Новости оптики и фотоники — «Телескоп» на основе гамма-лучей

В эпоху мгновенной доступности цифровой фотографии с высоким разрешением легко прийти к выводу, что старые фотографические технологии – традиционная эмульсионная пленка – мало что могут предложить. Однако, похоже, эмульсионные пленки все еще имеют свое применение.

Показательный пример: в недавно опубликованной работе научная группа, базирующаяся в Японии, использовала новый «телескоп», состоящий из «стопки блинов» эмульсионных пленок, для получения изображений гамма-лучей от далекого пульсара Вела, что, по словам авторов, является «самым высоким уровнем». «углового разрешения для любого гамма-телескопа на сегодняшний день» (Astrophys. J., doi: 10.3847/1538-4357/ad0973). К счастью, они также воспользовались другой технологией, имеющей давние исторические корни: научный воздушный шар, на котором телескоп, установленный на съемочной площадке, поднялся высоко вверх, чтобы поближе рассмотреть гамма-небо.

По данным исследования, во время 900-километрового полета на воздушном шаре через центральную Австралию неудобный на вид прибор смог зафиксировать «несколько триллионов траекторий» электрон-позитронных пар, полученных с помощью гамма-лучей, «с разрешением 1/10 000 мм». -автор Сигэки Аоки из Кубинского университета. Разрешение пленочного инструмента позволило измерить пульсар с разрешением «более чем в 40 раз выше, чем у обычных гамма-телескопов», добавляет Аоки.

На пути к улучшению измерений гамма-излучения

Конечно, недостатка в гамма-телескопах сегодня нет. Например, космический гамма-телескоп «Ферми», запущенный на околоземной орбите в 2008 году, в ходе своей длительной миссии провел наблюдения, меняющие парадигму, как и другие космические миссии, такие как Интегральная обсерватория Европейского космического агентства. Несколько наземных обсерваторий также сканируют гамма-небо.

Согласно новому исследованию, проблема современной технологии гамма-телескопов заключается в том, что она не способна определять угол падения гамма-лучей и быть чувствительной к поляризации. Устранение этих недостатков является «ключом к достижению следующих достижений в области гамма-астрономии», утверждают авторы.

Сложите блины (Держите сироп)

Более десяти лет назад исследователи, стоящие за новым исследованием, нашли решение этой дилеммы. Укладывая большое количество эмульсионных пленок, чувствительных к гамма-излучению, они могут фиксировать траектории пар электронов и позитронов, создаваемых гамма-лучами (в процессе производства пар), когда они проходят через каждый слой стопки пленок.

В пресс-релизе (и несколько комичной фотографии), сопровождавшем исследование, стопку эмульсионных пленок сравнивали со стопкой блинов. Точно так же, как угол соломинки, приклеенной к стопке пирогов, можно измерить по положению отверстия в каждом последующем слое, так и угол падения гамма-лучей на стопку пленки можно проследить — с экстремальными угловыми значениями. точность. Поскольку азимут плоскости электрон-позитронной пары связан (хотя и слабо) с поляризацией гамма-лучей, установку можно использовать и для поляризационных измерений.

Контролируйте ситуацию и время

Команда объединила эту концепцию с некоторыми умными дополнительными системами для контроля места и времени наблюдений с воздушного шара. Ядро устройства, которое исследователи называют «преобразователем», представляет собой стопку толщиной 33 мм из 100 слоев пленки, каждый толщиной 330 микрометров и каждый из которых содержит эмульсионный слой кристаллов бромида серебра толщиной 75 микрометров. Преобразователь предназначен для обнаружения и отслеживания электронов и позитронов, образующихся в паре, на статистически значимом расстоянии, что позволяет проводить угловые измерения.

Команде также необходимо было убедиться, что она способна восстановить точное местоположение (в частности, положение) установленного на воздушном шаре инструмента и точное время прохождения каждого из захваченных им траекторий гамма-лучей. Для первого требования исследователи использовали массив из трех звездных камер, разделенных 90 градусами по азимуту. Это позволяет записывать ориентацию инструмента относительно неподвижных звезд, а затем измерять и корректировать ориентацию инструмента при каждом наблюдении.

Тем временем, чтобы определить время, команда разработала инновационную «метку времени», состоящую из трех горизонтальных этапов дополнительных многослойных пленок, причем каждый этап колеблется вперед и назад под стационарным трансформатором с одинаковой, но разной скоростью. Относительное смещение траекторий, зафиксированных в фиксированных верхних слоях трансформатора по зависимым от времени трем нижним фазам, позволяет точно установить временную отметку для каждого события гамма-излучения.

Первая поездка

В апреле 2018 года, когда ветер был подходящим для полета между Алис-Спрингс и Лонгричем в центральной Австралии, исследователи упаковали этот необычный инструмент в закрытую герметичную гондолу и прикрепили ее к высотному научному шару. Воздушный шар доставил аппарат на высоту 38 километров над поверхностью Земли. После 17,4-часового 900-километрового путешествия гондола была спущена на воду и на парашюте доставлена ​​на Землю, где ее подняли ученые. Полет рассчитан на 6 часов, в течение которых на небе можно непрерывно наблюдать пульсар Велеа — быстро вращающуюся нейтронную звезду, расположенную примерно в 800 световых годах от Земли.

Чтобы разобраться в большом объеме данных, собранных во время короткого полета, исследователи использовали недавно разработанную высокопроизводительную автоматизированную систему, разработанную для других исследований ядерной эмульсии. Эта высокоскоростная система в сочетании с данными конвертера и эмульсии временных меток позволила им создать изображение пульсара как точечного источника с заявленным разрешением, более чем в 40 раз лучшим, чем предыдущие попытки.

«На сегодняшний день мы достигли изображения пульсара Вела с самым высоким разрешением и подтвердили работу гамма-эмульсионного телескопа с самым высоким угловым разрешением в этом энергетическом режиме», — написала команда.

Следующий шаг: расширение

Хотя эти первоначальные результаты выглядят впечатляюще, эксперимент с пульсаром Вела, по сути, представляет собой доказательство концепции, и у команды большие планы на будущее. Особое внимание исследователи сосредоточат на увеличении чувствительной площади детектора и достижении более длительных полетов. Они также повысят эффективность обработки огромных объемов данных, собранных системой (возможно, это важный фактор, если судить по более чем пяти годам между полетом в апреле 2018 года и публикацией статьи в декабре 2023 года).

«С помощью научных экспериментов на воздушных шарах мы можем попытаться внести свой вклад во многие области астрофизики, в частности, открыть гамма-телескопы для многоцелевой астрономии», — сказал Аоки в пресс-релизе, сопровождающем исследование, — «где одновременные измерения одно и то же событие необходимо использовать с помощью разных методов».