Жер үстіндегі гамма сәулелерді байқау станциясы VERITAS

Кіріспе

Жерде орналасқан гамма сәулелерін бақылайтын обсерватория

VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) – гамма сәулелерін бақылау үшін 12 метрлік оптикалық рефлекторлардан тұратын төрттен бір массивті жерде орналасқан ірі гамма сәулелерін бақылайтын обсерватория, бұл обсерватория GeV – TeV фотон энергиясы диапазонында жұмыс істейді. VERITAS, гамма сәулелерінің Жер атмосферасында бөлшектердің дуындауын тудыратынын пайдаланып, "Атмосфералық Черенков телескопының бейнелеу" техникасын қолданады, бұл құбылыс кең ауқымды атмосфералық жауын-шашын деп аталады. VERITAS массиві АҚШ-тың оңтүстік Аризона штатындағы Фред Лоуренс Уиппл обсерваториясында орналасқан. VERITAS рефлекторының дизайны сол жерде орналасқан бұрынғы Whipple 10 метрлік гамма сәулелі телескопына ұқсас, бірақ оптикалық аберрацияны жақсырақ бақылау үшін оның көлемі үлкен және ошақ ұзындығы ұзартылған. VERITAS – 100 GeV – 10 TeV диапазонында ең жоғары сезімталдыққа (50 GeV-ден 50 TeV-ға дейін сезімталдықпен) қол жеткізу үшін атмосфералық Черенков жауын-шашындарын бірнеше бағыттан бақылайтын бейнелеу телескоптарының массивінен тұрады. 2007 жылы құрылысы аяқталған бұл өте жоғары энергиялы обсерватория, үлкен жинау алақанымен және жоғары энергия диапазонындағы қамтуымен Ферми гамма сәулелері ғарыш телескобының Үлкен аудандағы телескобын (LAT) тиімді толықтырады.

Нысан және жобалау

VERITAS төрт 12 м диаметрлі атмосфералық Черенков телескобынан құралған. Әрбір телескоп үлкен, басқарылатын оптикалық рефлектор мен жоғары жылдамдықты фотокөбейтуші түтік камерадан тұрады. Ауада кеңейген душ кезінде пайда болатын Черенков сәулесін стереоскопиялық түрде бақылау үшін бірнеше телескоп қажет. Бұл стереоскопиялық бақылаулар бөлшектер душының геометриясын дәл қалпына келтіруге мүмкіндік береді, соның салдарынан бір ғана телескопқа қарағанда бұрыштық және энергиялық ажыратымдылығын едәуір жақсартады. Келіп түскен душтың бұрыштық бағыты әрбір телескоптағы душ таралуының орталық осін анықтау және осы осьтердің қиылысқан жеріне дейін оларды жолға салу арқылы анықталады. Бұл осьтердің қиылысуы жоғарғы атмосферада ауа душын қозғаған бастапқы бөлшектің (космикалық сәуле немесе гамма сәуле) кіретін бағытын анықтайды. Сонымен қатар, ол душ ядросының орнын анықтайды, яғни бастапқы бөлшектің жер бетіне экстраполяцияланған орнын, егер ол өзара әрекеттеспеген болса. Бастапқы бөлшектің энергиясы әрбір телескопта өлшенген Черенков жарығының жалпы мөлшерінен және осы телескоптың душ ядросынан қашықтығынан анықталады. Әрбір жеке телескоптың апертурасы 12 м, ал көру бұрышы 3,5 градусқа тең. Телескоптар Davies Cotton оптикалық дизайны бойынша салынған, ол сфералық рефлекторды қолданады және құрастыру мен реттеу процесін жеңілдетеді. Бұл дизайн камераға Черенков фотондарының келу уақытында шамалы айырмашылықтарға (шамамен 4 наносекунд) себеп болады. Рефлектор 350 жеке айналық беттен тұрады, олар алтыбұрышты пішіндес және қатты оптикалық тірек құрылымына орнатылған. Әрбір телескоптың камерасында 499 жеке пиксел бар (диаметрі 26 мм фотокөбейтуші түтіктер). VERITAS, басқа IACT сияқты, жерде анықтауға жеткілікті атмосфералық Черенков жарығын тудыратын бастапқы бөлшектерге сезімтал. Оның сезімталдығының толық диапазоны 50 ГэВ-тан 50 ТэВ-қа дейін (дегенмен, спектрлік реконструкция көздің күшіне байланысты кемінде 100 ГэВ-тан басталады). Энергия және бұрыштық ажыратымдылығы түскен гамма сәулесінің энергиясына байланысты, бірақ 1 ТэВ кезінде энергия ажыратымдылығы ~17%, ал бұрыштық ажыратымдылығы 0,08 градусқа (65% қамту радиусы) тең. Бүкіл массивтің 1 ТэВ-тан жоғары ең жоғары тиімді ауданы 100 000 шаршы метрді құрайды. VERITAS 25 сағаттан кем уақыт бақылауда, шамамен 1% гамма сәулелі ағыны бар өте әлсіз астрофизикалық көзді (мысалы, Crab Nebula) анықтай алады. Күштірек көздерді айтарлықтай аз уақытта анықтауға болады. VERITAS үш деңгейлі триггер жүйесін қолданады, ол фондық оқиғаларды (яғни адрондық душтар мен мюондар) немесе шуды (яғни жұлдыздар мен айдың жарығы) және мақсатты деректерді (яғни гамма сәулелері тудырған электромагниттік душтар) ажыратуға мүмкіндік береді. Бірінші деңгей тұрақты бөлшек дискриминаторларын пайдаланып әр пикселдегі деңгейлік өтуге сәйкес келеді. Екінші деңгей – бұл үлгіні таңдау триггері, ол фотон сияқты тығыз пішіндерге ие душтарды таңдайды және әр камерада кездейсоқ пішіндер тудыратын көптеген фондық душтарды жояды. Үшінші деңгей – бұл массивтік триггер, ол бірнеше телескоптарда душ келу уақытындағы сәйкестікті іздейді. Атмосфераның жоғарғы қабатында гамма сәулелері тудыратын Черенков жарығы өте әлсіз болғандықтан, VERITAS ашық, қараңғы аспанда жақсы бақылайды. Бұлтты немесе жаңбырлы аспан астында немесе Ай өте жарық болғанда бақылау мүмкін емес. Алайда, Айдың жарығы шамалы немесе орташа болған кезде (әдетте 60% -дан аз жарықтандыру) бақылаулар жүзеге асырылады. Жылдық бақылау уақыты әдетте 1200 сағатқа жуық (оның ішінде 200–250 сағаты айдың жарығымен 20%–60% аралығында жарықтандыру кезінде). Обсерватория жергілікті муссондық жағдайларға байланысты шілде және тамыз айларында деректер жинамайды.

VERITAS is constructed of four 12 m diameter Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes with an approximate separation of between each adjacent telescope. Each telescope comprises a large, steerable optical reflector and a high speed photomultiplier tube camera. Multiple telescopes in an array are needed for stereoscopic observations of the Cherenkov light produced in extensive air showers. These stereoscopic observations allow precise reconstruction of the particle shower geometry, thus giving greatly improved angular and energy resolution compared to a single telescope. The angular direction of the incoming shower is determined by finding the central axis of the spread of the shower on each telescope and tracing those axes until they cross. The intersection of these axes determines the incoming direction of the primary particle (cosmic ray or gamma ray) that initiated the air shower in the upper atmosphere. It also determines the shower core position, i. e. the extrapolated position of the primary particle on the ground had it not interacted. The energy of the primary particle is determined from the total amount of Cherenkov light measured in each telescope, along with the distance of that telescope from the shower core. Each of the individual telescopes has a 12 m diameter aperture and a 3.5 degree field of view. The telescopes are built on a Davies Cotton optical design, which uses a spherical reflector and is straight forward to construct and align. This design does cause some time spread in the arrival of Cherenkov photons at the camera, but this spread is small (~ 4 nanoseconds). The reflector consists of 350 individual mirror facets, hexagonal in shape, mounted on a rigid optical support structure. The camera on each telescope has 499 individual pixels (high speed 26 mm diameter photomultiplier tubes). VERITAS, like other IACTs, is sensitive to primary particles that produce sufficient atmospheric Cherenkov light to be detectable at the ground. Its full range of sensitivity is from 50 GeV to 50 TeV (although the spectral reconstruction does not start until at least 100 GeV, depending on source strength). The energy and angular resolution depend on the energy of the incident gamma ray but at 1 TeV the energy resolution is ~17%, and the angular resolution is 0.08 degrees (65% containment radius). The entire array has a peak effective area of 100,000 square meters above 1 TeV. A very weak astrophysical source with a gamma ray flux only 1% of the Crab Nebula can be detected by VERITAS in under 25 hours of observation. Stronger sources can be detected in significantly less time. In order to distinguish between the background events (i. e. hadronic showers and muons) or noise (i. e. starlight and moonlight) and the targeted data (i. e. electromagnetic showers produced by gamma rays), VERITAS uses a three level trigger system. Level one corresponds to a level crossing on each pixel using constant fraction discriminators. Level two is a pattern selection trigger, which selects photon like showers, which have compact shapes, and eliminates most of the background showers, which produce more random shapes in each camera. Level three is the array trigger which looks for a coincidence in the arrival time of the shower at multiple telescopes. The Cherenkov light that is produced by gamma rays in the upper atmosphere is very dim, so VERITAS observes best under clear, dark skies. Observations are not possible under cloudy or rainy skies, or when the Moon is very bright. However, observations are regularly made when the Moon is dim or moderate in brightness (typically less than 60% illumination). The total yearly observation time is typically around 1,200 hours (of which around 200–250 hours is during brighter moonlight with illumination between 20 and 60%). The observatory does not generally collect data in July or August due to local monsoon conditions.

Тарих

VERITAS жоғары энергиялы (VHE) гамма сәулелерінің, 100 ГеВ-тан жоғары энергия деңгейін зерттеу үшін құрастырылған. Уиппл телескопының 1989 жылы Жаратушы гамма сәуле көзін – Жаратушы тұмандығын табысымен жалғасқан. Уиппл телескопы бейнелеуші Черенков камерасын, 10 метрлік үлкен рефлектормен жұптастырып, алғашқы VHE гамма сәуле көзін анықтауда үлкен рөл атқарды. Кейіннен Ла-Пальмадағы HEGRA телескопы, атмосфералық Черенков телескоптарының массивін қолдана отырып, 1 ТэВ-тан жоғары сезімталдықты көрсетті. VERITAS стереоскопиялық бақылаулардың тиімділігін үлкен рефлекторлармен үйлестіріп, төмен энергия шегін қамтамасыз етеді. Уиппл телескопымен салыстырғанда, VERITAS 12 метрлік үлкен рефлекторларды, жақсартылған оптиканы, жарық жинау тиімділігін және жоғары пикселді камераны пайдаланады. Жазу (500 Мс/с жылдамдықтағы арнайы жасалған Flash ADC-лерді қолдану) және триггерлік электроника (үш деңгейлі күрделі жүйе) бұрынғы құралдармен салыстырғанда едәуір жақсартылды. VERITAS 1990-шы жылдарда, CANGAROO III, H. E. S. S. және MAGIC сияқты басқа үш атмосфералық Черенков телескопы (IACT) массивімен бірге жобаланды. Қазіргі уақытта VERITAS батыс жарты шардағы жалғыз IACT массиві болып табылады. VERITAS (сол кезде VHEGRA деп аталған) жобасының алғашқы ұсынысын 1995 жылы Тревор Уикс (Смитсония астрофизикалық обсерваториясы (SAO)) Смитсония институтына ұсынды. Бұл ұсыныс диаметрі 10 метрлік тоғыз Черенков телескобынан тұратын массивті сипаттады. 1998 жылы Чикаго университетінде VERITAS ынтымақтастығының алғашқы отырысы өтті. 2000 жылы VERITAS концепциясы, жеті телескоптан тұратын массив ретінде, Астрономия және Астрофизика бойынша 2000 жылғы онжылдық зерттеуінде орташа көлемді жоба ретінде ұсынылды. Аризонадағы екі ұсынылған орынға (Монтоза каньоны, Хопкинс тауының етегінде және Китт шыңы) байланысты қиындықтар, сондай-ақ қаржыландырудың шектелуі салдарынан кешігулер туды. Төрт телескоптан тұратын массив (қазір 12 метрлік рефлекторлармен) жобасы 2002 жылы жақсы бағаланды және VERITAS құрылысы 2003 жылы Фред Лоуренс Уиппл обсерваториясында басталды. Алғашқы прототиптік телескоп #1 ретінде аяқталды және 2004 жылы алғашқы жарық көрді. #2 телескоптың құрылысы 2005 жылы аяқталды және сол жылы алғашқы стерео бақылаулар басталды. #3 және #4 телескоптар 2007 жылдың басында аяқталды, ал толық телескоп массиві үшін алғашқы жарық беру рәсімі 27-28 сәуірде өтті. VERITAS-тың тұрақты ғылыми жұмысы 2007 жылдың қыркүйегінде басталды. VERITAS құрылысын АҚШ-та Энергетика министрлігі, Ұлттық ғылым қоры және Смитсония институты қаржыландырды. Құрылысқа қосымша қаржыландыруды Enterprise Ireland (қазір Science Foundation Ireland) және Ұлыбританиядағы Бөлшектер физикасы және астрономия ғылыми-зерттеу кеңесі ұсынды. VERITAS-ты 2007 жылдан бері жүйелі түрде жаңарту және жетілдіру жұмыстары жүргізілуде. #1 телескоп 2009 жылдың жазында массивтің геометриясын жақсарту (және гамма сәулелеріне сезімталдықты арттыру) үшін жаңа орынға көшірілді.

VERITAS was designed to explore the very high energy (VHE) gamma ray sky above 100 GeV, following up on the success of the Whipple 10 m gamma ray telescope. The Whipple telescope pioneered the use of an imaging Cherenkov camera, coupled with a large 10 m diameter reflector, to make the first definitive detection of a VHE gamma ray source, the Crab Nebula in 1989. Subsequently, the HEGRA telescope on La Palma demonstrated good sensitivity above 1 TeV using an array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. VERITAS combines the benefits of stereoscopic observations in an array with large reflectors for a low energy threshold. Compared to the Whipple telescope, VERITAS employs larger 12 m diameter reflectors, improved optics and light collection efficiency, and a finer pixelated camera. Both the recording (using 500 MS/s custom made Flash ADCs) and trigger electronics (using a sophisticated three level system) were significantly improved compared to earlier instruments. VERITAS was conceived in the 1990s, along with three other imaging atmospheric Cherenkov telescope (IACT) arrays: CANGAROO III, H. E. S. S. and MAGIC. VERITAS is currently the only IACT array operating in the western hemisphere. The first proposal for VERITAS (called VHEGRA at the time) was submitted by Trevor Weekes (Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO)) to the Smithsonian Institution in 1995; this proposal described an array of nine 10 m diameter Cherenkov telescopes. In 1998, the first VERITAS collaboration meeting was held at the University of Chicago. In 2000, the concept of VERITAS as a seven telescope array was recommended by the 2000 Decadal Survey in Astronomy and Astrophysics as a moderate sized project. Delays were incurred due to difficulties with two proposed sites in Arizona (Montosa Canyon at the base of Mount Hopkins and Kitt Peak) and due to a reduction in available funding. The proposal for a four telescope array (now with 12 m diameter reflectors) was favorably reviewed in 2002 and construction of VERITAS started in 2003 at the Fred Lawrence Whipple Observatory. An initial prototype telescope was completed as Telescope #1 and saw first light in 2004. The construction of Telescope #2 was completed in 2005 and first stereo observations started that year. Telescopes #3 and #4 were completed by early 2007 and the first light celebration for the full for telescope array was on 27 28 April 2007. Regular science operations for VERITAS started in September 2007. The construction of VERITAS was largely funded in the U. S. by Department of Energy, the National Science Foundation, and the Smithsonian Institution. Additional construction funding was provided by Enterprise Ireland (now Science Foundation Ireland) and the Particle Physics and Astronomy Research Council in the United Kingdom. Improvements and upgrades to VERITAS have been made periodically since 2007. Telescope #1 was moved in the summer of 2009 to a new location for better array geometry (and improved gamma ray sensitivity).

Ынтымақтастық

VERITAS ынтымақтастығы ресми түрде 2000 жылы үш елдің тоғыз мүше мекемесі арасында командалық келісімге қол қою арқылы құрылды. Мүше мекемелер: Айова мемлекеттік университеті, Пердью университеті, Смитсонов астрофизикалық обсерваториясы, Калифорния университеті, Лос-Анджелес, Чикаго университеті, Юта университеті және Сент-Луис қаласындағы Вашингтон университеті (АҚШ), Лидс университеті (Ұлыбритания) және Ирландиядағы Дублин ұлттық университеті. 2008 жылы жаңартылған келісім бойынша ондық мүше – Канададағы Макгилл университеті қосылды. Мүше мекемелердің өкілдері VERITAS Атқарушы кеңесін (VEC) құрайды, ол ынтымақтастық шеңберіндегі шешім қабылдаудың соңғы органы болып табылады. 2008 жылы ынтымақтастық VERITAS ғылыми бағдарламасын басқаратын, ғылыми кеңесте өкілдігі бар бірлесіп жұмыс істейтін мекемелердің қосылуымен кеңейтілді. Алғашқы бірлесіп жұмыс істейтін мекемелер: Адлер планетарийы, Барнард колледжі, Корк технология институты, Депау университеті, Галвей-Мейо технология институты, Гриннелл колледжі, Ирландия ұлттық университеті (Галвей), Калифорния университеті (Санта-Круз), Айова университеті және Массачусетс университеті (Амхерст). 2019 жылдың соңына қарай VERITAS ынтымақтастығына Канада, Германия, Ирландия және АҚШ мекемелерінен ~80 ғалым кіреді. Қатысушы мекемелер: Барнард колледжі, Колумбия университеті, Корк технология институты, DESY, Джорджия технология институты, Айова мемлекеттік университеті, Макгилл университеті, Ирландия ұлттық университеті (Галвей), Пердью университеті, Смитсонов астрофизикалық обсерваториясы, Дублин университеті колледжі, Калифорния университеті (Лос-Анджелес), Калифорния университеті (Санта-Круз), Чикаго университеті, Делавэр университеті, Айова университеті, Миннесота университеті, Юта университеті және Сент-Луис қаласындағы Вашингтон университеті. Сондай-ақ, басқа да мекемелердің мүшелері мен қауымдасқан мүшелері бар. VERITAS ғылыми кеңесінің төрағасы – Баспасөз хатшысы. Ынтымақтастықты басқаруға көмектесетін Баспасөз хатшысының орынбасары бар. VERITAS Баспасөз хатшылары мен орынбасарларының хронологиялық тізімі төмендегі кестеде келтірілген. 2007 жылдан бастап Баспасөз хатшысы/орынбасары екі жылдық мерзімге сайланады және қайта сайлануы мүмкін. +КезеңдерБаспасөз хатшысыБаспасөз хатшысының орынбасары2000–2007Тревор Уикс (SAO)n/a2007–2009Симон Сворди (U. Чикаго)Рене Онг (UCLA)2009–2011Рене Онг (UCLA)Джейми Холдер (U. Делавэр)2011–2013Рене Онг (UCLA)Решми Мукерджи (Барнард колледжі)2013–2015Джейми Холдер (U. Делавэр)Джон Финли (Пурдью университеті)2015–2017Решми Мукерджи (Барнард колледжі)Скот Уэйкли (Чикаго университеті)2017–2019Решми Мукерджи (Барнард колледжі)Скот Уэйкли (Чикаго университеті)2019–2021Джон Куинн (UCD)Дэвид Уильямс (UCSC)2021–2023Джон Куинн (UCD)Эми Фурнис (CSU, East Bay)2023–2025Эми Фурнис (CSU, East Bay)Манель Эрандо (Вашингтон университеті) 2019 жылға қарай VERITAS-ты келесі агенттіктер қаржыландырады: АҚШ-тағы Ұлттық ғылым қоры және Смитсонов институты, Канададағы Табиғи ғылымдар және инженерлік зерттеулер кеңесі, Германиядағы Гельмгольц қауымдастығы.

The VERITAS collaboration was officially formed by the signing of a teaming agreement in 2000 between nine member institutions in three countries. The member institutions were: Iowa State University, Purdue University, Smithsonian Astrophysical Observatory, University of California, Los Angeles, University of Chicago, University of Utah, and Washington University in St. Louis in the U. S., University of Leeds in the U. K. and National University of Ireland Dublin in Ireland. A tenth member institution, McGill University in Canada, was added with an updated agreement in 2008. Representatives from the member institutions form the VERITAS Executive Council (VEC), that serves as the ultimate decision making authority within the collaboration. In 2008, the collaboration was enlarged by the addition of collaborating institutions that have representation on the VERITAS Science Board, that directs the science program of VERITAS. The initial collaborating institutions were: Adler Planetarium, Barnard College, Cork Institute of Technology, DePauw University, Galway Mayo Institute of Technology, Grinnell College, National University of Ireland, Galway, University of California, Santa Cruz, University of Iowa and University of Massachusetts, Amherst. As of 2019, the VERITAS collaboration consists of ~80 scientists from institutions in Canada, Germany, Ireland and the U. S. The participating institutions are: Barnard College, Columbia University, Cork Institute of Technology, DESY, Georgia Institute of Technology, Iowa State University, McGill University, National University of Ireland, Galway, Purdue University, Smithsonian Astrophysical Observatory, University College Dublin, University of California, Los Angeles, University of California, Santa Cruz, University of Chicago, University of Delaware, University of Iowa, University of Minnesota, University of Utah, and Washington University in St. Louis. There are also non affiliated and associate members from a number of other institutions. The chair of the VERITAS Science Board is the Spokesperson. There is a Deputy Spokesperson to assist in the leadership of the collaboration. A chronological list of the VERITAS Spokespersons and Deputy Spokespersons is given in the table below. Starting in 2007, the Spokesperson/Deputy Spokesperson served a two year term and may be re elected. +DatesSpokespersonDeputy Spokesperson2000 2007Trevor Weekes (SAO)n/a2007 2009Simon Swordy (U. Chicago)Rene Ong (UCLA)2009 2011Rene Ong (UCLA)Jamie Holder (U. Delaware)2011 2013Rene Ong (UCLA)Reshmi Mukherjee (Barnard College)2013 2015Jamie Holder (U. Delaware)John Finley (Purdue U. )2015 2017Reshmi Mukherjee (Barnard College)Scott Wakely (U. Chicago)2017 2019Reshmi Mukherjee (Barnard College)Scott Wakely (U. Chicago)2019 2021John Quinn (UCD)David Williams (UCSC)2021 2023John Quinn (UCD)Amy Furniss (CSU, East Bay)2023 2025Amy Furniss (CSU, East Bay)Manel Errando (Washington Univ.) As of 2019, the following agencies provide operational funding for VERITAS: the National Science Foundation and the Smithsonian Institution in the U. S., the Natural Sciences and Engineering Research Council in Canada, the Helmholtz Association in Germany.