«ОЛВЭ» (Обсерватория Лучей Высоких Энергий) – орбитальный научный прибор на основе космического аппарата тяжелого класса, предназначенный для исследования Галактики и Вселенной в целом путем регистрации и изучения первичного космического излучения высоких энергий в широком диапазоне энергий 1010-1017 эВ.
Космическое излучение высоких энергий (КИ ВЭ) является одной из важнейших компонент видимой части вещества Вселенной. По основным характеристикам космического излучения (тип, энергия частицы, направление ее прихода), с учетом данных астрономических исследований во всех диапазонах электромагнитных волн от различных космических объектов и современных представлений физики элементарных частиц и высоких энергий, строятся модели Галактики и Вселенной в целом. Именно в КИ ВЭ возможен целенаправленный поиск явлений, которые могут дать экспериментальные доказательства существования частиц темной материи, а также поиск частиц странной материи, что приобретает огромную важность в свете радикальных изменений в нашем представлении о составе энергии-материи Вселенной.
Исходя из энергетического баланса видимого вещества во Вселенной, КИ ВЭ должно рождаться в самых катастрофических (по выделению энергии) процессах. Для нашей Галактики возможные следующие механизмы: ускорение в остатках сверхновых, ускорение в магнитосферах пульсаров, аккреция вещества на черной дыре в центре Галактики. Поддающиеся расчету механизмы ускорения позволяют предполагать, что КИ ВЭ могут иметь галактическое происхождение вплоть до 1015-1017 эВ. Во Вселенной существуют объекты для рождения частиц экстремально высоких энергий вплоть до 1020 эВ - активные ядра галактик, содержащие черные дыры, а также сталкивающиеся галактики. Такие объекты содержат струи плазмы, движущиеся с огромными скоростями, приближающимися к скорости света, и могут служить гигантскими ускорителями частиц. В последнее время появились модели развития Вселенной, допускающие сохранение реликтовых сверхмассивных элементарных частиц с массой порядка 1023–1024 эВ, из которых должно состоять вещество на самой ранней стадии Большого взрыва. Главная их особенность в том, что эти частицы нестабильны и могут распадаться на более легкие, в том числе на стабильные протоны, фотоны и нейтрино, которые приобретают огромные кинетические энергии.
Наибольшую ценность при исследовании космических лучей представляют собой исследования первичного космического излучения прямыми методами, там, где фиксируется заряд и энергия первичной частицы, а также ее направление прихода. Такие исследования возможны лишь за пределами атмосферы на космических аппаратах или высотных аэростатах.
Задачи экспериментальной физики космических излучений «ОЛВЭ» носят фундаментальный характер, однако ход истории «новой» физики, рожденной в конце девятнадцатого - начале двадцатого века показывает, что решение ключевых вопросов фундаментального естествознания кардинальным образом оказывает влияние на весь научно-технический прогресс.
Обзор задач современной физики космических лучей
1. Решение проблемы происхождения «колена» космических лучей (КЛ)
Решение проблемы происхождения «колена» в спектре всех частиц по данным прямых измерений спектров групп ядер в области энергий 1014-1016 эВ связано с установлением нижней границы области перехода от Галактических к Метагалактическим лучам. В конечном счете эта задача сводится к нахождению предельной энергии, до которой космические лучи могут ускоряться в Галактике.
Несмотря на более чем пятидесятилетние исследования, полученных данных недостаточно для создания окончательной интерпретации «колена». Причина, по-видимому, состоит в том, что результаты применения косвенных методов исследования, использующие регистрацию широких атмосферных ливней при энергиях выше 1014 эВ, неизбежно являются модельно зависимыми. Поэтому измерение прямыми методами состава КЛ в области до нескольких десятков ПэВ (n∙1016 эВ) позволит решить эту проблему.
Возможно, это приведет к открытию новых источников КЛ, уточнит механизмы генерации в известных источниках, а также даст указания, каким образом происходит смена космических лучей Галактического происхождения космическими лучами Метагалактического происхождения. Последнее зависит от предельной энергии, до которой космические лучи могут ускоряться в источниках Галактики.
2. Изучение межзвездного пространства Галактики при помощи моделей распространения ядер КИ
По современным представлениям, за исключением легких элементов (H, He и небольшого количества Li), образовавшихся при Большом взрыве, все ядра барионного вещества образуются в процессах эволюции звезд при термоядерном синтезе. Не все элементы могут быть рождены в ходе нуклеосинтеза с равной вероятностью. Так, известно, что вероятность образования элементов Li, Be, B, Sc, Ti, V, Cr, Mn в термоядерных реакциях мала. Эти элементы образуются, главным образом, в процессах ядерных реакций более тяжелых ядер с ядрами межзвездной среды, т.е. являются фрагментами более тяжелых ядер, поэтому их принято называть вторичными. Исследование доли вторичных ядер является мощным инструментом изучения характеристик межзвездной среды в Галактике. Отношение радиоактивных ядер к устойчивым позволяет определить «возраст» КЛ, а характер энергетических спектров разных элементов позволяет делать выводы о величине магнитных полей в ходе доускорения.
3. Изучение анизотропии КЛ
Еще одним параметром, чувствительным к процессам распространения КЛ (в среднем пропорциональным коэффициенту диффузии КЛ), является крупномасштабная (дипольная) анизотропия. Однако на эту зависимость накладывается второй существенный фактор - наличие близких источников космических лучей. И, кроме того, структура локальных магнитных полей также может влиять на анизотропию на разных пространственных масштабах.
4. Поиск частиц странной материи – «странглетов»
Исследование состава первичного излучения подразумевает и поиск необычных экзотических частиц. И одним из возможных кандидатов, которые имеют достаточно простую сигнатуру для поиска и огромную важность с точки зрения фундаментальных проблем строения вещества, является поиск странной материи в космосе. Странная материя – гипотетическое состояние вещества, в котором содержится равное количество u, d и s кварков. Такое состояние может иметь меньшую энергию на барион, чем обычные ядра, и поэтому быть действительно базовым состоянием материи. Общим для всех моделей странной материи является то, что отношение массы к барионному числу находится ниже этого отношения для ядер (условие их стабильности). Отношение заряда к массе очень малое или даже нулевое по сравнению с ядрами из-за исчезновения заряда в случае, когда u, d и s кварки оказываются в равном количестве. Возможно, что странглеты (а также, нуклеариты – странглеты, окруженные электронным облаком) рождались на ранних стадиях эволюции Вселенной и могли сохраниться в качестве реликтов. Кроме того, по современным представлениям, странглеты могут рождаться и в настоящее время в столкновениях нейтронных или кварковых звезд (в этом случае масса странглета составит 1012-1015 эВ).
Поиски странной материи на Земле пока не привели к ее обнаружению, но поиск ее за пределами атмосферы в космических лучах может быть более перспективным. По крайней мере, будет определен порог их концентрации в свободном состоянии в межзвездном веществе Галактики.
5. Изучение химического состава сверхтяжелых ядер за пиком железа
Методически к задаче поиска странглетов близка задача по изучению химического состава сверхтяжелых ядер за пиком железа, к которой можно отнести и поиск сверхтяжелых экзотических ядер. Известно, что ядра с замкнутыми оболочками, имеющими число протонов или нейтронов 2, 8, 20, 50, 82, 126, отличаются от своих соседей повышенной стабильностью. Самым тяжелым известным дважды магическим ядром является изотоп свинца-208 (82 протона и 126 нейтронов). Согласно теоретическим расчетам, магическими числами являются также 114 для протонов и 184 для нейтронов, эти ядра должны обладать повышенной стабильностью и именно здесь можно ожидать нового увеличения времени жизни сверхтяжелых элементов. Современные модели не запрещают рождения таких ядер во взрывах сверхновых. Однако количественно их поток оценить крайне сложно, и эксперимент мог бы дать верхний порог интенсивности потока ядер, обусловленного возможным существованием «островка стабильности» сверхтяжелых ядер.
6. Гамма-астрономия высоких энергий
Последние десятилетия интенсивно развивается область астрономии самой высокоэнергетической части электромагнитного спектра – гамма-астрономия. Интерес к этой области спектра связан с тем, что все катастрофические (по выделению энергии) явления в Галактике и во Вселенной в целом сопровождаются электромагнитным излучением в гамма-диапазоне. В отличие от космических лучей гамма-излучение позволяет получить прямую идентификацию изучаемого явления и объекта. К наиболее актуальным задачам гамма-астрономии можно отнести следующие:
• Поиск новых и изучение известных галактических и внегалактических дискретных источников гамма-излучения сверхвысокой энергии, которыми могут быть, в частности, остатки сверхновых, пульсары, аккретирующие объекты, микроквазары, галактики с активными ядрами, блазары, квазары. Измерение их энергетических спектров и светимости.
• Отождествление дискретных гамма-источников с известными источниками излучения в других диапазонах энергии, в том числе и с дискретными источниками, зарегистрированными наземными гамма-телескопами в диапазоне энергий выше 1012 эВ.
• Мониторинг светимости и энергетического спектра гамма-источников сверхвысокой энергии для изучения природы их переменности.
• Поиск и исследование гамма-всплесков высокой энергии (более 1 ГэВ).
• Измерение энергетических спектров галактического и внегалактического диффузного и изотропного гамма-излучения. Поиск спектральных аномалий. Поиск «гамма-линий» в дискретных гамма-источниках и в диффузном гамма-излучении, возникающих при аннигиляции и распаде компонентов темной материи.
Предложение по составу «ОЛВЭ»
Масштабность решаемых научных задач требует создание исключительно сложной не имеющей аналогов научной аппаратуры, что возможно только при использовании космического аппарата (КА) нового поколения с повышенной энерговооруженностью.
На данном этапе даны предложения по комплексу научной аппаратуры «ОЛВЭ» с учетом предельных возможностей вывода КА тяжелого класса с использованием существующих и проектируемых ракетоносителей, создаваемых на базе ФГУП ГКНПЦ им. М.В.Хруничева с обязательным требованием последующей длительной (не менее 7 лет) орбитальной эксплуатацией.
Для максимально возможного увеличения геометрического фактора научной аппаратуры планируется разработать и изготовить трехмерный мелкосекционный ионизационный калориметр (ИК) массой 10 т. Для обеспечения максимального эффективного фактора экспозиции материал поглотителя ИК должен представлять собой композит из легкого и тяжелого вещества. Глубина ИК должна составлять не менее 20 каскадных единиц. В состав композиционного вещества ИК должен входить гадолиний для захвата нейтронов и последующей запаздывающей эмиссии гамма-квантов. Все датчики ИК должны иметь дополнительный режим работы счетчиков нейтронов, который включается после считывания полезного сигнала до момента выработки следующего триггера. Режим счетчиков нейтронов остается включенным вплоть до прихода следующего триггера.
Детектирование заряда предлагается осуществить при помощи нескольких (не менее четырех) слоев падовых кремниевых детекторов. Система должна перекрывать площадь всех граней кубического ИК с минимальными технологическими зазорами, размер пада ~1 см2.
Для определения энергии кинематическими методами должна определять образ пространственной плотности распределения вторичных частиц каскада по двум координатам с точностью ~17 мкм. Система должна обеспечивать регистрацию как минимум двух точек максимума каскада, для этой цели необходимо как минимум 4 слоя микростриповых детекторов с расположением стрипов соседних слоев во взаимноортогональных направлениях, точность в определении проекции оси каскада в область детекторов заряда, расположенных на противоположной грани ИК, должна составлять десятые доли мм.
В ходе работы над проектом рассматривались различные варианты компоновки прибора и его размещения на космическом аппарате. Первоначально рассматривался вариант кубического калориметра с регистрацией частиц, приходящих со всех направлений (рис.1). Такой вариант обеспечивает наилучшее соотношение геометрического фактора и массы установки. Однако в ходе конструкторской проработки выявились технические трудности, связанные с изготовлением такой аппаратуры. Поэтому был рассмотрен более технологичный вариант плоского вольфрамового калориметра, ориентированного вертикально относительно Земли. Слои сцинтиллятора предполагается разбить на шестиугольные элементы. Свет предполагается собирать с помощью световодов, протянутых в трех различных направлениях под углом 60 градусов между собой. Это позволяет восстанавливать параметры трека при различных углах падения первичной частицы. Предварительный общий вид установки показан на рис. 2.
Рис. 1. Схематическое изображение состава научной аппаратуры на основе кубического секционированного сцинтилляционного калориметра
Рис. 2. Вариант аппаратуры на основе плоского шестигранного калориметра. Снаружи кремниевые падовые детекторы заряда. Внутри шестигранный вольфрамовый ионизационно-нейтронный калориметр. Ионизация регистрируется сцинтилляционными детекторами, свет собирается на ФЭУ с помощью световодов. Внизу приборный отсек
Предложения по размещению «ОЛВЭ» на базовом КА
Предварительный вариант размещения целевого модуля «ОЛВЭ» на базовом космическом аппарате (КА) представлен на рис. 2. Основные характеристики «ОЛВЭ» приведены в таблице 1. Основные характеристики базового КА - в таблице 2.
Таблица 1.
Таблица 2.
Structure units: