Введение

Спутник NASA программы Explorer Explorer 11 (также известный как S 15) был спутником NASA, на котором впервые в космосе был установлен гамма-телескоп. Это ознаменовало начало космической гамма-астрономии. Запущенный 27 апреля 1961 года ракетой-носителем Juno II, спутник передавал данные до 17 ноября 1961 года, когда проблемы с электропитанием прекратили научную миссию. За семь месяцев существования космического аппарата было зарегистрировано двадцать два гамма-всплеска и приблизительно 22 000 событий космического излучения.

Запуск

"Эксплорер-11" был запущен с целью обнаружения источников высокоэнергетических гамма-лучей. Космический аппарат вышел на орбиту с апогеем в , перигеем в , периодом 108,10 минут и наклонением 28,90°. Помимо обнаружения гамма-лучей, "Эксплорер-11" был разработан для картирования их направления с особым вниманием к плоскости Галактики, Галактическому центру, Солнцу и другим известным источникам радиоизлучения; для установления связи между измерениями и плотностью потока космических лучей и плотностью межзвездной среды; и для измерения высокоэнергетического альбедо гамма-лучей в атмосфере Земли. Спутник представлял собой октагональную алюминиевую конструкцию в форме ящика со стабилизацией вращением, установленную на цилиндре (диаметром и длиной). "Эксплорер-11" был сконструирован таким образом, чтобы его стабильное движение представляло собой кувырок вокруг поперечной главной оси с наибольшим моментом инерции. Гамма-телескопический комплекс был установлен таким образом, чтобы его ось чувствительности, параллельная продольной оси спутника, вращалась в плоскости кувырка. Ориентация этой оси в пространстве определялась с точностью до 5° с помощью оптических датчиков ориентации и с использованием известной диаграммы направленности антенны аппарата. Телеметрия передавалась только в реальном времени двумя передатчиками PM, поскольку бортовой магнитофон вышел из строя при запуске.

Сэндвич из кристалла / счетчик Черенкова

Инструментарий для эксперимента с кристаллическим сэндвичем Черенкова на Explorer 11 был таким же, как и для эксперимента с гамма-телескопом. Эксперимент с гамма-лучами был разработан исследователями из Массачусетского технологического института (MIT) главным образом для обнаружения космических гамма-лучей с энергией более 50 МэВ. Данные о заряженных частицах собирались с использованием того же инструмента. Этот телескоп использовался для определения интенсивности и распределения углов наклона геомагнитно захваченных протонов. Телескоп состоял из антисовпадения пластикового щита, слоев кристаллов йодида натрия (NaI) и йодида цезия (CsI), а также цилиндрического детектора Черенкова. При снятии требования антисовпадения с пластиковым сцинтиллятором, информация о заряженных частицах регистрировалась всеми тремя счетчиками. Кроме того, фиксировались совпадения заряженных частиц между кристаллическим сэндвичем и детекторами Черенкова. В этом режиме получалась информация о направлении. Эффективная площадь телескопа составляла примерно… Направление взгляда телескопа совпадало с осью симметрии космического аппарата. Для пучка, падающего параллельно направлению взгляда телескопа, эффективность обнаружения падала до 0 при отклонении на 15° от этого направления. Энергетические пороги для каждого детектора были следующими: (1) сцинтилляционный пластик (верхняя часть) – электроны 350 кэВ, протоны 3,5 МэВ; (2) сцинтилляционный пластик (нижняя часть) – электроны 400 кэВ, протоны 35 МэВ; (3) кристаллический сэндвич – электроны 400 кэВ, протоны 75 МэВ; и (4) Черенков – электроны 15 МэВ, протоны 350 МэВ. Время накопления данных о заряженных частицах составляло приблизительно 30 секунд. Единственная схема масштабирования на Explorer 11 позволяла контролировать только один канал за раз. В течение 7 месяцев, когда прибор был включен и работал на орбите, полезным временем наблюдения считались только 141 час (3%). В течение этого времени телескоп осуществлял наблюдение за гамма-лучами и заряженными частицами.

Контртелескоп Фосвича-Черенкова

Этот эксперимент был разработан для поиска высокоэнергетических гамма-лучей (энергией более 50 МэВ) с небесной сферы. Основная схема детектора состояла из сэндвича сцинтилляционных кристаллов NaI и CsI (20 г/см2), считываемого одним фотоумножителем, и счетчика Черенкова из Lucite, считываемого двумя фотоумножителями. Он был полностью окружен щитом из сцинтиллирующего пластика, который наблюдался пятью фотоумножителями. Сэндвич-детектор обеспечивал материал с высоким атомным номером для процесса образования пар, то есть энергичные гамма-лучи преобразовывались в электрон-позитронные пары. Затем электроны и позитроны попадали в счетчик Черенкова, который регистрировал частицы, проходящие через его объем только в направлении вниз. Одновременные электрические сигналы от двух фотоумножителей указывали на то, что через телескоп прошла одна или несколько заряженных частиц. Сигналы или их отсутствие от окружающего пластикового щита в момент регистрации события указывали, была ли причиной регистрации незаряженная или заряженная частица. Кроме того, "последняя" и "суммарная" составляющие сигналов от фотоумножителя, считывающего сэндвич-детектор, позволяли различать события, вызванные нейтронами и гамма-лучами. Эксперимент работал нормально с момента запуска до 17 ноября 1961 года. Телескоп Explorer 11, разработанный в Массачусетском технологическом институте (MIT), использовал комбинацию сэндвич-сцинтиллятора и счетчика Черенкова для измерения направлений прихода и энергий высокоэнергетических гамма-лучей. Поскольку телескоп нельзя было направить, космический аппарат был установлен в медленное вращение для сканирования небесной сферы. Из-за более высокой, чем планировалось, орбиты, которая привела космический аппарат в область помех от радиации радиационного пояса Ван Аллена, и раннего выхода из строя бортового магнитофона, из примерно 7 месяцев работы прибора удалось получить только 141 час полезного времени наблюдений. За это время было зарегистрировано тридцать одно событие с "гамма-сигнатурой", когда телескоп был направлен в направления, удаленные от атмосферы Земли, которая является относительно ярким источником гамма-лучей, образующихся при взаимодействии обычных протонов космических лучей с атомами воздуха. Небесное распределение тридцати одного направления прихода не показало статистически значимой корреляции с направлением какого-либо потенциального космического источника. В отсутствие такой корреляции установить, что причиной тридцати одного события являются гамма-лучи космического происхождения, не удалось. Поэтому результаты эксперимента были представлены в виде верхних пределов, которые были значительно ниже пределов, полученных в предыдущих экспериментах на воздушных шарах. Улучшенный гамма-телескоп, также разработанный в MIT, был запущен на борту орбитальной солнечной обсерватории 3 (OSO 3), запущенной в 1967 году. Он позволил впервые однозначно зарегистрировать высокоэнергетические космические гамма-лучи как из галактических, так и из внегалактических источников. Последующие эксперименты, как на орбите, так и на Земле, выявили многочисленные дискретные источники космических гамма-лучей в нашей галактике и за ее пределами.