В МИФИ создали прототип телескопа для изучения гамма-излучения

Новости МирТесен

В Институте Космофизики НИЯУ МИФИ создали рабочий прототип перспективного гамма-телескопа. Этот прибор, предназначенный для размещения на космическом аппарате, позволит решать актуальные задачи современной астрофизики, включая изучение гамма-всплесков и поиск темной материи. Ключевым преимуществом новой разработки является высокая чувствительность, позволяющая с высокой точностью отделять электромагнитное гамма-излучение от космических заряженных частиц, таких как протоны и электроны. По этому параметру российский телескоп превосходит американскую разработку.

Космическое пространство наполнено потоками гамма-излучения – видом электромагнитного излучения, подобным видимому свету, но характеризующимся значительно более высокой частотой. Эта частота превышает частоту ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей, используемых в медицине, и представляет собой невидимое, неощутимое, но очень энергичное излучение. Основными источниками гамма-излучения в космосе являются остатки взрывов сверхновых, пульсары, нейтронные звёзды, а также ядра галактик, включая и нашу галактику Млечный Путь. В отдельных случаях космическое пространство пронизывают мощнейшие гамма-всплески, причина возникновения которых пока не установлена.

Гамма-астрономия – специализированное направление в астрономии, занимающееся исследованием космического излучения. В качестве основного инструмента в ней выступают гамма-телескопы. Однако эти приборы не могут непосредственно регистрировать гамма-излучение, поэтому они изучают его, анализируя косвенные признаки, такие как потоки заряженных частиц – электронов и позитронов, возникающие при взаимодействии гамма-излучения с веществом.

«Поскольку гамма-излучение обладает чрезвычайно короткой длиной волны, которая значительно меньше расстояний между атомами, его невозможно сфокусировать, — поясняет старший преподаватель кафедры экспериментальной ядерной физики и космофизики НИЯУ МИФИ Ирина Владимировна Архангельская. В связи с этим гамма-телескопы фиксируют направление гамма-кванта, регистрируя его преобразование в электронно-позитронную пару, после чего фиксируются частицы».

Конструкция прибора предполагает следующее: гамма-квант попадает на конвертер-трекер, где в слоях вольфрама происходит превращение в электрон-позитронную пару. Заряженные частицы формируют следы, называемые треками, которые фиксирует времяпролетная система (ВПС), инициирующая сбор данных. На основе анализа этих треков определяется направление движения исходного гамма-кванта.

Существует значительное препятствие на пути к получению «чистого» сигнала – необходимость различать гамма-кванты и заряженные частицы, такие как электроны и протоны. В гамма-телескопе для решения этой задачи предусмотрена специальная система, названная «антисовпадательная защита», которая включает в себя пластиковые детекторы. Прибывший из космоса гамма-квант не оказывает воздействия на пластиковый детектор, в то время как заряженные частицы космических лучей, включая протоны и электроны, взаимодействуют с ним. Следовательно, если частица взаимодействует одновременно с двумя подсистемами гамма-телескопа – и с ВПС, и с антисовпадательной защитой, – то она не может быть гамма-квантом.

Сложности возникают из-за так называемого «эффекта обратного тока». Он заключается в том, что электронно-позитронная пара, возникшая после превращения гамма-кванта, фиксируется пластиковыми детекторами времяпролетной системы, затем достигает калориметров – третьей подсистемы. Калориметры измеряют энергию частиц, регистрируя электромагнитные ливни, образованные ими. Однако иногда часть вторичных частиц, составляющих ливень, движется в обратном направлении и вновь попадает на детекторы антисовпадательной защиты. Это приводит к ложному выводу о том, что зарегистрировано не гамма-излучение, а заряженные частицы. Американский гамма-телескоп «Ферми», являющийся зарубежным аналогом, оказался чувствителен к данной проблеме, и, как следствие, он не регистрирует часть гамма-излучения, с которым происходит взаимодействие, поскольку не может его отличить от других видов космических лучей.

«Ключевое отличие от конкурентов заключается в реализации времячувствительной антисовпадательной защиты», — акцентирует Ирина Владимировна Архангельская. — Она характеризуется временным разрешением порядка нескольких 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), то это свидетельствует о «паразитном» обратном токе, и, следовательно, мы имеем дело не с заряженной частицей, а с гамма-излучением.

«Благодаря нашей антисовпадательной системе, мы можем точно определить во времени сигнал, возникший при прямом прохождении частицы, и сигнал, вызванный обратным током. Фотоны высокой энергии не взаимодействуют напрямую с антисовпадательной защитой, а регистрируются в ВПС только образовавшиеся после преобразования электрон и позитрон. Наша система позволяет разделить эти события по времени», — сообщила ученый.

В ходе недавних испытаний действующий прототип детектирующих систем гамма-телескопа, созданный в НИЯУ МИФИ, успешно прошёл калибровку на ускорительном комплексе «Пахра» в Троицке. Это подтвердило эффективность примененных технологических решений.

Основная цель телескопа – обнаружение темной материи. Тем не менее, на пути к достижению этой масштабной задачи прибор будет выполнять и другие, более практичные, но не менее значимые функции. По словам научного сотрудника, «первоочередная задача заключается в исследовании свойств различных астрофизических и космофизических объектов. К примеру, можно будет изучить параметры высокоэнергетического гамма-излучения пульсаров или проанализировать, как изменяются спектры и временные характеристики солнечного гамма-излучения в процессе вспышек». Кроме того, гамма-телескоп будет задействован для изучения загадочных гамма-всплесков, природа которых остается до конца не выяснена.

В НИЯУ МИФИ (Лаборатория перспективных детекторов элементарных частиц для космофизических исследований) также ведется разработка компактных спутниковых детекторов, предназначенных для использования на малых космических аппаратах «Наталия» и «Надежда». Эти работы осуществляются под руководством доцента кафедры Экспериментальной ядерной физики и космофизики Андрея Георгиевича Майорова, старшего научного сотрудника лаборатории. Помимо этого, создается тяжелый гамма-телескоп, вес которого в итоге составит приблизительно 2 тонны.

Проект «ГАММА-400» был создан академиком и нобелевским лауреатом В.Л. Гинзбургом и профессором Л.В. Курносовой (ФИАН). С 2009 года научным руководителем «ГАММА-400» являлся профессор А.М. Гальпер (НИЯУ МИФИ), а главным инженером – профессор Н.П. Топчиев (ФИАН). За выдающийся вклад в развитие космических методов исследований в области астрофизики космических лучей и гамма-астрономии профессор А.М. Гальпер был удостоен золотой медали имени Д.В. Скобельцына 2019 года, вручаемой Президиумом Российской академии наук.