«Земля и Вселенная» 1991 г №4 (июль - август)




Сегодня не очень-то обращают внимание на сообщения ТАСС о запусках космических аппаратов. К этому привыкли, да и социальные проблемы, которыми насыщено наше время, отодвигают эти сообщения на второй план. Вот и запуск космической обсерватории «Гамма» 11 июля 1990 г. мало кто заметил. Поэтому наш журнал в предыдущем номере начал, а в этом продолжает знакомить читателей с проектом «Гамма».


Космонавтика
Космический эксперимент в области гамма-астрономии
А. М. ГАЛЬПЕР,
доктор физико-математических наук МИФИ

ОБ ИСТОКАХ ПРОЕКТА

Почти двадцать лет назад (в 1972 г.) академик В. Л. Гинзбург выступил с докладом на заседании Президиума АН СССР, в котором обосновал необходимость развития исследований в области гамма-астрономии. Уже тогда было решено выделить средства на создание научной аппаратуры, но, правда, оставили открытым вопрос о космическом аппарате. Можно сказать, что с этого времени началась в нашей стране плановая работа по реализации программ гамма-астрономических наблюдений. Одной из таких программ стал проект «Гамма», предусматривающий исследование в диапазоне энергий 50÷500 МэВ «гамма-звезд», определение их координат (локализация), временных и энергетических характеристик, изучение гамма-излучения Солнца, Галактики и внегалактических объектов.

Известно, что гамма-астрономия — это наблюдение Вселенной в наиболее «энергичной» части спектра электромагнитного излучения (длина волны около 10-12 см соответствует энергии кванта — 0,1 МэВ). Гамма-излучение такой энергии возникает в результате тормозного и синхронного излучения электронов сверхвысокой энергии, высвечивания возбужденных ядер, распада нейтральных пионов и других нестабильных элементарных частиц, аннигиляции антивещества и вещества (p, p, е- e+ ). Иными словами, гамма-излучение, возникающее при взаимодействии высокоэнергичных космических частиц с веществом и антивеществом, несет информацию о многих процессах, происходящих во Вселенной. В последнее время гамма-астрономию, рентгеновскую астрономию и физику космических лучей стали называть астрофизикой высоких энергий. Лишь очень энергичные гамма-кванты с энергией более 1012 эВ создают в верхней атмосфере электронно-фотонный ливень, «брызги» которого достигают поверхности Земли. Поэтому первичное космическое гамма-излучение не доходит до Земли, и для его изучения необходимо использовать высотные аэростаты, космические аппараты (Земля и Вселенная, 1973, № 1; 1981, №№ 3, 4).

С начала осуществления проекта «Гамма» прошло много времени. Это было связано и с работами по созданию, испытанию и калибровке телескопа на ускорителе, и с поиском спутника, и с неоднократными переносами сроков запуска (первый официальный срок — 1982 г.). За это время в США, а затем и в Западной Европе были осуществлены запуски специальных космических аппаратов (SAS-2 и COS-B) с гамма-телескопами на борту, работающими в том же диапазоне, что и «Гамма-1». Открыто около 15 дискретных источников, среди них надежно отождествлены с известными радио-, оптическими или рентгеновскими объектами лишь четыре: два пульсара, водородное облако и сейфертовская галактика. Получены данные об излучении Млечного Пути и от областей, расположенных в более высоких галактических широтах. Эти результаты очень важны, хотя и могут показаться малочисленными. Необходимо помнить, что энергия рентгеновского кванта на три порядка меньше энергии γ-кванта, а значит, потоки рентгеновских лучей на 5—6 порядков больше, чем γ-квантов. Поэтому требуются гамма-телескопы с большой аппертурой, высоким угловым разрешением и большой чувствительной площадью, а также

Схема устройства и принцип действия телескопа «Гамма-1»
длительные, очень длительные непрерывные наблюдения до одного, двух месяцев за одним и тем же участком небесной сферы. По всем этим параметрам гамма-телескоп «Гамма-1» и обсерватория «Гамма», на которой он установлен, были лучше экспериментов на аппаратах SAS-2 и COS-B. А это означало, что задач у телескопа «Гамма-1» перед запуском в 1990 г. было достаточно много.

ТЕЛЕСКОП «ГАММА-1»

Прежде всего познакомимся с принципом действия телескопа «Гамма-1». Гамма-квант проходит через торцовые сцинтилляционные счетчики без взаимодействия и в одной из пластин многослойной искровой камеры превращается (конвертирует) в электрон и позитрон, которые регистрируются как обычные заряженные частицы в сцинтилляционных счетчиках и в газовом счетчике Черенкова. В калориметре частицы образуют электронно-фотонную лавину. Если через телескоп проходит случайная заряженная частица, то, в отличие от гамма-кванта, она создает сигналы и в торцевых верхних сцинтилляционных счетчиках. Электронная схема телескопа анализирует комбинации возникающих сигналов: если сигнал в счетчике над черенковским детектором опережает сигнал с нижнего счетчика, то в телескоп действительно сверху попал гамма-квант (либо прошел электрон). Протоны тоже могут вызвать сигнал в черенковском счетчике, но только для этого их энергия должна быть почти в тысячу раз больше, чем у электронов. На этапе «сортировки» частиц определяется время прилета частиц с точностью до 10-3 с и их энергии.

Для уточнения «угла прихода» гамма-кванта используется второй этап регистрации частиц, который состоит в следующем. Когда электронная система узнала, что в прибор попал гамма-квант, на пластины искровых камер подается короткий высоковольтный импульс (~20 кВ). В том месте, где через камеру прошел электрон и позитрон от конвертировавшего гамма-кванта и частицы оставили след из ионизированных атомов неона (им заполнены камеры), возникает видимый электрический пробой-искра. Координаты искр запоминаются и передаются на Землю. Уже при окончательной обработке картинки по следу электрона и позитрона удается восстановить направление движения гамма-кванта с точностью до 2°. Этот этап регистрации гамма-кванта позволяет локализовать на небесной сфере источник гамма-излучения, выделив его из потока фонового излучения.

ПРОГРАММА НАБЛЮДЕНИЙ

По программе полета первые четырнадцать дней были отведены на испытание бортовых систем. Команда Центра управления полетом училась управлять обсерваторией, проверяла домашние заготовки. В целом полет шел нормально (высота орбиты примерно 420 км, а наклонение 51,6°).

Фазовая кривая гамма-излучения пульсара в созвездии Парусов. Период (89 мс) разбит на интервалы (на 100 фаз). Над уровнем фона четко выделяют два основных пика и межимпульсное излучение между ними

Интенсивность гамма-излучения пульсара в созвездии Парусов в различные годы (по прежним данным и новым измерениям в эксперименте «Гамма»)

На третьей неделе начали включать научную аппаратуру. Еще через неделю предполагалось приступить к выполнению программы астрофизических наблюдений. Однако скоро выяснилось, что на блок искровых камер не подается электропитание. Внутри гамма-телескопа дефект?! Долгие и упорные попытки исправить положение не дали положительного результата (Земля и Вселенная, 1991, № 3)...

Сложившаяся ситуация вынудила изменить программу наблюдений, выдвинув на первый план поиск и исследование переменных источников гамма-излучения (пульсары, нейтронные звезды, переменные двойные объекты типа Лебедь Х-3, Геркулес Х-1). Интересны и наблюдения активного Солнца, поскольку есть вероятность зарегистрировать гамма-излучение во время сильной солнечной вспышки. Наконец, телескоп «Гамма-1» может быть с успехом использован для регистрации электронов и позитронов в энергетическом диапазоне 20÷5000 МэВ.

За первые шесть месяцев полета обсерватории «Гамма» проводились наблюдения следующих объектов:

Гамма-пульсар в созвездии Парусов (320 часов чистого времени)

Центр Галактики (30 ч)

Двойная система Лебедь Х-3 (200 ч)

Двойная система Геркулес Х-1 (310 ч)

Гамма-источник Геминга в созвездии Тельца (180 ч)

Солнце (несколько сеансов наблюдений, 100 ч)

Новый рентгеновский источник в созвездии Мухи (25ч)

С февраля 1991 г. были продолжены наблюдения пульсара в Парусах и Лебедь Х-3. Оба источника регистрируются на одном витке: когда пульсар затеняется Землей, телескоп «Гамма-1» направляется на Лебедь Х-3. И так происходит, если все идет нормально, 16 раз в сутки.

Каждый день почти 30 млн бит информации сбрасывается на Землю и поступает в Центр управления полетом, НПО «Энергия», Институт космических исследований АН СССР (откуда во Францию, Польшу), Московский инженерно-физический институт, Физический институт им. П. Н. Лебедева АН СССР, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе АН СССР. Во всех научных центрах, принимающих участие в совместном эксперименте идет тщательная обработка экспериментального материала, анализ и интерпретация полученных результатов.


Угловое распределение электронов в радиационном поясе Земли (район Бразильской аномалии) и вне его. Обнаружен значительный рост интенсивности потоков с увеличением угла питч-угла (угол между скоростью частицы и направлением магнитного поля в точке измерений). Частицы, имеющие питч-угол, равный или близкий к 90°, относятся к частицам радиационного пояса
ПЕРВЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Всего два пульсара — остатки сверхновых в Крабовидной туманности (PSR 0531+21) и в созвездии Парусов (PSR 0833-45) являются также и гамма-пульсарами. Периоды вращения этих пульсаров — 33 мс и 89 мс соответственно. Пульсар в Парусах стал первым объектом наблюдения телескопа «Гамма-1». Две причины побудили начать наблюдение с этого объекта. Первая и главная: возможность использовать его в качестве калибровочного источника, позволившего разработать и методику выделения полезных гамма-квантовых событий по известному периоду излучения. Вторая: непосредственное изучение потока гамма-излучения спустя девять лет после наблюдений в 1981 г. (телескоп COS-B). Известно, что переменность источника PSR 0833-45 ярко выражена.

Чтобы выделить гамма-излучение пульсара на фоне вторичного гамма-излучения и излучения от Млечного Пути (пульсар находится в плоскости Галактики), строят фазовую кривую. Для этого все время наблюдения нужно разбить на интервалы и начала всех интервалов совместить. На самом деле возникает трудная экспериментальная задача, для решения которой необходимо знать с очень большой точностью период излучения, первую и вторую производные этого периода. Должно быть хорошо известно положение телескопа в пространстве в каждый момент регистрации гамма-кванта, причем время регистрации отдельного гамма-кванта необходимо осуществлять с точностью до 0,5 мс. Фазовая кривая гамма-излучения пульсара PSR 0833+45 состоит из первого и второго основных пиков (импульсов) и межимпульсного излучения (после первого пика).

Подобная картина, в целом, хорошо совпадает с предыдущими измерениями. Но интенсивность излучения в импульсах и в межимпульсе отличается от более ранних измерений. Несколько отличается и энергия квантов в импульсах. Что именно приводит к изменениям в интенсивности излучения пульсара, пока не очень понятно. И каждое новое измерение будет способствовать решению этой важной проблемы.

Зависимость интенсивности потока электронов от величины магнитного поля (для внутренней части радиационного пояса Земли). При подъеме по магнитной силовой линии уменьшается напряженность магнитного поля и при некотором ее значении, соответствующем границе радиационного пояса, резко возрастает поток высокоэнергичных электронов (это означает, что они находятся в радиационном поясе)

Высокоэнергичные электроны и позитроны. Эти частицы с энергией более нескольких десятков миллионов электрон-вольт, регистрируемые в окрестности Земли (на высотах спутника), порождаются различными источниками. Например, они могут быть первичными космическими частицами, проходящими из межзвездного пространства. Но могут генерироваться и Солнцем во время мощных солнечных вспышек. Они могут возникать в результате взаимодействия космических протонов с верхней атмосферой и затем уходить в околоземное пространство. Наконец, это могут быть частицы, ускоренные в радиационном поясе. До недавнего времени считалось, что во внутренней части радиационного пояса, расположенной вблизи экватора, электроны и позитроны (в дальнейшем будем называть их электронами) могут иметь энергию не более нескольких миллионов электрон-вольт. Однако были зарегистрированы электроны вплоть до нескольких сотен миллионов электрон-вольт. Следовательно, существуют ускорительные или другие процессы в радиационном поясе, ответственные за эти частицы. Что же здесь может прояснить эксперимент «Гамма-1»? Буквально несколько пересечений радиационного пояса в районе Бразильской магнитной аномалии, где пояс «провисает» до орбиты обсерватории, позволяют получить экспериментальный материал, по объему равный накопленному всеми предыдущими экспериментами. Некоторые предварительные результаты измерений, выполненных с телескопом «Гамма-1» (угловое распределение электронов и зависимость интенсивности от напряженности магнитного поля), показаны на графиках. Высокая статистическая обеспеченность экспериментальных данных позволяет изучать и более тонкие эффекты в угловых и энергетических распределениях электронов и позитронов.

Гамма-излучение от солнечной вспышки. Вряд ли кто-нибудь сомневается в том, что на Солнце существуют ускорительные процессы, вызывающие появление высокоэнергичных протонов и электронов. Часть ускоренных частиц покидает Солнце и регистрируется вблизи Земли, другая возвращается на Солнце, где взаимодействует с солнечной атмосферой и проявляется во вспышках в различных диапазонах — от радио— и оптического до рентгеновского и гамма-излучения. Когда на Солнце появлялась активная группа пятен, которая обычно сопровождается достаточно сильной вспышкой, прерывалось плановое наблюдение за определенным участком небесной сферы, и телескоп «Гамма-1» ориентировался на Солнце. Через три-четыре дня, после захода группы пятен за лимб, вновь возвращались к обычной программе наблюдений.

Гамма-вспышка на Солнце 26 марта 1991 г. (максимум 23 ч 27 мин 55 с по московскому времени). По горизонтальной оси отложено время в секундах (UT) с нуля часов 26.03.91.

Сто часов наблюдений Солнца завершились «счастливым случаем». 26 марта 1991 г. в 23 ч 25 мин по московскому времени обсерватория вышла из тени Земли и начала очередное наблюдение Солнца, и уже в 23 ч 27,5 мин телескоп «Гамма-1» зарегистрировал резкий импульс высокоэнергичного гамма-излучения. Через некоторое время эта информация была передана на Землю. Но лишь через два дня, когда стало известно, что 26 марта произошла мощная солнечная вспышка, началась интенсивная обработка информационного файла.

Длительность вспышки оказалась несколько больше десяти секунд. Энергия гамма-квантов достигала трехсот миллионов электрон-вольт. Можно утверждать, что впервые за все время наблюдения Солнца зарегистрирован поток столь энергичных частиц, по-видимому, связанный с распадом нейтральных пионов. Для объяснения природы вспышки будет иметь большое значение и интенсивность, и временное распределение, и энергия гамма-квантов.

Полет обсерватории «Гамма-1» продолжается. Скоро начнутся наблюдения на американской гамма-обсерватории (GRO). Мы предполагаем осуществлять наблюдения по согласованной программе и будем сообщать читателям «Земли и Вселенной» о наиболее интересных новых результатах.