Гамма-обсерватория TAIGA

4.02.2024 Научные обсерватории

Адрес: 671003, республика Бурятия, Тункинский р-н, село Торы, Тункинском астрофизический полигон ИГУ.
Координаты: 51.813129 с.ш., 103.071849 в.д.
https://yandex.ru/maps/-/CDBiBQiA
Дата создания : 1956 г. (Астрофизический комплекс МГУ-ИГУ), 1993 г. (Тункинский полигон по изученипю ШАЛ), 2013 (Гамма-обсерватория TAIGA).

Гамма-обсерватория TAIGA (НИИПФ ИГУ), фото: https://taiga-experiment.info/

Описание:
Гамма-обсерватория TAIGA — проект разряда мегасайенс, в рамках которого в Тункинской долине горной системы Восточный Саян (Бурятия) на территории Тункинского астрофизического центра коллективного пользования ИГУ строится крупнейшая в мире гамма-обсерватория.
Гамма-обсерватории TAIGA предназначена для регистрации частиц сверхвысоких энергий, приходящих к нам из дальнего космоса и несущих уникальную информацию о процессах, сопровождающихся выделением гигантской энергии. Полученные результаты позволят решить ряд фундаментальных задач астрофизики элементарных частиц и гамма-астрономии. Кроме того, сам процесс создания гамма-обсерватории дает возможность отработки новых технологий и решения задач наносекундной электроники, многопроцессорных систем сбора данных и т. д. Комплекс размещен на Тункинском астрофизическом полигоне ИГУ. Проект реализуется международной коллаборацией, головной организацией в которой выступает НИИ прикладной физики ИГУ.
В создании гамма-обсерватории активно участвовали студенты и аспиранты ИГУ.
TAIGA означает «Усовершенствованный прибор Тунка для физики космических лучей и гамма-астрономии» (“Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy”) и представляет собой сложную гибридную детекторную систему для наземной астрономии гамма-лучей от нескольких ТэВ до нескольких ПэВ, а также для исследований космических лучей от 100 ТэВ до нескольких 100 ПэВ. TAIGA будет искать «Певатроны» (источники гамма-излучения сверхвысокой энергии) и измерять состав и спектр космических лучей в переходной области от галактического к внегалактическому происхождению.
Уникальной особенностью комплекса является интеграция в единую систему установок с детекторами разных типов.
Стоимость проекта – около одного миллиарда рублей.

TAIGA — это сложная гибридная детекторная система, состоящая из следующих компонентов:

TAIGA-HISCORE. Фото: Гамма-обсерватория TAIGA (НИИПФ ИГУ), https://vk.com/taiga_api_isu

TAIGA-HiSCORE — массив с широким полем зрения (FoV; ~0,6 ср), объединяющий воздушные черенковские детекторные станции, расположенные на расстоянии 150-200 м друг от друга. Станции сгруппированы в 4 кластера на площади ~1 кв.км (с возможным увеличением площади до 10 кв.км на более поздней стадии проекта). TAIGA-HiSCORE представляет собой комплекс интегрирующих черенковских детекторных станций с широким полем зрения (FoV ~0,6 ср). Каждая детекторная станция состоит из 4-х ФЭУ большой площади (диаметром 20 см и 25 см), расположенных рядом друг с другом и оснащенных конусом Винстона для увеличения эффективной площади светосбора в 4 раза. ФЭУ имеют световоды в форме конуса Уинстона, которые увеличивают площадь сбора света в четыре раза. Выходы ФЭУ суммируются и оцифровываются системой сбора данных с регистрацией формы импульса. Точность времени лучше, чем наносекунда (одна миллиардная доля секунды), и сохраняется по всему размеру массива.
Детекторные станции размещаются на расстоянии 150-200 м друг от друга. ~100 станций группы занимают площадь ~1 кв.км (которая на более позднем этапе эксперимента может быть расширена до ~10 кв.км).

Tunka-133 — набор воздушных черенковских детекторов с широким полем обзора. Этот полноразмерный детектор работает с 2009 года. Состоял из 133 детекторов, расположенных на площади ~3 кв.км. С 2012 года количество станций увеличилось до 175. Каждая станция состоит из одиночных крупных ФЭУ (диаметром 20 см). Тунка-133 расположена на площади около 3 км^2. Детекторы объединены в 25 кластеров по 7 детекторов в каждом, с расстоянием между ними 85 м. Каждый детектор содержит ФЭУ диаметром 20 см, сигнал с которого поступает в центр кластера, где оцифровывается 12-битным АЦП с частотой дискретизации 200 МГц.

Одна из установок TAIGA-IACT.
Фото: Гамма-обсерватория TAIGA (НИИПФ ИГУ), https://vk.com/taiga_api_isu

TAIGA-IACT — группа из трех визуализирующих воздушных черенковских телескопов (IACT) с площадью отражателя 10 кв.м., оснащенных камерами формирования изображений с разрешением ~ 600 пикселей на основе ФЭУ. Отдельные пиксели имеют апертуру 0,36°. Угол обзора одного телескопа составляет 10°. Межтелескопические расстояния оптимизированы в диапазоне 300-500 м. TAIGA-IACT представляет собой сеть из трех черенковских телескопов, осуществляющих съемку атмосферы, расположенных на площади около 1 км2 Тункинской долины и предназначенных для регистрации гамма-лучей в сочетании с приборами TAIGA-HiSCORE и TAIGA-Мюон. Этот метод обнаружения является новым и состоит из комбинации методов визуализации и без визуализации. Конструкция телескопа состоит из сегментированного рефлектора и камеры на основе фотоумножителя, установленной на альт-азимутальной монтировке. Рефлектор имеет конструкцию Дэвиса-Коттона с фокусным расстоянием около 5 м и состоит из 34 сегментов круглой формы диаметром 60 см. Камера имеет ~600 пикселей, каждый из которых состоит из фотоумножителя, оснащенного шестиугольным составным параболическим концентратором (конусом Уинстона). Размер пикселя 30 мм (плоскость шестиугольного входного зрачка).

Tunka-Grande. Фото: Гамма-обсерватория TAIGA (НИИПФ ИГУ), https://taiga-experiment.info/

Tunka-Grande состоит из 19 станций с наземными и подземными счетчиками для измерения мюонной компоненты атмосферных ливней. В состав комплекса TAIGA-Мюон входят 3 станции с 8 наземными сцинтилляционными счетчиками для регистрации всех заряженных частиц ШАЛ на уровне установки и 8 подземными для регистрации мюонных компонент. Сцинтилляционная установка Tunka-Grande введена в эксплуатацию в конце 2015 года. Ее задача — исследование энергетического спектра и массового состава космических лучей в диапазоне энергий 1016–1018 эВ в сочетании с установками «Тунка-133» и «Тунка-Рекс». объектов, а также для поиска диффузного гамма-излучения в том же энергетическом диапазоне. Массив сцинтилляционных счетчиков объединен в 19 станций на площади 1 кв.км. Каждый из них состоит из 2 частей: наземной и подземной.

TAIGA-MUON. Фото: Гамма-обсерватория TAIGA (НИИПФ ИГУ), https://vk.com/taiga_api_isu

Детекторы TAIGA-Мюон дополняют существующую сцинтилляционную решетку с расчетной общей площадью детекторов около 2000 кв.м. В состав каждого кластера установки TAIGA-МЮОН (сейчас их 3) входят 8 наземных и 8 подземных сцинтилляционных счетчиков. Наземные приборы используются для регистрации всех заряженных частиц ШАЛ на уровне объекта, а подземные — для регистрации мюонной компоненты. Стоит отметить, что работа новой установки в широком диапазоне зенитных углов прихода первичных частиц позволит не только определять поток диффузных гамма-лучей, но и находить локальные области с их избытком. В дальнейшем, при обнаружении, такие территории будут детально изучаться с помощью массивов TAIGA-HiSCORE и TAIGA-IACT.

Робот-телескоп МАСТЕР — высокоэффективный инструмент для поиска и изучения оптических транзиентов. В частности, оптическое аналог открытия гамма-всплесков.

Робот-телескоп МАСТЕР-600. Фото: http://www.pereplet.ru/lipunov/549.html#549

Широкопольный телескоп МАСТЕР-400 «Тунка» представлял собой двухтрубную телескопическую систему (диаметр 400 мм, светосила 1:2,5) с общим полем зрения 8 квадратных градусов, оснащенную 16-мегапиксельными камерами, универсальным фотометром с фильтрами U, B, V, R, I. Также возможно проведение обзорных наблюдений в белом свете. Два телескопа установлены на сверхбыстрой монтировке (скорость наведения и наведения до 30 град/сек), не требующей дополнительных направляющих устройств. Установка имеет дополнительную степень свободы – в случае целеуказания («режим боевой готовности») трубы сводились параллельно, что позволяет осуществлять синхронную многоцветную фотометрию короткоживущих (секунды) или быстродвижущихся объектов. Скорость обзора, обеспечиваемая одним комплексом МАСТЕР-400, составляет 480 квадратных градусов в час до 20 звездной величины.
В ноябре 2020 года в Тункинском астрофизическом центре, созданном Московским и Иркутским государственными университетами, введен в эксплуатацию робот-телескоп МАСТЕР-600. Диаметр телескопа теперь составляет 600 мм. Каждая из двух оптических камер имеет поле зрения 8 квадратных градусов, поэтому скорость наблюдения за небом увеличивается в 2 раза. Чувствительность телескопа возросла в 6 раз. Таким образом, доступный астрономам объём Вселенной увеличился в 10–15 раз, в зависимости от типа объекта! 36-мегапиксельные быстрые CMOS-приемники обеспечивают большее поле зрения и скорость считывания данных с датчика. Таким образом, эффективность Тункинского астрофизического центра сверхбыстрых оптических наблюдений выросла в 15-20 раз в зависимости от типа объектов.

История:
Освоение Тункинского полигона c целью изучения широких атмосферных ливней (ШАЛ) началось в 1993 г. Л.А. Кузьмичев, работавший в то время на байкальской нейтринной станции, пришел к выводу, что для анализа свойств Байкальского нейтринного телескопа полезно будет использовать мюоны, идущие в ШАЛ.
Однако время наладочных работ на льду Байкала было всегда очень ограничено – всего один месяц — март, когда лед достаточно прочный. Времени на одновременную наладку отдельной установки для регистрации ШАЛ катастрофически не хватало. Но тут освободился от прежних экспериментов радиополигон НИИПФ Иркутского государственного университета. Наличие налаженной инфраструктуры и специалистов по радиоэлектронике позволило быстро поставить на полигоне первую установку, состоявшую всего из 4-х детекторов атмосферного черенковского света. Уникальные оптические приборы гибридные фотоприемники КВАЗАР-370 диаметром 37 см и дополнительные технические усилия по увеличению их чувствительности позволили достичь рекордно низкого энергетического порога, и в 1995 г. получить первые интересные результаты по спектру космических лучей в районе излома этого спектра.
Эксперименты по регистрации ШАЛ по их черенковскому излучению в Тункинской долине были начаты в 1993 г. Первая экспериментальная установка «Тунка-4» состояла из четырех оптических детекторов. В оптическом детекторе установки использованы гибридные фотодетекторы КВАЗАР-370 с диаметром фотокатода 37 см, разработанные для Байкальского нейтринного телескопа НТ200. Следующая установка «Тунка-13» состояла из 13 детекторов на основе однотипных фотоприемников и работала с 1996 по 1999 год. В 2000 году количество детекторов было увеличено до 25. Эта установка, получившая название «Тунка-25», работала до 2005 г. С его помощью были получены важные результаты как по методике восстановления параметров ШАЛ, так и по энергетическому спектру космических лучей в спектре области излома (от 10–10 ПэВ).
Встал вопрос о дальнейшем увеличении площади установки. Был создан проект новой установки, в 2006 – 2009 гг. решены многие технические проблемы, и в 2009 г. торжественно запущена для набора данных новая установка, состоящая из 133 детекторов, расположенных на площади около 1 кв. км.
Для увеличения статистики в области самых больших энергий в 2011 г. установка была дополнена 6-ью кластерами по 7 детекторов в каждом на расстоянии около 1 км от центра, что позволило надежно контролировать эффективную площадь около 3 кв. км.
За 4 года работы установка проработала в ясные безлунные ночи около 1300 часов и зарегистрировала около 8 млн. событий.
Успехи установки Тунка-133 привлекли на тункинский полигон исследователей, искавших удобное место для проведения других астрофизических экспериментов. На полигоне был установлен автоматический оптический телескоп сети телескопов «МАСТЕР», радиоантенны для изучения возможности регистрации ШАЛ по радиоимпульсам, первые детекторы новой низкопороговой установки Тунка-HiSCORE, которая позволит регистрировать не только заряженные частицы космических лучей, но и энергичные гамма-кванты. И, наконец, на Тункинский полигон переехали детекторы установки КАСКАДЕ-Гранде, что позволит дополнить информацию о ливнях данными детекторов заряженных вторичных частиц – электронов и, что особенно ценно, мюонов. Таким образом, в Тункинской долине образовался крупный международный астрофизический центр.
В работах астрофизического центра принимают участие НИИЯФ МГУ, НИИПФ ИГУ, ИЯИ РАН, ИЗМИРАН, ГАИШ МГУ, а также зарубежные институты из Турина, Гамбурга, Карлсруэ, Цойтена и Мюнхена.
В 2013 году ученые-физики ИГУ выиграли конкурс мегагрантов Правительства РФ, представив научный проект «Гамма-астрономия мульти-ТэВных энергий и происхождение Галактических космических лучей», реализация которого предполагает строительство крупнейшей в мире гамма-обсерватории TAIGA в Тункинском астрофизическом центре коллективного пользования ИГУ. Тогда победителям выделили 90 млн рублей на три года.
В 2009 году на Тункинском астрофизическом полигоне ИГУ совместно с ГАИ МГУ был построен астрономический павильон, в котором установлен двухтрубный робот – телескоп МАСТЕР-400. Робот-телескоп МАСТЕР-400 в составе Глобальной робототехнической сети МАСТЕР добился выдающихся результатов, став одной из самых эффективных поисковых систем в мире.
В ноябре 2020 года в Тункинском астрофизическом центре, созданном Московским и Иркутским государственными университетами, введен в эксплуатацию робот-телескоп МАСТЕР-600.
В 2013 году проект по строительству гамма-обсерватории выиграл конкурс мегагрантов Правительства РФ (90 млн рублей). В 2015 году Комитет по грантам Правительства РФ принял решение о продлении гранта на два года в размере 30 млн рублей в год. Осенью 2017 года Минобрнауки России поддержало проект дополнительным финансированием (170,7 млн рублей).
В 2021 год на астрофизическом полигоне ИГУ в Тункинском районе Бурятии завершилось создание пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA.

Инструменты:

Установка ШАЛ-МГУ, 1956. Представляет собой сеть из более чем сорока детекторов электронно-фотонной компоненты ШАЛ площадью 1 м2 каждый, расположенных на территории МГУ на площади 60х120 м2. Для мониторинга приземного слоя атмосферы установка дополнена детектором тепловых нейтронов площадью 6 м2 и измерителем электростатического поля атмосферы. Параметры атмосферы – давление, температура, влажность измеряются автоматически с помощью компактной метеостанции. Для поиска анизотропии потока мюонов в состав установки входит мюонный телескоп с площадью верхнего слоя 4 м2 и нижнего 8 м2.
Широкоугольный черенковский детектор широких атмосферных ливней Тунка-133, 2009. Регистрирует космические лучи по черенковскому свету, излучаемому в атмосфере заряженными частицами ШАЛ. Установка состоит из 133 оптических детекторов, расположенных на площади 1 км2.
Установка Tunka-Rex (TAIGA) для регистрации радио излучения широких атмосферных ливней, 2014, Установка регистрирует радиоизлучение от широких атмосферных ливней.
Широкоугольная черенковская установка TAIGA-HiSCORE (TAIGA), 2014. Регистрирует космические лучи по черенковскому свету, излучаемому в атмосфере заряженными частицами ШАЛ. Установка состоит из оптических детекторов, расположенных на площади 3 км2.
Сцинтилляционная установка Tunka-Grande (TAIGA), 2015. Регистрирует частицы ШАЛ, порождаемые космическими лучами.
Установка TAIGA-IACT, 2016. Сеть атмосферных черенковских телескопов, расположенных на территории 5 км2, регистрирующая ШАЛ, фиксируя его форму и направление первичной частицы.
Установка TAIGA-MUON, 2018, Установка регистрирует мюоны от ШАЛ, порождаемые космическими лучами.
Установка TAIGA-SCT (малые черенковские телескопы на кремниевых фотоумножителях), 2020. Регистрирует космические лучи по черенковскому свету, излучаемому в атмосфере заряженными частицами ШАЛ.
Сдвоенный робот-телескоп в астрономическом павильоне МАСТЕР-600 на монтировке NTM-500, 2010г.

Основные направления исследований:
Астрофизика элементарных частиц, оценка эффективности гибридного подхода при детектировании космических лучей и гамма-квантов, в частности.
Физика космических лучей, детальное описание энергетического спектра и элементного состава космических лучей, поиск их возможной анизотропии.
Гамма-астрономия, изучение известных высокоэнергичных галактических и внегалактических источников гамма-излучения.
Поиск оптических транзиентов, новых высокоэнергичных галактических источников гамма-излучения.

Наиболее значимые научные результаты исследований:
1) Восстановлен по данным, полученным на Астрофизическом комплексе МГУ-ИГУ, с высокой точностью энергетический спектр первичных космических лучей в диапазоне в диапазоне энергий 6*10^15 – 10^18 эВ. Полученный спектр свидетельствует о существенно более сложной зависимости интенсивности космических лучей от энергии, чем предполагалось ранее. Спектр в этом диапазоне можно описать только степенной зависимостью с тремя различными показателями наклона.
2) Проведена интерпретация особенностей в энергетическом спектре космических лучей, полученных на установке Тунка-133, основанная на проведённых расчётах ускорения космических лучей в галактических остатках сверхновых различного типа и джетах ядер активных галактик.
3) С помощью телескопа МАСТЕР проведены фотометрические и поляризационные наблюдения оптического излучения гамма-всплесков и обзор неба с целью поиска оптических быстропеременных объектов.
4) По данным измерений на установке ШАЛ-МГУ получен дифференциальный энергетический спектр первичных космических лучей в области энергий 10^14-10^16 эВ, проведено взаимное сопоставление данных по измерению потока тепловых нейтронов, потока одиночных мюонов, электростатического поля атмосферы и мировых данных по солнечной активности.
5) Разработана численная программа для расчёта нелинейного процесса ускорения заряженных частиц на ударных волнах, возникающих при взрыве сверхновой звезды.
6) Разработана система для калибровки черенковского детектора установки Тунка-133.

Развитие гамма-обсерватории TAIGA позволит открыть «новое окно» как в физике космических лучей, так и в гамма-астрономии, начать исследования гамма-излучения сверхвысоких энергий, что станет важным вкладом в понимание многих фундаментальных проблем в физике высоких энергий и астрофизике.

Интрнет-ресурсы:
https://taiga-experiment.info/
https://vk.com/taiga_api_isu
https://isu.ru/ru/news/2021/details/news-id2021-00167/
https://api.isu.ru/index.php/unu-astrophysical-complex-isu-msu/
http://physdep.isu.ru/ru/news/newsitem.html?action=show&id=3407
https://minobrnauki.gov.ru/press-center/news/nauka/29566/
https://minobrnauki.gov.ru/press-center/news/nauka-i-obrazovanie/45601/
https://events.sinp.msu.ru/event/3/contributions/108/attachments/111/194/TAIGA-Kuzmichev-2909-2020.pdf
https://www.infpol.ru/228691-v-buryatii-postroili-gamma-observatoriyu-kotoraya-pomozhet-ponyat-vozniknovenie-vselennoy/
https://inp.nsk.su/28-dlya-slajdera/2738-myuonnye-detektory-razrabotannye-dlya-gamma-observatorii-taiga-proshli-proverku-2
https://www.inp.nsk.su/28-dlya-slajdera/1328-observatoriya-taiga-uvidit-nedostupnyj-svet-ot-krabovidnoj-tumannosti-2
http://www.sinp.msu.ru/ru/project/14008
https://otr-online.ru/programmy/bolshaya-strana-territoriya-tayn/novosti-iz-vselennoy-kak-pomogayut-poluchit-ih-observatoriya-tayga-sibirskiy-solnechnyy-teleskop-i-proekt-kvazar-55819.html
https://www.kommersant.ru/doc/4164193
https://youtu.be/hQYQga3HItE