Гамма-астрономия

ГАММА-АСТРОНОМИЯ, раздел астрономии, изучающий космические объекты по их излучению в самом коротковолновом диапазоне электромагнитных волн - гамма-диапазоне. Процессы, приводящие к генерации гамма-излучения, связаны в основном с взаимодействием ускоренных электронов, нуклонов и ядер с веществом, электромагнитным излучением и магнитным полем. Быстрые электроны, двигаясь в среде, генерируют тормозное излучение, энергетический спектр которого простирается от нуля до энергии рождающих его электронов. Взаимодействуя с низкоэнергичными фотонами (реликтовым излучением, оптическим излучением звёзд и др.), электроны испытывают обратное комптоновское рассеяние, передавая фотонам свою энергию. В очень сильных магнитных полях высокоэнергичные электроны могут рождать синхротронное гамма-излучение. Нуклоны и ядра с энергиями в десятки и сотни МэВ при столкновениях с веществом окружающей среды вызывают ядерные реакции, сопровождаемые линейчатым гамма-излучением, а при более высоких энергиях они рождают при взаимодействиях π⁰-мезоны, которые почти мгновенно распадаются на гамма-кванты с характерным энергетическим спектром, имеющим максимум при энергии около 70 МэВ. Все эти разнообразные процессы формируют сложный энергетический спектр гамма-излучения, подробный анализ которого даёт возможность исследовать состав и спектры высокоэнергичных заряженных частиц. Высокая проникающая способность гамма-излучения позволяет наблюдать его источники через облака межзвёздного газа и пыли. Впервые космическое гамма-излучение было зарегистрировано американским спутником «Explorer-11» в 1961 году.

Диффузное гамма-излучение и точечные источники. На рисунке 1 показана картина неба в гамма-лучах с энергией свыше 100 МэВ, полученная с помощью гамма-телескопа EGRET, работавшего на американской орбитальной космической гамма-обсерватории имени А. Комптона CGRO (Compton Gamma Ray Observatory) в 1991-2000 годах. На рисунке видны размытое, диффузное излучение вдоль плоскости Галактики и яркие компактные пятна как на фоне Галактики, так и вне её. Диффузное излучение рождается при взаимодействии высокоэнергичных электронов и ядер космических лучей с межзвёздным газом. На основании исследования структуры и спектра диффузного излучения удалось однозначно доказать, что наблюдаемые у Земли космические гамма-лучи рождаются в Галактике. Компактные пятна - это точечные источники, являющиеся звёздами или галактиками. Тщательный анализ пространственной структуры свечения позволил выделить 270 точечных источников, распределение которых по небу показано на рисунке 2. Размер значков соответствует яркости источников. Из всех точечных источников только 100 отождествлены с астрофизическими объектами, наблюдаемыми в других диапазонах длин волн. Среди них Большое Магелланово Облако (БМО), пять пульсаров и активные ядра галактик.

В начале 21 века, с введением в действие больших атмосферных черенковских гамма-телескопов, стала активно развиваться гамма-астрономия сверхвысоких энергий. К 2006 году обнаружено около 30 источников, излучающих фотоны с энергиями свыше 100 ГэВ, только часть из которых совпадает с уже известными гамма-источниками. Высокое угловое разрешение атмосферных черенковских телескопов позволило установить, что многие источники имеют большие поперечные размеры. Важным результатом стало обнаружение в одном из остатков сверхновой звезды областей ускорения частиц до энергий свыше 100 ГэВ, подтверждающее гипотезу о том, что источником космических лучей являются взрывы сверхновых.

Гамма-излучение Солнца наблюдается только во время мощных солнечных вспышек, когда на Солнце происходит ускорение заряженных частиц до высоких энергий. Наличие в спектре гамма-излучения линий возбуждённых ядер углерода и кислорода говорит о присутствии во вспышечной области ускоренных протонов, а соотношение яркостей этих линий позволяет оценить спектр этих протонов. Присутствие во вспышечной области свободных нейтронов может быть обнаружено по наличию в спектре линии 2,23 МэВ, генерируемой при захвате нейтрона протоном с образованием дейтерия. По форме распределения непрерывного спектра гамма-излучения можно определить соотношение потоков ускоренных электронов и протонов. В совокупности с результатами наблюдения вспышки в других диапазонах длин волн (от радио до рентгеновского) исследования гамма-излучения помогают понять процесс развития солнечной вспышки.

Гамма-всплески. Исследование гамма-всплесков - приходящих в среднем раз в сутки из космоса кратковременных импульсов гамма-излучения - составляет особый раздел гамма-астрономии как из-за специфики самого явления, так и из-за особенностей аппаратуры, используемой для регистрации гамма-всплесков.

В. В. Акимов.