Los científicos rusos están desarrollando un telescopio de nueva generación para medir rayos gamma cósmicos de alta energía. Esto ayudará a estudiar en detalle el centro de nuestra Galaxia, la constelación de Cygnus, otros objetos del disco galáctico y detectar signos de materia oscura. Cómo avanza el trabajo en el proyecto GAMMA-400, le dijeron a RIA Novosti su supervisor científico, el profesor Arkady Galper (FIAN, MEPhI) y el supervisor científico adjunto, el diseñador jefe Nikolai Topchiev (FIAN).
Aceleradores ecuménicos
El entorno cósmico está impregnado de radiaciones electromagnéticas de la más variada naturaleza. Las fuentes pueden ser erupciones solares, estrellas, púlsares, núcleos galácticos activos, procesos asociados con la materia oscura y mucho más.
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Los rayos gamma que llegan a las capas superiores de la atmósfera terrestre son fotones de las energías más altas, desde millones hasta miles de millones de electronvoltios. Los mismos se obtienen en aceleradores de partículas cargadas, por ejemplo, LHC en Ginebra o NIKA en Dubna. Allí, las partículas aceleradas (protones, núcleos ligeros, electrones) interactúan con la materia. Como resultado, aparecen nuevas partículas que se desintegran o se autoaniquilan con la formación de cuantos gamma de alta energía.
Para los astrofísicos, la radiación gamma es una fuente invaluable de información sobre mundos distantes. Es posible que ayude a descubrir el secreto de la materia oscura, una sustancia misteriosa que proporciona una cuarta parte de la masa del Universo, hasta ahora inaccesible a la observación directa en el espacio y en aceleradores.
Fuentes de gamma quanta - estos son objetos y procesos capaces de acelerar partículas elementales a velocidades relativistas / Ilustración de RIA Novosti. Fuente: proyecto * GAMMA-400 *.
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Cómo atrapar un montón de energía
La radiación gamma, como todas las partículas cósmicas, excepto los neutrinos, se absorbe completamente en la atmósfera del planeta y se derrama sobre la superficie con una lluvia de varios rastros secundarios, incluida la radiación óptica de Cherenkov, recolectada utilizando grandes espejos terrestres. Desde las duchas, se puede restaurar aproximadamente donde está la fuente que las dio origen.
Para observar los rayos gamma galácticos en su forma más pura, hay que ir más allá de la atmósfera. Los primeros telescopios de rayos gamma en órbita fueron lanzados por científicos soviéticos de MEPhI en 1968 y 1970. El telescopio de rayos gamma ANNA-3 en los satélites Kosmos-251 y Kosmos-264 determinó la dirección de llegada y la energía de cada cuanto gamma por separado.
Los cuantos gamma son neutrales y la única forma de detectarlos es obligarlos a interactuar con la materia, para medir la energía liberada y la dirección de llegada del fotón. En este caso, se forma un par de partículas cargadas: un electrón y un positrón.
Este fue el principio utilizado por ANNA-3 y todos los dispositivos posteriores. La última nave espacial soviética, GAMMA-1, operó en órbita desde 1990 hasta 1992. Ahora Estados Unidos tiene la palma. Desde 2008, su FERMI / LAT ha escaneado constantemente todo el cielo en el rango gamma.
Precisión: progreso en astronomía
Cuanto más exactamente determina el telescopio la energía de los cuantos gamma, cuanto mayor es su resolución angular, más información valiosa proporciona.
El FERMI / LAT estadounidense observa radiación gamma en el rango de cien megaelectronvoltios a cien gigaelectronvoltios con una resolución angular de una décima de grado a las energías más altas. Para la astrofísica moderna, esto ya no es suficiente, es necesario lograr una mayor precisión. Este problema fundamental está siendo resuelto por el proyecto ruso "GAMMA-400" con el apoyo del Consejo del Espacio RAS y el Programa Espacial Federal.
El nuevo telescopio gamma está diseñado para energías desde 20 megaelectronvoltios hasta 400 gigaelectronvoltios, con una resolución angular máxima de una centésima de grado.
Diseño confiable, nuevos resultados
Como sus predecesores, GAMMA-400 consta de dos elementos fundamentales: convertidores de rayos gamma y detectores de pares electrón-positrón. El primero es un conjunto de dos docenas de placas delgadas de tungsteno que se alternan con detectores de coordenadas que determinan la dirección de llegada de un cuanto gamma.
Para "GAMMA-400", el Instituto Kurchatov propone utilizar detectores de coordenadas de centelleo de fibra muy precisos, por lo que se logrará una alta resolución angular. Esto permitirá medir con mucha precisión la dirección de llegada de los rayos gamma de alta energía.
El segundo elemento es un gran contador de centelleo o un grupo de contadores (calorímetro) donde se absorbe un par electrón-positrón y se mide la energía.
Dispositivo telescópico "GAMMA-400". K - convertidor de cuantos gamma a pares electrón-positrón, AC - detector de anticoincidencia, KK1, 2 - calorímetros / MEPhI, GAMMA-400.
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En órbitas limitantes en busca de altas energías
La idea de un nuevo telescopio de rayos gamma fue propuesta en 1987 por un destacado físico soviético, luego premio Nobel Vitaly Ginzburg, la astrofísica Lidia Kurnosova y empleados de su laboratorio en FIAN. El nombre "GAMMA-400" significa la capacidad de detectar cuantos gamma con una energía de 400 mil millones de electronvoltios.
En ese momento, la búsqueda de materia oscura aún no era tan relevante. Los científicos simplemente querían desarrollar la astronomía gamma, que iba a la zaga de otras áreas de la astronomía extraatmosférica. Sin embargo, el trabajo se prolongó durante décadas.
Según los planes actuales, el dispositivo debería desarrollarse a finales de 2025. MEPhI, NIISI RAS, Instituto Kurchatov, Instituto de Física de la Academia Nacional de Ciencias de Bielorrusia participan en el proyecto bajo la dirección de FIAN.
"GAMMA-400" se ha modernizado significativamente, la resolución angular es cien veces mayor de lo que se pensaba. El telescopio gamma se instalará en la plataforma satelital Navigator, que se está desarrollando en NPO Lavochkin. También se colocarán detectores de plasma magnético y el telescopio de rayos X ART-XC, una copia más perfecta del telescopio Spectra-RG.
Órbita altamente elíptica del dispositivo * GAMMA-400 *, que permitirá observar radiación gamma cósmica pura / Proyecto * GAMMA-400 *.
El telescopio de rayos gamma se lanzará a una órbita muy elíptica, que cambiará periódicamente de forma: de circular a alargada con un radio medio de unos 200 mil kilómetros. Por lo tanto, el dispositivo no caerá a la sombra de la Tierra y podrá medir los cuantos gamma cósmicos fuera de los cinturones de radiación del planeta.
A diferencia de FERMI / LAT, que escanea el cielo, GAMMA-400 apuntará y observará continuamente fuentes individuales durante mucho tiempo. Los científicos quieren investigar primero el centro de la Vía Láctea, luego la región en la constelación de Cygnus y luego otros objetos en el plano del disco galáctico. Debido a la menor resolución angular, el telescopio americano da una imagen borrosa, sin detalles. El dispositivo ruso fotografiará todo con alta resolución, lo que permitirá distinguir entre fuentes de radiación.
Entre las tareas se encuentra la observación de sistemas binarios como un par de agujeros negros. Acelera las partículas en su vecindad a velocidades subluminales y sirven como poderosas fuentes de radiación gamma. También son de interés los objetos que emiten no constantemente, sino periódicamente. Para verlos bien y analizar las características temporales en el rango gamma, tomará más de un mes de observación de avistamiento.
* GAMMA-400 * superará al telescopio en órbita FERMI / LAT en un orden de magnitud en resolución angular. Esto te permitirá ver los detalles en el plano del disco galáctico / Proyecto * GAMMA-400 *.
En busca de partículas de materia oscura
La comunidad científica espera probar con la ayuda de "GAMMA-400" la hipótesis sobre la naturaleza de las partículas de materia oscura, cuya realidad ya no está en duda. Hay mucha evidencia circunstancial sobre la materia oscura, en particular, los halos galácticos o las estrellas trazadoras que orbitan un centro de masa invisible.
Según un modelo, la materia oscura puede estar compuesta de WIMP: este es el nombre de partículas masivas hipotéticas que participan solo en interacciones débiles y gravitacionales. Se supone que la radiación gamma de alta energía con la energía de los cuantos gamma del orden de la masa WIMP se genera durante la desintegración del WIMP o la autoaniquilación de dos partículas.
Un descubrimiento importante en esta dirección se realizó en el experimento PAMELA realizado en órbita de 2006 a 2016. El dispositivo detectó un exceso de positrones de muy alta energía en los rayos cósmicos. Los investigadores sugieren que fueron generados no solo por una fuente local (por ejemplo, un púlsar), sino también por la desintegración o autoaniquilación de partículas de materia oscura. Sus grupos pueden esconderse detrás de las nubes del medio interestelar, y "GAMMA-400" puede detectarlos.
Tatiana Pichugina
