Декабрь 2014 г.    
Комплекс научной аппаратуры
«ГАММА-400»

Комплекс научной аппаратуры «ГАММА-400» (Гамма-Астрономическая Многофункциональная Модульная Аппаратура) 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:

 

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 и С2, разнесенных на 500 мм;

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

    а) КК1 - состоит из 2 слоев. Каждый слой представляет набор кристаллов CsI(Tl) и двухслойных (с взаимно перпендикулярным расположением стрипов) кремниевых стриповых детекторов с шагом 0,1 мм. Толщина КК1 составляет 2X0.

    б) КК2 - состоит из кристаллов CsI(Tl). Толщина КК2 составляет 23X0.

    Общая толщина калориметра для нормального падения частиц составляет 25X0. или 1,1λ0. Общая толщина калориметра для бокового падения частиц 54X0 или 2,6λ0.

    - сцинтилляционных детекторов С3 и С4;

    - боковых детекторов калориметра (БДК);

    - нейтронного детектора (НД).

     

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

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

    - звездные датчики;

    - магнитометры.

     

    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.

    ТП
    (технический проект)
    2013-2014 гг.

    Угловое разрешение

    (при Eγ > 100 ГэВ)

    0,2°

    ~0,01°

    ~0,01°

    Энергетическое разрешение

    (при Eγ > 10 ГэВ)

    ~ 3%

    ~1%

    ~1%

    Диапазон энергий

    30-1000 ГэВ

    0,1-3000 ГэВ

    0,1-3000 ГэВ

     Чувствительная площадь

    0,44 м2

    0,64 м2

    1,0 м2

    Вес

    1700 кг

    2600 кг

    4100 кг

    Энергопотребление

    800 Вт

    2000 Вт

    2000 Вт

    Объем передаваемой информации

    500 Мбайт/сутки

    100 Гбайт/сутки

    100 Гбайт/сутки

    Регистрируемые частицы

    гамма-кванты, электроны, позитроны, протоны, ядра

    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

    1 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(Tl)

    8,5

    CsI(Tl) + Si стрипы

    ~25

     Энергетическое разрешение

     (Eγ > 10 ГэВ)

    ~10%

    ~1%

     Режекция протонов

    104

    ~106

     Вес, кг

    2900

    4100

     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.