Cherenkov-teleskooppiryhmä

Cherenkov-teleskooppiryhmän
gammasäteilyn observatorio 12-metrisen kaukoputken prototyyppi Berliinissä (2014). Ominaisuudet

Tyyppi	Ilmakehän Cherenkov-kuviteleskooppi

Cherenkov teleskooppi Array (ranskaksi verkko Cherenkov Kaukoputket ), jota useimmiten kutsutaan sen lyhenne CTA on uuden sukupolven maanpäällisten gamma teleskooppi , joka työskentelee energia-alueella muutamasta GeV yli 300 TeV . Tutkimuksia tämän tähtitornin alkoi vuonna 2008. Pitkän ja prototyyppien vaihe, joka päättyi vuonna 2009, rakentamisen pitäisi alkaa vuonna 2020 ja valmistuu 2025. CTA koostuu 118 ilmakehän Cherenkov kuvantaminen teleskooppeja kolmenlaisia asennettu kaksi paikkaa : sivusto pohjoisella pallonpuoliskolla La Palma (Kanariansaaret) , joka on erityisen kiinnostunut tutkimuksen ekstragalaktisten esineitä mahdollisimman pienin energioita, ja toinen sivusto eteläisellä pallonpuoliskolla lähellä Cerro Paranalin observatorion vuonna Chilessä , joka kattaa koko energia-alue ja keskittyy galaktisiin lähteisiin.

Asiayhteys

Kosmisen alkuperän gammasäteily

Väkivaltaisimmat kosmiset tapahtumat, supermassiivisten mustien aukkojen ( blazareiden ) tuottamat relativistiset suihkut , gammasädepurskeet jne. Tuottavat gammasäteilyä eli fotoneja, joiden energia on muutaman keV: n ja satojen TeV: n välillä. Tämän säteilyn tarkkailu antaa arvokasta tietoa työskentelevistä prosesseista, mutta niitä ei voida havaita suoraan maasta, koska maapallon ilmakehä sieppaa gammasäteet. Ensimmäiset kosmisen alkuperän gammasäteilyn havainnot tehtiin 1960-luvulta, ensin käyttämällä ilmapallojen laitteita, jotka nostivat itsensä ilmakehän alempien kerrosten yläpuolelle, sitten avaruuden observatorioissa . Junalaitteiden keräyspinta on kuitenkin vain muutama sata neliösenttimetriä. Gammasäteet ovat kuitenkin harvinaisia: kirkkaimmista lähteistä on keskimäärin yksi gammasäde neliömetriä kohti vuodessa ja heikoimpia lähteitä kohden yksi neliömetriä kohti vuosisataa kohti.

Ilmakehän Cherenkov-kuviteleskoopit

Kun maapallon ilmakehään tulee valon nopeudella, gammasäde tuottaa hiukkasten kaskadeja tuottamalla sinisen valon puhkeamisen, joka tunnetaan nimellä Vavilov-Tšerenkov-vaikutus . Tämän tuottaa tämän säteilyn kuljettama valtava määrä energiaa yhdistettynä siihen tosiasiaan, että gammasäde tunkeutuu ilmaan valon nopeudella, kun taas tässä väliaineessa fotonien maksiminopeus on hieman pienempi (0, 03%). Tämän ilmiön tuottama valo syntyy halkaisijaltaan 250 metrin ympyrässä muutaman nanosekunnin ajan. Cherenkov-teleskooppimatriisin observatorion on tarkoitus käyttää ilmakehän Cherenkov-kuvantamisteleskooppeja, jotka hyödyntävät tätä ilmiötä. Nämä kaukoputket käyttävät suuria peilejä lähentääkseen optisessa tilassa (näkyvä ja ultravioletti) tuotettua Vavilov-Cherenkov-vaikutusta . Vavilov-Tšerenkov-vaikutus on erittäin heikko ja kestää vain muutaman nanosekunnin. Kaukoputkien varustavien kameroiden valotusaikojen on oltava erittäin lyhyet, jotta nämä tapahtumat voidaan tallentaa. He käyttävät tavanomaista PMT tyyppi valomonistinputket tai SiPM tyypin piitä valomonistinputket muuttaa kerätyn valon kuvaksi putouksen.

Projektin historia

Ensimmäinen gammasäteen havaitseminen maasta tehtiin vuonna 1989 Fred Lawrence Whipple -teleskoopilla . Myöhemmin luotiin useita observatorioita, joissa hyödynnettiin Vavilov-Cherenkov-vaikutusta : HESS ( High Energy Stereoscopic System ) vuonna 2002 Namibiassa , MAGIC ( Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov ) vuonna 2004 La Palmassa (Kanariansaaret) ja VERITAS ( erittäin energinen säteilykuvausteleskooppi) System ) Arizonassa vuonna 2005. Nämä observatoriot osoittavat tämäntyyppisen havainnon teknisen kannattavuuden ja mahdollistavat tärkeiden tieteellisten tulosten saavuttamisen, mikä avaa tietä paljon kunnianhimoisemmalle hankkeelle, CTA: lle.

CTA-seurantahankkeen ehdotti ja kehitti vuonna 2008 perustettu CTA-konsortio (CTAC), joka kokoaa vuonna 2019 yli 1400 jäsentä 200 tutkimuslaboratoriosta 32 maassa ympäri maailmaa. Vuonna 2014 Heidelbergiin perustettiin CTA: n observatorio (CTAO) tarjoamaan oikeudellinen kehys suunnittelutoimiston toiminnalle ja observatorion rakentamista varten allekirjoitetuille sopimuksille. Vuosina 2010--2013 CTA-konsortio toteutti tutkimuksen havaitsemaan todennäköisesti isännöivien kohteiden tunnistamiseksi. Sivustoja La Palma (Kanariansaaret) ja Cerro Paranalin observatorion vuonna Chilessä valittiin heinäkuussa 2015. Vuonna 2016 CTA päämaja sijaitsee Bolognassa , Italiassa, kun taas Zeuthen, lähellä Berliini , Saksa , valittiin isäntä tietojenkäsittely keskusta.

Pienelle kaukoputkelle (SST) ehdotetaan kolmea arkkitehtuuria. Kesäkuussa 2019 valittiin kahden peilin ASTRI (Astrofisica con Specchi a Tecnologia replicante Italiana ) -arkkitehtuuri, jonka ehdotti Italian johtama joukkue (INAF), joka oli varustettu CHEC ( Compact High-Energy Camera ) -kameralla . Keskisuurten ja suurten teleskooppien (MST ja LST) arkkitehtuuri on määriteltävä vuoden 2019 loppuun mennessä.

Hankkeen kustannusten arvioidaan olevan lokakuussa 2019 310 miljoonaa euroa.

Organisaatio

Kaksi organisaatiota hoitaa projektia. CTA-konsortio (CTAC), joka yhdistää vuonna 2019 yli 1400 jäsentä 200 laboratoriosta 31 maasta ympäri maailmaa, määrittelee observatorion tieteelliset tavoitteet ja vastaa tietojen tieteellisestä analyysistä ja tulosten julkaisemisesta. . Tutkimuslaitokset, jotka ovat konsortion jäseniä, tarjoavat observatorion osia ja vastaavat sen reseptistä ennen sen käyttöönottoa ja tieteellistä toimintaa. Ranskan osallistuvien laboratorioiden yhteisiä ponnistuksia laboratorioissa CEA ja CNRS , tarkemmin sen järjestöissä: National Ydinfysiikka- ja hiukkasfysiikan ja National Institute of Sciences of the Universe . CTA on suunniteltu ja rakennettu tutkijoiden kansainvälisellä yhteistyöllä, johon osallistuvat vahvasti EU: n instituutiot. Hanke on etenemissuunnitelmissa tutkimusinfrastruktuureja käsittelevästä Euroopan strategisesta foorumista (ESFRI), eurooppalaisen ASPERA-verkon astropartikkelifysiikasta ja eurooppalaisen ASTRONET-verkon astrofysiikasta.

CTAO ( CTA Observatory ) on laillinen yhtiö, joka väliaikaisesti odottaa eurooppalaisen tutkimusyhtiön (CRIN) perustamista, vastaa observatorion suunnittelusta ja rakentamisesta läheisessä yhteistyössä CTAC: n kanssa. . CTAO koostuu osakkaista 11 maasta ja yhdestä hallitustenvälisestä organisaatiosta ( Euroopan eteläinen observatorio ) sekä kahdesta assosioituneesta maasta. CTAO: n hallitus kokoontuu vähintään kerran vuodessa. Osakkuusmaat ja niitä edustavat tutkimusorganisaatiot ovat seuraavat:

• Australia  : Australia Astronomy Limited (liittymispäivä: 2018).
• Itävalta  : Innsbruckin yliopisto (2016).
• Tšekki  : Tšekin tiedeakatemian fysiikan instituutti (2015).
• Ranska  : (CEA) Ranskan atomienergia- ja vaihtoehtoisten energialähteiden komissio (2016).
• Saksa  : (DESY) Deutsches Elektronen-Synchrotron (2014).
• Saksa: Max-Planck-instituutti (2016).
• Italia  : (INAF) Istituto nazionale di astrofisica (2014).
• Italia: (INFN) Istituto nazionale di fisica nucleare (2017).
• Japani  : Tokion yliopisto (2015).
• Slovenia  : Nova Gorican yliopisto (2018).
• Espanja  : (IAC) Instituto de Astrofísica de Canarias (2015).
• Sveitsi  : Zürichin yliopisto (2014).
• Yhdistynyt kuningaskunta  : Science and Technology Facility Council (2015).
• Alankomaat (assosioitunut maa): (NWO) Alankomaiden tieteellisen tutkimuksen järjestö (2015).
• Etelä-Afrikka (assosioitunut maa): National Research Foundation (2015).

Tieteelliset tavoitteet

CTA: n fysiikkaohjelma ylittää korkean energian astrofysiikan ja harjoittaa kosmologiaa ja teoreettista fysiikkaa .

CTA: n odotetaan edistävän herkkyyttä suuruusluokalla (10 kertaa) verrattuna nykyisen sukupolven teleskooppeihin, joissa käytetään ilmakehän Cherenkov-kuvantamistekniikkaa , kuten HESS , MAGIC ja VERITAS . Hänen on löydettävä yli tuhat uutta taivaankappaletta gammasäteilyn lähteitä, kymmenen kertaa enemmän kuin käsityshetkellä tunnistettujen lähteiden määrä.

Relativistiset kosmiset hiukkaset

Relativistic hiukkasia (eli hiukkaset , joiden nopeus on lähellä, että valo) on tärkeä rooli useiden avaruusfysikaaliset ilmiöitä vaihtelevat supernova räjähdykset ja aktiivisten galaksien . Oman galaksimme intergalaktisessa ympäristössä kosmisten säteiden, kaasupilvien ja magneettikenttien välinen suhde ymmärretään huonosti, samoin kuin kokonaisvaikutus galaksin muodostumisprosessiin ja evoluutioon. CTA: n on tarjottava ensimmäiset tarkat mittaukset astrofyysisissä systeemeissä olevista protoneista ja ytimistä, tarjoten kiihtyvyys-, kuljetus- ja kosmisen säteen tuottavat mekanismit näihin järjestelmiin.

Gamma-astrofysiikan ensimmäinen tavoite on tunnistaa kosmisen säteilyn kiihtyvyyslähteet erityisesti perustaa kosmisen säteen päägeneraattorit, jotka 99% koostuvat protoneista ja kosmisista ytimistä. CTA: n tulisi vastata seuraaviin kysymyksiin, joihin ei ole vielä vastattu:

• Ovatko supernova-viiva ainoa merkittävä tekijä galaktisissa kosmisissa säteissä ?
• Missä galaksimme osassa hiukkaset, joiden energia menee PeV: n tasolle, kiihtyvät?
• Mitkä ovat suurenergisten elektronien lähteet?
• Mitkä ovat erittäin korkean energian kosmisten säteiden lähteet?

Vastaukset näihin kysymyksiin on annettava kahdella tavalla:

• Relativististen hiukkasten laskeminen galaksissamme ja sen ulkopuolella systemaattisten tutkimusten ja läheisten galaksien ja tähtijoukkojen syvien havaintojen avulla .
• Tarkat mittaukset arkkityyppisistä lähteistä, joiden läheisten kirkkaiden lähteiden havaitaan tarjoavan spektroskooppisia mittauksia ja valokäyriä hiukkaskiihtyvyysprosessien ymmärtämiseksi.

Kysymys syntyy näiden kiihtyneiden hiukkasten roolista niitä isännöivissä kohteissa ja siitä, kuinka niitä kuljetetaan suurilla etäisyyksillä. CTA: n on kartoitettava päästöt useiden gammasäteilylähteiden ympärillä ja tunnistettava, jotta se pystyy erottamaan diffuusio- ( hadronit ) ja jäähdytysprosesseihin ( elektronit ) liittyvän morfologian .

Äärimmäisissä ympäristöissä

Hiukkasten kiihtyvyys erittäin korkeisiin energioihin liittyy ääriympäristöihin, joita löytyy neutronitähtien , mustien aukkojen tai relativististen ainesuihkujen lähellä tai räjähdyksissä. Näiden hiukkasten päästöt tarjoavat tietoa näistä ympäristöistä, joita etäisyyden tai etäisyyden takia ajassa ei voida havaita muilla energia-alueilla.

Fysiikan rajoilla

CTA: n pitäisi auttaa löytämään pimeän aineen luonne ja ominaisuudet . Tämä joka edustaa 27% massasta maailmankaikkeuden ja on edelleen suuri tieteellinen mysteeri. Observatorion tulisi tarkkailla pimeän aineen hiukkasten itsensä tuhoutumista laajalla massaluokalla. CTA: n tulisi testata aksioneiden kaltaisten hiukkasten olemassaolo ja tunnistaa mahdolliset Lorentzin invarianssin loukkaukset .

Havaitut avaruusalueet

Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi mahdollisimman tehokkaasti CTA tukee tiettyjen taivaan alueiden havainnointia:

• Keskus galaksistamme on alueella muutaman asteen halkaisija, joka käsittää monenlaisia korkean energian aiheuttajat, kuten supermassiivinen musta aukko , tiheä molekyyli- pilvet , tähti taimitarhoilla, lukuisia supernova vinoviiva , jne.
• Suuri Magellanin pilvi on vertaansa vailla Galaxy koska se isännöi poikkeuksellista muodostumat kuten S Doradus tähti lastentarha , RMC 136 tähti klusterin SN 1987A supernovajäänne ...
• Galaktinen kone .
• Galaksijoukkoja .
• PeVatrons, eli protoni kiihdyttimiä, joiden energia saavuttaa tai ylittää 1 pEV (10 15 eV ).
• Tähtien taimitarhat.
• Aktiivisten galaksien .
• Ohimenevät ilmiöt.

Observatorion ominaisuudet

CTA: n kaukoputket on asennettu kahteen paikkaan, yksi kullekin pallonpuoliskolle:

• Pohjoisella verkko isännöi Roque de los Muchachos observatorio että IAC on La Palma (Kanariansaaret) .
• South verkko sijaitsee lähellä observatorio Cerro Paranalin ESO on Atacaman autiomaassa Pohjois Chilessä . Se sijaitsee 11 kilometriä kaakkoon erittäin suuresta teleskoopista ja 16 kilometrin päässä rakenteilla olevasta Euroopan jättiläiskaukoputkesta (EELT), joka valmistuu vuonna 2025.

Havaitun gammasäteilyn hyvin laajan kirjon kattamiseksi (20 GeV - 300 TeV ) on käytettävä kolmen tyyppisiä teleskooppeja, joiden kokonaispinta-ala on yli miljoona m²:

• Suurikokoista teleskooppia (LST ) käytetään gammasäteiden keräämiseen pienimmillä energioilla (20-100 GeV ). Kahdeksan tämän tyyppistä teleskooppia on jaettu kahden paikan yli. Nämä tuottavat pienen määrän valoa, joka vaatii erittäin suuren peilin keräämisen. Tämän halkaisija on 23 metriä ja näkökenttä 4,3 °. Kamera käyttää tavanomaisia ​​PMT-tyyppisiä valonvahvistinputkia . Teleskooppi, jonka kokonaismassa on 103 tonnia, voi osoittaa mihin tahansa taivaan suuntaan 30 sekunnissa.
• Keskikokoinen teleskooppi (MST ) kerää keskipitkän energian gammasäteitä (100 GeV - 10 TeV ). Neljäkymmentä tämän tyyppistä teleskooppia on jaettu kahden paikan yli. Halkaisijaltaan 11,5 metrin peilillä on 7,5 asteen näkökenttä, jonka avulla voidaan havaita suuria taivaan alueita. Kaksi peiliä, SCT (Schwarzschild-Couder -teleskooppi), on ehdotettu, koska se tarjoaa tarkempia yksityiskohtia ja pystyy havaitsemaan heikommat lähteet.
• Pienikokoinen teleskooppi (SST ) kerää gammasäteitä korkeimmilla energioilla (100 GeV ja yli 10 TeV ). Nämä ovat eniten (70). Ne kaikki on asennettava Chilen alueelle, jossa ne kattavat useita neliökilometrejä. Itse asiassa gammasäteiden määrä vähenee energian kasvaessa, mikä tarkoittaa, että suurempi pinta on peitettävä. Mutta fotonien kaskadit ovat suurempia, mikä mahdollistaa niiden sieppaamisen pienemmällä ensisijaisella peilillä. Näiden halkaisija on 4,3 metriä ja niiden näkökenttä on 10,5 astetta. Aluksi tarjotaan kolmea versiota. Ainutlaatuiseen arkkitehtuuriin valitaan 1,8 metrin toissijainen peili ja kamera, joka on varustettu pii -valokertoimella (SiPM) ASIC-piirejä käyttämällä.

Lähde: CTA

	LST	STD	Työsuojelu
Havaittu gammasäteily	20 GeV- 3 TeV	80 GeV -50 TeV	1-3 TeV
Teleskooppien määrä	4 (pohjoinen) 4 (eteläinen)	15 (pohjoinen sivusto) 25 (eteläinen paikka)	70 (eteläsivusto)
Optinen tyyppi	Parabolinen	Davies-Cotton muokattu	Schwarzschild-Couder kahdella peilillä
Ensisijaisen peilin halkaisija	23 m	11,5 m	4,3 m
Toissijainen peilin halkaisija			1,8 m
Tehokas peilialue	370 m²	88 m²	8 m²
Polttoväli	28 m	16 m	2,15 m
Kokonaispaino	103 tonnia	82 tonnia	19 tonnia
Näkökenttä	4,3 °	7,5 °	10,5 °
Pikselien määrä	1 855	1,764	2,368
Pikselikoko	0,1 °	0,17 °	0,19 °
Ruudunpäivitysnopeus	> 7 kHz	> 6 kHz	> 0,3 kHz
Ajan osoittaminen mihin tahansa muuhun asentoon	30 sekuntia	90 sekuntia	60 sekuntia
Kohdistustarkkuus	<14 kaarisekuntia	<7 kaarisekuntia	<7 kaarisekuntia

Huomautuksia ja viitteitä

1. "  Maailman kehittynein gammasäteilyn observatorio  " , CTA , Cherenkov Telescope Array (käyty 8. lokakuuta 2019 )
2. (in) "  Kuinka CTA tunnistaa Cherenkov valo  " on CTA , Cherenkov Telescope Array (näytetty 11 lokakuu 2019 )
3. (fi) Werner Hofmann et ai. , "  Cherenkov Telescope Array: Exploring the Very High-Energy Sky ESO: n Paranalin päällä  " , The Messenger (ESO) , n- O  168,kesäkuu 2017, s.  21–26 ( DOI  10.18727 / 0722-6691 / 50 , lue verkossa )
4. (en) Wolfgang Wild, “  Newletter october 2019: Small-Sized Telescope Harmonization Process and Status  ” , CTA , Cherenkov Telescope Array,lokakuu 2019
5. (in) Wolfgang Wild, "  CHEC-S kamera on First Light on Astri Horn teleskooppi  " on CTA , Cherenkov Telescope Array,2019
6. (It) "  ASTRI lyhyesti  " , INAF (käytetty 9. lokakuuta 2019 ).
7. (in) "  The global group of institutes and scientific Contributing to CTA  " on CTA , Cherenkov Telescope Array (käyty 11. lokakuuta 2019 )
8. CTA: n julkinen sivusto
9. (in) "  hallintoelimet CTA hanke  " on CTA , Cherenkov Telescope Array (näytetty 11 lokakuu 2019 )
10. (in) CTA-konsortio , Science with the Cherenkov Telescope Array , Singapore, World Scientific ,2019, 338  Sivumäärä ( ISBN  978-981-327-008-4 , lue verkossa )
11. (en) "  Science - Study Themes  " , CTA , Cherenkov Telescope Array (käytetty lokakuussa 2019 )
12. (in) "  Science - Keskeiset tavoitteet  " on CTA , Cherenkov Telescope Array (näytetty 10 lokakuu 2019 )
13. CTA: n ensimmäisen suuren teleskoopin vihkiminen kymmenen vuoden työhön
14. "  ESO isännöi Cherenkov-teleskoopin eteläosastoa Paranalissa  " , CTA , Euroopan eteläinen observatorio,20. joulukuuta 2018
15. "  CTA Telescope Specifications  " , CTA , Cherenkov Telescope Array (käytetty 8. lokakuuta 2019 )

Bibliografia

• (en) R. White, H. Schoorlemmer et ai. , "  Kompakti korkean energian kamera (CHEC) Cherenkov-teleskooppiryhmän gammasäteistä Cherenkov-teleskooppia varten  " , Proceedings of Science Instrumentation and Methods for Astrophysics , voi.  817,18. syyskuuta 2017, s.  1-9 ( DOI  10.1007 / s10509-012-1019-4 , lue verkossa ) - Kuvaus SST-teleskooppiin asennetusta CHEC-kamerasta

Katso myös

Aiheeseen liittyvät artikkelit

• Ilmakehän Cherenkov-kuviteleskooppi .
• Kosminen säteily .
• Gamma-tähtitiede .

Ulkoiset linkit

• (en) Virallinen sivusto .
• Yhteenvetolomake, joka kuvaa CTA-projektia ranskaksi .