IV Misiuni și perspective viitoare

Dezvoltarea oricărui telescop nou are ca obiectiv principal creșterea sensibilității, combinată cu o rezoluție unghiulară și spectrală îmbunătățită. În regimul razelor gamma, acest lucru se traduce invariabil printr-o mai bună determinare a pozițiilor de interacțiune a fotonilor și a depunerilor de energie în mediul de detecție. O determinare mai precisă a proprietăților razelor gamma care interacționează conduce direct la o rată de fond redusă, deoarece este mai puțin probabil ca adevăratele evenimente celeste să fie confundate cu interacțiunile de fond. Practic, fiecare telescop cu raze gamma aflat în curs de dezvoltare încearcă să îmbunătățească aceste măsurători de interacțiune prin exploatarea noilor tehnologii de detectare. Rezoluția spațială și energetică în cadrul materialelor detectoare este mult îmbunătățită, de exemplu, prin utilizarea detectoarelor cu benzi semiconductoare și pixeli nou dezvoltate (cum ar fi siliciul, germaniul și CdZnTe). Provocarea continuă este de a fabrica astfel de dispozitive sensibile la scară mică în cantități suficient de mari și de fiabile pentru a fi încorporate în noi instrumente de mare suprafață, la costuri care pot fi suportate în mod rezonabil. O altă caracteristică comună a telescoapelor de mare energie este numărul mare de semnale de date care trebuie procesate și înregistrate în sistemele de detectare cu mai multe canale. Utilizarea sporită a circuitelor integrate specifice aplicațiilor (ASIC) personalizate care utilizează tehnici de integrare la scară foarte mare (VLSI) este imperativă pentru funcționarea eficientă a instrumentelor de mare energie. Din fericire, viteza de calcul și capacitățile de stocare a datelor continuă să crească într-un ritm constant, iar experimentatorii se grăbesc să exploateze aceste noi capacități în proiectele lor de instrumente.

În momentul redactării acestui articol (2001), o serie de misiuni cu raze gamma sunt programate pentru lansare în viitorul apropiat (a se vedeaTabelul II). Principala dintre acestea este Laboratorul Internațional de Astrofizică a Razelor Gamma (INTEGRAL), o misiune a Agenției Spațiale Europene (ESA) cu participarea Rusiei și a NASA. INTEGRAL urmează să fie lansat în 2002 și va fi dedicat spectroscopiei de înaltă rezoluție (E/ΔE ∼ 500) și imagisticii (∼ 12″ FWHM) în intervalul de energie de la 15 kev la 10 MeV. INTEGRAL transportă două instrumente de raze gamma, spectrometrul SPI și imagerul IBIS, ambele operate ca telescoape cu deschidere codificată pentru identificarea precisă a surselor. SPI utilizează detectori de germaniu de înaltă puritate, în timp ce IBIS folosește două planuri de detecție, un strat frontal de elemente CdTe și un al doilea strat compus din pixeli CsI. Recunoscând necesitatea unei acoperiri în bandă largă, INTEGRAL transportă, de asemenea, două monitoare de raze X cu apertură codificată (JEM-X), precum și o cameră de monitorizare optică (OMC). Obiectivul științific principal al instrumentelor INTEGRAL este de a efectua studii spectroscopice de înaltă rezoluție ale surselor din regiunea liniilor nucleare ale spectrului.

Telescopul spațial Gamma-Ray Large Area Space Telescope (GLAST), programat pentru lansare de către NASA în 2005, va fi misiunea care va urma experimentului de mare succes CGRO EGRET. Sensibilitatea GLAST, de la 20 MeV la 300 Gev, se va extinde cu mult dincolo de domeniul EGRET, oferind o acoperire foarte necesară în regiunea Gev a spectrului slab observată. În GLAST va fi utilizată o tehnologie mai modernă de urmărire a particulelor (detectoare cu benzi de siliciu) în locul grilelor cu scântei și camere utilizate în telescoapele anterioare de producere a perechilor. GLAST va avea un câmp vizual mare (∼ 2 sr) și va obține o îmbunătățire de 30 de ori a sensibilității fluxului și de 10 ori a capacității de localizare a surselor punctiforme în comparație cu EGRET. GLAST va transporta, de asemenea, un monitor de explozie de raze gamma.

Misiunile concepute special pentru studii de explozie de raze gamma includ HETE-2 și Swift. High-Energy Transient Experiment-2 (HETE-2) a fost lansat în anul 2000 și a devenit operațional la începutul anului 2001. Acest satelit transportă trei instrumente științifice: un spectrometru de raze gamma aproape omnidirecțional, un monitor de raze X cu câmp larg și un set de camere cu raze X moi. Un obiectiv major al misiunii HETE-2 este identificarea rapidă și localizarea precisă a exploziilor de raze gamma, ale căror coordonate vor fi transmise în câteva secunde observatoarelor de la sol pentru căutări de contrapartide profunde. Misiunea Swift, selectată recent (a cărei lansare este programată pentru 2003), va efectua, de asemenea, studii pe mai multe lungimi de undă ale exploziilor de raze gamma, în maniera lui BeppoSAX și HETE-2. La fel ca și omonimul său aviar, Swift se va „hrăni din zbor”, localizând rapid exploziile de raze gamma cu o precizie de ∼ 1-4′ și transmițând coordonatele la sol în termen de ∼ 15 s pentru cercetări ulterioare ale omologilor. Swift poate fi, de asemenea, reorientat rapid pentru a efectua observații cu ajutorul telescoapelor sale cu raze X și ultraviolete/optice care vor fi folosite pentru a studia proprietățile de după strălucire, pentru a fixa pozițiile la nivel de secunde de arc și pentru a determina distanțele prin măsurători spectrale de deplasare spre roșu.

The High-Energy Solar Spectroscopic Imager (HESSI) este o misiune finanțată de NASA pentru a studia caracteristicile accelerării particulelor în erupțiile solare prin intermediul emisiilor de raze X și gamma produse în aceste evenimente energetice. HESSI, a cărui lansare este programată pentru 2001, la vârful ciclului solar, va efectua măsurători spectroscopice de înaltă rezoluție ale liniilor nucleare și ale continuumului de bremsstrahlung subiacent în intervalul energetic de la 3 kev la 20 MeV, cu ajutorul unui set de detectori de germaniu de înaltă puritate răcit. HESSI va realiza imagistica prin transformată Fourier a întregului Soare la o rezoluție de ∼ 2″-36″ pe toată gama sa de sensibilitate, utilizând colimatoare rotative modulante. Deoarece HESSI nu este ecranat, acesta poate efectua și alte observații non-solare, inclusiv măsurarea liniilor difuze galactice datorate radioactivității 26Al (la 1,809 MeV) și anihilării pozitronilor (la 0,511 MeV).

În domeniul studiilor planetare, misiunea Mars Odyssey a NASA este, de asemenea, programată pentru lansare în 2001. Printre instrumentele sale se numără un spectrometru de raze gamma și două detectoare de neutroni. Acestea vor fi folosite pentru a cartografia complet suprafața marțiană și pentru a-i determina compoziția elementară. Măsurătorile de neutroni și raze gamma, în combinație, vor fi, de asemenea, folosite pentru a obține o estimare a conținutului de apă din apropierea suprafeței marțiene.

Alte experimente și misiuni cu raze gamma au fost identificate ca fiind de mare prioritate de către Grupul de lucru pentru programul de astronomie cu raze gamma, un grup consultativ al NASA compus din oameni de știință din comunitatea de înaltă energie. Printre recomandările lor pentru dezvoltarea viitoare se numără un telescop Compton avansat care să utilizeze cele mai recente tehnologii de detectare pentru aplicații în regiunea MeV a spectrului.

Curentul științific cu balonul la mare altitudine a servit de mult timp ca un banc de testare pentru noi instrumente. Telescoapele cu raze gamma necesită expuneri lungi, din cauza fluxurilor relativ scăzute ale surselor și a fundalurilor instrumentale ridicate, în timp ce durata unui zbor tipic cu balonul, din păcate, poate fi adesea destul de limitată (cel mult câteva zile). Pentru a contracara acest dezavantaj, NASA a inițiat recent proiectul ULDB (Ultra-Long Duration Balloon), ale cărui zboruri planificate de 100 de zile în jurul lumii cu balonul vor prelungi considerabil durata de zbor a instrumentelor științifice. Programul ULDB va oferi oportunitățile atât de necesare pentru zboruri cu balonul de expunere mai lungă, precum și o alternativă atractivă cu costuri reduse la misiunile spațiale la scară largă.

Printre colaborările angajate în mod activ în studii aer-Cherenkov la sol ale razelor gamma TeV există, de asemenea, o serie de eforturi în curs de desfășurare pentru a moderniza instalațiile existente, în primul rând prin creșterea suprafeței colectoare optice. Poate că cele mai ambițioase sunt cele ale colaborării VERITAS, cu o rețea planificată de șapte telescoape de 10 m în SUA, ale grupului HESS germano-franco-italian cu 4 până la 16 telescoape de clasa 12 m care urmează să fie construite în Namibia, ale proiectului germano-spaniol MAGIC cu un telescop cu o deschidere de 17 m și ale rețelei japoneze SuperCANGAROO cu patru telescoape de 10 m în Australia. În cadrul unui efort conex, colaborarea MILAGRO construiește în New Mexico, SUA, un detector de apă-Cherenkov cu un câmp vizual larg pentru măsurători TeV. Fiind un detector acoperit și etanș la lumină, MILAGRO are avantajul suplimentar că poate rămâne operațional timp de 24 de ore pe zi.

.