Scienziati russi stanno sviluppando un telescopio di nuova generazione per misurare i raggi gamma cosmici ad alta energia. Questo aiuterà a studiare in dettaglio il centro della nostra Galassia, la costellazione del Cigno, altri oggetti del disco galattico e rilevare i segni della materia oscura. Come sta procedendo il lavoro sul progetto GAMMA-400, RIA Novosti è stato detto dal suo supervisore scientifico, il professor Arkady Galper (FIAN, MEPhI) e dal vice supervisore scientifico - il capo progettista Nikolai Topchiev (FIAN).
Acceleratori ecumenici
L'ambiente cosmico è permeato di radiazioni elettromagnetiche della più varia natura. Le sorgenti possono essere brillamenti solari, stelle, pulsar, nuclei galattici attivi, processi associati alla materia oscura e molto altro.
I raggi gamma che raggiungono gli strati superiori dell'atmosfera terrestre sono fotoni delle energie più elevate, da milioni a miliardi di elettronvolt. Gli stessi si ottengono negli acceleratori di particelle cariche, ad esempio LHC a Ginevra o NIKA a Dubna. Là particelle accelerate - protoni, nuclei leggeri, elettroni - interagiscono con la materia. Di conseguenza, compaiono nuove particelle che si decadono o si autoannientano con la formazione di quanti gamma ad alta energia.
Per gli astrofisici, la radiazione gamma è una fonte inestimabile di informazioni sui mondi lontani. È possibile che aiuti a rivelare il segreto della materia oscura, una sostanza misteriosa che fornisce un quarto della massa dell'Universo, mentre è inaccessibile all'osservazione diretta nello spazio e agli acceleratori.
Fonti di quanti gamma - sono oggetti e processi in grado di accelerare le particelle elementari a velocità relativistiche / Illustrazione di RIA Novosti. Fonte: progetto * GAMMA-400 *.
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Come prendere un po 'di energia
La radiazione gamma, come tutte le particelle cosmiche, ad eccezione dei neutrini, è completamente assorbita nell'atmosfera del pianeta e si riversa sulla superficie con una pioggia di varie tracce secondarie, inclusa la radiazione ottica Cherenkov, raccolta utilizzando grandi specchi a terra. Dalle docce è possibile ripristinare approssimativamente dove si trova la fonte che le ha originate.
Per osservare i raggi gamma galattici nella loro forma più pura, bisogna andare oltre l'atmosfera. I primi telescopi a raggi gamma orbitanti furono lanciati dagli scienziati sovietici del MEPhI nel 1968 e nel 1970. Il telescopio a raggi gamma ANNA-3 sui satelliti Kosmos-251 e Kosmos-264 ha determinato separatamente la direzione di arrivo e l'energia di ciascun quanto gamma.
I quanti gamma sono neutri e l'unico modo per rilevarli è costringerli a interagire con la materia, misurare l'energia rilasciata e la direzione di arrivo del fotone. In questo caso, si forma una coppia di particelle cariche: un elettrone e un positrone.
Questo era il principio utilizzato da ANNA-3 e da tutti i dispositivi successivi. L'ultimo veicolo spaziale sovietico, GAMMA-1, ha operato in orbita dal 1990 al 1992. Adesso gli USA hanno il palmo della mano. Dal 2008, il loro FERMI / LAT ha costantemente scansionato l'intero cielo nella gamma gamma.
Precisione - Progressi in astronomia
Più accuratamente il telescopio determina l'energia dei quanti gamma, maggiore è la sua risoluzione angolare, più preziose sono le informazioni che fornisce.
L'americano FERMI / LAT osserva la radiazione gamma nell'intervallo da cento megaelettronvolt a cento gigaelettronvolt con una risoluzione angolare di un decimo di grado alle massime energie. Per l'astrofisica moderna, questo non è più sufficiente; occorre ricercare una maggiore precisione. Questo problema fondamentale è stato risolto dal progetto russo "GAMMA-400" con il supporto del Consiglio RAS per lo spazio e del programma spaziale federale.
Il nuovo telescopio gamma è progettato per energie da 20 megaelettronvolt a 400 gigaelettronvolt, con una risoluzione angolare massima di un centesimo di grado.
Design affidabile, nuovi risultati
Come i suoi predecessori, GAMMA-400 è costituito da due elementi fondamentali: convertitori di raggi gamma e rivelatori di coppie elettrone-positrone. Il primo è un insieme di due dozzine di sottili lastre di tungsteno alternate a rilevatori di coordinate che determinano la direzione di arrivo di un quantum gamma.
Per "GAMMA-400" l'Istituto Kurchatov propone di utilizzare rivelatori di coordinate di scintillazione in fibra molto precisi, grazie ai quali si otterrà un'elevata risoluzione angolare. Ciò consentirà di misurare in modo molto accurato la direzione di arrivo dei raggi gamma ad alta energia.
Il secondo elemento è un grande contatore a scintillazione o un gruppo di contatori (calorimetro) in cui viene assorbita una coppia elettrone-positrone e viene misurata l'energia.
Dispositivo telescopio "GAMMA-400". K - convertitore di quanti gamma in coppie elettrone-positrone, AC - rilevatore di anticoincidenza, KK1, 2 - calorimetri / MEPhI, GAMMA-400.
In orbite limitanti alla ricerca di energie elevate
L'idea di un nuovo telescopio a raggi gamma è stata proposta nel 1987 da un eccezionale fisico sovietico e in seguito premio Nobel Vitaly Ginzburg, dall'astrofisica Lidia Kurnosova e dai dipendenti del suo laboratorio alla FIAN. Il nome "GAMMA-400" significa la capacità di rilevare quanti gamma con un'energia di 400 miliardi di elettronvolt.
A quel tempo, la ricerca della materia oscura non era ancora così rilevante. Gli scienziati volevano semplicemente sviluppare l'astronomia gamma, che era in ritardo rispetto ad altre aree dell'astronomia extra-atmosferica. Tuttavia, il lavoro si trascinò per decenni.
Secondo i piani attuali, il dispositivo dovrebbe essere sviluppato entro la fine del 2025. MEPhI, NIISI RAS, Kurchatov Institute, Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus partecipano al progetto sotto la guida di FIAN.
"GAMMA-400" è stato notevolmente modernizzato, la risoluzione angolare è cento volte maggiore di quanto si pensasse una volta. Il telescopio gamma sarà installato sulla piattaforma satellitare Navigator, che è in fase di sviluppo presso l'NPO Lavochkin. Ci saranno anche rilevatori di plasma magnetico e il telescopio a raggi X ART-XC, una copia più perfetta del telescopio Spectra-RG.
Orbita altamente ellittica del dispositivo * GAMMA-400 *, che consentirà di osservare la radiazione gamma cosmica pura / Progetto * GAMMA-400 *.
Il telescopio a raggi gamma verrà lanciato in un'orbita fortemente ellittica, che cambierà periodicamente forma: da circolare ad allungata con un raggio medio di circa 200mila chilometri. Pertanto, il dispositivo non cadrà nell'ombra della Terra e sarà in grado di misurare i quanti gamma cosmici al di fuori delle fasce di radiazione del pianeta.
A differenza di FERMI / LAT, che scansiona il cielo, GAMMA-400 punterà e osserverà continuamente le singole sorgenti per lungo tempo. Gli scienziati vogliono investigare prima il centro della Via Lattea, poi la regione nella costellazione del Cigno e poi altri oggetti nel piano del disco galattico. A causa della minore risoluzione angolare, il telescopio americano fornisce un'immagine sfocata, senza dettagli. Il dispositivo russo fotograferà tutto con un'alta risoluzione, che consentirà di distinguere le sorgenti di radiazioni.
Tra i compiti c'è l'osservazione di sistemi binari come una coppia di buchi neri. Accelerano le particelle nelle loro vicinanze a velocità subluminali e fungono da potenti sorgenti di radiazioni gamma. Interessanti sono anche gli oggetti che emettono non costantemente, ma periodicamente. Per vederli bene e analizzare le caratteristiche temporali nella gamma gamma, ci vorrà più di un mese di osservazione dell'avvistamento.
* GAMMA-400 * supererà il telescopio orbitante FERMI / LAT di un ordine di grandezza in risoluzione angolare. Questo ti permetterà di vedere i dettagli nel piano del disco galattico / Progetto * GAMMA-400 *.
Alla ricerca di particelle di materia oscura
La comunità scientifica spera di testare con l'aiuto di "GAMMA-400" l'ipotesi sulla natura delle particelle di materia oscura, la cui realtà non è più messa in dubbio. Ci sono molte prove circostanziali sulla materia oscura, in particolare, aloni galattici o stelle traccianti in orbita attorno a un centro di massa invisibile.
Secondo un modello, la materia oscura può essere composta da WIMP: questo è il nome di ipotetiche particelle massicce che partecipano solo alle interazioni deboli e gravitazionali. Si presume che la radiazione gamma ad alta energia con l'energia dei quanti gamma dell'ordine della massa WIMP sia generata durante il decadimento del wimp o l'autoannientamento di due particelle.
Una scoperta importante in questa direzione è stata fatta nell'esperimento PAMELA condotto in orbita dal 2006 al 2016. Il dispositivo ha rilevato un eccesso di positroni ad altissima energia nei raggi cosmici. I ricercatori suggeriscono che siano stati generati non solo da una sorgente locale (ad esempio una pulsar), ma anche dal decadimento o dall'auto-annichilazione delle particelle di materia oscura. I suoi ciuffi possono nascondersi dietro le nuvole del mezzo interstellare e "GAMMA-400" è in grado di rilevarli.
Tatiana Pichugina
