30 МэВ

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 400400 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
600600600 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)