天体物理学

高能量伽玛天文学

在非常高的能量伽玛辐射领域的宇宙探索仍然是边缘的。今天,此探索开发并打开了宇宙上的新窗口。

Bernard Dirage和Hélène溶胶 for science n°62
本文保留用于科学用户
在高纳米比亚托盘的核心,由一个月亮的夜晚,四个大望远镜指向银河系。然而,他们不直接观察星星:他们试图捕捉更近的现象,罕见的灯光,在它们上方出现了几公里,所以弱势,因此他们对“肉眼”看不见。

这些闪光是宇宙最有能量现象的最终签名。它们是由于在宇宙部位产生的非常高能量伽马射线的陆地气氛中导致粒子产生剧烈加速的宇宙遗迹,例如超胃部痕迹,脉冲星或黑洞周围。

从地面的间接检测来自地面的这些高能量伽马射线(高能量立体系统)实施了高能量立体系统,所以在致敬的物理学家奥地利维克多Hess,他们发现了宇宙光线1912)。它现在打开了一个新的窗口 - 伽玛天文学的高能量 - 在宇宙中最极端现象的情况下,发挥了显着的结果。

在XX期间e 世纪,天文学调查领域已经从整个电磁频谱可见的光,无线电波到最能辐射:伽玛射线。伽马射线域从X射线的边界处开始,光子的能量为100千升量,或者是可见光光子的100,000倍。它现在延伸到30个Teraélectronvolts(30×1012 电子避险),或3000亿倍可见光的能量。

20世纪60年代强调了伽玛辐射对非常能宇宙过程研究的兴趣。然而,伽马天文学在敏感度和空间决议方面必须解决相当大的实验挑战。实际上,最精力充沛的辐射也是最不强烈的,因为宇宙粒子的流动随着它们的能量而迅速降低。另外,与可见光不同,仍然不可能聚焦高能伽马光子,其波长小于原子芯的尺寸。

自1961年的第一个观察以来,所研究的能量范围继续扩大。 1967年,Vela系列的军事卫星,应该监测非法核试验,发现了巨型伽玛光芒的巨型巨型巨型巨型(106 来自宇宙的电源;它们是被称为伽玛爆发。 SAS-2和COS-B卫星然后在20世纪70年代探讨了100兆电池和一些GigaElectronvolts(109 电子避险)。然后,在20世纪90年代,伽马辐射康普顿天文台(康普顿伽玛射线观测台)覆盖了50千电阻和30个GigaElectonvolts之间的广大领域。然后已经发现,伽马跳跃,其中一个人认为银河系起源,在遥远的升级宇宙中发生,并在几秒钟内放松了巨大的能量,相当于爆炸过程中释放的能量或恒星碰撞。由于宇宙射线(非常能带电粒子)与星际环境的相互作用,EGRET检测器揭示了高能量伽马辐射的漫反射背景,并且提供了高能量的伽马源的第一目录,恢复了大约300个来源。

然而,在Téraélectronvolt水平和超越的高能量领域进一步推动勘探是至关重要的,因为它是非常能量现象的王国,在神秘的“宇宙加速器”中。

实际上,伽马射线源自高能量的加速负载颗粒相互作用。这些可以是电子达到靠近光的速度,其与加速器源环境中存在的辐射相互作用;它们通过命名同步发射或逆转组件效果的机制产生伽玛辐射(请参阅第65页的框)。这些机制是所谓的leptonics。它们似乎在几种类型的“紧凑型”来源中工作,例如脉冲节(中子恒星发射无线电波束),周围某些脉冲星的星云,X射线发光恒星系统或星系的活性细胞核。

找到来源

非常高能量的γ辐射也可能是由宇宙射线与星际气体的相互作用产生的。宇宙射线是原子质子和穿过宇宙的核心,并加速到巨大能量,大得比人(参见宇宙极端能源光线,Boratav先生和T.Suomijärvi)所构成的加速器(参见宇宙极端能源射线)。通过击中气体核,这些质子触发包括中性pi胶质的核反应,其通过发射两个γ光子来崩解。这种机制表示,Hadronic毫无疑问,在宇宙射线的所有加速和传播的地方都在工作,包括超新星,星际分子云或银椎间盘的遗骸。因此,非常高的能量的伽马光线揭示了围绕宇宙加速器的气体。最后,可能存在第三种模式,仍然假设,生产非常高的能量伽玛射线:湮灭中性的灭绝,由超比的理论预测的中性粒子,这可能是原始宇宙的遗迹。我们会回到它。

如果伽马射线对于识别和观察颗粒加速度的伽马射线非常有价值,则电荷的宇宙射线被形成在星际介质中存在的磁场偏转,使得它们在地球上的到达方向并不表示他们的来源 - 除了最多的能量。另一方面,伽玛光子,无论是由Leptonic还是脊柱的方式生产,都没有偏离在旅程中,直接揭示宇宙加速器和在其直接附近发生的现象。

伽玛天文学在地上的突破

因此,非常高能量的伽马辐射是涉及粒子加速的宇宙现象的窗口。但直到最近,这个窗口几乎没有探索。虽然空间观察适应了较低的能量伽马射线 - 它们的大流量使得可以用缩小的仪器来检测它们 - 非常高能量的伽马光子是如此少,因此它将需要一个公顷的探测表面的探测表面收集足够的。因此,有必要从地面间接地检测它们。

通过产生一捆电子,正电子和次级伽马射线的粘性光子渗透到地上大气中,其数量最大到海拔10公里(见下框)。这种瀑布的带电粒子比空气中的光更快,因此,发出Tcherenkov辐射。捆产生准直的闪光,其照亮直径约300米的面积。

在20世纪50年代观察到大气中的Ccherenkov效果,但它在天文学中使用的技术障碍仅在20世纪90年代克服了。理论上,检测Tcherenkov辐射足以回到患有分娩的级联,以及特征入射伽玛光子。然而,Tcherenkov灯闪光灯较低,持续了几十亿秒。因此,有必要实施典型的颗粒物理学的光电倍增器和快速电子设备,以获得足够敏感的传感器,可用每晚可用。更大的第二个难度是,在大气中穿透的宇宙射线也会产生发射Tcherenkov辐射的颗粒的细菌,并且它们比伽马射线更加众多(伽马射线表示千分之一的千分之一克的宇宙射线)。因此,有必要将滑轮从宇宙射线产生的伽马光线分类,这对其来源不了解。

在20世纪80年代末,亚利桑那州的奶道天文台的特雷弗周和他的同事都是通过在Tcherenkov光线观察他们的图像来比较不同滑轮的形状。来自伽马射线的生长素的图像确实类似于常规尖峰,其净轴指向源,并且比由宇宙射线产生的速度更窄,更令人对称。在奶粉天文台的瘦叶片上由37个光电倍增器组成的胚芽中收集的细菌图像的分析揭示了1989年,这是螃蟹的星云的最高能量的第一个无可争议的γ射线源。

在20世纪90年代,传感器得到了改善(猫法国经验,带有600个光电倍增管)和立体检测(Germano-Spange Hegra体验五个望远镜)。通过同时用几个望远镜观察滑轮,精确地重建它们的空间形状,从而更有效地消除了从宇宙射线的滑轮。然而,直到2000年,只有少数良好识别的伽马来源到非常高的能量,主要是互化的。

国际HESS经验汇集了大多数欧洲人的物理学家(法国,德国,英国,爱尔兰,捷克共和国,波兰,亚美尼亚,纳米比亚和南非)已经资本化了所有之前的进展。在120米侧面的拐角处设置有四个12米直径的望远镜,配备有电机,每个相机包含960光电倍增管,于2002年和2003年安装在纳米比亚。

收获的观察

赫斯消除了来自宇宙射线的超过99.9%的滑轮,这代表了壮观的灵敏度增益:它在安装的安装时检测到婴儿床星云,1989年需要20小时。它的分辨率也显着:当捆捆被捕获时通过四个望远镜,分辨率是四分钟的弧,比下部能量伽马卫星的弧度更好(而且,源位于弧形的30秒的精度。空间分辨率和赫斯的伟大视野(五度)允许在伽玛天文中首次映射延长的来源,例如超新世界的遗体。

调试后四年,Hess完全通过实现了超过50个新来源的收获,大多是半乳液,占据了七个人的数量的收获来完全重新改造了非常高的能量的天文学伽玛。从第一个观察开始,Hess部分地将面纱抬起了银河系宇宙促进剂的性质。自2004年自2004年以来的银河系,业务的系统映射已经确定了52个伽马来源的非常高的能量。他们透露,一些脉冲星,超胃部痕迹和x二元系统的雾化,将粒子加速到至少100层电池volts。

当标记新的伽马射线源时,天文学家在其他波长中寻找排放。如果伽马排放是羊食或重调出来,则确实很难直接区分。然而,在第一种情况下,由于电子的同步发射,我们希望观察无线电波和X射线的源头的对手;可见光中的交换对手难以识别,因为在伽马源所在的天空区域中存在几个光源(鉴于其位置上的几个电弧秒的不确定性)。因此,X的源代码为X,因此将签署新型的“暗”宇宙加速器,质子加速器专门或弱磁化的加速器的存在,其理论描述仍有待开发。实际上,没有用其他能量明确识别出大约20个半乳液来源。

一些伽马明星

除了银河计划的系统映射之外,HESS也使对物体的目标观察可能发出非常能γ射线,并且它们中的许多人实际上已经显示给伽马源与Teraélectronovolt的能量。这是例如由绕围绕围绕赤道围绕赤道的圆盘的脉冲布(PSR B1259-63)形成的二进制系统的情况,其围绕围绕赤道(前页的图中的源1)。脉冲星是一个被称为“中子”的星,其通过通过其磁极发射无线电波束而自动地打开。它还发出了脉冲条的“风”的电子和阳性,通过强烈的电磁力加速。当脉冲条通过由大型恒星的风形成的盘时,其自身的风与光子和盘的气体相互作用,这产生了非常高能量的伽马辐射。 Hess在恒星附近的脉冲柱通过期间观察到2004年初的变化,然后随着脉冲率从他的同伴远离伴侣的逐渐下降。

通过更幸福,以二进制系统为中心的视野包含了非常高能量,完全出乎意料的另一个伽马来源,这加强了在大量中发现新来源的希望。与二元脉冲线不同,这个名为HESS J1303-631的这个伽马源延长,其亮度是恒定的。目前没有检测到其他波长的对应物。在弧形的4.9分钟内有一个无线电脉冲线,但旋转能量它可以消散(通过其时期的速度测量)似乎不足以喂养具有这种强度的高能伽马射线的生产​​。

在被证明是非常高能量伽玛光线的辉煌来源的其他目标物体中,来自超新星爆炸的物体。由这种爆炸产生的球形冲击波在星际介质中蔓延并加速颗粒。由无线电和X射线电子发出的辐射给出了SuperNovae的某些残迹。 Hess观察到许多这些对象,例如RX J1713-3946(见图A上面),Vela Junior,RCW86和Sn 1006.在外壳中的所有这些痕迹中,高能量伽马排放的原因与X-中的那些重合光线。它是第一个直接证明,超剧情的遗体加速粒子达到100个Teraélectronvolts的能量,这已经被怀疑了很长时间。

其他超新世界爆炸在其中心留下了残留物,一个非常紧凑的脉冲。从风的风中展示了一个星星的星云散布。这种脉冲丸的这种神经抑制器代表了Hess检测到的最重要的银河系。我们认为,来自脉冲条的风在星际介质中产生了冲击波,反过来反射电子。通过倒数组成,后者然后产生非常高的能量伽玛展。我们推断的能量余额与实际观察到的伽玛亮度兼容,这加强了这种情况。

与此同时,HESS审查了银河系,密集和暴力的环境,可能丰富的伽玛来源非常高的能量。观察结果揭示了几年后的辉煌,稳定的来源,即在十几秒的弧线上,可以与银河系的中心的超迹黑孔塔基的环境相关联,SGR A *,或到星云Pulsar G 359.95-0.04。另一方面,Supernova SGR A的其余部分是呈现为潜在候选的时间,最终被排除在深入分析之后。

另一条赛道也被排除在外。中央地区可以容纳大量集中的“暗物质”,理论主义者提出了这种隐形的物质由中性,假设的大量颗粒,稳定,中性和弱相互作用组成。中性族是它们自己的抗颗粒,并且在充分的浓度下,通过产生γ射线和高能量的中微子来分析。在银河系中发现强烈稳定的伽马来源提高了粒子物理学中的理论家的希望。希望迅速失望:如果观察到的信号是由于中性的湮灭,它们应该具有大于七个Teraélectronvolts的质量,这与理论不相容。

最近从我们的银河系中心的进一步观察揭示了额外的广播广播,这在减法后出现了强烈的中央来源和其余的超新闻G0.9 + 0.1(见图B和C页64)与银河中心周围的分子示踪剂的测量相关,这个问题无疑是由于特别能量宇宙光线与星系心脏心脏巨大气体的巨大气体的相互作用。

该漫反射程序首次向其源附近的宇宙射线的能谱。实际上,γ射线的光谱间接揭示了产生它们的质子或细胞核。将后者与在地球环境中观察到的人进行比较,可以从中心到星系的周边来测量宇宙射线传播的效果。

胶质域名

在星系中找不到所有高能伽马辐射源。在20世纪90年代,发现了一些不同于名为Blazars的物体的互补来源。一些椭圆星系是一个超过亿万太阳能群众的黑洞,可以解决周围材料。该活跃的中心将巨大的等离子体射流相对激活,远离间隔空间。在这些“无活性核的星系中”的轴的轴线接近视线的情况下,表观亮度通过相对论效应扩增至数百倍;活跃的核心被称为布拉加尔。空间康普顿天文台在Gigaelectronovolt的能量领域发现了大约六十,但大多数在极高的能量领域的亮度大得多。此外,只在激烈的喷发过程中检测到这些来源非常高的能量非常高。

如今,高能量活性核星系样本仍在继续增长。已经发现了十个新的布拉齐尔,两个远远距离,光谱偏移到高红色(大于0.1或距离超过16亿光年)。对于几种辉煌的来源,如Blazar PKS 2155-304,即使在喷发时期以外,也可以对诸如Blazar PKS 2155-304的诸如Blazar PKS 2155-304的良好来源进行持续监测和同步波长同步观察活动。 2006年7月,这一来源的平均强度达到了前几年的最低水平的100倍,这款布拉齐已经成为了几天的高能伽玛壳的最亮源。在这些条件下,遵循每分钟的微小亮度变化。因此,2006年7月28日,仅观察到一半,突出了五次突发,连续攀升和从伽玛射线流动下降,最大强度比最低限度更大。对这种快速变化的解释是今天对理论家的重大挑战。

顺便说一下,HESS证实了激活星系M87的非常高能量的发射,Radiogalaxie(也就是说像Blazars这样的活跃的核心星系,但从较大角度看出其喷射器,并且从不直接到我们)。这种辐射动物,例如Centaurus A(见图相反),在宇宙中很多,结果表明,在燕麦狄克volts领域中检测到几种新的互联源。

比预期更透明的空间

除了对活跃星系的研究的兴趣外,远处活性核的高能量的检测提供了一种估计紫外线红外辐射的底部的方法。宇宙确实沐浴在来自星系,恒星和灰尘的光线的红外辐射中,这部分地吸收了它们在源和地球之间的路径上非常高的伽马光子。通过比较观察到的伽马辐射和源的内在来源(从布拉恩的伽马辐射模型估计),Hess Collaboration Scients ScoreS已经向替代红外线底部扣除了最小值,与简单的计数星系推导的那样兼容。因此,对非常高能量的伽马射线的刷新空间比预期更透明。这一结果对培训情景和银河演变的宇宙学具有后果。

然而,与在我们的星系中观察到的非常高能量的伽马辐射源的级数相比,互补空间是贫困父母。它可能是临时的,因为根据一些型号,Hess的敏感性足以让潜在的发射器探测到非常高的能量,例如恒星(超新星大规模爆炸剧场)或集群星系的柔软星系(与气体与气体相互作用的地方群集可以形成巨大的冲击并加速颗粒)。

Tcherenkov成像技术实现的性能革命性的伽玛天文学;通过作证赫斯收获的令人印象深刻的财富。还提到了两年互补的其他设施,带来了78个以上的北半球(日本 - 澳大利亚)以上的检测来源的数量:南半球,魔法(欧洲)和北方的Veritas(美国)半球。直到大多数理论上,非常高的能量的物理变得观察到。与其他波长 - X射线,无线电波和尤其较低的能量伽马射线的观察结合 - 也为能量宇宙现象的研究带来了很多。

Hess的直接未来将在最高能量领域的界面注册,最近由NASA的新卫星(以前在6月11日推出)的新卫星探索的高能量探讨, 2008年,涵盖从30兆电池延伸到300 GigaElectronvolts的范围(参见页面相对的框)。在2009年底的第二阶段中,目前的HESS网络将富有额外的28米直径的望远镜,其具有2,048个光电倍增器的相机。目前正在建设的第五张望远镜将观察来自20个GigaElectronvolts的伽马光线。在50高于50的Gigaelectronvolts中,五个望远镜可以以立体模式操作。在长期内,与伽玛卫星联合,地面上的大型望远镜网络作为欧洲CTA项目,将确保高能域的完整光谱覆盖,将映射整个天空并探索深耕的刷新空间。

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