Международный проект ГАЛА Мониторинг астрофизических источников высокоэнергичного гамма-излучения Аннотация К настоящему времени открыто несколько сотен дискретных астрофизических источников высокоэнергичного гамма-излучения, большая часть из которых остаются неотождествленными. Учитывая, что гамма-излучение присуще, в основном, активным переменным объектам, постоянный мониторинг небесной сферы с достаточно высоким угловым и временным разрешением позволит не только идентифицировать ряд неотождествленных источников, но и обнаружить новые источники. Для проведения мониторинга предполагается создать широкоапертурный гамма-телескоп ГАЛА с высоким угловым разрешением в диапазоне 10-100 МэВ и установить его в качестве дополнительной научной нагрузки на серийный ИСЗ Метеор-М, имеющий околоземную орбиту. Выполненные эксперименты SAS-2 11.72 – 06.73 20 МэВ – 1 ГэВ Aeff=540 см2 COS-B 08.75 – 04.82 30 МэВ – 5 ГэВ Aeff=50 см2 Гамма-1 07.90 – 02.92 30 МэВ–5 ГэВ Aeff=200 см2 EGRET COMPTEL (CGRO) (CGRO) 04.91-06.98 30 МэВ-30 ГэВ Aeff=1500 см2 04.91-06.2000 0.8 – 30 МэВ Aeff=20-50 см2 Основные результаты наблюдений Зарегистрировано около двухсот неидентифицированных дискретных источников высокоэнергичного -излучения. Обнаружена сложная временная структура высокоэнергичного гаммаизлучения от шести радио пульсаров и Геминги, являющейся радио спокойным пульсаром. Открыто интенсивное, сильно меняющееся во времени высокоэнергичное гамма-излучение от более 70 блазаров. Обнаружена пространственная и спектральная однородность внегалактического фона. Получена карта диффузного галактического -излучения. Зарегистрировано высокоэнергичное -излучение от гамма-всплесков. Открыто вспышечное высокоэнергичное -излучение Солнца до энергии больше нескольких ГэВ. Небесная сфера в -диапазоне Дискретные -источники из 3-го каталога EGRET Нерешенные проблемы гамма астрономии Какова природа обнаруженных неидентифицированных источников высокоэнергичного -излучения? Существуют ли другие неизвестные еще астрофизические источники нетеплового высокоэнергичного излучения , в частности с показателем спектра излучения более 2? Как зависят физические процессы (ускорение частиц, излучение) от геометрии пульсаров? Как формируются струи блазаров и как в них могут ускоряться частицы до высоких энергий за малые промежутки времени? Какая может быть длительность процессов ускорения? Какой вклад в поток изотропного внегалактического высокоэнергичного гамма-излучения могут давать дискретные источники? Какова природа темной материи в нашей Галактике? Какие процессы обеспечивают такие большие передачи энергии в источниках гамма всплесков? Как происходит генерация высокоэнергичного -излучения на Солнце? Проекты будущего Характеристики AGILE GLAST ГАЛА Начало наблюдений 2006 г. 2007 г. 2010 г. 30 МэВ – 50 ГэВ 30 МэВ – 300 ГэВ >10 МэВ 700 см2 >8000 см2 200 см2 (~1000 см2)* ~3 ср 2 ср 3 ср Угловое разрешение 4.7 (100 МэВ) 3.5 (100 МэВ) 1.6 (100 МэВ) Энерг. Разрешение 50% (100 МэВ) 10% (100 МэВ) ~30% (10-100 МэВ) Энергетический диапазон Эффективная площадь Апертура * - при модификации прибора Научные цели проекта ГАЛА Основная задача проекта ГАЛА заключается в продолжительном, в течение нескольких лет, мониторинге небесной сферы с целью: Выяснения природы неидентифицированных дискретных источников высокоэнергичного гамма-излучения; поиска новых гамма-транзиентов. Исследования известных пульсаров высокоэнергичного гамма-излучения; поиска импульсного гамма-излучения от неидентифицированных источников. Поиска высокоэнергичного гамма-излучения от галактических двойных систем и остатков сверхновых. Изучения известных активных галактических ядер; поиска новых внегалактических источников высокоэнергичного гамма-излучения. Исследования диффузного высокоэнергичного гамма-излучения. Дополнительной задачей проекта ГАЛА является изучение изотопного состава потоков ядер от H до Fe в диапазоне энергий 20-200 МэВ/н в окрестности Земли. Физическая схема гамма-телескопа ГАЛА Системы телескопа: 1) Кремниевый трекер. Назначение: Конверсия - квантов и регистрация e+e—пар. Состав: 16 детектирующих плоскостей 400400 мм. Расстояние между плоскостями – 20 мм. Каждая плоскость состоит из двух слоев. Первый слой – активный конвертор SN1-SN16 (два слоя односторонних стриповых детекторов толщиной 500 мкм, ширина стрипа 2.5 мм). Второй слой - кремниевый микростриповый двухсторонний (X, Y) детектор S1-S16 (толщина 300 мкм, ширина стрипа 250 мкм). 2) Система антисовпадений. Назначение: Режекция заряженных частиц КЛ. Состав: CU – детектор верхних антисовпадений CS1-CS4 – детекторы боковых антисовпадений CD1-CD4, CD – детекторы нижних антисовпадений Структура детектирующей плоскости Организация триггера Триггер для регистрации -квантов: 12 M ANTI CU M k , где k 1 k 4 M k k 1 3 Si ANTI CS1 CD1 i k 2 2 M k k 4 6 Si ANTI CSi CDi i 1 i k i 1 k 4 k 4 3 3 M k k 7 9 Si ANTI CSi CDi i 1 i k i 1 k 4 4 4 M k k 10 12 Si ANTI CSi CDi i 1 i k i 1 Триггер для регистрации ядер: M N SNc1 SNc2 AC 4 4 AC ANTI CSi CDi CD i 1 i 1 Основные физические характеристики Характеристики Энергетический диапазон Апертура Угловое разрешение Чувствительная площадь Энергетическое разрешение Мертвое время * - при модификации прибора EGRET ГАЛА 30 МэВ - 30 ГэВ >10 МэВ 0.5 ср 3 ср ~15 (30 МэВ) 5.5 (100 МэВ) 1.2 (1 ГэВ) 4.9 (30 МэВ) 1.6 (100 МэВ) 0.3 (1 ГэВ) 1500 см2 200 см2 (~1000 см2)* 10% 30% (10-100 МэВ) >100 мс <1 мс Эффективная площадь (А), см 2 Эффективная площадь ГАЛА EGRET 1000 100 10 1 10 2 10 3 10 Энергия, МэВ 4 10 5 10 Эффективная площадь (A), см 2 Апертура ГАЛА EGRET 1000 100 10 0 10 20 30 40 50 60 Угол падения , град. 70 80 90 Угловое разрешение, град. Угловое разрешение ГАЛА EGRET 10 1 0,1 1 10 2 10 3 10 Энергия, МэВ 4 10 Энергетическое разрешение Предлагаемый телескоп позволяет измерять энергию регистрируемых гамма-квантов в диапазоне 10-100 МэВ с разрешением не хуже 30%. Энергия гамма-квантов восстанавливается при помощи метода, основанного на связи энергий электрона и позитрона, образовавшихся при конверсии гамма-кванта, с их углами многократного рассеяния в веществе трекера. Дополнительные возможности Предполагается провести анализ возможности установки дополнительного блока к телескопу ГАЛА. Блок состоит из трекера, в котором кремниевые конвертеры заменены на пластины вольфрама, и секций боковых детекторов антисовпадений. Это позволит существенно увеличить чувствительную площадь прибора и расширить его энергетический диапазон. Космический аппарат Метеор-М Основные характеристики Тип орбиты Круговая, солнечно-сихронная Высота орбиты 835 км Наклонение 98.68 Ориентация Орбитальная Точность ориентации Точность определения положения 0.1 Не хуже 30 м Точность синхронизации бортового времени с UT 2 мкс Масса КА 800 кг Масса полезной нагрузки 320 кг Энергообеспечение 1.4 кВт Телеметрия Срок активного существования 122 Мбод Не менее 5 лет ГАЛА Размещение прибора ГАЛА на КА Метеор-М Технические характеристики телескопа ГАЛА Габаритные размеры телескопа ГАЛА 600600600 мм Масса прибора ~100 кг Энергопотребление ~150 Вт Объем ЗУ прибора 2 Гбайт Необходимая точность определения ориентации осей прибора в пространстве Необходимая точность временной привязки регистрируемых событий Объем накопленной прибором научной информации, передаваемой на Землю в сутки 0.1 Не хуже 10 мкс ~2 3 Гбайт Ожидаемая экспозиция небесной сферы Экспозиция в секундах Период наблюдений: 1 год Галактическая широта, град. 90 8E6 4,9E6 60 5,4E6 7,1E6 6,7E6 30 0 6,3E6 7,1E6 6,7E6 6,3E6 6,7E6 5,8E6 6,3E6 7,6E6 5,4E6 7,1E6 7,6E6 7,6E6 7,1E6 5,8E6 5,4E6 -30 5,4E6 4,9E6 -60 5,8E6 6,7E6 4,5E6 4,9E6 -90 180 120 60 0 -60 Галактическая долгота, град. -120 -180 Сравнение экспозиций приборов EGRET и ГАЛА ГАЛА 1 год наблюдений 90 14,0 70 12,0 Циклы наблюдений: 1, 2, 3, 4 Единицы: 108 см2с Galactic Latitude 50 EGRET 10,0 30 10 -10 -30 14,0 -50 -70 12,0 10,0 -90 180 160 140 120 100 80 60 40 20 14,0 0 -20 -40 -60 -80 -100-120-140-160-180 Galactic Longitude Экспозиция за одни сутки наблюдений, с. Зависимость экспозиции источника от времени 4 2,5x10 4 2,0x10 4 1,5x10 4 1,0x10 o o Центр Галактики: l=0 ; b=0 3 5,0x10 0,0 0 60 120 180 Номер дня в году 240 300 Чувствительность для точечных источников GALA (E>20 MeV) GALA (E>100 MeV) EGRET (E>20 MeV) EGRET (E>100 MeV) источники из 3-го каталога EGRET -8 1x10 -9 1x10 -8 1x10 -9 2 kmin, (см с МэВ) 2 kmin, (см с МэВ) -1 -1 1x10 GALA (E>20 MeV) GALA (E>100 MeV) EGRET (E>20 MeV) EGRET (E>100 MeV) источники из 3-го каталога EGRET 1x10 -10 10 -11 Центр галактики: o o o l=330 -30 ; |b|<5 Статистическая значимость: 5 - Спектр: F(E)=k(E/100 MeV) 7 T=10 с 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Показатель спектра 4,0 1x10 -10 10 -11 1,5 Средние широты: o o o o l=0 –360 ; |b|=20 -60 Статистическая значимость: 5 - Спектр: F(E)=k(E/100 MeV) 7 T=10 с 2,0 2,5 3,0 3,5 Показатель спектра 4,0 Ожидаемые результаты наблюдений: 10 4 10 3 10 ГАЛА Статистическая значимость -источников Число зарегистрированных -квантов от дискретных источников из 3-го каталога EGRET Количество зарегистрированных -квантов от источников из 3-го каталога EGRET, демонстрирующих невысокую переменность во времени 2 7 Экспозиция: 10 с. 10 1 1,5 10 2 10 1 7 Экспозиция: 10 с. 10 2,0 2,5 3,0 3,5 Показатель спектра ( ) 4,0 ГАЛА 5 0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Показатель спектра () 4,0 Ожидаемые результаты наблюдений: Галактическая широта, град. Карты интенсивности гамма-излучения от дискретных источников, расположенных в центре Галактики ГАЛА (E>30 МэВ) о о 7 Размер ячейки: 0.5 х0.5 ; T=10 c 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 120,0 100,0 70,00 50,00 30,00 20,00 15,00 10,00 5,000 3,000 1,000 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 Галактическая широта, град. Галактическая долгота, град. ГАЛА (E>100 МэВ) о о 7 Размер ячейки: 0.5 х0.5 ; T=10 c 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 120,0 100,0 70,00 50,00 30,00 20,00 15,00 10,00 5,000 3,000 1,000 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 Галактическая долгота, град. План работ по реализации проекта ГАЛА: 2005 – 2006 гг. 2005 г. Проведение обсуждения научных задач и физической схемы прибора; распределение работ и финансовых вкладов с российскими и иностранными участниками проекта. Обсуждение на заседании совета по космосу РАН и принятие решения о проведении НИР. Включение в план НИРовских работ на 2006 г. совета по космосу РАН и Роскосмоса. 2006 г. Проведение расчетов по оптимизации физической схемы прибора с учетом выполнения научных задач и условий проведения измерений на борту КА Метеор-М . Разработка ТТЗ проекта ГАЛА . Разработка эскизного проекта научной аппаратуры, интерфейсов с КА, контрольно-измерительной аппаратуры . План работ по реализации проекта ГАЛА: 2007 – 2008 гг. 2007 г. Разработка технического проекта ГАЛА. Выпуск конструкторской документации. Изготовление технологических моделей систем НА ГАЛА. Изготовление КИА. Комплектация. 2008 г. Изготовление технологической модели НА ГАЛА. Проведение электро-физических испытаний ТМ НА ГАЛА. Проведение КДИ систем НА ГАЛА. Изготовление летных экземпляров систем НА ГАЛА. План работ по реализации проекта ГАЛА: 2009 – 2010 гг. 2009 г. Сборка и настройка летного образца НА ГАЛА. Проведение ПСИ НА ГАЛА, включая калибровку на пучках меченых гамма-квантов . Интеграция НА ГАЛА на КА Метеор-М, проведение комплексных испытаний. 2010 г. Запуск КА Метеор-М с НА ГАЛА. Проведение наблюдений на орбите 2010 - 2016 гг. Участники проекта ГАЛА С российской стороны: Московский Инженерно-Физический Институт (Государственный Университет) – головная организация Государственный Астрономический Институт им. П.К. Штернберга МГУ Институт Астрономии РАН Физический Институт им. П.Н. Лебедева РАН Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Электромеханики Иностранные участники: Национальный Институт Ядерной Физики (Италия) – головная организация Королевский Политехнический Институт (Швеция) Институт Космической Аэрономии (Бельгия) Хельсинский Университет (Финляндия)