Апрель 2013 г.

Комплекс научной аппаратуры
«ГАММА-400»

Комплекс научной аппаратуры «ГАММА-400» предназначен для получения данных для определения природы «темной материи» во Вселенной, развития теории происхождения высокоэнергичных космических лучей и физики элементарных частиц, исследования космического гамма-излучения в диапазоне высоких энергий (100 МэВ – 3000 ГэВ), регистрации заряженных частиц космических лучей, поиска и исследования гамма-всплесков.

 

Разработка проекта «ГАММА-400» и проведение исследований выполняется в рамках Федеральной космической программы РФ 2006-2015 гг., утвержденной постановлением Правительства РФ от от 22 октября 2005 года № 635 с изменениями, утвержденными постановлением Правительства Российской Федерации от 31 марта 2011 года № 235.

 

В разработке комплекса научной аппаратуры «ГАММА-400» участвуют:

  • Физический институт им. П.Н. Лебедева (головная организация),
  • НИЯУ МИФИ,
  • ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург),
  • НИИЭМ (Истра),
  • Институт Физики Высоких Энергий (Протвино),
  • Институт Космических Исследований,
  • Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко (Украина, Киев),
  • Львовский центр Института космических исследований (Украина, Львов),
  • Институт сцинтилляционныхматериалов (Украина, Харьков),
  • Национальный институт ядерной физики (IstitutoNazionalediFisicaNucleare, INFN), Италия.

 

Научный руководитель проекта «ГАММА-400» - А.М. Гальпер;

Заместитель научного руководителя, технический руководитель – главный конструктор комплекса научной аппаратуры "ГАММА-400" - Н.П. Топчиев.

Проект «ГАММА-400» был утвержден в 2009 г. академиками В.Л. Гинзбургом и Г.А. Месяцем.



Научные задачи комплекса научной аппаратуры «ГАММА-400»


Современное состояние фундаментальных исследований по космологии, астрономии, физике частиц высоких энергий и космических лучей ставит ряд проблем, решить которые невозможно без привлечения результатов исследований по внеатмосферной гамма-астрономии сверхвысокой энергии (108-1012 эВ), а также и одновременном исследовании высокоэнергичного электрон-позитронного компонента галактических космических лучей. На основе современных результатов гамма-астрономических исследований, результатов исследования природы «темной материи», а также научно-исследовательских работ по проекту ГАММА-400 сформулированы основные научные направления исследований и конкретные задачи проекта «ГАММА-400».

 

Основные направления исследований

  • Исследование природы и свойств слабовзаимодействующих массивных частиц (вимпов), из которых возможно состоит «темная материя»;
  • Исследование природы и свойств переменной активности в гамма-диапазоне астрофизических объектов от звезд до скоплений галактик;
  • Исследование механизмов генерации, ускорения, распространения и взаимодействия заряженных космических лучей в галактическом и межгалактическом пространствах.

 


Научные задачи

  1. Измерения энергетических спектров галактического и внегалактического диффузного и изотропного гамма-излучения. Поиск аномалий в спектрах гамма-излучения. Поиск «гамма-линий» в излучении дискретных гамма-источников, в диффузном и изотропном гамма-излучении, возникающих при аннигиляции и распаде компонентов «темной материи».
  2. Регистрация потоков электронов + позитронов с энергией выше 1 ГэВ, измерение энергетических спектров этих частиц, выделение особенностей в их спектрах, которые могли бы быть связаны с процессами аннигиляции и распада компонентов «темной материи».
  3. Поиск новых и изучение известных галактических и внегалактических дискретных источников гамма-излучения высокой энергии: остатки сверхновых, пульсары, аккрецирующие объекты, микроквазары, галактики с активными ядрами, блазары, квазары; измерение их энергетических спектров и светимости.
  4. Отождествление дискретных гамма-источников с известными источниками излучения в других диапазонах энергии, в том числе, и с дискретными источниками, зарегистрированными наземными гамма-телескопами.
  5. Мониторинг светимости и энергетического спектра гамма-источников высокой энергии для изучения природы их переменности.
  6. Поиск и исследование гамма-всплесков в диапазоне энергий 10 кэВ - 10 МэВ и 100 МэВ - 3000 ГэВ.
  7. Измерение потоков галактических ядер до группы железа.
  8. Регистрация высокоэнергетического гамма-излучения и потоков электронов + позитронов от солнечных вспышек.

 

Физическая схема гамма-телескопа ГАММА-400


 


Основная идея и первые варианты гамма-телескопа публиковалась ранее в:

  • V. Dogel, M. Fradkin, A. Kostin, L. Kurnosova, L. Razorenov, M. Rusakovich, N. Topchiev. On the gamma-astronomy observations in the energy range 4-400 GeV. 20th International Cosmic Ray Conference, Moscow, 1987, v. 2, pp. 356-359. Скачать, pdf, 0.3 Мб.
  • V. Dogiel, M. Fradkin, L. Kurnosova, L. Razorenov, M. Rusakovich, N. Topchiev. Some Tasks of Observational Gamma-Ray Astronomy in the Energy Range 5-400 GeV, Space Science Rev., 49, 215-226, 1988; Скачать, pdf, 653 Кб.
  • M. Fradkin, V. Ginzburg, E. Gorchakov, V. Kaplin, L. Kurnosova, A. Labensky, M. Runtso, N. Topchiev. Gamma-Radiation of the High Energy and Gamma-400 Project. 24th International Cosmic Ray Conference, Rome, Italy, 1995, v. 3, pp. 705-708. Скачать, pdf, 0.4 Мб.
  • В. Гинзбург, Л. Курносова, Л. Разоренов, М. Фрадкин, А. Лабенский, Н. Топчиев, М. Русакович, В. Каплин, М. Рунцо, Е. Макляев, В. Логинов, Е. Горчаков, А. Хованская. Космическое гамма-излучение высокой энергии и проект гамма-телескопа ГАММА-400. Препринт №3, Физический институт им. П.Н. Лебедева, Москва, 1995. Скачать, djvu, 1.4 Мб.
  • V.L. Ginzburg, V.A. Kaplin, A.I. Karakash, L.V. Kurnosova, A.G. Labenskii, M.F. Runtso, A.P. Soldatov, N.P. Topchiev, M.I. Fradkin, S.K. Chernichenko, I.V. Shein. Development of the GAMMA-400 Gamma-Ray Telescope to Record Cosmic Gamma Rays with Energies up to 1 TeV, Cos. Res., 45, 449-451, 2007; Скачать, pdf, 249 Кб.
  • L. Ginzburg, V.A. Kaplin, M.F. Runtso, N.P. Topchiev, M.I. Fradkin. Advanced GAMMA-400 Gamma-Ray Telescope for Recording Cosmic Gamma Rays with Energies up to 3 TeV. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 73, No. 5, pp. 664-666, 2009; Скачать, pdf, 174 Кб.
  • V.L. Ginzburg, A.M. Galper, M.I. Fradkin, V.A. Kaplin, M.F. Runtso, N.P. Topchiev, V.G. Zverev. The GAMMA-400 Project. Investigation of Cosmic Gamma-Radiation and Electron-Positron Fluxes in the Energy Range 1-3000 GeV. Preprint no. 10, Lebedev Physical Institute, Moscow, 2009. Скачать, djvu, 264 Кб.

 

В дальнейшем конструкция гамма-телескопа была существенно улучшена, учитывая результаты работы гамма-телескопов Fermi-LAT, AGILE и возможности создания ГАММА-400:

    • A.M. Galper, R.L. Aptekar, I.V. Arkhangelskaya, M. Boezio, V. Bonvicini, B.A. Dolgoshein, M.O. Farber, M.I. Fradkin, V.Ya. Gecha, V.A. Kachanov, V.A. Kaplin, E.P. Mazets, A.L. Menshenin, P. Picozza, O.F. Prilutskii, V.G. Rodin, M.F. Runtso, P.Spillantini, S.I. Suchkov, N.P. Topchiev, A. Vacchi, Yu.T. Yurkin, N. Zampa, V.G. Zverev. The possibilities of simultaneous detection of gamma rays, cosmic-ray electrons and positrons on the GAMMA-400 space observatory. Astrophys. Space Sci. Trans., Vol. 7, pp. 75-78, 2011; Скачать, pdf, 200 Кб.
    • A.M. Galper, R.L. Aptekar, I.V. Arkhangelskaya, M. Boezio, V. Bonvicini, B.A. Dolgoshein, M.O. Farber, M.I. Fradkin, V.Ya. Gecha, V.A. Kachanov, V.A. Kaplin, E.P. Mazets, A.L. Menshenin, P. Picozza, O.F. Prilutskii, M.F. Runtso, P. Spillantini, S.I. Suchkov, N.P. Topchiev, A. Vacchi, Yu.T. Yurkin, N. Zampa, V.G. Zverev. GAMMA-400 Space Observatory. Il Nuovo Cimento, Vol. 34 C, No. 3, pp. 71-75, 2011; Скачать, pdf, 171 Кб.
    • A.M. Galper, O. Adriani, R.L. Aptekar, I.V. Arkhangelskaja, A.I. Arkhangelskiy, M. Boezio, V. Bonvicini, K.A. Boyarchuk, Yu.V. Gusakov, M.O. Farber, M.I. Fradkin, V.A. Kachanov, V.A. Kaplin, M.D. Kheymits, A.A. Leonov, F. Longo, P. Maestro, P. Marrocchesi, E.P. Mazets, E. Mocchiutti, A.A. Moiseev, N. Mori, I. Moskalenko, P.Yu. Naumov, P. Papini, P. Picozza, V.G. Rodin, M.F. Runtso, R. Sparvoli, P. Spillantini, S.I. Suchkov, M. Tavani, N.P. Topchiev, A. Vacchi, E. Vannuccini, Yu.T. Yurkin, N. Zampa, V.G. Zverev. Status of the GAMMA-400 Project. arXiv:1201.2490, 2012. Скачать, pdf, 114 Кб.
    • A.M. Galper, O. Adriani, R.L. Aptekar, I.V. Arkhangelskaja, A.I. Arkhangelskiy, M. Boezio, V. Bonvicini, K.A. Boyarchuk, M.I. Fradkin, Yu.V. Gusakov, V.A. Kaplin, V.A. Kachanov, M.D. Kheymits, A.A. Leonov, F. Longo, E.P. Mazets, P. Maestro, P. Marrocchesi, I.A. Mereminskiy, V.V. Mikhailov, A.A. Moiseev, E. Mocchiutti, N. Mori, I.V. Moskalenko, P.Yu. Naumov, P. Papini, P. Picozza, V.G. Rodin, M.F. Runtso, R. Sparvoli, P. Spillantini, S.I. Suchkov, M. Tavani, N.P. Topchiev, A. Vacchi, E. Vannuccini, Yu.T. Yurkin, N. Zampa, V.G. Zverev, V.N. Zirakashvil. Design and Performance of the GAMMA-400 Gamma-Ray Telescope for the Dark Matter Searches. arXiv:1210.1457, 2012. Скачать, pdf, 359 Кб.

     

     

    Структура гамма-телескопа ГАММА-400


    Гамма-телескоп ГАММА-400 состоит из:

    - верхнего (АСверх) и боковых (АСбок) антисовпадательных детекторов;

    - конвертера-трекера (К), представляющего собой 10 прослоенных вольфрамом плоскостей двухслойных (с взаимно перпендикулярным расположением стрипов) кремниевые стриповых координатных детекторов (шаг 0,1 мм). Общая толщина конвертора-трекера составляет 1,0X0;

    - времяпролетной системы (ВПС) из сцинтилляционных детекторов С1 (1000х1000х20 мм3) и С2 (800х800х20 мм3), разнесенных на 500 мм;

    - координатно-чувствительного калориметра (КК) площадью 800х800 мм2. КК состоит из двух частей КК1 и КК2:

    а) КК1 - состоит из 4 слоев. Каждый слой представляет набор кристаллов CsI(Tl) и двухслойных (с взаимно перпендикулярным расположением стрипов) кремниевых стриповых детекторов с шагом 0,5 мм. Толщина КК1 составляет 3X0.

    б) КК2 - состоит из кристаллов BGO (размером 25х25х250 мм3). Толщина КК2 составляет 22X0.

    Общая толщина калориметра для нормального падения частиц составляет 25X0. или 1,2λ0. Общая толщина калориметра для бокового падения частиц 70X0 или 3,5λ0.

    - сцинтилляционных детекторов С3 и С4;

    - боковых детекторов калориметра (БДК);

    - нейтронного детектора (НД).

     

    В настоящее время итальянскими и американскими специалистами рассматривается возможность установки в конвертере-трекере 15 дополнительных кремниевых стриповых плоскостей с целью улучшения характеристик ГАММА-400 в области энергий ниже 300 МэВ.

     

    Дополнительно в комплекс научной аппаратуры «ГАММА-400» входят:

    - система регистрации гамма-всплесков «КОНУС-ФГ»,

    - звездный датчик.

     

    Комплекс научной аппаратуры «ГАММА-400» на служебном базовом модуле «Навигатор».


     

    Регистрация частиц


    Гамма-кванты конвертируются в электрон-позитронную пару в конвертере-трекере, которая в дальнейшем регистрируется в детекторах телескопа. Антисовпадательные детекторы используются для идентификации гамма-квантов, а времяпролетная система определяет направление падающих частиц и формирует апертуру телескопа. Электромагнитный ливень, созданный электрон-позитронной парой, развивается и регистрируется в двух частях калориметра. Частицы ливня регистрируются в сцинтилляционных детекторах С3 и С4.
    Гамма-кванты регистрируются при отсутствии сигнала в АС, а электроны (позитроны) при движении сверху-вниз при наличии сигнала в АС. Кроме того электроны (позитроны) регистрируются с боковых направлений при использовании БДК.
    Использование толстого калориметра (~25X0) позволяет расширить энергетический диапазон регистрируемых частиц до нескольких ТэВ и повысить энергетическое разрешение гамма-телескопа до ~1% при энергиях более 10 ГэВ. Улучшение углового разрешения достигается с помощью реконструкции оси ливня в КК1 и определения точки конверсии в многослойном конвертере. Этот метод позволяет достичь высочайшего углового разрешения ~0,01° при энергиях более 100 ГэВ.
    Высокоэнергичные частицы при взаимодействии с веществом калориметра создают поток частиц, движущихся от калориметра к АС (т.н. «обратный ток»). Для исключения детектирования таких частиц используется как сегментационный, так и временной методы.
    Режекция протонов ~106, очень важный параметр для устранения фона, достигается режекцией фона как в калориметре и нейтронном детекторе, так и в других детекторах.

    В таблице 1 показаны основные характеристики ГАММА-400, полученные в результате проведения эскизного проекта и дополнения к эскизному проекту.

    В таблице 2 представлены сравнительные характеристики гамма-телескопов Fermi-LAT и ГАММА-400.

    В таблице 3 представлены сравнительные характеристики работавших, существующих и планируемых космических и наземных гамма-телескопов.

     

    Таблица 1.

     

     

    ЭП

    (эскизный проект)

    2009-2010 гг.

    ДЭП

    (дополнение к эскизному проекту)

    2011-2012 гг.

    Угловое разрешение

    (при Eγ > 100 ГэВ)

    0,2°

    ~0,01°

    Энергетическое разрешение

    (при Eγ > 10 ГэВ)

    ~ 3%

    ~1%

    Диапазон энергий

    30-1000 ГэВ

    0,1-3000 ГэВ

     Чувствительная площадь

    0,44 м2

    0,64 м2

    Вес

    1700 кг

    2600 кг

    Энергопотребление

    800 Вт

    2000 Вт

    Объем передаваемой информации

    500 Мбайт/сутки

    100 Гбайт/сутки

    Регистрируемые частицы

    гамма-кванты, электроны, позитроны, протоны, ядра

    гамма-кванты, электроны, позитроны, протоны, ядра

     

    Таблица 2.

     

     

    Fermi-LAT

    ГАММА-400

     Орбита

    560 км

    500-300000 км

     Диапазон энергий

    100 МэВ - 300 ГэВ

    100 МэВ - 3000 ГэВ

     Чувствительная площадь

    1,8 м2

    0,64 м2

     Координатные детекторы

    Si стрипы с шагом 0,23 мм

    Si стрипы с шагом 0,1 мм

     Угловое разрешение

     (Eγ > 100 ГэВ)

    ~0,1°

    ~0,01°

     Калориметр

     - толщина, р.е.д.

    CsI

    8,5

    BGO + CsI(Tl) + Si стрипы

    ~25

     Энергетическое разрешение

     (Eγ > 10 ГэВ)

    ~10%

    ~1%

     Режекция протонов

    104

    ~106

     Вес, кг

    2900

    2600

     Объем передаваемой информации, Гбайт/сутки

    20

    100

     

    Таблица 3.

     

     

    КОСМИЧЕСКИЕ

    ГАММА-ТЕЛЕСКОПЫ

    НАЗЕМНЫЕ

    ГАММА-ТЕЛЕСКОПЫ

     

    EGRET

    AGILE

    Fermi-LAT

    CALET

     

    ГАММА-400

    H.E.S.S.-II

    MAGIC

    VERITAS

    CTA

     

    США

    Италия

    США

    Япония

    РОССИЯ

    Намибия

    Испания,

    Канарские

    о-ва

    США,

    Аризона

    		  

    Диапазон энергий,

    ГэВ

    0,03-30

    0,03-50

    0,2-300

    10-10000

    0,1-3000

    >30

    >50

    >100

    >20

    Угловое

    разрешение

    (Eγ > 100 ГэВ)

    0,2º

    (Eγ~0,5 ГэВ)

    0,1º

    (Eγ~1 ГэВ)

    0,1º

    0,1º

    ~0,01º

    0,07º

    0,07º

    (Eγ=300 ГэВ)

    0,1º

    0,1º

    (Eγ=100 ГэВ)

    0,03º

    (Eγ=10 TэВ)

    Энергетическое разрешение

    (Eγ > 100 ГэВ)

    15%

    (Eγ~0,5 ГэВ)

    50%

    (Eγ~1 ГэВ)

    10%

    2%

    ~1%

    15%

    20%
    (Eγ=100 ГэВ)
    15%
    (Eγ=10 TэВ)

    15%

    20%
    (Eγ=100 ГэВ)
    5%
    (Eγ=10 TэВ)

     

    Космический аппарат для комплекса научной аппаратуры «ГАММА-400»

     



    Схема выведения космического аппарата «ГАММА-400».
    Космический аппарат вместе со служебным базовым модулем «Навигатор» разрабатывает НПО им. С.А. Лавочкина.

     

     

    Комплекс научной аппаратуры устанавливается на служебном базовом модуле «Навигатор».
    Основные начальные параметры высокоэллиптической орбиты:

    - высота апогея - 300000 км, высота перигея - 500 км, период обращения - 7 суток, угол наклонения орбиты- 51,8°.

    Время активного существования космического аппарата с комплексом научной аппаратуры – 10 лет.