Гамма-астрономія

Гамма-астрономія (γ-астрономія) — розділ астрономії, досліджує космічні гамма-промені, — найенергійнішу форму електромагнітного випромінювання з енергіями фотонів понад 100 кеВ. Випромінювання з енергіями нижче 100 кеВ класифікується як рентгенівське випромінювання і є предметом рентгенівської астрономії.

Механізми випромінювання космічних гамма-променів включають електрон-позитронну анігіляцію, зворотний ефект Комптона, радіоактивний розпад нестійких нуклідів. Джерелами гамма-променів є наднові та гіпернові зорі, пульсари і блазари, міжзоряне середовище, а для низькоенергетичних гамма-променів — також гамма-блискавки в земній атмосфері та сонячні спалахи.

Гамма-промені являють собою короткохвильову найенергетичнішу частину електромагнітного випромінювання (енергія фотонів більша 100 кеВ)^[3].

Діапазон гамма-випромінювання поділяють на такі ділянки^[3]:

• м'яке — з енергією від 0,1 до 5 МеВ
• проміжної енергії — від 5 до 50 МеВ
• жорстке — від 50 МеВ до 10 ГеВ
• надвисоких енергій — понад 10 ГеВ

Атмосфера Землі поглинає та розсіює гамма-випромінювання на висотах 30—50 км, тому спостереження космічного гамма-випромінювання здійснюють або з висотних аеростатів, або з космічних апаратів за допомогою гамма-телескопів. Фотони надвисоких енергій можна реєструвати з поверхні землі шляхом спостереження черенковського випромінювання високоенергетичних частинок, які утворюються під час взаємодії таких фотонів з атмосферою^[3].

Теоретичні роботи Юджина Фенберга^[en] та Генрі Примакова (1948), Сачіо Хаякави та І. Б. Хатчінсона (1952) та, особливо, Філіпа Моррісона^[en] (1958)^[4] привели вчених до думки, що ряд процесів у Всесвіті можуть призводити до гамма-випромінювання. Запропоновані процеси включали взаємодію космічних променів з міжзоряним газом, вибухи наднових і взаємодію енергійних електронів з магнітними полями.

Більшість гамма-променів, що надходять із космосу, поглинаються земною атмосферою, тому гамма-астрономія не могла розвиватися, доки не стало можливим підіймати детектори над атмосферою за допомогою повітряних куль і космічних кораблів^[5]. Перший гамма-телескоп, виведений на орбіту на супутнику Explorer 11^[en] у 1961 році, зафіксував менше 100 фотонів космічного гамма-випромінювання, які приходили з усіх боків, ніби створюючи однорідний «гамма-фон».

Першими визначеними у спостереженнях астрофізичними джерелами гамма-променів стали сонячні спалахи. Вони випромінювали передбачені Моррісоном фотони з енергією 2,223 МеВ, які утворюються внаслідок об'єднання нейтрона та протона в ядро дейтерію. Нейтрони, в свою чергу, утворювались в результаті взаємодії високоенергетичних іонів, прискорених у процесі спалаху. Ці перші спостереження лінії гамма-випромінювання були здійснені на OSO 3^[en] (1967), OSO 7^[en] (1971) та Solar Maximum Mission^[en] (1980). Спостереження Сонця надихнули дослідження Реувена Раматі^[en] та інших теоретиків^[6].

Значне гамма-випромінювання нашої Галактики вперше виявив в 1967 році^[7] детектор на борту супутника OSO 3^[en] (1967). Він зареєстрував 621 подію, пов'язану з космічним гамма-випромінюванням.
Наприкінці 1960-х і на початку 1970-х років детектори на борту військових супутників Vela, призначених для виявлення спалахів від ядерних вибухів, почали реєструвати спалахи гамма-променів невідомого походження. Пізніше детектори визначили, що ці гамма-спалахи з'являються раптово з різноманітних напрямків і тривають від часток секунди до хвилин. У подальшому джерелами довгих гамма-спалахів стали вважати гіпернові, а коротких — злиття нейтронних зір.
Наступним великим кроком вперед для гамма-астрономії стали супутники SAS-2 (1972) і Cos-B (1975—1982), які дозволили дослідити гамма-промені високих енергій. Вони підтвердили попередні висновки щодо гамма-фону, створили першу детальну карту неба на різних довжинах хвиль гамма-променів і виявили кілька точкових джерел. Однак роздільна здатність інструментів була недостатньою, щоб пов'язати більшість цих точкових джерел із відомими оптичними об'єктами.

1991 року НАСА запустила космічну обсерваторію Комптон, який значно покращив просторову та часову роздільну здатність спостережень гамма-променів. Його звели з орбіти 2000 року через відмову одного зі стабілізуючих гіроскопів.

BeppoSAX запустили в 1996 році і звели з орбіти в 2003 році. Він вивчав переважно рентгенівське випромінювання, але також спостерігав гамма-спалахи. За його допомогою ідентифіковано перші рентгенівські післясвітіння гамма-спалахів, що відкрило шлях до точного визначення їх розташування в далеких галактиках.

Космічні:

• INTEGRAL (2002)
• Swift (2004). Спостерігав численні рентгенівські та оптичні аналоги гамма-спалахів, що уможливило визначення відстаней до них та детальні оптичні спостереження^[8].
• AGILE (2007)
• Fermi (2008). Зокрема, 2010 року відкрив бульбашки Фермі.

Наземні:

• HAWC
• MAGIC
• H.E.S.S.
• VERITAS

Спостереження гамма-променів стикається з кількома принциповими ускладненнями. Атмосфера Землі непрозора для них, тому гамма-телескопи необхідно підіймати на великі висоти. Гамма-промені рідкісні — навіть від яскравих гамма-джерел час між надходженням фотонів може становити кілька хвилин. Гамма-промені важко фокусувати, що призводить до низької роздільної здатності гамма-телескопів. Станом на початок 2000-х років космічні гамма-телескопи в ГеВ-діапазоні мали роздільну здатність близько 6 кутових мінут (уся Крабоподібна туманність зливалась в один піксель), тоді як у жорсткому рентгенівському діапазоні (100 кеВ) роздільна здатність досягала 1,5 мінути, а у м'якому рентгенівському діапазоні (1 кеВ) — 0,5 кутової секунди.

Гамма-промені з енергією фотонів понад ~30 ГеВ можна виявити наземними спостереженнями, оскільки вони створюють потужні атмосферні зливи вторинних частинок, які можна спостерігати на землі як безпосередньо (за допомогою лічильників), так і оптично (черенковське випромінювання ультрарелятивістських частинок зливи). Спостерігати такі високоенергетичні гамма-промені з космосу проблематично, бо потоки фотонів високої енергії надзвичайно низькі й потребують великої площі детектора, яка неприйнятна для сучасних космічних приладів.

Гамма-промені утворюються під час сонячних спалахів, спалахів наднових, анігіляції позитронів, утворенні чорних дір та внаслідок розпаду радіоактивних ізотопів у космосі. Вважається, що більша частина космічних гамма-променів утворюється шляхом прискорення електронів та внаслідок електрон-фотонних взаємодій.

За даними каталога космічного телескопа Fermi (2011), більше половини гамма-джерел із найвищою енергією були блазарами, а третина джерел не була виявлена на інших довжинах хвиль^[9].

Бульбашки Фермі, відкриті за допомогою космічного телескопа Fermi, це два велетенські джерела гамма-променів розміром близько 25 000 світлових років у центрі Чумацького Шляху. Вважається, що вони живляться високоенергетичним випромінюванням надмасивної чорної діри Стрілець A* або свідчать про спалах зореутворення кілька мільйонів років тому^[10].

Одним із яскравих джерел гамма-променів є Крабоподібна туманність. Її випромінювання в ТеВ-діапазоні виявила в 1989 році обсерваторія Фреда Лоуренса Віпла^[en].

Під час гравітаційного колапсу наднової SN 1987A утворилася значна кількість радіоактивного Со-56, який вибухом викинуло в навколишній простір. Розпад кобальту супроводжується випромінюванням гамма-квантів з енергіями 847 кеВ і 1238 кеВ^[11], які спостерігалися як «післясвітіння».

Позагалактичні фотони з найбільшою відомою енергією (до 16 ТеВ) походять від блазара Маркарян 501^[en] і були зареєстровані повітряними черенковськими телескопами HEGRA.

• Гамма-телескоп
• ГТ-48
• Гамма-обсерваторія «Комптон»

• А. А. Степанян, В. П. Фомін. Гамма-астрономія // Енциклопедія сучасної України / ред. кол.: І. М. Дзюба [та ін.] ; НАН України, НТШ. — К. : Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2006. — Т. 5 : Вод — Гн. — 728 с. — ISBN 966-02-3355-8.
• Schilling, Govert (2002). Flash! The hunt for the biggest explosions in the universe (PDF). Naomi Greenberg-Slovin (translator). Cambridge University Press. с. 5—20. ISBN 0521800536. Архів оригіналу (PDF) за 11 січня 2014. Процитовано 26 жовтня 2017.

• A History of Gamma-Ray Astronomy Including Related Discoveries
• The High-Altitude Water Cherenkov Observatory
• The HEGRA Atmospheric Cherenkov Telescope System
• The HESS Ground Based Gamma-Ray Experiment
• The MAGIC Telescope Project
• The VERITAS Ground Based Gamma-Ray Experiment
• The space-borne INTEGRAL observatory
• NASA's Swift gamma-ray burst mission
• NASA HETE-2 satellite
• TeVCat, a TeV gamma-ray sources catalog.
• GammaLib Archived May 1, 2010, at the Wayback Machine, a versatile toolbox for high-level analysis of astronomical gamma-ray data.
• TACTIC, 1-10TeV gamma-ray astronomy in India.