Десять лет гамма-телескопу «Ферми». Часть I

11 июня 2008 года был запущен космический гамма-телескоп «Ферми». Тогда он назывался иначе — GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), имя Энрико Ферми инструмент получил в августе того же года. Для меня лично юбилей «Ферми» наступает 4 августа — именно 4 августа 2008 года в 15:43 прилетел первый гамма-квант, который фигурирует в общедоступной базе данных (до этого инструмент тоже регистрировал гамма-кванты в режиме отладки и калибровки).

Первый гамма-квант из более миллиарда фотонов больших энергий, с информацией о которых может ознакомиться любой человек в почти любой населенной точке земного шара, где есть интернет. Автор этой статьи скачивает данные «Ферми» к себе на ноутбук из профессионального интереса, но то же самое может сделать любой студент или школьник из любопытства — разве не интересно как следует рассмотреть Вселенную в гамма-лучах?

Под гамма-квантами, вообще говоря, понимаются фотоны с энергией выше сотни кэВ — области, характерной для ядерных реакций и выше. В этой заметке речь пойдет о фотонах энергии выше 100 МэВ, даже скорее выше 1 ГэВ, где можно достаточно хорошо измерить направление прилета гамма-кванта. Именно эти энергии наиболее удобны для гамма-астрономии.

Что такое гамма-обсерватория «Ферми»

Первый космический гамма-детектор был установлен на спутнике Explorer-11, вышедшем на орбиту Земли в апреле 1961 года. Он зарегистрировал 22 гамма-кванта. Первые космические гамма-телескопы SAS-2 и COS B были запущены в 1972 и 1975 годах соответственно. Кроме того, небольшие гамма-детекторы запускались на советских разведывательных спутниках серии «Космос». Это были небольшие детекторы (максимальная эффективная площадь COS B была около 50 см2), но они увидели много интересного — галактику в гамма-лучах, Крабовидную туманность, первые гамма-пульсары, внегалактические объекты, впоследствии названные блазарами. Дольше (более 6 лет) и успешнее других из гамма-телескопов первого поколения про-работал COS B.

Следующим шагом стал инструмент EGRET на борту гамма-обсерватории «Комптон», запущенной в 1991 году. Этот детектор имел эффективную площадь около 1000 см2 — на порядок больше, чем у предшественников. Соответственно, он выдал на порядок больше результатов. Его каталог включает 271 источник, большинство из которых — блазары, в том числе не отождествленные к тому времени с какими-либо оптическими объектами. Проработал EGRET около 6 лет — потом начались проблемы с газом для искровых камер.

Гамма-телескоп на борту «Ферми» шагнул еще на порядок величины. Его эффективная площадь около квадратного метра. В каталоге «Ферми» уже больше 3000 источников.

Собственно телескоп называется LAT — Large Area Telescope, на борту «Ферми» есть и другой, существенно меньший инструмент — GBM, он служит для регистрации гамма-всплесков в диапазоне десятков-сотен кэВ. Если предыдущие гамма-телескопы были сделаны на основе проволочных искровых камер, то детектор «Ферми» — полупроводниковый. Это, кроме лучшего пространственного разрешения, повышает срок службы: по времени службы LAT уже на несколько лет превзошел EGRET.

LAT — типичный детектор гамма-квантов, в экспериментах на ускорителях используются инструменты, сделанные по той же идеологии. Детектор решает три следующие задачи.

1. Конверсия гамма-кванта в электрон-позитронную пару. Здесь нужен материал с большим зарядом ядра (вероятность конверсии пропорциональна Z2), в данном случае используются вольфрамовые пластины.

2. Измерение направления прилета гамма-кванта. Рожденная пара е+ е- сохраняет направление движения гамма-кванта с точностью me/Eγ, что для энергии 1 ГэВ составляет 0,03 градуса. Но всё портит многократное рассеяние в вольфрамовых пластинах. Чтобы точнее восстановить направление, во-первых, нужны многослойные трековые детекторы, во-вторых, пластины вольфрама должны быть как можно тоньше, а слоев трековых детекторов, перемежающихся с пластинами, — как можно больше. В качестве трековых детекторов используются полоски кремния, уложенные крест-накрест в смежных слоях.

3. Измерение полной энергии гамма-кванта. Из-за тормозного излучения электронов и позитронов возникает электромагнитный каскад, который «распушается» по мере развития. Чтобы измерить энергию начального гамма-кванта, надо «собрать» большую часть частиц каскада. Сэндвичем из вольфрамовых пластин и трековых детекторов этого не сделать. Тут используется другая технология — сцинтилляционный калориметр. В данном случае это набор пластин из популярного в физике высоких энергий сцинтиллятора (монокристалл йодида цезия).

Конечно, детектор окружен антисовпадательной защитой для того, чтобы отличать гамма-квант от заряженной частицы. Общий вес LAT составил 2,7 тонны.

Кроме того, чтобы сделать детектор, надо его откалибровать, то есть научиться переводить отклик множества элементов в характеристики исходного гамма-кванта. Это очень трудно сделать экспериментально на ускорителях — нужна сложная технология меченых фотонов, и не факт, что она существует в нужном объеме. Поэтому детектор калибровался с помощью моделирования методом Монте-Карло: в огромном количестве моделировались электромагнитные каскады разных энергий вместе с откликом установки. Это методика достаточно хорошо разработана, но не идеальна, что впоследствии вылилось в некоторые проблемы, о которых будет сказано ниже.

Калибровка инструмента продолжалась в полете. При этом использовались объекты с более-менее известными свойствами. Благодаря открытости данных в процессе калибровки участвовали исследователи, не входящие в коллаборацию «Ферми», об одном из таких примеров будет рассказано в следующей статье.

Декларированный энергетический диапазон «Ферми» — от 20 МэВ до сотен ГэВ. На самом деле гамма-кванты ниже 100 МэВ детектируются плохо и полезны только в случае регистрации гамма-всплесков. При энергии ниже 300 МэВ очень сложно восстановить спектр дискретных источников — трудно выделить сигнал из диффузного фона. При энергии выше 300 ГэВ начинаются проблемы с определением энергии гамма-кванта. Но в целом инструмент замечательный, и его открытая база данных еще долго будет служить источником новых интересных результатов.

Небо глазами «Ферми»

На рис. 1 — карта неба в гамма-лучах энергии выше 1 ГэВ, накопленных «Ферми» за 5 первых лет работы. Карта построена в галактических координатах, поэтому по центру рисунка идет яркий галактический диск. Основной вклад в яркую полосу дает излучение космических лучей — протонов высоких энергий, которые, сталкиваясь с частицами межзвездной среды, рождают новые частицы, включая гамма-кванты. Там есть и компактные источники — в основном гамма-пульсары и молодые остатки сверхновых.

Самые яркие из них — Крабовидная туманность (там светит и туманность, и пульсар в ней) и гамма-пульсар Vela-X с окружающей его туманностью. «Ферми» видит около полутора сотен гамма-пульсаров и несколько десятков туманностей — остатков сверхновых. Кроме того, светят скопления крупных звезд, есть и неизвестные источники. Дуги, отходящие от галактической плоскости, — близкие оболочки сверхновых, взорвавшихся порядка миллиона лет назад. Диффузное гамма-излучение галактики простирается далеко за пределы галактического диска, какая-то его доля летит и из галактического антицентра.

Кроме галактического диффузного излучения есть и внегалактическое, изотропное. Относительно того, из чего и в какой пропорции оно складывается, до сих пор идут споры. Мы вернемся к этому вопросу ниже.

Наконец, самое интересное с точки зрения автора данной статьи — яркие пятнышки, разбросанные по всему небу. Большинство этих пятнышек — блазары, находящиеся в сотнях миллионов и миллиардах световых лет от нас. О блазарах речь шла в предыдущем номере ТрВ-Наука — недавно от одного из них зарегистрировали поток нейтрино — всего несколько штук, но лиха беда начало [2].

На рис. 1 показана обработанная карта неба — цвет отражает количество гамма-квантов, пришедших из данного участка. На самом деле любая обработка, хоть и облегчает восприятие, но скрывает часть информации. Интересно показать исходные картинки, где каждый гамма-квант изображен точкой. Общая карта будет «засвеченной», если показывать фотоны с энергией выше 1 ГэВ (их слишком много), поэтому даем карту фотонов с энергией выше 6 ГэВ (рис. 2).

На ней видна та же галактическая плоскость, те же блазары, но более четко вырисовываются «столбы», идущие от центра Галактики вверх и вниз. Это знаменитые «пузыри „Ферми“» — следы активности ядра нашей галактики, где находится черная дыра массой 4,7 млн солнечных масс.

Порядка 10 млн лет назад ядро нашей галактики работало, испускало джеты. Протоны, ускоренные в этих джетах, до сих пор живут в пузырях и излучают гамма-кванты при взаимодействии с частицами межзвездной среды.

Интересно взглянуть на самый центр Галактики. На рис. 3 центральный район ±10 градусов по галактической широте. В самом центре, помеченном крестиком, находится небольшой компактный источник. Это и есть наш «спящий квазар», радиоисточник Стрелец А: какая-то активность там есть, возможно существует и разреженный аккреционный диск.

Небо в гамма-лучах непостоянно: блазары вспыхивают и гаснут, иногда настолько, что становятся вообще невидимыми. На рис. 4 крестиками отмечены блазары из каталога EGRET’а, проработавшего с 1991 по 1996 год. Будь они постоянными, они были бы яркими источниками на этой карте, но половины нет вообще: за прошедшие годы они потускнели, уйдя за порог видимости. Наоборот, есть яркие блазары, которые должен был бы видеть EGRET, но их нет в его каталоге. Более подробно о переменности блазаров будет сказано в следующей статье.

Зоопарк «Ферми»

Источники гамма-квантов, которые видит «Ферми», собраны в каталоге, составленном по данным четырехлетних наблюдений. Сейчас наверняка готовится более свежий каталог, возможно, он будет «юбилейным». Всего в опубликованном каталоге три с небольшим тысячи объектов двадцати одного типа (см. arxiv.org/pdf/1501.02003.pdf). В каталоге отсутствуют Солнце и Луна, которые тоже прекрасно видны в гамма-лучах, но не имеют фиксированных координат. Гамма-всплески собраны в отдельном каталоге.

Большинство объектов — «высокоширотные», то есть лежат далеко от галактической плоскости и в большинстве своем находятся очень далеко — в миллиардах световых лет. Это блазары разных типов, их 1667, включая те, чей тип не удается определить.

Блазар — одно из проявлений сверхмассивных черных дыр, сидящих в центрах галактик (активные галактические ядра). Черная дыра становится активной, когда на нее стягивается окрестное вещество. Классическая схема подобных объектов: аккреционный диск и струи (джеты) замагниченной плазмы вдоль оси вращения аккреционного диска и черной дыры (эти оси совпадают).

Джет излучает гамма-кванты в довольно узком конусе, как луч прожектора. Если мы попадаем в этот луч, то видим блазар: очень яркий источник всего электромагнитного спектра, где гамма-излучение, как правило, доминирует по мощности. Вероятность попасть в луч квазара меньше одной тысячной, из чего можно заключить, что в наблюдаемой части Вселенной миллионы активных галактических ядер с достаточно мощными джетами. Более подробно о блазарах будет рассказано в следующей статье.

Активных ядер, не являющихся блазарами, «Ферми» видит всего два десятка. Хотя их концентрация на три порядка выше, светимость настолько меньше, что видны только ближайшие объекты. Еще есть около тысячи неклассифицированных источников, большинство из которых, скорее всего, тоже блазары.

Обычных (неактивных) галактик «Ферми» видит всего несколько штук. Это Магеллановы облака и М31 — туманность Андромеды, плюс еще несколько, отличающихся бурным образованием звезд.

Среди низкоширотных (в основном галактических) объектов доминируют пульсары. У 143 пульсаров видны импульсы в гамма-диапазоне. Еще несколько объектов так или иначе связаны с пульсарами — это оболочки сверхновых, при взрыве которых родились пульсары и ударные волны, образовавшиеся от взаимодействия пульсарного ветра с окружающей средой. Некоторые, например Крабовидная туманность, представляют собой суперпозиции всех трех компонент. Пульсар выделяется довольно просто: по таймингу прилета фотонов, поэтому спектры туманности и пульсара можно строить отдельно, хоть они и не разрешаются по углу.

Более редкие галактические объекты: шаровые скопления (15 штук), двойные системы из звезды и компактного объекта (5 штук) и районы интенсивного звездообразования.

Наконец, в зоопарк «Ферми» входят не только объекты, но и события. Главные из них — гамма-всплески. Гамма-всплеск — это нечто вроде маленького блазара, живущего секунды, десятки секунд, изредка — сотни секунд. Короткоживущий блазар образуется внутри коллапсирующей звезды: в центре сформировалась черная дыра, сверхплотный аккреционный диск вокруг нее и джеты: уменьшенная в пространстве (но не по мощности) версия активного галактического ядра. Внешние слои звезды поначалу ничего «не знают» об этом, но джеты за секунды прожигают толщу в миллион километров и вырываются наружу. Если джеты ориентированы в нашем направлении, через миллиарды лет мы видим гамма-всплеск.

Изначально их видели в мягком гамма-диапазоне — сотни кэВ. Впоследствии EGRET и другие детекторы зарегистрировали «хвост» спектра, тянущийся в ГэВную область. Этот хвост есть далеко не у всех всплесков, но так или иначе «Ферми» поставил детектирование фотонов большой энергии от гамма-всплесков на поток: в последнем каталоге гамма-всплесков содержится 130 таких событий.

Из других событий «Ферми» видит солнечные вспышки и геофизические явления, связанные с гамма-излучением в верхних слоях земной атмосферы. К сожалению, у нас недостаточно места, чтобы уделить им должное внимание.

В следующей части статьи речь пойдет о данных по блазарам, по внегалактическому диффузному фону, по гамма-всплескам и об их физической интерпретации.

Борис Штерн,
вед. науч. сотр. ИЯИ РАН, главный редактор ТрВ-Наука

1. heasarc.nasa.gov/docs/heasarc/missions/explorer11.html
2. Штерн Б. Первый крик нейтринной астрономии. // ТрВ-Наука № 258 от 17 июля 2018 года, с. 1.