Супутник «Ломоносов» на технічному комплексі космодрому «Східний». Фото Павла Клімова.
ТУС проходить передпольотної випробування під керівництвом провідного наукового співробітника НИИЯФ МГУ Івана Васильовича Яшина, головного конструктора комплексу наукової апаратури супутника «Ломоносов».
Мал. 1. Флуоресцентний космічний детектор ТУС в робочому положенні на борту супутника «Ломоносов». Детектор складається з дзеркала-концентратора (1) і фотоприймача (2), розташованого на штанзі на відстані 1,5 м від центру дзеркала. Малюнок: АТ «ВНІІЕМ».
Мал. 2. Принцип роботи детектора ТУС. Малюнок Віолетти Морозенко.
Мал. 3. Карти «спрацювали» осередків для шумоподібних подій, пов'язаних з бічним засвіченням від Місяця (зліва) і антропогенним джерелом УФ на поверхні Землі (праворуч).
Мал. 4. Осцилограми активних осередків фотоприймача при реєстрації події шал 3 жовтня 2016 року. Справа вгорі наведена карта активних осередків, стрілкою показано переміщення сигналу по матриці фотоприймача. Видно, що відбувається послідовне переміщення максимуму сигналу від осередку до осередку фотоприймача, і це дозволяє визначити напрямок приходу частки (зенітний і азимутальний кути). Попередня оцінка напрямку приходу первинної частинки показала наступні значення зенітного і азимутального кутів: θ = 30 °, φ = 225 °. Малюнок Сергія Шаракіна.
Мал. 5. Приклад миттєвої трекоподобной спалаху. Зліва: осцилограми в одиницях кодів АЦП. Справа: карта активних осередків в момент максимуму сигналу. Малюнок Михайла Зотова.
Мал. 6. Осцилограми активних осередків при реєстрації події «ельв» 818 вересня 2016 роки над Африкою. Малюнок Маргарити Казначеєва.
Мал. 7. Три карти спрацювали осередків (знімки фотоприймача) для події «ельв» від 18 вересня 2016 року в моменти часу 77, 174 і 182 мкс від початку події. Малюнок Маргарити Казначеєва.
<
>
Походження космічних променів - потоків заряджених частинок, відкритих в 1912 році, багато років залишалося загадковим. Але зараз можна не сумніватися в тому, що основні їх джерела - наднові зірки. Взагалі, щодо променів з енергією менше 1015-1016 еВ картина в цілому досить ясна. До числа ж «особливо важливих і цікавих» питань можна віднести лише походження ультрависокоенергетичні променів - понад 1019 еВ. Найвища спостерігалася енергія променів становить близько 3 • 1020 еВ. Прискорити частки (скажімо, протон) до такої енергії нелегко, але, мабуть, це може відбуватися в активних ядрах галактик. Однак виникають труднощі: частинки з ультрависокими енергіями, вдаряючись з мікрохвильовим (реліктовим) випромінюванням (його температура 2,7 К), породжують півонії, втрачають енергію і з дуже великих відстаней дійти до нас не можуть. Крім того, неясно, чи можуть відомі галактичні ядра забезпечити прискорення до енергії 3 • 1020 еВ. Частинки могли б прискорюватися космічними струнами і іншими «топологічними дефектами», що знаходяться поза Галактики на відстанях до 20 Мпк. Однак ніяких вказівок на їх наявність, та ще порівняно близько, немає. За іншою гіпотезою, первинні частинки надвисокої енергії - це не звичайні протони, фотони, ядра і т. Д., А якісь інші, поки не відомі частинки. Тоді вони можуть прийти здалеку, а ближче до нас або навіть в земній атмосфері перетворитися в звичайні частинки і дати широкий атмосферний злива - шал. Нарешті, найпростіше, мабуть, припустити, що в складі темної матерії в Галактиці є надмасивні частки масою понад тисяча двадцять один еВ, що живуть довше віку Всесвіту (1010 років), але все ж нестабільні. Продукти їх розпаду в атмосфері і породжують шали (частки з енергією вище 1 015 еВ спостерігаються тільки по Шаламов). Загалом, проблема космічних променів екстремально високої енергії дійсно загадкова і вже тому цікава.
В. Л. Гінзбург. «Наука і життя» № 12, 1999 г.
Космічні промені - потоки заряджених частинок, що летять від далеких космічних об'єктів, пронизують міжзоряний простір. Потрапляючи в атмосферу Землі, вони взаємодіють з ядрами атомів і створюють каскади вторинних заряджених частинок - широкі атмосферні зливи (шал). Такі каскади вже багато років реєструють установки, розташовані на Землі, і природа світла від шал добре відома - це випромінювання Вавилова-Черенкова і флуоресценція атмосфери, викликані зарядженими частинками каскаду в атмосфері.
В області космічних променів помірних енергій (порядку 1012 -1014 еВ) склад первинних частинок вивчений. У більшості це ядра атомів речовини Всесвіту, позбавлених електронів. Розподіл первинних ядер по атомному номеру знаходить пояснення в теорії походження космічних променів у вибухах наднових зірок. Саме в цих вибухах генеруються не тільки протони, а й більш важкі ядра, що містяться в космічних об'єктах. Під час обговорення складу космічних променів по атомному номеру часто використовують терміни «легкі ядра» (атомні номери від 1 до 4) і «важкі ядра» (атомні номери близько 56).
Але особливий інтерес для фізиків представляють космічні промені гранично високих енергій, більш 5x1019 еВ. Навіть протягом тривалого часу стежити за допомогою наземних установок не дають відповідей на всі питання астрофізиків про властивості і походження таких частинок. У 2016 році, із запуском російського університетського супутника «Ломоносов» з ультрафіолетовим телескопом * ТУС (Трекова установки) на борту, почався новий етап експериментального вивчення космічних променів високих енергій - з «поглядом» на атмосферу зверху вниз.
Попадання в атмосферу частинок космічних променів високих енергій - подія досить рідкісне, тому з кожного такого події бажано витягти максимум інформації. Флуоресцентні детектори, що працюють на поверхні Землі, не дозволяють повністю використовувати чудову особливість флуоресцентного світіння - його изотропность, тобто рівномірний по кутах розподіл фотонів з точки випромінювання. Інші компоненти випромінювання шал мають вузьку діаграму спрямованості, і для перекриття великої площі пошуку первинних частинок доводиться застосовувати мережі детекторів, кожен з яких перекриває лише невелику частину всієї площі установки.
У другій половині XX століття було створено кілька «мережевих» установок для вивчення космічних променів ультрависоких енергій. Однією з перших стала установка в Якутську площею S ~ 15 км2, яка працює в різних варіантах і донині, з накопиченим часом реєстрації близько 40 років. Потім стали до ладу установки Наvеrah Park (Великобританія) з S ~ 20 км2 і SUGAR (Австралія) з S ~ 60 км2. В установці AKENO (Японія) площа досягла 100 км2. На установках Fly's Eye і HiRes (США) був застосований метод реєстрації флуоресцентного випромінювання шал, що дозволив отримати площа близько 1000 км2 для частинок з енергією більше 1020 еВ. Найбільшого досконалості досягли установки з одночасною реєстрацією флуоресценції атмосфери і потоку заряджених частинок шал - так звані гібридні установки. У Південній півкулі (Аргентина) працює гібридна установка Pierre Auger Observatory (PAO), створена міжнародною колаборацією з тією ж назвою. Вона охоплює найбільшу площу атмосфери S ~ 3000 км2. У Північній півкулі на території США діє Тelescope Аrray (TA), який використовує площу S ~ 600 км2.
За допомогою цих установок здавалося можливим вирішити одну з найбільш цікавих астрофізичних проблем - визначити місце розташування джерел космічних променів ультрависоких енергій на небесній сфері, оскільки частинки з енергією, більшою чи рівною 5x1019 еВ, повинні приходити до Землі по прямій лінії, слабо відхиляючись в магнітних полях Галактики і в міжгалактичних полях. Приблизно цим же енергій відповідає очікуваний обрив енергетичного спектра космічних променів, який називають ефектом ГЗК (грейзени - Зацепіна - Кузьміна). Однак остаточної відповіді на поставлені питання до сих пір ніхто не почув, не дивлячись на досить тривалі вимірювання.
За допомогою даних гібридних установок на небесній сфері знайдені натяки на активні області, звідки переважно приходять частки найвищих енергій: в Південній півкулі - з району сузір'я Кентавра, а в Північному - з району сузір'я Діви. Але статистика спостережень, накопичена найбільшими наземними установками, не дозволяє впевнено це підтвердити.
Експериментальне вивчення космічних променів найвищих енергій - одна з найбільш важких завдань через вельми низькою їх інтенсивності. За останнє десятиліття зареєстровано не більше 100 подій, пов'язаних з частинками з енергією вище 5x1019 еВ (вибране значення енергетичного порога зручно для зіставлення даних про частки до і після очікуваного ДЗК-обриву спектра). Вартість «мережевий» установки зростає пропорційно зростанню робочої площі і, за сучасними оцінками, становить сотні мільйонів доларів при площі на два порядки вище площі PAO. При такій вартості з наземними установками цілком можуть конкурувати флуоресцентні детектори на борту супутників Землі.
Перші оцінки можливості побудови флуоресцентного детектора на супутнику зробив в 1981 році Джон Лінслі (США). Ці оцінки показали, що один флуоресцентний детектор шал, що спостерігає нічну атмосферу з орбіти висотою в кілька сотень кілометрів з полем зору ± 30о, може перекрити площу 3x105 км2, тобто площа, необхідну для статистично надійного вивчення космічних променів гранично високих енергій. У майбутньому такі орбітальні детектори зможуть перекривати спостереженнями площа всієї атмосфери: ~ 107-108 км2.
Однак умови роботи флуоресцентного детектора у відкритому космосі відрізняються від умов на Землі. У космічному детекторі, що знаходиться на відстані в сотні кілометрів від джерела випромінювання в атмосфері, сигнал флуоресцентного випромінювання шал в сотні разів слабкіше в порівнянні з сигналом, що приймається наземними детекторами на відстанях в десятки кілометрів. Зате прозорість атмосфери в вертикальному напрямку, по якому реєструються космічні частинки з борта супутника, в десятки разів вище. При роботі орбітального детектора, спрямованого вертикально вниз, реєструється інша форма треку шал, яка сильно залежить від напрямку первинних частинок.
Флуоресцентний детектор ТУС на борту супутника «Ломоносов»
Розробкою нової технології космічного флуоресцентного детектора зайнялися кілька наукових груп з різних країн. Роскосмос за пропозицією Ради з космосу РАН запланував створення нового детектора флуоресценції з порівняно малою апертурою (площею дзеркала-концентратора). Такий детектор повинен отримати перші повноцінні зображення треків шал, що генеруються космічними променями найвищих енергій, з борта супутника з висотою орбіти близько 500 км і навчитися розрізняти справжні події шал і фонові. Фон можуть створювати не тільки космічні частинки, але і світяться електричні розряди в атмосфері, а також спалахи, які супроводжують людську діяльність на Землі.
Детектор ТУС розробляли, використовуючи досвід застосування нових композитних матеріалів при створенні дзеркала-концентратора за типом дзеркала Френеля і досвід побудови багатоканальних фотодетекторов в області довжин хвиль флуоресцентного випромінювання атмосфери (320-400 нм) з дозволом в часі в частки мікросекунди. Інженерна частина проекту виконана в АТ «ВНІІЕМ».
У детекторі (рис. 1) дві частини: параболічне дзеркало-концентратор типу дзеркала Френеля і фотоприймач, що складається з 256 квадратних осередків розміром 15 x 15 мм.
Ось детектора (рис. 2) спрямована в надир - на Землю - з точністю 0,1о за допомогою системи орієнтації супутника, розробленої в АТ «НІІЕМ». У такому положенні випромінювання вертикального шал максимально концентрується дзеркалом так, що розмір фокусної плями визначається якістю виготовлення дзеркала-концентратора і кутовим відхиленням напрямку шал від оптичної осі. Зі збільшенням зенітного кута сигнал шал починає переходити з комірки в комірку і в фотоприймачі реєструється просторово-часова картина руху диска частинок шал - його трек.
Фотоприймач являє собою матрицю з 16 x 16 = 256 фотоелектронні помножувачі (ФЕУ). Перед кожним ФЕУ знаходиться світлофільтр, що пропускає ультрафіолетове випромінювання в діапазоні 240-400 нм. На вході кожного осередку розташований світловод, який збирає світло з квадратного вхідного вікна осередку (15 x 15 мм) на круглий фотокатод ФЕУ (діаметром 13 мм), і бленда для захисту від бічного засвічення. В осередку записуються цифрові дані подій, відібраних тригером детектора (електронною системою відбору). Основний режим роботи детектора - реєстрація треків шал, що генеруються часткою космічних променів ультрависоких енергій. У цьому режимі дані осередків записуються як осцилограми з довжиною розгортки 256 кроків по 0,8 мікросекунди.
Поле зору однієї комірки детектора одно 0,01 радий, що при висоті орбіти 500 км відповідає спостереженню в атмосфері квадрата 5 x 5 км. Таке порівняно грубе дозвіл має бути покращено на порядок при створенні повномасштабних детекторів космічних променів ультрависокої енергії, оскільки розмір диска шал - джерела флуоресцентного випромінювання становить 0,2-1 км. Отримане якість дзеркала дозволяє проводити перші вимірювання треків шал, проте очевидна необхідність застосування багатокомпонентної оптичної системи для розширення поля зору детектора до ± 30о.
Для вивчення фізики космічних променів ультрависоких енергій за допомогою орбітального детектора була створена міжнародна колаборація Lomonosov-UHECR / TLE. До неї увійшли Науково-дослідний інститут ядерної фізики Московського державного університету (НИИЯФ МГУ), міжнародний Об'єднаний інститут ядерних досліджень (ОІЯД) і університети Республіки Корея і Мексики.
Перші події в області ультрависоких енергій, зареєстровані детектором ТУС
Супутник «Ломоносов» з детектором ТУС запущений 28 квітня 2016 року з космодрому «Східний» на сонячно-синхронну орбіту з висотою 500 км і з нахилом 97,3о. В ході роботи на орбіті стало ясно, що більшість осциллограмм відібраних детектором подій (приблизно в 80% випадків) схожі на шум від порівняно слабкого світіння нічної атмосфери. До цього шуму додаються спалаху в районах грозової активності тривалістю 1-1000 мілісекунд.
Окрему групу серед шумоподібних подій становлять випадки нерівномірного засвічення фокальній площині, в яких значна частина суміжних осередків (до половини) висвітлена в значно більшою мірою, ніж інша (рис. 3, зліва). Такі події реєструються в періоди повного місяця і викликані бічним засвіченням приладу світлом Місяця. Більш цікаві події, в яких висвітлена невелика компактна група осередків (рис. 3, справа). Аналіз географічного положення цих подій показав, що в більшості випадків їх причина - антропогенні джерела світла: населені пункти, аеропорти, морські платформи з видобутку газу або нафти. Можна припустити, що сигнал створюють світлодіодні або ксенонові лампи, частина випромінювання яких потрапляє в УФ-діапазон. У безмісячні ночі ТУС, як правило, реєструє кілька таких подій на кожній орбіті.
Відбір шал, генерованіх космічнімі Променя найвищу енергій, віробляє електронний тригер. ВІН враховує основні РІСД флуоресцентного треку, створюваного в атмосфері зарядженості частинками диска шал. Складність поиска корисних подій в тому, что необходимо віділіті Слабкий сигнал шал на змінюваному фоні світіння атмосфери. На Першому етапі тригер відбірає в осередку детектора сигналі, что перевіщують порогові значення за годину 12 мкс - це мінімальній годину проходження диска частінок шал через поле зору осередки. На іншому етапі тригер Розглядає карту спрацювалі осередків и вібірає події, в якіх сигнал переходити з локальної групи осередків в сусідню групу ( «похілі» шал) так, что загальне число спрацювалі осередків перевіщує граничні числа. Спрацювання групи осередків вместо однієї, очікуваної при малому фокусній плямі детектора, пов'язане з реально отриманий якістю оптічної системи и розміром зображення. Після формального відбору кожен такий «кандидат» піддається всебічному детальному аналізу: розглядається просторово-часова динаміка сигналу, метеорологічні умови в районі спостереження, досліджується наявність можливих антропогенних джерел і т. Д.
За час роботи детектора ТУС, а це більше року, було відібрано 13 кандидатів в події шал. З них всім вимогам задовольняє лише одна подія, зареєстровано 3 жовтня 2016 року в безмісячну ніч. За попередніми оцінками, ця подія викликано проходженням шал від протона з енергією ≥1020 еВ. Активні канали згруповані в витягнуте пляму на краю фотоприймача (рис. 4). Видно, що відбувається послідовне переміщення максимуму сигналу від осередку до осередку, це дозволяє визначити напрямок приходу частки (зенітний і азимутальний кути).
При реєстрації цієї події не було помічено ні однієї блискавки в радіусі 930 км протягом 10 с до і після моменту запису події. Відсутність грозової активності - додатковий аргумент на користь розгляду обраного події як події шал.
Інші події, відібрані тригером шал
Цікаву групу подій, що становлять в середньому близько 10% від повного набору даних, представляють інтенсивні спалахи, що досягають свого максимуму протягом одного кроку розгортки осцилографа (тобто не більше ніж за 0,8 мкс) в групі суміжних осередків. Такі події отримали назву миттєвих трекоподобних спалахів (рис. 5). Моделювання показало, що їх джерелами можуть бути космічні протони з енергіями в діапазоні 0,1-10 ГеВ, що проходять через скляні УФ-фільтри, якими закриті фотоелектронні помножувачі фотодетектора. Ці протони викликають флуоресценцію в склі.
Інші події, відібрані тригером шал, як правило, представляють собою транзієнтної (короткочасні) атмосферні явища грозовий природи. Ці події - предмет окремого дослідження, не пов'язаного з фізикою космічних променів.
Детектор ТУС має високий временни`м дозволом при величезній апертурі прийому фотонів. Це дозволяє отримувати нові відомості про просторово-часової динаміці блискавок і транзієнтної атмосферних явищ, дослідити географічний розподіл явищ різного типу і провести пошук поза грозових атмосферних спалахів ультрафіолету. Найкоротші за часом типи таких явищ називають «ельв» (від англійського ELVE, Emission of Light and Very-low frequency perturbation from an Electromagnetic pulse sources). «Ельв» виглядає як розширюється світиться кільце, що розповсюджується в іоносфері на висоті 90-100 км. Радіус «Ельва» може досягати 300 км, а тривалість - приблизно 1 мс. Приклади реєстрації «Ельва» - на рис. 6 і 7.
Плани по дослідженню космічних променів ультрависоких енергій з борта супутника
Ультрафіолетова установка ТУС на борту супутника «Ломоносов» - лише перша спроба реєстрації космічних променів ультрависоких енергій з орбіти Землі по флуоресцентного треку шал в атмосфері. Перші виміри показали як працездатність даного методу, так і очевидні проблеми: високу частку грозових явищ, необхідність більшого захисту від бічних засвічень (зокрема, від світла Місяця), вплив радіаційної обстановки.
Досвід роботи космічного детектора ТУС буде врахований при створенні орбітальних детекторів космічних променів ультрависоких енергій наступного покоління. У планах - створення детектора «КЛПВЕ» (космічні промені гранично високих енергій) для російського сегмента МКС. Новий детектор дозволить реєструвати в рік більше сотні подій космічних променів з порогової енергією близько 1020 еВ, причому з рівномірною експозицією по всій небесній сфері, що принципово недосяжно для наземних детекторів.
Автори вдячні всім учасникам роботи по проекту Lomonosov-UHECR / TLE (список учасників см. Сайт http://uhecr.sinp.msu.ru/ru/tus.html ), Які зробили на різних етапах істотний внесок в одержання результатів «космічного експерименту» з пошуку подій шал ультрависоких енергій.
«Наука і життя» про космічних променях:
Алиханов А. Космічні промені. - 1945, № 7 , 8-9 .
Фрадкін М. Походження космічних променів. - 1954 № 6 .
Гінзбург В. Нове в астрофізиці космічних променів. - 1964 № 1 .
Дорман Л. Варіації космічних променів. - 1965, № 2 .
Зацепін Г. Що таке космічні промені? - 1987, № 1 .
Гінзбург В. Які проблеми фізики і астрофізики видаються зараз, на порозі XXI століття, особливо важливими і цікавими? - 1999 року, № 12.
Петрукович А., Зелений Л. У природи є і космічна погода. - 2001, № 10.
Хренов Б. Космічні промені найвищих енергій. Чи є енергетичний межа для частинок, що приходять з космосу до Землі? - 2008, № 10.
Гуськов А., Перлів А., Шелков Г. Лівні знань . - 2013, № 4.
Понятов А. «ПАМЕЛА» - мисливиця за космічними променями . - 2017, № 7.
Коментарі до статті
* Ультрафіолетовий телескоп на борту супутника «Ломоносов» створений в рамках Федеральної космічної програми РФ з розвитку фундаментальних астрофізичних досліджень та Програми розвитку Московського університету. Головна організація з проведення досліджень космічних променів найвищих енергій - Науково-дослідний інститут ядерної фізики ім. Д. В. Скобельцина Московського державного університету ім. М. В. Ломоносова.
Що таке космічні промені?Які проблеми фізики і астрофізики видаються зараз, на порозі XXI століття, особливо важливими і цікавими?
Чи є енергетичний межа для частинок, що приходять з космосу до Землі?
