 8. Дискретные внегалактические источники гамма-излучения.
Тема 9. Диффузный внегалактический фон гамма-излучения.
Тема 10. Космические гамма-всплески.
Тема 11. Гамма-астрономия и фундаментальные физические проблемы.
2

3.

Литература
M. S. Longair, High Energy Astrophysics Third Edition – Cambridge University
Press, 2011
V. Schönfelder, The Universe in Gamma Rays – Springer-Verlag, Berlin,
Heidelberg, New York, 2001
Хилльер Р. Гамма-астрономия. – М.: Мир, 1987
Гинзбург В. Л. Теоретическая физика и астрофизика: Доп. главы. – М.:
Наука, 1975
Поиск статей и перекрёстных ссылок
NASA ADS - https://ui.adsabs.harvard.edu/
ArXiv - https://arxiv.org/ ,
новые статьи по астрофизике - https://arxiv.org/list/astro-ph/new
3

4.

Рентгеновское и гамма-излучение
Рентгеновское излучение. Энергия квантов достаточна для
ионизации практически любого иона, но ниже характерных
энергий внутриядерных переходов.
Гамма-излучение. Энергия квантов сопоставима с энергиями
внутриядерных переходов и выше.
Рентгеновское
Гамма
Энергия - E
(кэВ)
0.1 - 100
≥ 100
Частота -
(Гц)
2 1016 - 2 1019
≥ 2 1019
Длина волны - 10-9 - 10-6
(0.01-10 нм)
(см)
размеры атомов:
(2-10) 10-10 см
≤ 10-9
размеры ядер:
(2-10) 10-13 см
(1 кэВ = 1.6 10-9 эрг; 1 кэВ 2.42 1017 Гц 1.24 10-7 см; 1 кэВ 1.6 107 K)
4

5.

Гамма-излучение
Мягкое
E (эВ)
(Гц)
(см)
105 107
2 (1019 1021) 10-9 10-11
109 1011
2 (1021 1025) 10-11 10-15
1011 1015
2 (1025 1028) 10-15 10-18
1015 1018
>2 1028
>1018
T (К)
(kT=E)
(100 кэВ-10 МэВ)
Жесткое
107 1011
(10 МэВ-100 ГэВ)
Очень
высоких
энергий
1011 1014
(100 ГэВ – 100 ТэВ)
Сверхвысоких >1014 (> 100 ТэВ)
энергий
<10-18
5

6.

+
6
https://swift.gsfc.nasa.gov/results/BATbursts/ASTR_288C/Lecture1.pdf

7.

Непрозрачность земной атмосферы
7
https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/emspectrum1.html

8.

Механизмы генерации гамма-излучения
Излучение в линиях:
Радиоактивный распад ( +, -, захват e-)
– Остатки Сверхновых
Ядерные реакции
аннигиляция e+e-(линия 511 кэВ)
– центр Галактики
Излучение с непрерывным спектром
Рассеяние низкоэнергетических фотонов (оптика, ИК, …) на горячих
электронах (обратное комптоновское рассеяние) – Квазары
Излучение релятивистских электронов в магнитном поле
(синхротронное излучение)
– Пульсарные туманности, гамма-всплески
Тормозное излучение – Рентгеновское излучение солнечных вспышек
Распад нейтральных пи-мезонов (излучение с энергией выше
нескольких десятков МэВ) - Остатки сверхновых, скопления галактик
8

9.

История
40-ые, 50-ые – эксперименты на воздушных шарах и ракетах
Explorer 11 (1961), Orbiting Solar Observatory 3 (1967) – диффузное
рентгеновское и гамма-излучение (8-200 кэВ, >50 МэВ), открыт
точечный первый точечный источник Scorpius X-1
Vela (1967) – открытие гамма-всплесков (опубликовано в 1973)
ERS-17 (1967) – гамма-излучения солнечных вспышек
Uhuru (Explorer 42, 1970) – обзор неба в диапазоне 2-20 кэВ.
Открыты Cen X-3, Vela X-1, Her X-1 (аккрецирующие НЗ), Cygnus X-1
– первый кандидат в ЧД
OSO-VII (1972) – гамма-линии в солнечных вспышках
(511 кэВ, 2.223 МэВ, 4.4 МэВ, 6.1 МэВ)
9

10.

История
COS-B (1975) – первая карта Галактики (>70 МэВ), первый каталог
источников – 25 (Краб, Вела, Геминга; только один внегалактический
– 3С 273)
Венера 11-12 (1979) – открытие мягких гамма-репитеров
(эксперимент ФТИ)
HEAO-3 (1979) – линия 1.809 МэВ от 26Al в направлении на центр
Галактики, измерения профиля аннигиляционной линии 511 кэВ
SMM (1981-1990) – линии радиоактивного распада 56Co в SN 1987A в
БМО
CGRO (1991-2000) – первые карты неба в диапазоне 1-30 МэВ
(COMPTEL: 32 источника) и >100 МэВ (EGRET: 273 источника, - 186
неидентифицированных!); изотропное распределение >2000 гамма10
всплесков (BATSE)

11.

Обсерватория Спектр-РГ (2019+)
eROSITA
ART-XC
Энергетический диапазон: 0.2-10 кэВ
Угловое разрешение: 15”
Поле зрения (FoV): 1o
Энергетическое разрешение: 130 эВ
Эффективная площадь: 2400 см2
Энергетический диапазон: 4-30 кэВ
Угловое разрешение: 45”
Поле зрения (FoV): 0.5o
Энергетическое разрешение: 1.4 кэВ
Эффективная площадь: 450 см2
11

12.

Источники рентгеновского излучения
диапазон 0.3-2.3 кэВ
Обзор неба eROSITA за 6 месяцев (Merloni et al., 2024) – 930 000
источников
77 % - активные ядра галактик (АЯГ)
20% - звёзды с активными коронами
2% - скопления галактик
1% - рентгеновские двойные, остатки сверхновых, области звездообразования,
транзиенты (гамма-всплески)
12

13.

Обсерватория Swift (2004+)
BAT - Burst Alert Telescope
Энергетический диапазон: 15-150 кэВ
Угловое разрешение: 1-4’
Поле зрения (FoV): 1.4 стерадиан
Энергетическое разрешение: 7 кэВ
Эффективная площадь: 5240 см2
13

14.

Источники жесткого рентгеновского излучения
диапазон 15-150 кэВ
Обзор неба Swift-BAT за 105 месяцев, с 2004 г (Oh et al., 2018) – 1632 источника
14

15.

Обсерватория Fermi (2008+)
LAT - Large Area Telescope
Энергетический диапазон: 20 МэВ – 1 ТэВ
Угловое разрешение: 1-2 град.
FoV: 2.4 стерадиан (~20% всего неба)
Эффективная площадь: 9500 см2
15

16.

Источники гамма-излучения во Вселенной
диапазон 50 МэВ – 1 ТэВ
Обзор неба Fermi-LAT за первые 8 лет (Abdollahi еt al., 2020)
16

17.

Источники гамма-излучения во Вселенной
диапазон 50 МэВ – 1 ТэВ
Обзор неба Fermi-LAT за первые 8 лет (Abdollahi еt al., 2020)
Всего 5064 источника
26 % - неклассифицированные
60% - блазары
5% - пульсары
2% - остатки сверхновых
7% - шаровые скопления и пр.
17

18.

Источники гамма-излучения во Вселенной
диапазон 50 МэВ – 1 ТэВ
Спектр блазаров
18

19.

Пузыри Ферми (Fermi bubbles )
Обнаружены в ходе 2 лет наблюдений (Su еt al., 2010)
19

20.

H.E.S.S. - High Energy Stereoscopic System (2002+)
HESS I:
Общая площадь зеркал 108 м2
Энергетический диапазон: ~100 ГэВ – 10 ТэВ
Поле зрения: 5 град
20

21.

Источники гамма-излучения во Вселенной
диапазон ~100 ГэВ – 10 ТэВ
Обзор неба H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) (с 2002 г)
95 источников на 2024 г
https://www.mpi-hd.mpg.de/HESS/pages/home/sources/
Supernova remnants, pulsar wind nebulae,
binaries, star cluster/star forming regions,
unidentified, starburst galaxy,
active galactic nucleus.
21

22.

История гамма-астрономии в ФТИ
Борис Павлович Константинов – директор ФТИ им. А.Ф. Иоффе 1957 – 1967
Поиск антивещества в составе метеорных потоков был инициирован в ФТИ
Б. П. Константиновым в начале 1960-х.
Одновременно велись исследования космической пыли (микрометеоритов) и
аннигиляционного гамма-излучения на самолётах, аэростатах и спутниках.
Отношение астрономов к идее антикомет
см. в книге И. Шкловского - Эшелон
22

23.

Исследование диффузного фона гамма-излучения (ФТИ)
Космос-135 (12 дек 1966 – апр 1967) и Космос-163 (5 июн 1967 – окт 1967) были
оборудованы гамма-спектрометрами с диапазоном 300 кэВ – 4 МэВ.
Космос-461 (2 дек 1971 - 14 дек 1972) нёс гамма-спектрометр (30 кэВ – 4 МэВ).
Впервые измерен спектр космического фона гамма-излучения в диапазоне
~30 – 400 кэВ (dN/dE ~ E-2.8).
Космос-461
Космос-135/-163
https://www.yuzhnoye.com/en/company/history/s
mall-unified-spacecraft.html
https://space.skyrocket.de/doc_sdat/ds-u2-mp.htm
https://space.skyrocket.de/doc_sdat/ds-u2-mt.htm
23
Mazets et al., Ap&SS 33, 347, 1975

24.

Исследование гамма-излучения Галактики
В наблюдениях на Космос-461 было выделено гамма-излучение Галактики на
основе затенений плоскости Галактики Землёй.
Определёны потоки метагалактического (~2×10-6 эрг см-2 с-1) и
галактического (~7×10-8 эрг см-2 с-1) гамма-излучения.
Оценена светимость галактики Lγ ~ 6×1038 эрг с-1.
Mazets, Golenetskii, Il’inskii, Sov. Ast. Lett. 2, 223, 1976
24

25.

Техногенное гамма-излучение в космосе
Обнаружение термоядерного взрыва в Китае 17 июня 1967 г
(«Ядерное испытание № 6») гамма-спектрометром Космос-163.
25

26.

Секретная история открытия гамма-всплесков
10.10.1963 - Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере,
космическом пространстве и под водой. Для контроля за исполнением создана
система спутников Vela (100 тыс км, круговые орбиты).
Середина 1960-х - регистрация гамма-всплесков системой Vela;
1973 г - первая научная публикация

27.

Первое независимое подтверждения открытия гаммавсплесков
В наблюдениях на Космос-461 и «Метеор» было получено одно из первых
независимых подтверждений открытия космических гамма-всплесков: был
зарегистрирован гамма-всплеск 17 января 1972 г.
Мазец, Голенецкий, Ильинский, Письма в ЖЭТФ 19, 126, 1974
27

28.

Исследования гамма-всплесков
на КА «Венера 11-14»
Эксперименты «Конус» на межпланетных станциях «Венера 11-12» (1978-1980) и
«Венера 13-14» (1981-1983).
Кажды КА имел 6 NaI детекторов с анизотропной чувствительностью.
Локализация гамма-всплесков: автономная + триангуляция (расстояние между
парой КА ~60 млн. км).
28

29.

Исследования гамма-всплесков
на КА «Венера 11-14»
В экспериментах «Конус» на межпланетных
станциях «Венера 11-14» (1979-1983 гг) впервые
получены основные наблюдательные
характеристики гамма-всплесков.
Обнаружено «бимодальное распределение»
всплесков по длительности и изотропное
распределение источников всплесков на небесной
сфере.
Mazets et al., Ap&SS 83, 3, 1981
29

30.

Источники повторяющихся всплесков
Гигантская вспышка SGR 0526-66 в Большом Магеллановом Облаке была
зарегистрирована в эксперименте «Конус» на АМС Венера-11,12.
Пульсирующий «хвост» был зарегистрирован благодаря низкому энергетическому
порогу аппаратуры ~30 кэВ.
SGR 0526-66, гигантский всплеск 5 марта 1979 г.
Mazets et al., Nature 282, 587, 1979
Локализация повторных всплесков
источника SGR 0526-66.
Golenetskii et al., Nature 307, 41, 1984
30

31.

Современные инструменты
Обсерватория Swift запущена
на экваториальную 560 км орбиту
20 декабря 2004.
Обсерватория Fermi запущена на
экваториальную 520 км орбиту
11 июня 2008.
Гамма-спектрометр «Конус» (ФТИ)
запущен 11 ноября 1994, на спутнике Wind (NASA).
сейчас на расстоянии 1.5 млн. км.
Обсерватория Einstein Probe
запущена 9 января 2024 года
Обсерватория The Space Variable
Objects Monitor (SVOM)
запущена 22 июня 2024

32.

Эксперимент Конус-Винд
Запущен в 1994 г на борту космического
аппарата Wind (NASA). Сейчас на орбите
вокруг точки Лагранжа L1 (~1.5 млн. км).
Более 25 лет непрерывной работы.
Включает 2 сцинтилляционных детектора,
установленных на противоположных
сторонах Wind (поле зрения 4 π).
Первый российский прибор на
американском космическом аппарате.
Зарегистрировано: >3700 гамма-всплесков,
320 всплесков гамма-репитеров,
>1200 солнечных вспышек.
По результатам наблюдений опубликовано
~100 работ (8 в Nature).
Конус
32

33.

Формы импульсов гамма-всплесков
Временные истории гамма-всплесков – скорость счёта фотонов гамма-детектором в
зависимости от времени.

34.

Межпланетная сеть гамма-детекторов
Локализация гамма-всплесков по запаздыванию излучения между
космическими аппаратами, аналогично GPS/ГЛОНАСС.
http://en.wikipedia.org/wiki/InterPlanetary_Network

35.

Ловля гамма-всплесков «сетью»
Получение локализации
Рассылка информации для
наземных и космических
телескопов*
Обнаружение оптического
источника
*система рассылки информации о всплесках – The Gamma-ray Coordinates Network
https://gcn.gsfc.nasa.gov/

36.

Гамма-всплески и космология
Вселенная расширяется, чем дальше объект тем быстрее он удаляется.
Расстояние до галактики можно оценить наблюдая её спектр.
obs = (1+z) 0
Самый далёкий всплеск – z=9.4
(~520 млн. лет после Большого
Взрыва)
JADES-GS-z13-0

37.

Гамма-всплески - самые мощные взрывы во
Вселенной
В одном событии выделяется столько энергии, сколько все звёзды
нашей Галактики за годы!
Светимость и энерговыделение гамма-всплесков
Lmax, iso ~1051 – 1054 эрг/с
Erad, iso1048 – 1054 эрг (~10-6 – 1 MSunc2!)
Солнце ~4x1033 эрг/с
Галактика ~2x1044 эрг/с
Сверхновая Ia ~1043 эрг/с
Квазар (QSO) ~1045 эрг/с

38.

Механизм генерации гамма-всплесков
Центральный источник
испускает узкую струю
материи.
Гамма-излучение
генерируется внутри потока,
несущегося почти со
скоростью света.
Излучение с большей
длиной волны связано с
взаимодействием потока и
межзвёздной среды.

39.

Что генерирует гамма-всплески?
Длинные всплески (~20 cекунд)
– коллапс ядра массивной звезды.
Короткие (~0.5 cекунд)
– слияние двух нейтронных звёзд
или поглощение нейтронной
звезды чёрной дырой.
http://www.mpe.mpg.de/1048427/CompactObjects

40.

Как различить источники?
Слияние нейтронных звёзд – источники гравитационных волн.
Ведётся поиск одновременного детектирования электромагнитного и
гравитационного излучения всплеска.
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)
Abbott et al., PRL 116, 061102, 2016

41.

Событие GW 170817 и GRB 170817A
Короткий (2 с) гамма-всплеск
GRB 170817A был зарегистрирован
детекторами Fermi-GBM и
INTEGRAL (SPI-ACS) в 45666.475 с UT
(12:41:06.475), через ~2 секунды после
регистрации LIGO сигнала от слияния.
LIGO false alarm rate = 10-6 лет-1
Вероятность случайного попадания GRB
в T0 (LIGO)+/-2 с – 5×10-6
41

42.

GW 170817 / GRB 170105A
LIGO/Virgo and others ApJL, 2017
42