IV Framtida uppdrag och framtidsutsikter

Det primära målet med utvecklingen av nya teleskop är att öka känsligheten i kombination med förbättrad vinkel- och spektralupplösning. I gammastrålningsregimen innebär detta alltid en förbättrad bestämning av positioner för fotoninteraktioner och energidepositioner i det detekterande mediet. En noggrannare bestämning av egenskaperna hos interagerande gammastrålar leder direkt till en minskad bakgrundsfrekvens, eftersom det är mindre sannolikt att verkliga himmelska händelser förväxlas med bakgrundsinteraktioner. Nästan alla gammateleskop som håller på att utvecklas försöker förbättra dessa interaktionsmätningar genom att utnyttja ny detektorteknik. Den rumsliga och energimässiga upplösningen i detektormaterialen har förbättrats avsevärt, t.ex. med hjälp av nyutvecklade halvledarband- och pixeldetektorer (t.ex. kisel, germanium och CdZnTe). Den fortsatta utmaningen är att tillverka sådana känsliga småskaliga anordningar i tillräckligt stora och tillförlitliga mängder för att de skall kunna införlivas i nya instrument för stora områden, till en kostnad som är rimlig. Ett annat gemensamt kännetecken för högenergiteleskop är det stora antalet datasignaler som måste bearbetas och registreras i flerkanalsdetektorsystem. Ökad användning av anpassade ASIC-kretsar (Application-Specific Integrated Circuit) med användning av VLSI-teknik (Very Large Scale Integration) är absolut nödvändig för effektiv drift av högenergiinstrument. Lyckligtvis fortsätter beräkningshastigheten och datalagringskapaciteten att öka i jämn takt, och experimentalisterna är snabba på att utnyttja dessa nya möjligheter i sina instrumentkonstruktioner.

I skrivande stund (2001) planeras ett antal gammastrålningsuppdrag att lanseras inom en nära framtid (se tabell II). Ett av de viktigaste är det internationella laboratoriet för gammastrålningsastrofysik (INTEGRAL), ett uppdrag som utförs av Europeiska rymdorganisationen (ESA) med deltagande av Ryssland och NASA. INTEGRAL skall skjutas upp 2002 och kommer att ägna sig åt högupplöst spektroskopi (E/ΔE ∼ 500) och avbildning (∼ 12″ FWHM) inom energiområdet från 15 kev till 10 MeV. INTEGRAL har två gammastrålningsinstrument, SPI-spektrometern och IBIS-bildtagaren, som båda drivs som teleskop med kodad öppning för noggrann källidentifiering. SPI använder germaniumdetektorer med hög renhet, medan IBIS använder två detektorplan, ett främre skikt av CdTe-element och ett andra skikt bestående av CsI-pixlar. Med tanke på behovet av bredbandstäckning har INTEGRAL också två röntgenmonitorer med kodad öppning (JEM-X) samt en optisk övervakningskamera (OMC). INTEGRAL-instrumentens främsta vetenskapliga mål är att utföra spektroskopiska studier med hög upplösning av källor i spektrumets kärnlinjeregion.

Gamma-Ray Large Area Space Telescope (GLAST), som enligt planerna skall skjutas upp av NASA 2005, kommer att vara ett uppföljningsuppdrag till det mycket framgångsrika EGRET-experimentet från CGRO. GLAST:s känslighet, från 20 MeV till 300 Gev, kommer att sträcka sig långt utanför EGRET:s räckvidd, vilket ger en välbehövlig täckning i den dåligt observerade Gev-regionen av spektrumet. En modernare teknik för partikelspårning (kiselbandsdetektorer) kommer att användas i GLAST i stället för de gnistkammargaller som användes i tidigare parproduktionsteleskop. GLAST kommer att ha ett stort synfält (∼ 2 sr) och kommer att förbättra flödeskänsligheten med en faktor 30 och förmågan att lokalisera punktkällor med en faktor 10 jämfört med EGRET. GLAST kommer också att ha en monitor för gammastrålar.

Missioner som utformats särskilt för studier av gammastrålar är HETE-2 och Swift. High-Energy Transient Experiment-2 (HETE-2) lanserades år 2000 och togs i drift i början av 2001. Satelliten har tre vetenskapliga instrument: en nära-omnidirektionell gammastrålspektrometer, en röntgenmonitor med brett fält och en uppsättning kameror för mjuka röntgenstrålar. Ett viktigt mål för HETE-2-uppdraget är snabb identifiering och noggrann lokalisering av gammastrålningsutbrott, vars koordinater kommer att vidarebefordras inom några sekunder till markbaserade observatorier för djupa sökningar efter motsvarigheter. Det nyligen utvalda Swift-uppdraget (planerad uppskjutning 2003) kommer också att genomföra studier av gammastrålningsutbrott i flera våglängder på samma sätt som BeppoSAX och HETE-2. I likhet med sin aviära namne kommer Swift att ”äta i farten” genom att snabbt lokalisera gammastrålningsutbrott med ∼ 1-4′ noggrannhet och överföra koordinater till marken inom ∼ 15 s för uppföljande undersökningar av motsvarigheter. Swift kan också snabbt omorienteras för att utföra observationer med sina röntgen- och ultravioletta/optiska teleskop som kommer att användas för att studera efterljusegenskaper, fastställa positioner till bågsekundersnivå och bestämma avstånd via spektrala rödförskjutningsmätningar.

High-Energy Solar Spectroscopic Imager (HESSI) är ett NASA-finansierat uppdrag som syftar till att studera egenskaperna hos partikelaccelerering i solutbrott via den röntgen- och gammastrålning som produceras i dessa energirika händelser. HESSI, vars uppskjutning är planerad till 2001 på toppen av solcykeln, kommer att utföra högupplösta spektroskopiska mätningar av kärnlinjer och underliggande bremsstrahlungkontinuum inom energiområdet från 3 kev till 20 MeV med hjälp av en uppsättning kylda germaniumdetektorer med hög renhet. HESSI kommer att utföra Fouriertransform-avbildning av hela solen med ∼ 2″-36″ upplösning över det känsliga området med hjälp av roterande modulerande kollimatorer. Eftersom HESSI är oskärmad kan den också utföra andra icke-solära observationer, bland annat mätning av de galaktiska diffusa linjerna på grund av radioaktivt 26Al (vid 1,809 MeV) och positronförintelse (vid 0,511 MeV).

Inom planetstudier planeras också NASA:s Mars Odyssey-uppdrag att skjutas upp under 2001. Bland dess uppsättning instrument finns en gammastrålspektrometer och två neutrondetektorer. Dessa kommer att användas för att fullständigt kartlägga Mars yta och bestämma dess elementära sammansättning. Neutron- och gammastrålningsmätningarna i kombination kommer också att användas för att få en uppskattning av vatteninnehållet i Mars-ytan nära ytan.

Andra gammastrålningsexperiment och -uppdrag har identifierats som högprioriterade av Gamma-Ray Astronomy Program Working Group, en rådgivande panel till NASA bestående av vetenskapsmän från högenergisamhället. Bland deras rekommendationer för framtida utveckling finns ett avancerat Compton-teleskop som använder den senaste detektortekniken för tillämpning i MeV-området av spektrumet.

Vetenskapliga ballonger på hög höjd har länge fungerat som en testbädd för nya instrument. Gammastrålningsteleskop kräver långa exponeringar på grund av de jämförelsevis låga källflödena och den höga instrumentella bakgrunden, medan varaktigheten av en typisk ballongflygning tyvärr ofta kan vara ganska begränsad (högst några dagar). För att motverka denna nackdel har NASA nyligen inlett ULDB-projektet (Ultra-Long Duration Balloon), vars planerade 100-dagars ballongflygningar runt om i världen kommer att förlänga tiden i luften för vetenskapliga instrument avsevärt. ULDB-programmet kommer att ge välbehövliga möjligheter till ballongflygningar med längre exponering samt ett attraktivt lågkostnadsalternativ till fullskaliga rymduppdrag.

Av de samarbeten som är aktivt engagerade i markbaserade luft-Cherenkov-studier av TeV-gammablixtar pågår också ett antal insatser för att uppgradera befintliga anläggningar, främst genom att öka den optiska uppsamlingsytan. De kanske mest ambitiösa är de som genomförs av VERITAS-samarbetet, med en planerad uppsättning av sju 10-m-teleskop i USA, den tysk-fransk-italienska HESS-gruppen med 4 till 16 teleskop i 12-m-klassen som skall byggas i Namibia, det tysk-spanska MAGIC-projektet med ett teleskop med 17-m-öppning, och den japanska SuperCANGAROO-gruppens uppsättning av fyra 10-m-teleskop i Australien. I en relaterad satsning bygger MILAGRO-samarbetet en vatten-Cherenkov-detektor med ett brett synfält i New Mexico i USA för TeV-mätningar. Som en täckt ljustät detektor har MILAGRO den extra fördelen att den kan vara i drift 24 timmar om dygnet.