9. 감마선 천문학

감마선 천문학

감마선 천문학(Gamma-ray Astronomy)은 가장 에너지적인 전자방사 형태로 광자에너지가 100 KE를 넘는 감마선 천체관측입니다.

감마선 천문학
감마선 천문학

100keV 이하의 방사선은 X선으로 분류되며 X선 천문학의 대상이 됩니다. 대부분의 알려진 경우 태양 플레어와 지구 대기로부터의 감마선은 MeV 범위에서 생성되지만, 현재는 GeV 범위의 감마선도 태양 플레어에 의해 생성되는 것으로 알려져 있습니다. GeV 범위의 감마선은 태양계에서 발생하지 않는다고 생각되었습니다. GeV 감마선은 태양계 밖, 특히 은하계 밖, 천문학 연구에서 중요하기 때문에 새로운 관측은 몇 가지 이전 모델과 발견을 복잡하게 할 수 있습니다. 감마선을 방출하는 메커니즘은 다양하며 X선을 방출하는 메커니즘과 거의 동일하지만 전자-양전자 소멸, 역 컴프턴 효과를 포함하는 더 높은 에너지이며 경우에 따라서는 초신성과 같은 극단적인 사건을 반영하여 우주의 방사성 물질 붕괴도 있습니다. 그리고 펄서나 블레이저와 같은 극단적인 조건 하에서의 물질의 거동입니다.

초기의 역사

실험이 우주 소스에서 방출되는 감마선을 검출하기 훨씬 전부터 과학자들은 우주가 감마선을 생성하고 있다는 것을 알고 있었습니다. 1948년 유진 펜 버그와 헨리 프리마코프, 하야카와 유키오(早川幸雄)와 I.B에 의한 작품입니다. 1952년 허친슨, 특히 1958년 필립 모리슨은 우주에서 일어나고 있는 다양한 과정이 감마선 방출을 가져온다고 과학자들에게 믿게 했습니다. 이러한 프로세스에는 성간 가스와의 우주선 상호작용, 초신성 폭발 및 자기장과의 에너지 전자 상호작용이 포함됩니다. 그러나 1960년대가 되어서야 이러한 배출량을 실제로 검출할 수 있게 되었습니다. 우주에서 오는 감마선의 대부분은 지구 대기에 흡수되기 때문에 감마선 천문학은 기구와 우주선을 이용하여 대기의 전부 또는 대부분 이상의 검출기를 얻을 수 있을 때까지 발전하지 못했습니다. 1961년 탐사선 11호 위성으로 궤도에 오른 최초의 감마선 망원경은 100개 미만의 우주 감마선 광자를 관측했습니다. 그것들은 우주의 모든 방향에서 온 것처럼 보이며, 모종의 균일한 ‘감마선 배경’을 암시하고 있습니다. 이러한 배경은 우주선(우주에서의 매우 에너지 있는 하전 입자)과 성간 가스와의 상호작용에서 기대됩니다. 최초의 진정한 천체물리학적 감마 선원은 태양 플레어이며 모리슨이 예측한 강력한 2.223 MeV 선을 밝혀냈습니다. 이 선은 중성자와 양성자의 결합을 통해 중수소가 형성된 결과입니다. 태양 플레어에서 중성자는 플레어 프로세스에서 가속된 고에너지 이온의 상호작용에서 이차적으로 나타납니다. 이러한 최초의 감마선 관측은 OSO 3과 OSO 7, 그리고 후자의 우주선인 태양 최대 미션에서 1980년에 발사되었습니다. 태양 관측은 루벤 라마니 등의 이론적 연구에 영향을 미쳤습니다. 은하로부터의 감마선의 중요한 방출은 1967년에 OSO3 위성에 탑재된 검출기에 의해 처음으로 검출되었습니다. 우주 감마선에 기인하는 621개의 사건을 검출했습니다. 그러나 감마선 천문학 분야는 SAS-2(1972년)와 Cos-B(1975년~1982년) 위성에 의해 큰 도약을 이루었습니다. 이들 두 위성은 고에너지 우주(감마선을 생성하는 우주에서 사건의 종류는 고속 충돌이나 유사한 프로세스인 경향이 있기 때문에 ‘폭력적인’ 우주라고 불리기도 한다)에 대한 흥미로운 시각을 제공했습니다. 그들은 감마선 배경의 초기 발견을 확인하고 감마선 파장으로 하늘의 첫 번째 상세한 지도를 작성하여 몇 가지 점원을 검출했습니다. 그러나 계측기의 분해능은 이러한 점원의 대부분을 특정 가시성 또는 항성계로 식별하기에는 불충분했습니다. 감마선 천문학에서의 발견은 1960년대 후반부터 1970년대 초반까지 군사 방위 위성군에서 나왔습니다. 원자폭탄 폭발에 의한 감마선 섬광을 검출하기 위해 설계된 Vela 위성 시리즈에 탑재된 검출기는 지구 부근이 아닌 심우주로부터의 감마선 폭발을 기록하기 위해 시작했습니다. 그런 다음 검출기는 이 감마선 버스트가 1초에서 몇 분 동안 지속된다고 판단하고 예기치 않은 방향에서 갑자기 나타나 점멸하며 감마선 하늘을 잠시 지배한 후 페이딩 합니다. 1980년대 중반 이후 소비에트 베네라 우주선과 파이어니어 비너스 오비터 등 다양한 위성과 우주탐사기에 탑재된 기기에서 연구돼 왔지만 이들 의문의 고에너지 섬광 발생원은 여전히 수수께끼로 남아 있다. 그것들은 우주의 먼 곳에서 온 것 같고, 현재 가장 가능성이 높은 이론은 적어도 몇몇은 이른바 초신성 폭발(중성자별이 아닌 블랙홀을 만드는 초신성)에서 유래했다는 것입니다. 1972년 8월 4일과 7일, 1977년 11월 22일 태양 플레어에서 핵 감마선이 관측되었습니다. 태양 플레어는 태양 대기 중의 폭발로 원래 태양에서 시각적으로 검출되었습니다. 태양 플레어는 가장 긴 파장인 전파에서 고에너지 감마선까지 전전자 스펙트럼에 걸쳐 대량의 방사선을 발생시킵니다. 플레어 사이에 에너지를 공급받는 고에너지 전자와 감마선의 상관관계는 대부분 고에너지 양성자와 다른 중이온의 핵결합에 의해 야기됩니다. 이러한 감마선은 관측할 수 있으며 과학자들이 방출된 에너지의 주요 결과를 결정할 수 있습니다. 이것은 다른 파장으로부터의 방출에 의해 제공되지 않습니다. 또, Magnetar#1979에 의한 소프트 감마 리피터의 검출도 참조해 주세요.

검출기 기술

감마선 관측은 1960년대에 처음 가능해졌습니다. 이러한 관측은 X선이나 가시광보다 훨씬 문제가 있습니다. 감마선은 비교적 드물고 검출되기 몇 분 전 관측 시간이 있어야 하는 ‘밝은’ 광원이라도 감마선은 초점을 맞추기 어렵고 해상도가 매우 낮기 때문이다. 가장 최근 세대의 감마선 망원경(2000년대)은 찬드라 X선 관측소(1999년)가 저에너지 X선(1keV) 범위에서 본 0.5 아크 초와 비교해 GeV 범위에서 6 아크 분의 분해능을 갖고 있습니다. 고에너지 초점 망원경(2005년)으로 관측된 고에너지 X선(100keV) 범위의 5 아크뿐입니다. 광자 에너지가 최대 30 GeV를 넘는 매우 에너지 넘치는 감마선은 지상 실험에서도 검출할 수 있습니다. 이러한 높은 에너지로 광자 플럭스가 매우 낮아지려면 현재 공간 기반 기기에 대해 실용적으로 큰 검출기 유효 영역이 필요합니다. 이러한 고에너지 광자는 대기 중에 이차 입자의 광범위한 샤워를 생성하고 방사선 카운터에 의해 직접 초 상대론적 샤워 입자가 방출하는 체렌코프광을 통해 광학적으로 관찰할 수 있습니다. 이미지 처리 대기 체렌코프 망원경 기술은 현재 최고의 감도를 달성하고 있습니다. 게 성운에서 방출되는 TEV 범위의 감마선은 1989년 미국 애리조나주 홉킨스 산 프레드 로런스 휘플 천문대에 의해 처음 검출되었습니다. H.E.S.S. VERITAS, MAGIC, CANGAROO III 등 현대적인 체렌코프 망원경 실험은 게 성운을 몇 분만에 검출할 수 있습니다. 은하계 외 물체에서 관측된 가장 에너지가 높은 광자(최대 16TeV)는 블레이저인 마르카리란 501(Mr 501)에서 유래했습니다. 이러한 측정은 고에너지 감마선 천문학(HEGRA) 항공 체렌코프 망원경에 의해 수행되었습니다. 감마선 천문학 관측은 더 낮은 에너지에서 비 감마선 배경에 의해 여전히 제한되고 더 높은 에너지에서 검출할 수 있는 광자의 수에 의해 제한됩니다. 대규모 영역 검출기와 더 나은 백그라운드 억제는 현장의 진보에 필수적입니다. 2012년 발견으로 감마선 망원경의 초점을 맞출 수 있습니다. 700 KE를 넘는 광자 에너지에서는 굴절률이 다시 상승하기 위해 시작합니다.

1980년대와 1990년대

1988년 6월 19일 10:15 UTC에 Birgüi(50°20’W, 21°20’S)에서 2개의 NaI(Tl) 검출기(총면적 600cm2)를 5.5mb의 공압고도까지 운반하는 풍선 발사가 발생하여 총 관측시간은 6시간이었다.대마젤란운(LMC)의 초신성 SN 1987A는 1987년 2월 23일에 발견되었으며, 그 전신인 Sanduleak-69202는 2-5×1038erg/s의 광도를 가진 청색의 초고성이었다. 56Co 붕괴의 847keV와 1238keV 감마선이 검출되었습니다. 1977년 고에너지 천문대 프로그램에서 NASA는 감마선 천문학을 위한 ‘위대한 관측소’를 건설할 계획을 발표했습니다. 콤프턴 감마선 관측소(CGRO)는 1980년대 검출기 기술의 주요 진보를 이용하도록 설계돼 1991년 발사됐습니다. 위성은 4개의 주요 기기를 탑재하여 감마선 관측의 공간적 및 시간적 분해능을 대폭 개선했습니다. CGRO는 우리 우주의 고에너지 프로세스에 대한 이해를 향상시키기 위해 사용되고 있는 대량의 데이터를 제공했습니다. CGRO는 2000년 6월 안정화 자이로스코프의 1개 고장으로 궤도를 이탈했습니다. 벳푸 SAX는 1996년에 발사되어 2003년에 궤도를 이탈했습니다. 주로 X선을 연구했지만 감마선 폭발도 관찰되었습니다. 감마선 폭발에 대응하는 최초의 비감마선을 식별함으로써, 그들의 정확한 위치 결정과 먼 은하에서 퇴색 잔사의 광학적 관찰의 길을 열었습니다. High Energy Transient Explorer 2(HETE-2)는 2000년 10월에(명목상으로는 2년간의 미션으로) 발사되어 2007년 3월에 아직 운용되고 있었습니다. HETE-2 미션은 2008년 3월에 종료되었습니다.

2000년대와 2010년대

NASA의 우주선 Swift는 2004년에 발사되어 감마선 버스트 관측용 BAT 기기를 탑재하고 있습니다. 배포의 뒤를 이은 SAX와 HETE-2는 버스트에 대한 수많은 X선 및 광학적 대응을 관측하여 거리 결정과 상세한 광학적 추적으로 이어졌습니다. 이것들은 대부분의 폭발이 먼 은하에서 거대한 항성(초신성과 초신성)의 폭발에서 유래한다는 것을 증명하고 있습니다. 2021년 현재 스위프트는 운영을 계속하고 있습니다. 현재, (기타) 주요 우주 베이스의 감마선 관측소는 INTERTAL(국제 감마선 천체물리학 연구소), Fermi 및 AGIGLE(Astro-rivelatore Gamma Imagini Leggero)다. Integral(2002년 10월 17일 개시)은 체코, 폴란드, 미국, 러시아로부터의 추가 공헌을 가지는 ESA 미션입니다. AGILE은 ASI, INAF, INFN의 협업을 통한 이탈리아의 소규모 미션입니다. 인도의 PSLV-C8 로켓에 의해 2007년 4월 23일 소매치기해 리코타 ISRO 기지에서 발사되었습니다. 페르미는 2008년 6월 11일 NASA에 의해 발사되었습니다. 여기에는 대면적 망원경 LAT과 감마선 버스트 모니터의 GBM이 포함되어 있어 감마선 버스트를 연구합니다. 2010년 11월 페르미 감마선 우주망원경을 사용하여 은하 중심부에서 약 25,000광년에 걸친 2개의 거대한 감마선 버블이 검출되었습니다. 이러한 고에너지 방사 거품은 거대한 블랙홀이나 수백만 년 전에 형성된 항성이 폭발했다는 증거에서 생긴 것으로 생각됩니다. 그것들은 과학자들이 ‘하늘을 덮는 배경 감마선 안개’를 여과한 후 발견되었습니다. 이 발견은 큰 미지의 ‘구조’가 은하수의 중심에 있다는 이전의 단서를 확인했습니다. 2011년 페르미 연구팀은 위성 대면적 망원경(LAT)에 의해 검출된 감마 선원의 두 번째 카탈로그를 발표했고, 이를 통해 최고 에너지 형태의 빛으로 빛나는 1,873개의 물체를 나열했습니다. 그 57%가 블레이저입니다. 광원의 절반 이상이 활동 은하이며, 그 중심 블랙홀은 LAT에 의해 검출된 감마선 방출을 생성했습니다. 소스의 3분의 1은 다른 파장에서 검출되지 않았습니다. 지상 감마선 관측소에는 HAWC, MAGIC, HESS, VERITAS 등이 있습니다. 지상 관측소는 우주 관측소보다 높은 에너지 범위를 탐사하고 있습니다. 왜냐하면 그 유효 면적은 위성보다 월등히 클 수 있기 때문입니다.

최근의 관찰

2018년 4월 우주에서 고에너지 감마 선원의 가장 큰 카탈로그가 발표되었습니다. 2021년 5월 18일 보도자료에서 중국의 대형 고고도 바람 세척 천문대(LHAASO)는 관측된 최고의 에너지 광자인 1.4P eV를 포함한 1패다 전자볼트(4조 전자볼트 또는 PE)가 넘는 에너지를 가진 12개의 초고에너지 감마선을 검출했다고 보고했습니다. 보고서 작성자는 이러한 PE 감마 선원을 PeVatron이라고 이름 붙였습니다. [필요한 기능입니다]

선 버스트 GRB221009A 2022

칠레에 있는 쌍둥이자리 남쪽 망원경을 사용하는 천문학자들은 2022년 10월 14일 GRB221009A로 식별된 감마선 폭발로부터의 섬광을 관측했습니다. 감마선 폭발은 우주에서 발생하는 것으로 알려진 가장 에너지적인 빛 플래시입니다. NASA 과학자들은 폭발은 지구에서 24억 광년 떨어진 지점에서 일어난 것으로 추정했습니다. 감마선 폭발은 몇몇 거대한 별들이 수명이 끝날 때 폭발한 후 궁수자리 방향에서 블랙홀로 붕괴했을 때 발생했습니다. 폭발로 인해 18테라 전자볼트의 에너지가 방출된 것으로 추정되고 있습니다. GRB221009A는 장시간 감마선 폭발이며 아마도 초신성 폭발에 의해 야기된 것으로 보입니다.

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