Πώς ανιχνεύουμε ακτίνες γ με επίγεια τηλεσκόπια;

Αν και το φως που λαμβάνουμε από το Σύμπαν καλύπτει ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, στη Γη είμαστε τυχεροί και η ατμόσφαιρα μας προστατεύει από τις επιβλαβείς για τον ανθρώπινο οργανισμό ακτινοβολίες, όπως για παράδειγμα οι ακτίνες Χ και γ (βλ. Εικονα 1 σε αυτό το άρθρο). Μόνο τα ράδιο, τα οπτικά και ένα μικρό παράθυρο από τα υπέρυθρα και υπεριώδη φωτόνια καταφέρνουν να φτάσουν στην επιφάνεια της Γης. Παρόλα αυτά, έχουμε τη δυνατότητα και από το έδαφος να καταγράψουμε ακτίνες γ, που αποτελούν την υπογραφή του βίαιου και ενεργητικού Σύμπαντος, όπως αυτό αποτυπώνεται λόγω των Κοσμικών Επιταχυντών. Με ποιον τρόπο; Με αξιοποίηση της ακτινοβολίας Cherenkov. Στο παρόν άρθρο θα εστιάσουμε σε ανιχνευτές-τηλεσκόπια που καταγράφουν την ακτινοβολία Cherenkov που παράγεται στη γήινη ατμόσφαιρα¹. 

Αρχή λειτουργίας των τηλεσκοπίων:

Τα τηλεσκόπια ανιχνεύουν τη λάμψη της ακτινοβολίας Cherenkov, η οποία είναι πολύ σύντομης διάρκειας και δημιουργείται από τον καταιονισμό (βλ. Eικόνα 1) φορτισμένων σωματιδίων που παράγονται όταν μία ακτίνα γάμμα πολύ υψηλών ενεργειών “χτυπήσει” τα μόρια της ατμόσφαιρας. Το ονομάζουμε καταιονισμό (shower) επειδή θυμίζει το νερό που τρέχει από την ντουζιέρα˙ ξεκινάει από μικρή περιοχή και εκτείνεται κωνικά προς τα κάτω. Η διαδικασία αυτή αρχίζει από υψόμετρο περίπου 10-20 χιλιομέτρων από την επιφάνεια της Γης. Καθώς η ακτίνα γ εισέρχεται στην ατμόσφαιρα, αλληλεπιδρά με τα μόριά της και ως αποτέλεσμα παράγεται ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου. Τα σωματίδια είναι υψηλών ενεργειών και ως αποτέλεσμα χάνουν ενέργεια μέσω της ακτινοβολίας πέδησης². Στη συνέχεια, καθώς τα φωτόνια που παράγονται έχουν και αυτά υψηλή ενέργεια, παράγονται επιπλέον ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται ο καταιονισμός των φορτισμένων σωματιδίων που ταξιδεύουν εντός της ατμόσφαιρας. Αυτά τα σωματίδια, καθώς “τρέχουν” πιο γρήγορα από το φως εντός της ατμόσφαιρας, παράγουν ακτινοβολία Cherenkov η οποία διαρκεί συνήθως μεταξύ 2 και 20 ns (ns = 10^-9 δευτερόλεπτα). Όμως, επειδή το άνοιγμα αυτού του κώνου είναι πολύ μεγάλο, εν τέλει η επιφάνεια του εδάφους που χρειάζεται για να ανιχνευτεί το παραγόμενο φως αντιστοιχεί σε πολλές εκατοντάδες τετραγωνικά μέτρα. Για τον λόγο αυτό τα τηλεσκόπια που κατασκευάζονται για την έμμεση ανίχνευση ακτινοβολίας γάμμα, προκειμένου να είναι αποτελεσματικά, καλύπτουν μεγάλες επιφάνειες στο έδαφος (βλ. Εικόνα 3), σε αντίθεση με τα συνήθη οπτικά τηλεσκόπια. 

Στην Εικόνα 4 παρουσιάζεται η αποτύπωση της ανίχνευσης ακτινοβολίας Cherenkov. Το τηλεσκόπιο είναι ένα μεγάλο κάτοπτρο, που αποτελείται συνήθως από μικρότερα εξαγωνικά τμήματα – κάτι που ίσως παρατηρήσατε και στο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb! (βλ. Εικόνα 5, η γεωμετρία αυτή είναι κατάλληλη για την ελαχιστοποίηση φαινομένων περίθλασης). Το φως από τον ουρανό ανακλάται πάνω στα κάτοπτρα και στη συνέχεια “στέλνεται” σε ένα όργανο που είναι μία σειρά από φωτοπoλλαπλασιαστές/κάμερες. Ουσιαστικά οι φωτοπολλαπλασιαστές ενεργοποιούνται όταν λάβουν φως και μέσω ηλεκτρικού σήματος ψηφιοποιούν και καταγράφουν την εικόνα που έλαβαν. Χρειάζονται πολλά αντίστοιχα τηλεσκόπια, τα οποία βρίσκονται σε αρκετή απόσταση μεταξύ τους (περίπου 70-120 μέτρα) ώστε να υπάρχει στερεοσκοπική καταγραφή του επεισοδίου. 

Για ποιο λόγο χρειάζεται η στερεοσκοπική καταγραφή; Πέρα από τις ακτίνες γ, αντίστοιχοι καταιονισμοί παράγονται και από σωματίδια κοσμικής ακτινοβολίας που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, οι αλληλεπιδράσεις με τα μόρια της ατμόσφαιρας παράγουν κατά κύριο λόγο μιόνια, που δημιουργούν πιο στενούς κώνους φωτός λόγω της ακτινοβολίας Cherenkov. Έτσι, αυτοί παρατηρούνται από μόνο ένα τηλεσκόπιο κάθε φορά, οπότε εύκολα καταλαβαίνουμε ότι δεν πρόκειται για ακτίνες γ και μπορούμε να απορρίψουμε τις μετρήσεις τους. Στη συνέχεια, λαμβάνοντας τη συνολική πληροφορία και χρησιμοποιώντας μοντέλα για την ατμόσφαιρα, μπορεί να γίνει “ανακατασκευή” του καταιονισμού και με αυτό τον τρόπο να βρεθεί η διεύθυνση και η ενέργεια της αρχικής ακτίνας γ που εισήλθε στην ατμόσφαιρα. Αυτό το πλεονέκτημα χρησιμοποιείται στους σύγχρονους επίγειους ανιχνευτές ακτίνων γ. 

Όργανα που καταγράφουν ακτίνες γάμμα στη Γη:

Οι ενέργειες φωτονίων που μπορούν να καταγραφούν από αυτή τη μέθοδο είναι μεταξύ 50 GeV (giga eV = 10⁹ eV³) και 70 TeV ((tera eV = 10¹² eV)  . Αυτή τη στιγμή υπάρχουν τέσσερα λειτουργικά όργανα:  High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC), First G-APD Cherenkov Telescope (FACT), και Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS). Ενώ υπάρχουν ακόμη δύο μεγάλες συνεργασίες υπό κατασκευή: Major Atmospheric Cerenkov Experiment Telescope (MACE) και  Cherenkov Telescope Array (CTA). Παρόλα αυτά, υπάρχουν και τηλεσκόπια που κατασκευάζονται από συνεργασίες μικρότερων ομάδων όπως το Stereo SST1M που είναι συνεργασία Ελβετίας, Πολωνίας και Τσεχίας. 

Όλα όμως ξεκίνησαν από τη Whipple collaboration στα τέλη της δεκαετίας του 1980, όταν καταγράφηκαν ακτίνες γ από το Νεφέλωμα του Καρκίνου σε ενέργειες της τάξης των TeV, ενώ μετά ακολούθησαν και ανιχνεύσεις από ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες, όπως ο Mrk421. Σε κάθε περίπτωση, αν και έχουν περάσει τρεις δεκαετίες, βρισκόμαστε ακόμη στην αρχή. Η κατασκευή της νέας γενιάς τηλεσκοπίων Cherenkov θα βοηθήσει ακόμη περισσότερο στην κατανόηση των διεργασιών της Αστροφυσικής Υψηλών Ενεργειών. 

1. Στην αγγλική βιβλιογραφία αυτά τα όργανα συναντιούνται με τον όρο: IACT ( Imaging Atmospheric (or Air) Cherenkov Telescope or Technique). Παρόλα αυτά, υπάρχουν και άλλα όργανα που χρησιμοποιούν την ακτινοβολία Cherenkov για να ανιχνεύουν στη Γη ακτίνες γάμμα (ανιχνευτές νερού ακτινοβολίας Cherenkov). 
2. Η ακτινοβολία πέδησης στη βιβλιογραφία συναντιέται και ως ακτινοβολία Bremsstrahlung. Αφορά την αλληλεπίδραση μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων. 
3. Ένα eV είναι το ποσό της κινητικής ενέργειας που κερδίζει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο καθώς κινείται στο κενό και περνά από ηλεκτροστατική διαφορά δυναμικού ενός βολτ (V). Αποτελεί βασική μονάδα μέτρησης ενέργειας στην πυρηνική/ατομική φυσική.

Δυσκολία:Μέτριο

Λέξεις κλειδιά: Ακτινοβολία γ, ακτίνες γ, ανιχνευτές Cherenkov, τηλεσκόπια, ακτινοβολία Cherenkov