ГА́ММА-АСТРОНО́МИЯ

Рис. 1. Гамма-астрономия. Вид небав гамма-лучах с энергией св. 100 МэВ (по данным гамма-телескопа EGRET).

Рис. 2. Гамма-астрономия. Распределение на небесной сфере точечных источников гамма-излучения с энергией св. 100 МэВ.

ГА́ММА-АСТРОНО́МИЯ, раз­дел ас­тро­но­мии, изу­чаю­щий кос­мич. объ­ек­ты по их из­лу­че­нию в са­мом ко­рот­ко­вол­но­вом диа­па­зо­не элек­тро­маг­нит­ных волн – гам­ма-диа­па­зо­не. Про­цес­сы, при­во­дя­щие к ге­не­ра­ции гам­ма-из­лу­че­ния, свя­за­ны в осн. с взаи­мо­дей­ст­ви­ем ус­ко­рен­ных элек­тро­нов, ну­кло­нов и ядер с ве­ще­ст­вом, элек­тро­маг­нит­ным из­лу­че­ни­ем и маг­нит­ным по­лем. Бы­ст­рые элек­тро­ны, дви­га­ясь в сре­де, ге­не­ри­ру­ют тор­моз­ное из­лу­че­ние, энер­ге­тич. спектр ко­то­ро­го про­сти­ра­ет­ся от ну­ля до энер­гии ро­ж­даю­щих его элек­тро­нов. Взаи­мо­дей­ст­вуя с низ­ко­энер­гич­ны­ми фо­то­на­ми (ре­лик­то­вым из­лу­че­ни­ем, оп­тич. из­лу­че­ни­ем звёзд и др.), элек­тро­ны ис­пы­ты­ва­ют об­рат­ное ком­пто­нов­ское рас­сея­ние, пе­ре­да­вая фо­то­нам свою энер­гию. В очень силь­ных маг­нит­ных по­лях вы­со­ко­энер­гич­ные элек­тро­ны мо­гут ро­ж­дать син­хро­трон­ное гам­ма-из­лу­че­ние. Ну­кло­ны и яд­ра с энер­гия­ми в де­сят­ки и сот­ни МэВ при столк­но­ве­ни­ях с ве­щест­вом ок­ру­жаю­щей сре­ды вы­зы­ва­ют ядер­ные ре­ак­ции, со­про­во­ж­дае­мые ли­ней­ча­тым гам­ма-из­лу­че­ни­ем, а при бо­лее вы­со­ких энер­ги­ях они ро­ж­да­ют при взаи­мо­дей­ст­ви­ях π⁰-ме­зо­ны, ко­то­рые поч­ти мгно­вен­но рас­па­да­ют­ся на гам­ма-кван­ты с ха­рак­тер­ным энер­ге­тич. спек­тром, имею­щим мак­си­мум при энер­гии ок. 70 МэВ. Все эти раз­но­об­раз­ные про­цес­сы фор­ми­ру­ют слож­ный энер­ге­тич. спектр гам­ма-из­лу­че­ния, под­роб­ный ана­лиз ко­то­ро­го да­ёт воз­мож­ность ис­сле­до­вать со­став и спек­тры вы­со­ко­энер­гич­ных за­ря­жен­ных час­тиц. Вы­со­кая про­ни­каю­щая спо­соб­ность гам­ма-из­лу­че­ния по­зво­ля­ет на­блю­дать его ис­точ­ни­ки че­рез об­ла­ка меж­звёзд­но­го га­за и пы­ли. Впер­вые кос­мич. гам­ма-из­лу­че­ние бы­ло за­ре­ги­ст­ри­ро­ва­но амер. спут­ни­ком «Explo­rer-11» в 1961.

Диффузное гамма-излучение и точечные источники

На рис. 1 по­ка­за­на кар­ти­на не­ба в гам­ма-лу­чах с энер­ги­ей св. 100 МэВ, по­лу­чен­ная с по­мо­щью гам­ма-те­ле­ско­па EGRET, ра­бо­тав­ше­го на амер. ор­би­таль­ной кос­мич. гам­ма-об­сер­ва­то­рии им. А. Комп­то­на CGRO (Comp­ton Gam­ma Ray Observatory) в 1991–2000. На ри­сун­ке вид­ны раз­мы­тое, диф­фуз­ное из­лу­че­ние вдоль плос­ко­сти Га­лак­ти­ки и яр­кие ком­пакт­ные пят­на как на фо­не Га­лак­ти­ки, так и вне её. Диф­фуз­ное из­луче­ние ро­ж­да­ет­ся при взаи­мо­дей­ст­вии вы­со­ко­энер­гич­ных элек­тро­нов и ядер кос­мич. лу­чей с меж­звёзд­ным га­зом. На ос­но­ва­нии ис­сле­до­ва­ния струк­ту­ры и спек­тра диф­фуз­но­го из­лу­че­ния уда­лось од­но­знач­но до­ка­зать, что на­блю­дае­мые у Зем­ли кос­мич. гам­ма-лу­чи ро­ж­да­ют­ся в Га­лак­ти­ке. Ком­пакт­ные пят­на – это то­чеч­ные ис­точ­ни­ки, яв­ляю­щие­ся звёз­да­ми или га­лак­ти­ка­ми. Тща­тель­ный ана­лиз про­стран­ст­вен­ной струк­ту­ры све­че­ния по­зво­лил вы­де­лить 270 то­чеч­ных ис­точ­ни­ков, рас­пре­де­ле­ние ко­то­рых по не­бу по­ка­за­но на рис. 2. Раз­мер знач­ков со­от­вет­ст­ву­ет яр­ко­сти ис­точ­ни­ков. Из всех то­чеч­ных ис­точ­ни­ков толь­ко 100 ото­жде­ст­в­ле­ны с ас­т­ро­фи­зич. объ­ек­та­ми, на­блю­дае­мы­ми в др. диа­па­зо­нах длин волн. Сре­ди них Боль­шое Ма­гел­ла­но­во Об­ла­ко (БМО), пять пуль­са­ров и ак­тив­ные яд­ра га­лак­тик.

В нач. 21 в., с вве­де­ни­ем в дей­ст­вие боль­ших ат­мо­сфер­ных че­рен­ков­ских гам­ма-те­ле­ско­пов, ста­ла ак­тив­но раз­вивать­ся Г.-а. сверх­вы­со­ких энер­гий. К 2006 об­на­ру­же­но ок. 30 ис­точ­ни­ков, из­лу­чаю­щих фо­то­ны с энер­гия­ми св. 100 ГэВ, толь­ко часть из ко­то­рых сов­па­да­ет с уже из­вест­ны­ми гам­ма-ис­точ­ни­ка­ми. Вы­со­кое уг­ло­вое раз­ре­ше­ние ат­мо­сфер­ных че­рен­ков­ских те­ле­ско­пов по­зво­ли­ло ус­та­но­вить, что мн. ис­точ­ни­ки име­ют боль­шие по­пе­реч­ные раз­ме­ры. Важ­ным ре­зуль­та­том ста­ло об­на­ру­же­ние в од­ном из ос­тат­ков сверх­но­вой звез­ды об­лас­тей ус­ко­ре­ния час­тиц до энер­гий св. 100 ГэВ, под­твер­ждаю­щее ги­по­те­зу о том, что ис­точ­ни­ком кос­мич. лу­чей яв­ля­ют­ся взры­вы сверх­но­вых.

Гамма-излучение Солнца

Гам­ма-из­лу­че­ние Солн­ца на­блю­да­ет­ся толь­ко во вре­мя мощ­ных сол­неч­ных вспы­шек, ко­гда на Солн­це про­ис­хо­дит ус­ко­ре­ние за­ря­жен­ных час­тиц до вы­со­ких энер­гий. На­ли­чие в спек­тре гам­ма-из­лу­че­ния ли­ний воз­бу­ж­дён­ных ядер уг­ле­ро­да и ки­сло­ро­да го­во­рит о при­сут­ст­вии во вспы­шеч­ной об­лас­ти ус­ко­рен­ных про­то­нов, а со­от­но­ше­ние яр­ко­стей этих ли­ний по­зво­ля­ет оце­нить спектр этих про­то­нов. При­сут­ст­вие во вспы­шеч­ной об­лас­ти сво­бод­ных ней­тро­нов мо­жет быть об­на­ру­же­но по на­ли­чию в спект­ре ли­нии 2,23 МэВ, ге­не­ри­руе­мой при за­хва­те ней­тро­на про­то­ном с об­ра­зо­ва­ни­ем дей­те­рия. По фор­ме рас­пре­де­ле­ния не­пре­рыв­но­го спек­тра гам­ма-из­лу­че­ния мож­но оп­ре­де­лить со­от­но­ше­ние по­то­ков ус­ко­рен­ных элек­тро­нов и про­то­нов. В со­во­куп­но­сти с ре­зуль­та­та­ми на­блю­де­ния вспыш­ки в др. диа­па­зо­нах длин волн (от ра­дио до рент­ге­нов­ско­го) ис­сле­до­ва­ния гам­ма-из­лу­че­ния по­мо­га­ют по­нять про­цесс раз­ви­тия сол­неч­ной вспыш­ки.

Гамма-всплески

Ис­сле­до­ва­ние гам­ма-вспле­сков – при­хо­дя­щих в сред­нем раз в су­тки из кос­мо­са крат­ко­вре­мен­ных им­пуль­сов гам­ма-из­лу­че­ния – со­став­ля­ет осо­бый раз­дел Г.-а. как из-за спе­ци­фи­ки са­мо­го яв­ле­ния, так и из-за осо­бен­но­стей ап­па­ра­ту­ры, ис­поль­зуе­мой для ре­ги­ст­ра­ции гам­ма-вспле­сков.