Лучший подарок гамма-астрономам

В лаборатории Института космофизики НИЯУ МИФИ разработан действующий прототип перспективного гамма-телескопа. Прибор, который планируется отправить в космос, способен решать задачи, находящиеся на переднем крае современной астрофизики: от изучения гамма-всплесков до поиска неуловимой темной материи. Главное достоинство нового прибора заключается в том, что он способен с особой чувствительностью различать электромагнитное гамма-излучение от прилетающих из космоса заряженных частиц (протонов, электронов и т. д.) По этому показателю российская разработка превосходит американский аналог.

Эффект обратного тока

Космическое пространство пронизано потоками-гамма-излучения — это такое же электромагнитное излучение, как и обычный, видимый нами свет, но с гораздо большей частотой — большей, чем у невидимого ультрафиолета, большей, чем у используемого врачами рентгена. Это излучение невидимое, неощущаемое, но обладающее огромной энергией. В космосе главными его источниками являются остатки сверхновых звезд, пульсары, нейтронные звезды, ядра галактик (включая и наш Млечный Путь). Иногда космическое пространство пронизывают мощнейшие гамма-всплески неизвестного происхождения.

Космическое излучение изучает особая отрасль астрономии — гамма-астрономия. Ее главный инструмент — гамма-телескопы. Однако фиксировать непосредственно само гамма-излучение эти приборы не способны. Поэтому они изучают его по косвенным признакам, фиксируя потоки заряженных частиц — электронов и позитронов, которые гамма-излучение порождает в результате столкновения с веществом.

«Гамма-излучение имеет настолько короткую длину волны (существенно меньше межатомных расстояний), что его невозможно сфокусировать в принципе, — объясняет старший преподаватель кафедры экспериментальной ядерной физики и космофизики НИЯУ МИФИ Ирина Архангельская. — Поэтому гамма-телескопы определяют направление падающего гамма-кванта. Для этого он сначала конвертируется в электрон-позитронную пару, а потом в другие частицы».

Прибор устроен следующим образом: гамма-квант попадает на специальный конвертер-трекер, где в слоях вольфрама рождается электрон-позитронная пара. Заряженные частицы оставляют следы (треки), которые регистрируются времяпролетной системой (ВПС), которая и запускает процесс съема данных. По результатам анализа этих треков восстанавливается направление полета первичного гамма-кванта.

Однако на пути к «чистому» сигналу стоит серьезная проблема — как отличить гамма-кванты от заряженных частиц (электронов, протонов). Для этого в гамма-телескопе предусмотрена особая «антисовпадательная защита», состоящая из пластиковых детекторов. Прилетевший из глубин космоса гамма-квант не взаимодействует с пластиковым детектором, а заряженные частицы космических лучей — протоны, электроны и т. д. — взаимодействуют. Таким образом, если частица взаимодействует одновременно с двумя подсистемами гама-телескопа — и с ВПС, и с антисовпадательной защитой, — то она не является гамма-квантом.

Но дело запутывает так называемый эффект обратного тока. Суть его в том, что после того, как образовавшаяся после конверсии гамма-кванта электрон-позитронная пара регистрируется пластиковыми детекторами времяпролетной системы, она попадает на третью подсистему — калориметры, которые измеряют энергию пришедших частиц посредством регистрации образовавшихся от них электромагнитных ливней. Однако бывает так, что часть вторичных частиц ливня летит назад и опять попадает на детекторы антисовпадательной защиты; в результате создается ложное «впечатление», что это было не гамма-излучение, а какие-то заряженные частицы.

Ирина Архангельская - руководитель проекта

Пресс-служба МИФИ

Лучше «Ферми»

Зарубежный аналог, американский гамма-телескоп «Ферми», оказался довольно уязвимым перед этой проблемой, и в итоге он не регистрирует часть гамма-излучения, с которым взаимодействует, — он просто не может отличить его от других видов космических лучей.

«Наше главное отличие от конкурентов — мы сделали антисовпадательную защиту времячувствительной, — подчеркивает Ирина Архангельская. — Она имеет временное разрешение в несколько сотен пикосекунд (10⁻¹² секунды)». Если срабатывание антисовпадательной системы происходит с задержкой в несколько наносекунд относительно ВПС (что соответствует времени прохождения частицы, движущейся почти со скоростью света, от верхнего детектора ВПС до калориметра и обратно) — значит, это «паразитный» обратный ток и мы имеем дело не с заряженной частицей, а с гамма-излучением.

«Таким образом, наша антисовпадательная система четко различает во времени сигнал от прямого прохождения частицы и от обратного тока. Фотон высокой энергии напрямую не взаимодействует с антисовпадательной защитой, в ВПС регистрируются только образовавшиеся после конверсии электрон и позитрон. Наша система четко разделяет эти события во времени», — добавила Архангельская.

Недавно разрабатываемый в НИЯУ МИФИ действующий прототип детектирующих систем гамма-телескопа прошел калибровку на ускорительном комплексе «Пахра» в Троицке, что подтвердило оптимальность используемых технологических решений.

На самом деле сверхзадача телескопа — зарегистрировать темную материю. Однако на пути к этому амбициозному результату прибор будет решать более прикладные, но не менее важные задачи. Непосредственная задача — изучать характеристики различных астрофизических и космофизических объектов. Например, параметры высокоэнергетического гамма-излучения пульсаров или как меняются спектры и временные профили солнечного гамма-излучения во время вспышек. Гамма-телескоп также будет использоваться для исследования загадочных гамма-всплесков, природа которых до сих пор до конца не ясна.