Отчёт за 2005 год

Проект: "Поиск и исследование локальных источников космического излучения сверхвысоких энергий"

Программы Фундаментальных исследований Президиума РАН «Нейтринная физика»
Гамма-астрономия, пока что, является единственной экспериментальной возможностью конкретизации локальных источников космического излучения высокой энергии (10¹² – 10¹⁴ эВ) В перспективе только нейтринная астрономия может дополнить поиск и исследования галактических и метагалактических объектов, где реализуются процессы ускорения протонов и ядер, сопровождающихся генерацией гамма-квантов и нейтрино, которые не рассеиваются в магнитных полях Вселенной. Тем самым расширяется возможности экспериментального исследования процессов и свойств конкретных звёздных объектов. Созданный в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН и установленный в 1991-1992 гг. в горах Алатоо на высоте 3338 м над уровнем моря зеркальный телескоп ШАЛОН с площадью зеркал  11,2 м² и имидж-матрицей из 144 фотоумножителей с общим углом обзора > 8^о в течение 1992-2005 гг. использовался для наблюдений метагалактических источников Маркариан 421, Маркариан 501, NGC 1275, 3С454.3, 1739+522 и галактических источников Крабовидная туманность, Лебедь Х-3, Тихо Браге, Геминга, 2129+47XR. Из 10 галактических и метагалактических источников, наблюдаемых несколькими телескопическими установками мира, 7 источников наблюдались на телескопе ШАЛОН-1 до публикаций в литературе информации об их обнаружении.

Галактический источник Лебедь Х-3 систематически наблюдался с 1995 года телескопом ШАЛОН со средним значением потока гамма-квантов F(E_O>0,8 ТэВ)=(6.80.6) 10^-13см^-2с^-1. Поток в 2003 году равен (1.79±0.33)·10^-12см^-2с^-1. Ранее, в 1997, также наблюдалось увеличение потока (1.2±0.5)·10^-12см^-2с^-1. Остаток сверхновой Тихо Браге уже давно рассматривается как кандидат в источники адронов космических лучей в северном полушарии, где ожидаемый от распада π⁰ поток гамма-квантов F_γ ~ E_γ^-1 простирается до ~30ТэВ, тогда как поток гамма-квантов генерируемый процессом обратного комптоновского рассеяния обрезается выше нескольких ТэВ. Поэтому, обнаружение гамма-излучения при энергиях 10 - 30ТэВ телескопом ШАЛОН является свидетельством адронного происхождения.

Мощности метагалактических источников в 10⁶ – 10¹² раз больше галактических в соответствии с бόльшими расстояниями и приблизительно одинаковой наблюдательной интенсивностью потока. Обнаружены новые метагалактические источники гамма-квантов с энергией выше 0.8 ТэВ – сейфертовская галактика NGC 1275 с потоком (0.780.13)10^-12 см^-2с^-1, а также активные галактические ядра 3С454.3 (z=0.859) и 1739+522 (z= 1.375) с потоками соответственно (0.430.17)10^-12 см^-2 с^-1 и (0.530.18)10^-12 см^-2 с^-1. Гамма-кванты в отличие от космических протонов и ядер имеют энергетический спектр E_γdE_γ ~ E^-2.3dE, и вклад гамма-квантов в полный поток космического излучения при энергиях 6×10⁵ ГэВ (4×10^-3) весьма мал. А к области энергий реликтового обрезания протонов вклад гамма-квантов возрастает до 20% от полного потока космического излучения. Не исключено, что спектр гамма-квантов не изменяется до неограниченно высоких энергий, оставаясь единственной информацией о процессах сверхвысоких энергий в Метагалактике. Все вышесказанное выдвигает на первый план развитие гамма-астрономических экспериментальных исследований и разработку методов их наблюдения в области 10³ – 10⁹ ГэВ.

Начаты наблюдения в высокогорной обсерватории гамма-телескопом ШАЛОН-2, установленным на расстоянии 260 м от телескопа ШАЛОН-1. Ввод в эксплуатацию на Тянь-Шаньской высокогорной станции второго гамма-телескопа ШАЛОН-2 позволит исследовать эффективность стереонаблюдений черенковского излучения в атмосфере для выделения электрон – фотонных широких атмосферных ливней, генерируемых первичными гамма-квантами, среди значительно большего потока ливней, образуемых протонами и ядрами космического излучения. Начат поиск локальных источников нейтрино с энергией 10¹³ – 10¹⁶ эВ по широким атмосферным ливням, генерируемым в горных хребтах в пяти и более километрах от гамма-телескопа. Проводится анализ результатов наблюдений широких атмосферных ливней на высоте 3338 м над уровнем моря с помощью гамма-телескопа ШАЛОН при зенитных углах 72^о, 76^о, 84^о, 97^о. При наблюдениях под большими зенитными углами эффективность регистрации черенковского света со всей толщи атмосферы значительно убывает из-за рассеяния и поглощения в атмосфере. Адронный каскад с начальной энергией > 10¹² эВ выходит из грунта в атмосферу с глубин до 300 г/см² без существенной потери суммарной энергии. При этом черенковское излучение широких атмосферных ливней, зародившихся в горном склоне от нейтрино из локальных источников и продолжающих своё развитие в атмосфере по направлению от звёздного источника, будет наблюдаемо при расстоянии от гамма-телескопа до наблюдаемого горного склона более 7.5 км на площади более 7*10⁵ м². В настоящее время регистрируются потоки гамма-квантов от галактических источников (ЛебедьХ-3, Тихо Браге и Геминга) порядка 10^-14 см^-2сек^-1. Ожидается, что наблюдения одним телескопом ШАЛОН черенковского излучения ливней, генерированных нейтрино высокой энергии из звёздного источника с наблюдаемым на Земле потоком 10^-15 см^-2сек^-1 потребует около 100 часов наблюдения одного ливня от нейтрино с энергией больше 1 ТэВ при полном отсутствии фоновых ливней. За 211 часов наблюдений было зарегистрировано 5 событий, обладающих пространственно-временными характеристиками электронно-фотонного каскада.

Руководитель проекта Синицина В.Г.
Публикации за 2005 год

1. 
   В.Г. Синицина, Т.П. Арсов, С.С. Борисов, С.И. Никольский, Ф.И. Мусин, В.Ю. Синицина, Г.Ф. Платонов, "Гамма-кванты сверхвысоких энергий от галактических источников - остатков сверхновых геминга и тихо браге (1- 30ТэВ) и двойной звёздной системы Лебедь Х-3 (1-65 ТэВ)" , 2005, Изв. РАН, Сер. Физ. т. 69, № 3, с. 422 - 427.
   
2. 
   V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov, "Observed and expected 1-30 TeV gamma-ray emission from Geminga and Tycho's supernova remnants", 2005, International Journal of Modern Physics A (IJMPA), V.20, №29, p. 7026
   
3. 
   V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, R.M. Mirzafatikhov, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov J.N. Сapdevielle* "Energy spectrum of very high energy gamma-quanta from Cygnus X-3 in 2003 year", 2005, International Journal of Modern Physics A (IJMPA), V.20, №29, p. 7023
   
4. 
   V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, A.A. Malyshko, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov "Observation of Distant Quasar 1739+522 and Comparison with other Metagalactic Sources", 2005, International Journal of Modern Physics A (IJMPA), V.20, №29, p. 7029
   
5. 
   V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov "The TeV gamma emission of the far active galaxies 1739+522 (z=1.375), 3c454.3 (z=0.859) and Markarian 501 (z=0.034), Markarian 421 (z=0.031)", 2005, Pune, 29th ICRC
   
6. 
   V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov "Tycho's SNR as the source of cosmic rays and gamma-quanta with energy of 1 - 30 TeV in Galaxy" 2005, Pune, 29th ICRC
   
7. 
   V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov "Cygnus X-3: TeV observations during 1995 - 2003", 2005, Pune, 29th ICRC
   
8. 
   V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov "TeV to PeV neutrinos and gamma-rays with Mountain SHALON Mirror Cherenkov Telescope", 2005, Pune, 29th ICRC
   
9. 
   V.G. Sinitsyna, "Detection of Metagalactic and Galactic Sources of Very High Energy Gamma-Quanta and Neutrino by Mirror Cherenkov Telescope SHALON", 2005, Journal of Radiation Physics and Chemistry (in print).
   
10. 
    V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov "Search for very high-energy neutrinos by SHALON (Cherenkov radiation of extensive air showers observed at large zenith angles)”, 2005, Nuclear Physics B, (in print)
    
11. 
    V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, R.M. Mirzafatikhov, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov J.N. Сapdevielle* " Very high energy gamma-quanta 1 - 65 TeV from the Cygnus X-3 binary" 2005, Nuclear Physics B, (in print);
    
12. 
    V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov "TeV AGN observation by SHALON: Far quasars 1739+522 (z=1.375) and 3C454.3 (z=0.859) compared to Mkn421 and Mkn501" 2005, Nuclear Physics B, (in print);
    
13. 
    V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov, , " Extensive air showers generated by gamma-quanta from Geminga and Tycho's SNR at energy range 1 - 30TeV" 2005, Nuclear Physics B, (in print);
    
14. 
    V.G. Sinitsyna, "SHALON: status report", in Toward a Major Atmospheric Cherenkov Detector - VII, ed. B. Degrange, (Ecole Polytechnique ), (in print)
    
15. 
    V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov "TeV Gamma-ray Emission Observed and Expected from Supernova Remnants Tycho Brage and Geminga " in Toward a Major Atmospheric Cherenkov Detector - VII, ed. B. Degrange, (Ecole Polytechnique ), (in print)
    
16. 
    V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov "Cygnus X-3: 10 years of TeV observations" in Toward a Major Atmospheric Cherenkov Detector - VII, ed. B. Degrange, (Ecole Polytechnique ), (in print)
    
17. 
    V.G. Sinitsyna, T.P. Arsov, S.S. Borisov, F.I. Musin, S.I. Nikolsky, V.Y. Sinitsyna, G.F. Platonov "Search for Very High Energy Neutrinos with Mountain SHALON Mirror Cherenkov Telescope" in Toward a Major Atmospheric Cherenkov Detector - VII, ed. B. Degrange, (Ecole Polytechnique ), (in print)