Αστρονομία στις ακτίνες γ Τηλεσκόπια Μελέτη αστρονομικών αντικειμένων

Αστρονομία ακτίνων γ Φωτόνια με ενέργειες από 0.5 MeV – ~200 TeV (τα πιο ενεργά φωτόνια που έχουν ανιχνευθεί μέχρι σήμερα) Αστρονομία ακτίνων γ χαμηλής ενέργειας - πυρηνικές γραμμές εκπομπής Αστρονομία ακτίνων γ υψηλής ενέργειας >100 ΜeV - σχετίζονται με την κοσμική ακτινοβολία Διαφορετικοί τρόποι ανίχνευσης

Αστρονομία ακτίνων γ υψηλής ενέργειας Μηχανισμοί παραγωγής ακτίνων γ υψηλής ενέργειας Ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια υψηλής ενέργειας μεσα σε μαγνητικά πεδία παράγουν φωτόνια συγχρότρου τα οποία φτάνουν το πολύ στην περιοχή ενεργειών των ακτίνων γ χαμηλής ενέργειας. Ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια υψηλής ενέργειας επίσης αλληλεπιδρούν με σχετικά χαμηλής ενέργειας φωτόνια (είτε αστρικής προέλευσης είτε συγχρότρου) και μέσω του αντίστροφου φαινομένου Compton, τα μετατρέπουν σε φωτόνια πολύ υψηλής ενέργειας/ Και οι δυο αυτές διαδικασίες οφείλονται σε ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, και ονομάζονται λεπτονικές. 3. Σε περιοχές μεγάλης πυκνότητας της μεσοαστρικής ύλης, μεγάλης ενέργειας πρωτόνια και πυρήνες αλληλεπιδρούν με την ύλη μέσω πυρηνικών αντιδράσεων , παράγουν ουδέτερα μεσόνια, που με τη σειρά τους διασπώνται σε φωτόνια γ ενέργειας μέχρι 68 ΜeV. Aυτές οι διαδικασίες οφείλονται σε πρωτόνια και πυρήνες, και ονομάζονται αδρονικές.

Μη θερμικές πηγές που εκπέμπουν φωτόνια από radio μέχρι ακτίνες γ Crab nebula Ενεργός γαλαξιακός πυρήνας συγχροτρον συγχροτρον Αντίστροφο Compton Αντίστροφο Compton

Αστροφυσικά αντικείμενα – πηγές ακτίνων γ Υπάρχουν πολλές κατηγορίες αντικειμένων των οποίων η εκπομπή κυριαρχείται από μη θερμικές διεργασίες που συνδέονται με βίαια κρουστικά κύματα, που μπορεί να συνδέονται με αστρικές εκρήξεις ή με την παρουσία αστέρων νετρονίων ή μελανών οπών ΓΕΝΙΚΑ ΟΠΟΥ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ!- ΣΧΕΤΙΚΙΣΤΙΚΕΣ ΡΟΕΣ Γαλαξιακές πηγές: πάλσαρς, νεφελώματα ανέμου πάλσαρ, pulsar, υπολείμματα εκρήξεων σουπερνόβα, συγκεκριμένοι τύποι διπλών συστημάτων, και το κέντρο του γαλαξία μας. Εξωγαλαξιακές πηγές γαλαξίες με εκρηκτική αστρική δημιουργία ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες gamma-ray bursts

Yπολείμματα εκρήξεων σουπερνόβα supernova remnants The interaction of CRs with regions of high-density gas and dust in the galaxy is expected to result in gamma-ray emission from the decay of neutral pions generated by proton-proton interactions. The spectral signature of this emission process is characterized by a sharp rise in the ~ 70 - 200 MeV range, and then a spectrum that traces the parent accelerated ion population above ~ 1 GeV. Several studies of gamma-ray emission from SNRs IC443 and W44 have identified the gamma-ray emission as predominantly hadronic in origin using this specific spectral feature. These studies have finally established that hadrons are indeed accelerated to CR energies in SNR shocks.

Pulsar Wind Nebula νεφελώματα ανέμου πάλσαρ Vela Vela pulsar – ακτίνες X Vela pulsar – ακτίνες γ

Pulsar Wind Nebula νεφελώματα ανέμου πάλσαρ Crab

Διπλά συστήματα ακτίνων γ Micro-quasars: μαύρη τρύπα + άστρο κύριας ακολουθίας Pulsar-binaries: διπλό σύστημα πάλσαρ + άστρο κύριας ακολουθίας Gamma-ray novae: θερμοπυρηνική έκρηξη στην επιφάνεια λευκού νάνου (Η από συνοδό αστέρα)

Micro-quasar

Pulsar-binaries http://fermi.gsfc.nasa.gov/science/eteu/binaries/ Fundamentally different from microquasar systems, pulsar binaries are the pairing of an energetic pulsar and a main sequence star. As opposed to microquasars, where the non-thermal emission is powered by relativistic jets, the emission from pulsar binaries is driven by the interaction between the pulsar wind and the stellar wind from a main sequence companion. The best known example of a pulsar binary system in the Fermi-LAT catalog is PSR B1259-63, a known pulsar in a 3.4 year orbit around a massive Be star. The system only emits gamma rays during periastron passage as the pulsar passes through the Be star disk. The LAT saw the source switch on during the 2010/11 periastron passage and generate an intense, unexpected flare. Other gamma-ray binaries such as LS I +61 303 and LS 5039 are also detected by the LAT, and are believed to be pulsar binaries, although further observations are needed to confirm their nature http://fermi.gsfc.nasa.gov/science/eteu/binaries/

Gamma-ray novae  by the nova blast interacting with the dense wind of its red giant companion, the GeV emission from classical novae is believed to take place from shocks interacting with ejected material. Both of these processes are similar to what occurs within supernovae, but in novae the process can be seen to evolve over a few weeks rather than thousands of years

Pulsars

Καμπύλες φωτός στις ακτίνες γ (μπλε) και στη ραδιοφωνική περιοχή (κόκκινο) τριών millisecond pulsars (Ransom, S. et al)

GRBs : εκλάμψεις ακτίνων γ Από τα πιο ενεργητικά φαινόμενα στο σύμπαν Ενέργειες Δυο τύποι: <2s μάλλον από συγχώνευση 2 αστέρων νετρονίων ή αστέρα νετρονίων με μαύρη τρύπα >2s core collapse supernovae και hypernovae Και στις δυο περιπτώσεις το τελικό προϊόν είναι μαύρη τρύπα

Fermi - gamma ray bursts

Γαλαξίες εκρηκτικής αστρικής δημιουργίας (Star burst galaxies) Pulsars + SNRs …

Eνεργοί γαλαξιακοί πυρήνες : blazars

Διάχυτη εκπομπή από το κέντρο του γαλαξία: Ίσως σχετίζεται με έντονη αστρική δημιουργία (Star formation burst) Ίσως σχετίζεται με προηγούμενη δραστηριότητα που σχετίζεται με την κεντρική υπερμαζική μαύρη τρύπα.

Εξωγαλαξιακό φως υποβάθρου (Extragalactic Background Light: EBL) EBL: όλα τα φωτόνια που παρήxθησαν ποτέ στο σύμπαν από άστρα (κυρίως) και AGNs Φωτόνια υψηλών ενεργειών αλληλλεπιδρούν με αυτά και παράγουν ζεύγη e- e+  «απορρόφηση» The Extragalactic Background Light (EBL), extending from the infrared through the optical and into the ultraviolet, is the total light from all of the stars (and to a lesser extent, active galactic nuclei) that have ever existed in the observable universe. Knowledge of the EBL is important for understanding the evolution of our Universe and the formation of stars and galaxies. Bright foreground sources from the Milky Way and solar system make direct measurements of the EBL challenging. However, gamma-ray astronomy provides a powerful tool for measuring the EBL; gamma rays emitted by distant active galactic nuclei (AGN) may interact with EBL photons, creating electron-positron pairs, effectively absorbing the gamma rays. The EBL leaves a distinct imprint in the gamma-ray spectra of cosmic sources, an attenuation that increases with the distance of the source from us. The Large Area Telescope (LAT) on board Fermi measured the amount of gamma-ray absorption in blazar spectra produced by ultraviolet and visible starlight at three different epochs in the history of the Universe. The measurement (see below) shows clearly that the amount of absorption is higher at larger distances, for gamma rays emitted when the universe was younger. This is mostly due to the increase in the star formation activity of the Univers

?Καταστροφή σωματιδίων σκοτεινής ύλης? Το κέντρο του γαλαξία αναμένεται να έχει πολύ μεγάλη πυκνότητα σκοτεινής ύλης, άρα από εκεί περιμένουμε πιθανή επιβεβαίωση Όντως έχει ανιχνευθεί ισχυρή ακτινοβολία γ από το ΓΚ, αλλά δεν είναι βέβαιη η προέλευση της ακτινοβολίας αυτής. Το πιθανότερο είναι να προέρχεται από πολλά νέα pulsars

Αστρονομία ακτίνων γ Διαφορετικές τεχνικές ανάλογα με την ενέργεια Ε<20GeV απορρόφηση από την ατμόσφαιρα – μόνο δορυφορικά τηλεσκόπια COMTEL,EGRET – Fermi E>20GeV «ατμοσφαιρικά» τηλεσκόπια Cerenkov HESS, MAGIC, VERITAS, CTA Ε>10ΤeV τηλεσκόπια Cerenkov νερού HAWK

H εξέλιξη της τεχνολογίας στην αστρονομία γ –I <~20GeV Μετά την γέννηση της αστρονομίας ακτίνων Χ, έγιναν προσπάθειες ανίχνευσης ακτίνων γ με ανιχνευτές σε αερόστατα αλλά απέτυχαν λόγω του υψηλού υποβάθρου από δευτερεύουσες ακτίνες γ (που παράγονται από κοσμικές ακτίνες στην ατμόσφαιρα) Ο δορυφόρος OSO-3 (1967-1968) έδειξε ότι ο γαλαξίας εκπέμπει στις ακτίνες γ >50 MeV (χωρίς απεικονιστική δυνατότητα) Οι επόμενοι δορυφόροι ήταν οι Small Imaging Satellite SAS-2 (1972-1973; E > 35 MeV) Διάχυτη ακτινοβολία από τον γαλαξία και Τα νεφελώματα Crab και Vela και περιοδικά σήματα των πάλσαρ COS-B (1975-1982; E > 100 MeV) κατάλογος 25 πηγών : 24 γαλαξιακές πηγές + 1 quasar 3C273

H εξέλιξη της τεχνολογίας στην αστρονομία γ-I <~20GeV Compton Gamma-ray Observatory (1991) - 1/4 όργανα το EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) στις ψηλές ενέργειες 20 MeV- > 10 GeV 3ος κατάλογος EGRET : 271 πηγές (πολλά AGN) Έναρξη εξωγαλαξιακής αστρονομίας γ υψηλών ενεργειών Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi LAT) (20 MeV- > 300 GeV) 2008 Fermi Large Area Telescope Second Source Catalogue: 1873 πηγές Third catalogue 2015: 3033 Πηγές (AGN, pulsars, + 1000 ??)

H εξέλιξη της τεχνολογίας στην αστρονομία γ-II >~20GeV Στερεοσκοπικά τηλεσκόπια Cerenkov

Ακτινοβολία Cherenkov

(Όχι μόνο από φωτόνια γ!) Χρησιμοποιούμε την ατμόσφαιρα ως πρώτο μέρος της ανιχνευτικής μας διάταξης (ακτινοβολία Cherenkov) (Όχι μόνο από φωτόνια γ!)

Αριθμητική πυκνότητα φωτονίων Cerenkov από φωτόνιο 100GeV Πολύ λίγα φωτόνια – για πολύ λίγο χρόνο (nanosecs) – παρατηρήσεις μόνο χωρίς σελήνη

Φάσμα φωτός Cerenkov

H κάμερα ενός IACT (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope) είναι μία μεγάλου πλάτους συστοιχία από «μεγάλα pixel» με πολύ γρήγορα ηλεκτρονικά Δεν μας πειράζει η απόσταση μεταξύ των «pixels» -- κώνος φωτός

CANGAROO-III telescope system

The Cherenkov Telescope Array : Η επόμενη γενιά στα τηλεσκόπια Cherenkov ενεργειακή περιοχή από μερικές δεκάδες GeV μέχρι πάνω από τα 100TeV Βόρειο ημισφαίριο : εξωγαλαξιακά αντικείμενα Νότιο ημισφαίριο : γαλαξιακές πηγές

Επιθυμητή ευαισθησία του CTA