Teleskop SST-1M otworzył swe krzemowe oko na promieniowanie gamma

Tuż po północy w piątek, 1 września 2017 r., nasz prototypowy teleskop SST-1M, opracowany w ramach projektu Cherenkov Telescope Array (CTA), zarejestrował pierwsze błyski promieniowania Czerenkowa podczas testów w Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. To znaczące w skali miedzynarodowej osiągnięcie zostało poprzedzone pięcioletnią fazą konstrukcji i budowy poszczególnych podzespołów instrumentu, w tym struktury mechanicznej teleskopu oraz jego nowatorskiej kamery. Teleskopy SST-1M (Single-mirror Small-Size Telescope) są proponowane jako jedne z „małych” teleskopów sieci dla południowego obserwatorium CTA. Będą one rejestrować najbardziej energetyczne fotony gamma o energiach w zakresie od około 1 do ponad 300 TeV (teraelektronowoltów), pochodzące z odległych źródeł kosmicznych.

Kilkunastoosobowy polsko-szwajcarski zespół pracował w Krakowie intensywnie od czterech dni, montując kamerę na teleskopie. W nocy z 31 sierpnia na 1 września wszyscy z podekscytowaniem oczekiwali na pierwsze obserwacje. Wykonano ostatnią kontrolę warunków atmosferycznych, po czym wydano komendę otwarcia pokrywy kamery. Wielkie niebieskie krzemowe „oko” otwarło się (Rys. 1).


Kamera SST-1M z 1296 pikselami widoczna przez szklane okno wejściowe

Rys.1. Kamera SST-1M z 1296 pikselami widoczna przez szklane okno wejściowe. Niebieski kolor jest nadany przez filtr, który przepuszcza światło niebieskie i ultrafioletowe.


W tym samym czasie zespół w Genewie zdalnie wprowadził do programu sterującego teleskopem współrzędne pierwszego źródła promieniowania gamma, które wybrano do obserwacji: 1ES 1959+650. To pozagalaktyczny kwazar z masywną czarną dziurą w centrum. Mgławica Krab, najjaśniejsze źródło gamma, znajdowała się niestety zbyt nisko nad horyzontem. W ciągu kilku sekund od wydania komendy „start” teleskop obrócił się w stronę źródła i rozpoczęło się zbieranie danych. Niemal natychmiast na ekranie komputera sterującego pracą instrumentu zaczęły wyświetlać się zarejestrowane zdarzenia – błyski promieniowania Czerenkowa generowane przez fotony gamma i cząstki promieniowania kosmicznego. W półtorej godziny zgromadzono ich ponad 2 miliony, zapisując na dysku 342 GB danych. Wiele z tych zdarzeń pochodzi jednak od rozproszonego światła z miasta. Muszą więc one zostać odfiltrowane w trakcie analizy danych. Zdarzenia losowo wybrane przez oprogramowanie do akwizycji danych były śledzone na żywo wraz z ich przebiegiem czasowym. Jedno z tych zdarzeń, przedstawiające wysokoenergetyczny foton gamma, można obejrzeć na stronie: http://www.isdc.unige.ch/~lyard/FirstLight/FirstLight_slowHD.mp4.

Po zakończeniu obserwacji pokrywa kamery została zamknięta przed wschodem słońca (Rys. 2).


Kamera przed wschodem słońca i zamknięciem pokrywy

Rys.2. Kamera przed wschodem słońca i zamknięciem pokrywy.


W ostatnich dniach kamera była wystawiona na działanie silnego deszczu, co pozwoliło eksperymentalnie potwierdzić jej szczelność. Fakt, że kamera działa to jednak dopiero początek kolejnej fazy ciężkiej pracy dla całego zespołu. W najbliższym czasie oprogramowanie serwera teleskopu zostanie uzupełnione o procedury pozwalające na odróżnienie fotonów gamma od tła cząstek promieniowania kosmicznego, których rejestruje się około 100 000 razy więcej niż fotonów. Dwa przykłady zdarzeń są pokazane na Rysunkach 3 i 4. Ciemny romb, widoczny na obrazie z kamery, to efekt braku zapisu danych z jednej z 27 kart akwizycji, obejmujących całą płaszczyznę fotoczułą. Prawdopodobnie jest to skutek niewielkiej usterki, powstałej podczas transportu – długiej drogi, jaką tydzień wcześniej przebyła kamera jadąc do Krakowa z Genewy, gdzie przeprowadzano ostateczną integrację wszystkich jej podzespołów.


Typowy wydłużony obraz poświaty Czerenkowa pęku atmosferycznego, zainicjowanego prawdopodobnie przez promień gamma

Rys.3. Typowy wydłużony obraz poświaty Czerenkowa pęku atmosferycznego, zainicjowanego prawdopodobnie przez promień gamma. Oś wydłużonego obrazu wskazuje na pozycję źródła.


Typowy rozmazany obraz kaskady wywołanej przez promień kosmiczny, najprawdopodobniej proton

Rys.4. Typowy rozmazany obraz kaskady wywołanej przez promień kosmiczny, najprawdopodobniej proton. Obraz ten jest mniej regularny od tego, jaki daje kaskada fotonowa.


Pierwsze światło w kamerze teleskopu SST-1M stanowi dla projektu ważny krok milowy. Potrzebnych było tylko kilka dni, aby zamontować kamerę na teleskopie. Zespół przetestował przy tym innowacyjną metodę instalacji kamery: sama struktura teleskopu posłużyła jako dźwig, który wydobył kamerę z pudła transportowego i umieścił ją na wózku montażowym. Wszystkie operacje zostały przeprowadzone sprawnie. Podobną metodę będzie można zastosować do rozładunku kamery w docelowym obserwatorium CTA.

Najpoważniejszym problemem, który pojawił się w trakcie uruchamiania kamery, były trudne warunki atmosferyczne panujące w Krakowie, bardzo odmienne od tych, które spodziewane są w południowym Obserwatorium CTA w Chile, na pustyni Atacama. Należy ona do najsuchszych obszarów na świecie, podczas gdy w Krakowie wilgotność zmieniała się w ciągu doby od 30% w ciągu dnia do 95% w nocy, osiągając bardzo wysoki punkt rosy (czyli temperaturę, w której rozpoczyna się proces skraplania pary wodnej) – ok. 10°C. Wymagało to więc dokładnego monitorowania warunków w kamerze i wpompowywania do niej suchego powietrza, aby zapobiec uszkodzeniu wrażliwej elektroniki przez system chłodzenia kamery.


Projekt SST-1M jest prowadzony przez konsorcjum 17 instytucji z 5 krajów (Polski, Szwajcarii, Czech, Irlandii i Ukrainy) i koordynowany przez Uniwersytet Genewski. Struktura mechaniczna teleskopu SST-1M wraz z napędem została zaprojektowana i zbudowana w IFJ PAN. Kamera, wykorzystująca nowatorskie w astronomii gamma fotopowielacze krzemowe, powstała we współpracy pomiędzy zespołami z Uniwersytetu Jagiellońskiego, Akademii Górniczo-Hutniczej i IFJ PAN w Krakowie, które opracowały w pełni cyfrową elektronikę do akwizycji sygnałów (DigiCam), oraz Uniwersytetem Genewskim, gdzie została zbudowana płaszczyzna fotoczuła kamery oraz jej mechanika wraz z układem chłodzenia. Komputerowy system rejestracji danych, jak również układ pozycjonujący teleskopu zostały opracowane w Centrum Astronomii im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie i Toruniu. Układ pozycjonujący zwierciadła opracowano w Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie. Partnerzy z Czech są odpowiedzialni za układ optyczny, w tym napylanie zwierciadeł odpowiednimi warstwami refleksyjnymi.

Rysunek 5 przedstawia zdjęcie teleskopu SST-1M z zamontowaną kamerą. Średnica czaszy teleskopu wynosi 4 m. Składa się na nią 18 zwierciadeł sferycznych. Ogniskowa teleskopu mierzy 5,6 m. Kamera teleskopu, o polu widzenia 9,1 stopnia pozwala obserwować bardzo duże obszary nieba. Dokładny układ śledzenia naprowadzany przez system pozycjonujący umożliwia identyfikację źródeł promieniowania gamma i precyzyjne wyznaczanie ich współrzędnych na niebie.


Widok teleskopu SST-1M z zainstalowaną kamerą

Rys.5. Widok teleskopu SST-1M z zainstalowaną kamerą. Teleskop znajduje się na stanowisku testowym w IFJ PAN.


Kontakt:
dr hab. Jacek Niemiec – kierownik zespołu CTA w IFJ PAN i polski koordynator prac nad teleskopem SST-1M
tel: +48 12 662 8292
e-mail: Jacek.Niemiec@ifj.edu.pl


O obserwatorium CTA więcej informacji można znaleźć na stronie: https://www.cta-observatory.org/