Гамма-астрономия — это область астрофизики, изучающая объекты и процессы во Вселенной с помощью регистрации гамма-квантов высокой энергии (от сотен кэВ до тера- и пета-электронвольт). Гамма-излучение представляет собой наиболее энергетическую форму электромагнитного излучения и связано с наиболее экстремальными физическими условиями — от ядерных реакций до процессов, происходящих вблизи черных дыр и нейтронных звезд.
К основным источникам гамма-излучения относятся:
Каждый из этих объектов производит гамма-излучение через различные физические механизмы, включая:
В астрофизических условиях гамма-кванты могут возникать при радиоактивных распадах нестабильных ядер, образовавшихся, например, в результате нуклеосинтеза в недрах звезд или при взрывах сверхновых. Наиболее распространены:
Эти распады сопровождаются гамма-линиями с характерными энергиями, что позволяет идентифицировать соответствующие изотопы и исследовать эволюцию звездного вещества.
Высокоэнергетические электроны, ускоренные ударными волнами, взаимодействуют с ионами или магнитными полями, излучая при этом гамма-кванты. В тормозном (брэмсштралунговском) механизме электрон замедляется в кулоновском поле ядра, испуская при этом квант. В синхротронном излучении электрон двигается по спирали в магнитном поле, излучая энергию в виде фотонов, часть которых может быть в гамма-диапазоне.
Электроны высокой энергии могут передавать часть своей энергии низкоэнергетическим фотонам (например, микроволнового фона), которые в результате «рассеяния» превращаются в гамма-кванты. Этот механизм особенно важен в областях с высокой плотностью ультрарелятивистских электронов, таких как окрестности пульсаров или джеты квазаров.
При взаимодействии космических лучей с межзвездной средой образуются π-мезоны, которые быстро распадаются. Нейтральный пион распадается на два гамма-кванта с энергиями порядка 67,5 МэВ (в системе покоя). Этот процесс является характерным признаком протон-протонных столкновений в межзвездной среде и используется для косвенного изучения космических лучей.
Гамма-всплески (GRB, gamma-ray bursts) представляют собой наиболее яркие и мощные вспышки гамма-излучения, наблюдаемые во Вселенной. Они делятся на два типа:
В обоих случаях формируются узкие джеты релятивистских частиц, испускающих гамма-кванты при различных механизмах — чаще всего синхротронного и комптоновского характера. Гамма-всплески наблюдаются на космологических расстояниях, что делает их ценным инструментом для исследования ранней Вселенной.
Активные галактические ядра (AGN), такие как блазары и квазары, содержат сверхмассивные черные дыры, вокруг которых формируются аккреционные диски и релятивистские джеты. В этих джетах частицы ускоряются до ультрарелятивистских энергий, и за счет инверсного комптоновского рассеяния и других механизмов происходит испускание гамма-излучения.
Особый интерес представляют блазары, у которых джет направлен почти вдоль линии зрения наблюдателя. Это приводит к эффектам релятивистского усиления излучения, благодаря чему они становятся доминирующими источниками высокоэнергетического гамма-излучения на небе.
Пульсары — это вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем, испускающие периодические импульсы в широком диапазоне частот, включая гамма-диапазон. Их гамма-излучение объясняется ускорением частиц в магнитосфере, особенно в областях, называемых полярными шапками или криволинейными фронтами (outer gaps).
Магнетары представляют собой пульсары с экстремально сильным магнитным полем (10¹⁴–10¹⁵ Гс). Их гамма-излучение может быть связано как с ускорением частиц, так и с магнитными вспышками, сопровождаемыми выделением колоссальных энергий.
Гамма-излучение не проникает сквозь земную атмосферу, поэтому для его регистрации используются:
Наблюдательная гамма-астрономия делится на два диапазона:
Регистрация гамма-квантов требует применения специфических детекторов: сцинтилляционных кристаллов (NaI, CsI, BGO), германиевых полупроводниковых детекторов, калориметров и систем отслеживания треков частиц.
Гамма-астрономия позволяет исследовать:
Благодаря своей способности проникать сквозь плотные области и своей высокой энергетике, гамма-астрономия дополняет данные оптической, рентгеновской и нейтринной астрономии, формируя комплексную картину процессов, происходящих в самых энергетичных регионах Вселенной.