Введение

Наземная гамма-обсерватория

VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) – крупная наземная гамма-обсерватория, состоящая из массива из четырех 12-метровых оптических рефлекторов для гамма-астрономии в диапазоне энергий фотонов от ГэВ до ТэВ. VERITAS использует метод изображения атмосферных черенковских телескопов для наблюдения гамма-лучей, вызывающих в атмосфере Земли каскады частиц, известные как обширные воздушные ливни. Массив VERITAS расположен в обсерватории Фреда Лоуренса Уиппла в южной Аризоне, США. Конструкция рефлектора VERITAS аналогична конструкции более раннего 10-метрового гамма-телескопа Уиппла, расположенного на той же площадке, но имеет больший размер и большее фокусное расстояние для лучшей коррекции оптических аберраций. VERITAS представляет собой сеть телескопов, предназначенных для наблюдения атмосферных черенковских ливней с разных точек, что обеспечивает максимальную чувствительность в диапазоне 100 ГэВ – 10 ТэВ (с чувствительностью от 50 ГэВ до 50 ТэВ). Эта обсерватория для регистрации очень высоких энергий, завершенная в 2007 году, эффективно дополняет Большой телескоп обзора (LAT) космического гамма-телескопа Ферми благодаря большей площади сбора и охвату более высоких энергий.

Спецификации и конструкция

VERITAS состоит из четырех атмосферных телескопов Черенкова диаметром 12 м с приблизительным расстоянием между соседними телескопами. Каждый телескоп включает в себя большой управляемый оптический рефлектор и высокоскоростную фотокамеру с фотоэлектронными умножителями. Для стереоскопических наблюдений света Черенкова, генерируемого в экстенсивных воздушных ливнях, требуется несколько телескопов в массиве. Эти стереоскопические наблюдения обеспечивают точное восстановление геометрии ливня частиц, что значительно улучшает угловое и энергетическое разрешение по сравнению с одним телескопом. Угловое направление входящего ливня определяется путем нахождения центральной оси распространения ливня на каждом телескопе и прослеживания этих осей до точки их пересечения. Точка пересечения этих осей определяет направление прихода первичной частицы (космического луча или гамма-луча), инициировавшей воздушный ливень в верхних слоях атмосферы. Она также определяет положение ядра ливня, то есть экстраполированное положение первичной частицы на земле, если бы она не взаимодействовала. Энергия первичной частицы определяется по общему количеству света Черенкова, зарегистрированного каждым телескопом, а также по расстоянию этого телескопа от ядра ливня. Каждый телескоп имеет апертуру диаметром 12 м и поле зрения 3,5 градуса. Телескопы построены по оптической схеме Дэвиса-Коттона, использующей сферический рефлектор, что упрощает их изготовление и юстировку. Эта схема вызывает некоторое временное растяжение прихода фотонов Черенкова к камере, но это растяжение невелико (~ 4 наносекунды). Рефлектор состоит из 350 отдельных зеркальных фасеток шестиугольной формы, установленных на жесткой оптической опорной конструкции. Камера каждого телескопа содержит 499 отдельных пикселей (высокоскоростные фотоэлектронные умножители диаметром 26 мм). Как и другие IACTs, VERITAS чувствителен к первичным частицам, генерирующим достаточное количество атмосферного света Черенкова для регистрации на земле. Полный диапазон чувствительности составляет от 50 ГэВ до 50 ТэВ (хотя спектральная реконструкция начинается не ранее 100 ГэВ, в зависимости от потока источника). Энергетическое и угловое разрешение зависят от энергии падающего гамма-луча, но при 1 ТэВ энергетическое разрешение составляет около 17%, а угловое разрешение – 0,08 градуса (радиус, содержащий 65% событий). Эффективная площадь всего массива достигает максимума в 100 000 квадратных метров при энергиях выше 1 ТэВ. Очень слабый астрофизический источник с потоком гамма-лучей, составляющим всего 1% потока туманности Крабовидной, может быть обнаружен VERITAS менее чем за 25 часов наблюдения. Более мощные источники могут быть обнаружены за значительно меньшее время. Для различения событий фона (то есть адронных ливней и мюонов) или шума (то есть звездного и лунного света) и целевых данных (то есть электромагнитных ливней, генерируемых гамма-излучением), VERITAS использует трехуровневую систему триггеров. Первый уровень соответствует пересечению порогов на каждом пикселе с использованием дискриминаторов с постоянной долей. Второй уровень – это триггер выбора шаблонов, который выделяет ливни, похожие на фотонные, имеющие компактную форму, и отсеивает большую часть фоновых ливней, которые создают более случайные формы в каждой камере. Третий уровень – это триггер массива, который ищет совпадение по времени прихода ливня на несколько телескопов. Свет Черенкова, генерируемый гамма-лучами в верхних слоях атмосферы, очень слаб, поэтому VERITAS лучше всего работает в ясную, темную ночь. Наблюдения невозможны в облачную или дождливую погоду, а также при яркой Луне. Однако наблюдения регулярно проводятся при тусклом или умеренном освещении Луны (обычно менее 60% фазы). Общее время наблюдений в год составляет около 1200 часов (из которых около 200–250 часов приходится на более яркий лунный свет с освещением от 20 до 60%). Обсерватория обычно не собирает данные в июле или августе из-за местных муссонных условий.

История

VERITAS был разработан для исследования гамма-излучения очень высоких энергий (VHE) с энергией выше 100 ГэВ, опираясь на успех 10-метрового гамма-телескопа Whipple. Телескоп Whipple стал пионером в использовании камеры Черенкова в сочетании с большим зеркалом диаметром 10 м, что позволило впервые однозначно обнаружить источник гамма-излучения VHE – туманность Крабовидная в 1989 году. Впоследствии телескоп HEGRA на Ла-Пальме продемонстрировал хорошую чувствительность при энергиях выше 1 ТэВ, используя сеть изображающих атмосферных телескопов Черенкова. VERITAS объединяет преимущества стереоскопических наблюдений в массиве с большими зеркалами для достижения низкого энергетического порога. По сравнению с телескопом Whipple, VERITAS использует более крупные зеркала диаметром 12 м, улучшенную оптику и эффективность сбора света, а также камеру с более мелкой пикселизацией. Как система регистрации (с использованием 500 МГц специализированных Flash АЦП), так и электроника триггера (с использованием сложной трехступенчатой системы) были значительно улучшены по сравнению с предыдущими установками. Концепция VERITAS была разработана в 1990-х годах одновременно с тремя другими системами изображающих атмосферных телескопов Черенкова (IACT): CANGAROO III, H.E.S.S. и MAGIC. В настоящее время VERITAS является единственным действующим IACT-массивом в западном полушарии. Первое предложение по проекту VERITAS (тогда называвшемуся VHEGRA) было представлено Тревором Уикесом (Смитсоновская астрофизическая обсерватория (SAO)) в Смитсоновский институт в 1995 году; в этом предложении описывался массив из девяти телескопов Черенкова диаметром 10 м. В 1998 году состоялась первая встреча коллаборации VERITAS в Чикагском университете. В 2000 году концепция VERITAS как массива из семи телескопов была рекомендована Декадным обзором по астрономии и астрофизике 2000 года в качестве проекта среднего размера. Задержки были вызваны трудностями с двумя предлагаемыми площадками в Аризоне (Каньон Монтоса у подножия горы Хопкинс и Китт-Пик), а также сокращением доступного финансирования. Предложение о создании массива из четырех телескопов (теперь с зеркалами диаметром 12 м) получило положительную оценку в 2002 году, и строительство VERITAS началось в 2003 году в обсерватории Фреда Лоуренса Уиппла. Первоначальный прототип телескопа был завершен как Телескоп №1 и увидел первый свет в 2004 году. Строительство Телескопа №2 было завершено в 2005 году, и в том же году начались первые стереоскопические наблюдения. Телескопы №3 и №4 были завершены к началу 2007 года, а торжественное празднование первого света для всего массива из четырех телескопов состоялось 27-28 апреля 2007 года. Регулярные научные наблюдения с помощью VERITAS начались в сентябре 2007 года. Строительство VERITAS финансировалось в основном в США Министерством энергетики, Национальным научным фондом и Смитсоновским институтом. Дополнительное финансирование строительства было предоставлено Enterprise Ireland (ныне Science Foundation Ireland) и Советом по исследованиям в области физики частиц и астрономии в Соединенном Королевстве. С 2007 года в VERITAS периодически вносились улучшения и модернизации. Летом 2009 года Телескоп №1 был перемещен в новое местоположение для улучшения геометрии массива (и повышения чувствительности к гамма-излучению).

Сотрудничество

В 2000 году было подписано соглашение о сотрудничестве между девятью учреждениями-членами из трех стран. Учреждениями-членами были: Государственный университет штата Айова, Университет Пердью, Смитсоновская астрофизическая обсерватория, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Чикагский университет, Университет Юты и Вашингтонский университет в Сент-Луисе в США, Университет Лидса в Великобритании и Национальный университет Ирландии в Дублине в Ирландии. Десятый институт-член, Университет Макгилла в Канаде, был добавлен с обновленным соглашением в 2008 году. Представители учреждений-членов образуют Исполнительный совет VERITAS (VEC), который является высшим органом, принимающим решения в рамках сотрудничества. В 2008 году сотрудничество было расширено за счет добавления сотрудничающих учреждений, которые имеют представительство в Научном совете VERITAS, который руководит научной программой VERITAS. Первоначально сотрудничавшими учреждениями были: Планетарий Адлера, Колледж Барнарда, Коркский технологический институт, Университет ДеПау, Технологический институт Галвея-Майо, Колледж Гриннелл, Национальный университет Ирландии, Галвей, Калифорнийский университет, Санта-Крус, Университет Айовы и Массачусетский университет в Амхерсте. По состоянию на 2019 год в сотрудничестве VERITAS участвуют около 80 ученых из учреждений в Канаде, Германии, Ирландии и США. Участниками являются: Барнардский колледж, Колумбийский университет, Коркский технологический институт, DESY, Технологический институт Джорджии, Университет штата Айова, Университет Макгилла, Национальный университет Ирландии, Галвей, Университет Пердью, Смитсоновская астрофизическая обсерватория, Университетский колледж Дублина, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Калифорнийский университет, Санта-Крус, Чикагский университет, Университет Делавера, Университет Айовы, Университет Миннесоты, Университет Юты и Вашингтонский университет в Сент-Луисе. Также имеются члены, не являющиеся членами, и ассоциированные члены из ряда других учреждений. Председателем Научного совета VERITAS является представитель (Spokesperson). Есть заместитель представителя (Deputy Spokesperson), который оказывает помощь в руководстве сотрудничеством. Хронологический список представителей и заместителей представителей VERITAS приведен в таблице ниже. Начиная с 2007 года, представитель/заместитель представителя исполняет свой срок в течение двух лет и может быть переизбран.

+Даты Представитель Заместитель представителя
2000–2007 Тревор Уикс (SAO) n/a
2007–2009 Саймон Сворди (У. Чикаго) Рене Онг (UCLA)
2009–2011 Рене Онг (UCLA) Джейми Холдер (У. Делавэр)
2011–2013 Рене Онг (UCLA) Решми Мукерджи (Барнардский колледж)
2013–2015 Джейми Холдер (У. Делавэр) Джон Финли (У. Пердью)
2015–2017 Решми Мукерджи (Барнардский колледж) Скот Уэйкли (У. Чикаго)
2017–2019 Решми Мукерджи (Барнардский колледж) Скот Уэйкли (У. Чикаго)
2019–2021 Джон Куинн (УКД) Дэвид Уильямс (УКД)
2021–2023 Джон Куинн (УКД) Эми Фёрнис (CSU, Ист-Бэй)
2023–2025 Эми Фёрнис (CSU, Ист-Бэй) Манель Эррандо (Университет Вашингтона)

По состоянию на 2019 год операционное финансирование VERITAS обеспечивают следующие агентства: Национальный научный фонд и Смитсоновский институт в США, Совет по естественным наукам и инженерным исследованиям в Канаде, Ассоциация Гельмгольца в Германии.