REKLAMA


 

REKLAMA


 

Kamera prototypu teleskopu SST-1M przed wschodem słońca i zamknięciem pokrywy. Kamera prototypu teleskopu SST-1M przed wschodem słońca i zamknięciem pokrywy. Jacek Niemiec

Promieniowanie gamma najwyższych energii nie dociera do powierzchni Ziemi – zostaje zatrzymane w atmosferze. Ale właśnie atmosfera może stać się narzędziem umożliwiającym detekcje fotonów o energiach rzędu teraelektonowoltów. Dzięki wykorzystaniu instrumentów rejestrujących promieniowanie Czerenkowa można prowadzić obserwacje źródeł emitujących wysokoenergetyczne fotony za pomocą ziemskich teleskopów.

Wierzcholska_Aleksandra

Autorką tekstu jest

dr Alicja Wierzcholska

Instytut Fizyki Jądrowej, Polska Akademia Nauk, Kraków
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr Alicja Wierzcholska jest adiunktem w Zakładzie Astrofizyki Promieniowania Gamma w IFJ PAN. Zajmuje się obserwacjami blazarów, w szczególności w zakresie promieniowania gamma najwyższych energii. Jest też członkiem współpracy H.E.S.S. i CTA.

 


 

Wysokoenergetyczne fotony promieniowania gamma – o energiach powyżej kilkudziesięciu gigaelektronowoltów (GeV) – wdzierając się do atmosfery ziemskiej, napotkają na swej drodze przeszkody głównie w postaci cząstek tlenu i azotu. W wyniku zderzeń z tymi cząstkami generowane są kaskady cząstek wtórnych, tzw. pęki atmosferyczne. Wiele z powstałych w takich kolizjach naładowanych cząstek wtórnych porusza się z prędkościami większymi od prędkości światła w atmosferze. To powoduje emisję tzw. promieniowania Czerenkowa – niebieskiego światła, obserwowanego w zakresie optycznym. Jego błyski trwają zbyt krótko, aby mogły być zarejestrowane przez oko ludzkie. Ale teleskopy optyczne, wyposażone w czułe detektory, są w stanie je zarejestrować.

 

Troje oczu i jedno

 

Na świecie działają obecnie trzy obserwatoria prowadzące obserwacje promieniowania gamma najwyższych energii: H.E.S.S. (ang. High Energy Stereoscopic System) zlokalizowany na Wyżynie Khomas w Namibii, MAGIC (ang. Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes) znajdujący się na La Palmie, jednej z Wysp Kanaryjskich, oraz VERITAS (ang. Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) pracujący w stanie Arizona w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej. W obserwatoriach tych wykorzystuje się od dwóch do pięciu teleskopów Czerenkowa.

 

Dotychczasowe wyniki uzyskane przez H.E.S.S., MAGIC i VERITAS były tak przełomowe, że dały motywację do podjęcia budowy kolejnego, znacznie potężniejszego narzędzia do obserwacji wysokoenergetycznych fotonów gamma. Dzięki połączonym wysiłkom naukowców oraz inżynierów z całego świata powstanie olbrzymie międzynarodowe obserwatorium – CTA (ang. Cherenkov Telescope Array). Obserwatorium CTA będzie składało się z dwóch części, zlokalizowanych na południowej i północnej półkuli Ziemi, tak, aby obszar obserwacyjny obejmował całe niebo. Wiadomo już, że instrumenty staną w Chile i na La Palmie – w miejscach, gdzie warunki do obserwacji astronomicznych są najlepsze na świecie.

 

  • Prototyp teleskopu SST-1M z zamontowaną kamerą w krakowskim Instytucie Fizyki Jądrowej PAN. Średnica czaszy teleskopu wynosi 4 m. Składa się na nią 18 zwierciadeł sferycznych. Ogniskowa teleskopu wynosi 5,6 m, a pole widzenia kamery to aż 9,1 stopni.

 

W ramach CTA planowana jest budowa ponad stu teleskopów Czerenkowa. Będą one podzielone na trzy typy, różniące się rozmiarami: tzw. małe teleskopy o średnicy zwierciadła 4 m (ang. small-size telescopes, SSTs), średnie o średnicy zwierciadła 12 m (ang. medium-size telescopes, MSTs) i duże o średnicy zwierciadła 23 m (ang. large-size telescopes, LSTs). Dzięki zróżnicowanym średnicom luster pozwolą one na obserwacje w szerokim zakresie energii od około 20 GeV do znacznie ponad 300 TeV. Obserwacje w najniższych energiach możliwe będą dzięki największym teleskopom, a w najwyższych – dzięki tym najmniejszym. Stereoskopowe obserwacje przy użyciu dużej liczby teleskopów pozwolą uzyskać bardzo dużą czułość detekcji. Możliwe będzie również bardzo dokładne wyeliminowanie zdarzeń tła, czyli detekcji pochodzących na przykład od cząstek promieniowania kosmicznego oraz precyzyjna rekonstrukcja kierunku nadejścia fotonu gamma i jego energii.

 

Zadanie nie jest jednak proste, bo teleskopy, które sprostają tym wszystkim wymogom, muszą różnić się od wszystkich, które budowano dotychczas. Dlatego różni członkowie konsorcjum CTA na całym świecie pracują nad projektami i przygotowaniem prototypów teleskopów, które będą w stanie spełnić wszystkie techniczne wymagania, stawiane przez projekt.

 

Widzenie po rosie

 

Jeden z prototypów małego teleskopu dla CTA, o nazwie SST-1M (ang. Single-mirror Small-Size Telescope), powstał w krakowskim Instytucie Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk. 1 września instrument zarejestrował swoje pierwsze światło – czyli po raz pierwszy „spojrzał” w niebo. Aby ta pierwsza obserwacja była możliwa, potrzebnych było pięć lat wytężonych prac nad konstrukcją teleskopu oraz budową poszczególnych podzespołów, w tym struktury mechanicznej teleskopu, zwierciadeł oraz nowatorskiej kamery z fotopowielaczami krzemowymi i w pełni cyfrową elektroniką do rejestracji i przetwarzania danych. Krakowski prototyp powstał w ramach prac konsorcjum skupiającego naukowców i inżynierów głównie z Polski, Szwajcarii oraz Czech. Koordynatorem projektu SST-1M jest profesor Teresa Montaruli z Uniwersytetu w Genewie, koordynatorem zaś prac prowadzonych w Polsce jest dr hab. Jacek Niemiec z IFJ PAN.

 

Pierwszą obserwację poprzedziły cztery dni intensywnej pracy polsko-szwajcarskiego zespołu, który musiał zamontować kamerę na strukturze krakowskiego teleskopu. Na noc z 31 sierpnia na 1 września czekano od dawna.

 

Najpierw badacze sprawdzili warunki atmosferyczne. Potem dopiero padła komenda, pozwalająca na otwarcie pokrywy kamery. Wielkie niebieskie krzemowe „oko” po raz pierwszy spojrzało na świat. Tymczasem zespół genewski zdalnie zaprogramował instrument, by ten śledził znane od prawie 20 lat źródło promienowania gamma najwyższych energii – blazar 1ES 1959+650.

 

  • Fot. 1. Typowy wydłużony obraz poświaty Czerenkowa pęku atmosferycznego, zainicjowanego prawdopodobnie przez promień gamma. Oś wydłużonego obrazu wskazuje na pozycję źródła.
    Fot. 2. Typowy rozmazany obraz kaskady wywołanej przez promień kosmiczny, najprawdopodobniej proton. Obraz ten jest mniej regularny od tego, jaki daje kaskada fotonowa.
    Copyright: Matthieu Heller

 

Zaledwie kilka sekund wystarczyło, aby teleskop obrócił się w kierunku 1ES 1959+650 i rozpoczął obserwacje. Na ekranach monitorów wyświetlały się kolejne zdarzenia. W ciągu 90 minut na dyskach zapisało się 342 GB danych. Nie wszystkie zdarzenia to błyski pochodzące od fotonów gamma; wiele z zarejestrowanych sygnałów pochodzi niestety od rozproszonego światła miasta. Zostaną one odfiltrowane podczas analizy danych.

 

Kilka dni po zarejestrowaniu pierwszych fotonów gamma sprawdzono szczelność kamery, która była przez kilka dni poddana działaniu silnego deszczu. To wszystko stanowi jednak zaledwie początek prac prowadzących do stworzenia w pełni funkcjonującego instrumentu. W najbliższym czasie oprogramowanie serwera teleskopu zostanie zmodyfikowane tak, by możliwe było odróżnienie fotonów promieniowania gamma od tła pochodzącego od promieni kosmicznych. Tych ostatnich rejestruje się około 100000 razy więcej.

 

Okazało się, że warunki atmosferyczne w Krakowie utrudniają uruchamianie i testowanie kamery teleskopu. Są one zupełnie inne od tych, jakich spodziewać się można w Chile, na pustyni Atacama, gdzie prawdopodobnie będzie pracował instrument. Tereny w Chile należą do najsuchszych na świecie, a w Krakowie podczas testów teleskopu wilgotność zmieniała się od 30% w ciągu dnia do 95% w nocy, osiągając bardzo wysoko (około 10°C) punkt rosy. Dlatego warunki pracy kamery monitorowano bardzo skrupulatnie, wpompowując do urządzenia suche powietrze, co pozwoliło zapobiec uszkodzeniom skomplikowanych podzespołów elektronicznych.

 

Pierwsze światło w kamerze teleskopu SST-1M to ważny etap w budowie prototypu. W ciągu zaledwie kilku dni udało się zamontować kamerę na strukturze teleskopu. Było to możliwe dzięki innowacyjnej metodzie instalacji kamery – sama struktura teleskopu posłużyła jako dźwig, który wydobył kamerę z pudła transportowego i umieścił ją na wózku montażowym. Procedura ta zostanie powtórzona również podczas docelowej instalacji w obserwatorium CTA.

 

 

         

Kto zbudował SST-1M
Stworzenie tej wyjątkowej kamery było możliwe dzięki połączeniu wysiłków wielu osób. Sama struktura mechaniczna teleskopu SST-1M wraz z napędem została zaprojektowana i wykonana w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Kamera jest wspólnym dziełem zespołów z Uniwersytetu Jagiellońskiego, Akademii Górniczo-Hutniczej i IFJ PAN w Krakowie, które opracowały w pełni cyfrową elektronikę do akwizycji sygnałów (DigiCam), oraz Uniwersytetem Genewskim, gdzie zbudowano płaszczyznę fotoczułą kamery oraz jej mechanikę wraz z układem chłodzenia. W Centrum Astronomii im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie i Toruniu powstały komputerowy system rejestracji danych oraz układ pozycjonujący teleskop, a w Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie opracowano układ pozycjonujący zwierciadła. Współpracownicy z Czech odpowiedzialni byli za budowę układu optycznego, w tym napylanie warstw refleksyjnych na szklane zwierciadła.

        

 

 

 

Alicja Wierzcholska
zdjęcia Jacek Niemiec

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Long J. (2016). The first jaws. Science 354 (6310): 280‒281.
Szrek P., Dupret V. (2017). Placoderms from the Early Devonian “placoderm sandstone” of the Holy Cross Mountains, Poland with biostratigraphical and palaeobiogeographical implications. Acta Palaeontologica Polonica. doi.org/10.4202/app.00395.2017
Zhu M., Ahlberg P. E., Pan Z., Zhu Y., Qiao T., Zhao W., Jia L., Lu J. (2016). A Silurian maxillate placoderm illuminates jaw evolution. Science 354 (6310): 334‒336.


© Academia nr 4 (52) 2017

 

 

 

 

 

 

 

Cały numer

 


 

 

 

 

 

 

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia jedzenia antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finanse finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa inżynieria żywności język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kooperatyzm kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleogeografia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl