POSTĘPY ASTRONOMII CZASOPISMO POŚWIĘCONE UPOWSZECHNIANIU WIEDZY ASTRONOMlCZNEf PTA o TO M XIII — ZESZYT 1 1965 WARSZAWA • STYCZEŃ—MARZEC 1965 POLSKIE TOWARZYSTWO ASTRONOMICZNE POSTĘPY ASTRONOMII KWARTALNIK TOM XIII - Z E S ZYT 1 WARSZAWA • STYCZEŃ—MARZEC 1%5 KOLEGIUM REDAKCYJNE Redaktor Naczelny: Stefan Piotrowski, Warszawa Członkowie: Józef Witkowski, Poznań Włodzimierz Zonn, Warszawa Sekretarz Redakcji: I.udosław Cichowicz, Warszawa Adres Redakcji: Warszawa, ul. Koszykowa 75 Obserwatorium Astronomiczno-Geodezyjne Printed ia Poland Pańr.twowe Wydawnictwo Naukowe / Oddział w Łodzi t%5 Wydanie- !. Nakład 410 + 130 egz Ark. w y«l. ■!. ark. tlruk '.75 Papier offset, kl. III. 80 g, 70X 100. O ddano do druku 28 I JUbł roku. Druk ukończono w lutym l^tó r. /ant. 474 i--II. Cena t I to. Zakład Graficzny PWN l.ódź, ul. Gdańska 102 OBSERWACJE ASTRONOMICZNE W ZAKRESIE WYSOKOENERGETYCZNYCH PROMIENI GAMMA ADAM FAUDROWICZ ACTPOHONM4ECKME HABJIiO^EHMfl BHCOKO-3HEPrRTMqECKMX JIYIEft TAMMA A. 4> a y a p o b u q CoApp^aHMe ripHBefleHbi paccy*AeHMH oTHOcMTeJibHO Hanpn>KeHHfl Jiyqeii b kocmmmockom npocTpancTBe, u onncansi flBa caTeJUMTHwe n3MepeHMA 3Toro Haiipn^ennH. CpaBHeabi pe3y^bTaTbi paóoT pa3hux aBTopoB — TeopeTMwecKwe u b oÓJiacTw OnblTOB. HIGH ENERGY y - RAYS ASTRONOMY Summary Some theoretical concejits and two satelite measurements of gamma-rays intensity in space are described. The comparison of theoretical and experimental data of various authors is given. Jednym z najnowszych sposobó»v określania gęstości materii rozproszonej we wszechświecie jest badanie natężenia promieniowania gamma przychodzącego do nas z kosmosu. Promieniowanie gamma — to, jak wiadomo, kwanty promienio­ wania elektromagnetycznego. Z różnych względów, wyjaśnionych w dalszej części artykułu, badamy zazwyczaj natężenie wysokoenergetycznych kwantów gamma, których energia przekracza SO MeV*. a więc długość fali A <2.5 • 10"12cm. *MeV — megaelektronowolt. Energia kinetyczna, jaką ma elektron po przebyciu drogi między punktami, których potencjały elektryczne różnią się o milion woltów. 4 A. Faudrowicz Promieniowanie o tak krótkiej długości fali wykazuje bardzo silne własności korpuskulame. Dlatego, wykorzystując metody techniki jądrowej, rejestruje się pojedyncze kwanty. Jest to tym dogodniejsze, że natężenie promieniowania jest bardzo niewielkie. Promieniowania tego nie można rejestrować na powierzch­ ni Ziemi, gdyż nie przenika ono przez atmosferę. Pierwsze pomiary przeprowa­ dzono podczas wysokich lotów balonowych, używając jako detektorów klisz jądrowych. Późniejsze pomiary odbywały się w czasie lotów rakietowych i sa­ telitarnych, przy czym do detekcji używano zespołu liczników scyntylacyjnych oraz liczników Czerenkowa*. Niniejszy artykuł stanowi przegląd nowych prac tego typu. 1. POWSTAWANIE KWANTÓW GAMMA Kwanty gamma mogą powstawać w przestrzeni kosmicznej w wyniku wielu przyczyn: 1) Zderzenia pierwotnego, korpuskulamego promieniowania z materią między- gwiazdową a) rozpadu lub anihilacji powstałych w wyniku zderzeń leptonów, mezonów I(, hyperonów i antycząstek b) naturalnego rozpadu wyprodukowanych w zderzeniach radioizotopów 2) Rozpadu naturalnych pierwiastków promieniotwórczych 3) Anihilacji naturalnej antymaterii 4) Promieniowania hamowania elektronów 5) Promieniowania synchrotronowego — „zderzenia” pierwotnych protonów kosmicznych z makroskopowymi polami magnetycznymi 6) Emisji termicznej z rejonów o bardzo wysokiej temperaturze. Daje ona najmniejszy wkład, gdyż stosunkowo mało przenikliwe kwanty gamma nie prze­ dostają się z gorących wnętrz gwiazd na zewnątrz. Najbardziej aktywnym i najłatwiejszym do przedyskutowania źródłem wysoko­ energetycznych kwantów gamma jest rozpad mezonów tP, dlatego proces ich powstawania omówimy bardziej szczegółowo. Założymy, że pierwotne, korpus- kularne promieniowanie kosmiczne składa się wyłącznie z protonów, a rozpro­ szona materia kosmiczna głównie z wodoru. Będziemy więc rozpatrywać zderze­ nia proton-proton. Aby w wyniku takiego zderzenia mógł być wyprodukowany ‘ Licznik scyntylacyjny składa się ze scyntylatora i fotomnożnika. Kwant, lub czą­ stka naładowana, przebiegając przez scyntylator pobudza jego atomy, które energią wzbudzenia oddają w postaci kwantów światła. Fotomnożnik zamienia błyski świetlne na impulsy elektryczne. Licznik Czerenkowa opiera się na tzw. zjawisku Czerenkowa; je­ żeli szybki (relatywistyczny) elektron porusza się w ośrodku o dużym współczynniku za­ łamania n > 1, to jego szybkość v może być większa od szybkości światła w tym ośrod­ ku: v >■£' w tym przypadku elektron wysyła energię promieniowania we wszystkich kie­ runkach, tworzących z kierunkiem jego ruchu kąt a = arc sin ^ . Wytworzone w ten sposób światło kieruje się do fotopowielacza, który zamienia błysk Czerenkowa na impuls elektryczny. Obserwacje astronomiczne . 5 mezon tt, energia padającego protonu Ep musi przewyższać 290 \1eV. .7 za­ kresie energii Ep 290 MeV — 1 GeV możliwe są nastepujące reakcje: p + P -» P + P + TI0 ; n0 ->■ Y + y ; £ y > 135 MeV p + p-* p + n+Ti* TT+ -+ M+ + v; M + -» e + + v + v, P + p -* D + TT+ gdzie: p — proton, n — neutron, D — deutron, n — mezon „pi’J, n — mezon ,,mi” , e — elektron, v — neutrino, v — antyneutrino, y — kwant gamma. Najbardziej interesująca jest reakcja pierwsza, gdyż tylko ona daje bez­ pośrednio wysokoenergetyczne kwanty gamma. W wyniku dwóch pozostałych reakcji kwanty gamma mogą powstawać jedynie poprzez anihilację pozytonów z elektronami (Ey = 0,51 MeV) — droga 1 b , oraz na drogach 4 i 5. Gdy Ep > 1.5 GeV zachodzą również reakcje innego typu, na przykład: p + p-*p+p + a (tt+ + tT") + b i f +y» p + p -* 2n + 2tt+ + c (rr+ + tt~) + dtf gdzie: a, b, c, d — liczby naturalne rosnące wraz z Ep. Obydwie powyższe reakcje prowadzą bezpośrednio do powstania wysoko­ energetycznych kwantów gamma, przy czym ilość wyprodukowanych kwantów na jedno zderzenie rośnie wraz z energią padającego protonu Ep. Ponieważ jednak powyżej 600 MeV przekrój czynny na reakcję jest stały i wynosi około 25 mb (2.5 . 10-26 cm2), a strumień wysokoenergetycznych pro­ tonów maleje wraz z ich energią, pewne rozważania, których nie będziemy tu przytaczać, pozwoliły oszacować średnią liczbę kwantów gamma, wyproduko­ wanych podczas jednego zderzenia m. U wszystkich autorów m = 2 —4. Je ż e li więc przez / oznaczymy średni strumień pierwotnych protonów kosmicznych, to przeciętna częstośc powstawania fotonów q na 1 nukleon materii wynosi: q = mq / - 10-2 5 / fotonów----- (1) sek. nukleon Drugą, stosunkowo wydajną drogą powstawania fotonów gamma jest rozpad naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, przy czym oszacowanie częstości ich powstawania nie przedstawia większych trudności. Jednak energia powsta­ łych w ten sposób kwantów nie przekracza 1,5 MeV; odróżnienie ich na silnym tle jest trudne i pomiarów tego promieniowania nie przeprowadzono. Zagadnie­ niem tym nie będziemy się więc zajmować. Nie będziemy się też zajmować żadną z innych dróg powstawania kwantów gamma, gdyż są one mało wydajne, a obliczenia choćby szacunkowe — bardzo trudne. 6 A . Faudrowicz 2. STRUMIEŃ FOTONÓW Rozważmy źródło promieni gamma odległe od ziemi o odległość r, posiada­ jące objętość V i gęstość materii n = n Cr). Załóżmy przy tym, że częstość powstawania kwantów (na nukleon materii) q = const. Strumień fotonów gamma docierający z tego źródła Ziemi . f n(r) - fotonów J = 9 = q S — i-----(2) v (r)z cm .sr.sek gdzie: S — jest to tak zwana efektywna wielkość źródła. Rozważmy teraz dwa przypadki: a) Materia rozproszona Kładąc n (r) = n = const i zaniedbując promień Ziemi, z wzoru (2) mamy (, _ nR fotonów 4 t t era1, sr ’ gdzie: R — rozmiar źródła. b) Materia skoncentrowana. W tym przypadku n(r) = /V 6 (r — 7?), gdzie: 6 — delta Diraca, R — odległość od Ziemi do źródła N — całkowita ilość nukleonów w źródle. Z wzoru (2) mamy więc S = 4 . ^ 2 ^eSt l° warto®^ zawyżona, gdyż nie wzięto pod uwagę osłabienia strumienia kwantów gamma wydostających się z obiektów o dużej gęstości (np. z gwiazd). 3. POMIARY 3.1. EXPLORER XI Satelita Explorer XI wystrzelony 27 kwietnia 1961 r. miał na pokładzie aparaturę pokazaną na rys. 1. Kwanty gamma padając na urządzenie wytwa­ rzają w scyntylatorze plastykowym parę elektron-pozyton (e -- e), która po­ rusza się w kierunku pierwotnego ruchu fotonu. Jeśli kierunek ten znajduje się w przedziale kierunków, określonym geometrią urządzenia, to elektrony pary wytworzą impulsy świetlne zarówno w scyntylatorze licznika scyntylacyjnego, jak i w liczniku Czerenkowa. Oba liczniki otoczono scyntylatorem trzeciego licznika nieczułego na promieniowanie gamma, a rejestrującego tylko czystki naładowane, np. protony pierwotnego promieniowania kosmicznego. Odpowiedni elektroniczny układ rejestracyjny działał tylko wtedy, kiedy impulsy pochodziły od dwóch wewnętrznych liczników (scyntylacyjnego i Cze­ renkowa), a licznik zewnętrzny nie dawał impulsu. W ten sposób rejestrowano Obserwacje astronomiczne . 7 tylko k.vanty gamma, gdyż przejście przez aparaturę cząstki naładowanej mu­ siałoby wywołać impuls w liczniku zewnętrznym. Poza tym — znając wzajemne położenie obu liczników wewnętrznych — określono z dokładnością ok. 17° kierunek padania fotonów. Wydajność tak skonstruowanego detektora szaco­ wano na 10—30%. Rys. 1. Detektor wysoko energetycznych fotonów gamma (Explorer XI) Od czasu wystrzelenia aż do września 1961 r. wybrano 9 godzin pracy de­ tektora, które poddano analizie. W czasie tym detektor zarejestrował 127 foto­ nów gamma, z których 105 pochodziło z kierunku ziemi. Są to prawdopodobnie fotony wytworzone w górnych warstwach atmosfery