Astronomia promieniowania gamma

Astronomia promieniowania gamma – dziedzina astronomii zajmująca się badaniem promieniowania gamma pochodzącego od ciał niebieskich.

Przypuszczenia i teorie na temat istnienia we Wszechświecie procesów prowadzących do emisji promieniowania gamma datują się na wiele lat przed powstaniem technicznych możliwości ich detekcji. Szczególny wkład miały tu prace E. Feenberga i H. Primakoffa z 1948, Y. Hayakawy i G. W. Hutchinsona z 1952, oraz P. Morrisona z 1958 roku. Procesy te to głównie oddziaływanie promieniowania kosmicznego z gazem międzygwiazdowym, wybuchy supernowych, oddziaływanie wysokoenergetycznych elektronów z międzygwiazdowym polem magnetycznym. Możliwość detekcji tych emisji pojawiła się dopiero w latach 60. XX wieku.

Detekcja promieniowania gamma 
Ze względu na fakt, iż promieniowanie gamma jest niemal całkowicie pochłaniane przez atmosferę Ziemi, bezpośrednie obserwacje muszą być wykonywane spoza najgęstszych warstw atmosfery. W tym celu teleskopy promieniowania gamma umieszczane są w balonach lub sztucznych satelitach. Pierwsze orbitalne obserwatorium promieniowania gamma, wyniesione na orbitę okołoziemską w roku 1961 w satelicie Explorer 11, zarejestrowało zaledwie kilkadziesiąt fotonów promieniowania gamma. Było to promieniowanie tła, powstałe
najprawdopodobniej wskutek oddziaływania promieni kosmicznych z gazem międzygwiazdowym.

Pierwszymi zidentyfikowanymi źródłami astronomicznymi promieniowania gamma były rozbłyski w koronie słonecznej. Pierwszych szczegółowych informacji o niebie w zakresie gamma dostarczył wystrzelony w 1972 roku SAS-2, który zbadał 55% nieba. Liczne źródła promieniowania gamma zostały odkryte m.in. przez satelity COS-B oraz Teleskop kosmiczny Comptona. Obecnie działa kilka satelitów mierzących promieniowanie gamma, w tym Swift, Integral i Teleskop Fermiego. W zakresie gamma działał również jeden z detektorów na pokładzie satelity BeppoSAX.

Od połowy lat 80. XX wieku istnieje możliwość detekcji promieniowania gamma z powierzchni Ziemi. Wykorzystuje się w tym celu teleskopy optyczne, które nie rejestrują jednak kwantów gamma bezpośrednio, lecz poprzez promieniowanie Czerenkowa, emitowane w wyniku oddziaływania fotonów gamma z atmosferą ziemską. Atmosfera Ziemi stanowi więc w tym przypadku integralną część detektora promieniowania gamma. Główną zaletą detektorów naziemnych jest ich bardzo duża powierzchnia zbierająca, o około 5 rzędów wielkości większa niż w wypadku satelitów. Co za tym idzie, możliwe jest rejestrowanie fotonów o najwyższych energiach (GeV – TeV), których strumień na jednostkę powierzchni jest bardzo mały. Obecnie działającymi detektorami naziemnymi są HESS, VERITAS oraz MAGIC, a także CANGAROO.

Kosmiczne źródła promieniowania gamma 
Najważniejsze, jak dotąd, odkrycie w dziedzinie astronomii gamma zostało dokonane na przełomie lat 60. i 70. XX wieku. Było to odkrycie silnych impulsów promieniowania dochodzących z różnych stron nieba. Przez wiele lat nie udawało się odnaleźć odpowiadających im obiektów w innych zakresach widma elektromagnetycznego. Dopiero na przełomie XX i XXI wieku, dzięki intensywnym wysiłkom i koordynacji działań w ramach całego globu, zdołano zaobserwować optyczne odpowiedniki rozbłysków gamma (). Udało się stwierdzić, że obiekty te położone są w bardzo dużych odległościach, porównywalnych z rozmiarem widzialnego Wszechświata. Obecnie sądzi się, iż są to wybuchy gwiazd hipernowych, w których powstają czarne dziury zamiast gwiazd neutronowych.

Pierwszym ważnym odkryciem teleskopu czerenkowowskiego, dokonanym w 1989 roku w Obserwatorium Whipple w USA, była emisja promieniowania o energii TeV z Mgławicy Krab. Źródłem tego promieniowania jest wiatr z pulsara znajdującego się wewnątrz mgławicy. Na styku wiatru, który tworzą emitowane z pulsara relatywistyczne pary elektronowo-pozytonowe oraz wolniej ekspandującej pozostałości po supernowej, powstaje fala uderzeniowa. Przyspieszane w niej cząstki emitują promieniowanie gamma.

Mgławice wiatrów pulsarowych są najliczniejszą klasą źródeł zaobserwowanych przez HESS w płaszczyźnie Galaktyki.
Również same pozostałości po supernowych, zderzające się z gazem ośrodka międzygwiazdowego i przenikane polem magnetycznym, mogą być źródłami wysokoenergetycznego promieniowania.

Nową klasą galaktycznych źródeł promieniowania gamma są układy podwójne gwiazdy z obiektem zwartym. Znane są na razie trzy takie źródła, mikrokwazary LS 5039 i LS I +61 303 oraz układ z pulsarem PSR B1259-63. W wypadku tego ostatniego promieniowanie gamma powstaje podobnie jak w mgławicy wiatru pulsarowego, z tym, że dodatkowo zachodzi jeszcze oddziaływanie z wiatrem gwiazdowym towarzysza.
W wypadku mikrokwazarów dżet wyrzucany z okolic biegunowych akreującej czarnej dziury oddziałuje z wiatrem towarzysza oraz ośrodkiem międzygwiazdowym.

Źródłami promieniowania gamma mogą być również gromady masywnych gwiazd, takie jak Westerlund 2.
Poza Galaktyką źródłami promieniowania gamma są kwazary i blazary.

Mechanizmy produkcji wysokoenergetycznego promieniowania gamma 
Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma może powstawać wskutek rozpadu ciężkich cząstek lub jąder atomowych w wyniku promieniotwórczości.
W źródłach astrofizycznych występuje jednak głównie promieniowanie powstające w wyniku oddziaływania przyspieszonych naładowanych elektrycznie cząstek z otaczającym gazem lub polem promieniowania. Mechanizmem przyspieszania cząstek w obecności pola magnetycznego jest proces Fermiego, działający efektywnie np. w pozostałościach po supernowych.

Alternatywnie ruch plazmy może charakteryzować systematyczna ekspansja (), z którą można się spotkać w dżetach.

Modele emisji promieniowania gamma dzielą się na leptonowe i hadronowe.

W modelach leptonowych, elektrony produkują promieniowanie gamma w odwrotnym procesie Comptona, gdy rozproszeniu ulegają fotony mikrofalowego promieniowania tła, podczerwone, optyczne lub rentgenowskie w otaczającym ośrodku. Dodatkowo, elektrony mogą emitować promieniowanie synchrotronowe oraz promieniowanie hamowania.

W modelach hadronowych, cząstkami przyspieszanymi są protony i jądra atomowe. Wskutek ich zderzeń z protonami ośrodka powstają głównie mezony pi oraz trochę cięższych hadronów. Rozpad neutralnych pionów prowadzi do emisji kwantów gamma.

Przypisy

Bibliografia 
 Rybicki G.B., Lightman A.P., Radiative processes in astrophysics, 1985, wyd. Wiley