Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1125-1128

ВВЕДЕНИЕ

Одной из главных задач исследования вспышек ультрафиолета (УФ) в ночной атмосфере, поставленных перед телескопом “ТУС”, является изучение вспышек, вызываемых частицами космических лучей предельно высоких энергий (КЛПВЭ, Е > 5 ∙ 10¹⁹ ЭэВ) [1], в условиях орбитального полета телескопа.

Первая частица столь высокой энергии была зарегистрирована в работе [2]. Вместе с тем было показано [3, 4], что энергетический спектр космических частиц может испытывать обрыв в связи с поглощением таких частиц в межгалактическом пространстве на фотонах Большого Взрыва, заполняющих Вселенную – обрыв Грейзена–Зацепина–Кузьмина (ГЗК). Прошло более 50 лет после публикации работ [2–4], но ситуация с установлением обрыва спектра и пониманием экспериментальных данных о КЛПВЭ остается неопределенной, в основном, из-за исключительно низкой интенсивности частиц с энергией в районе обрыва спектра. Самые крупные наземные установки: обсерватория Пьер Оже и Telescope Array за последние десять лет зарегистрировали только 17 событий с энергией выше 100 ЭэВ [5, 6], что не позволяет сделать окончательные выводы о природе событий и их энергетическом спектре.

Линсли и Бенсон предложили [7, 8] развитие исследования КЛПВЭ путем наблюдения флуоресценции атмосферы, возбуждаемой частицами широкого атмосферного ливня (ШАЛ), генерированного частицей КЛПВЭ, с помощью телескопа на орбите спутника Земли. Такой телескоп, в принципе, может иметь площадь обзора атмосферы на два порядка выше площади, получаемой на наземных установках и проводить измерения направления прихода частиц по всей небесной сфере. Телескоп “ТУС”, предложенный в качестве “первопроходца” в [9], является первым подобным детектором, который позволяет проверить условия его работы на орбите, в особенности роль шумов, связанных с транзиентными вспышками УФ в ночной атмосфере.

Телескоп “ТУС” входит в состав научной аппаратуры спутника “Ломоносов”, запущенного с космодрома “Восточный” на орбиту с наклонением 97.3° и с высотой 470–500 км.

ДЕТЕКТОР “ТУС”

“ТУС” состоит из двух основных частей: составного зеркала-концентратора френелевского типа и фотодетектора в его фокальной плоскости на расстоянии 1.5 м от зеркала. Последний состоит из 256 ячеек с квадратным входным окном со стороной 15 мм, перекрывающих поле зрения телескопа 9° × 9°. В качестве сенсора УФ в ячейке фотодетектора используется фотоэлектронный умножитель Hamamatsu R1463 c диаметром фотокатода 13 мм, на который собирается свет от входного отверстия ячейки с помощью зеркального световода. На входе фотокатода ФЭУ стоит фильтр УФС-1. Эффективность сбора УФ в фокальной плоскости детектора была проверена в контрольных измерениях [10]. Радиус пятна фокусирования, которое следует из измерений “функции рассеяния точки” (ФРТ) увеличивается с углом η относительно оптической оси телескопа, и составляет порядка одной ячейки фотоприемника при η = 0° и двух при η = 4.5° (край детектора). Площадь зеркала-концентратора составляет 2 м². В ячейках фотоприемника каждые 0.8 мкс измеряется заряд на выходе динодной системы ФЭУ с выходным RC = 0.6 мкс с помощью 10-канального АЦП. В измерении одного события используется 256 шагов по 0.8 мкс. Такое высокое разрешение применяется для измерения быстрых событий ШАЛ от космических лучей, длительность которых не превышает 200 мкс. Для отбора и измерения более медленных событий (молнии, транзиентные атмосферные явления, метеороиды) используются более длинные шаги измерения, соответствующие длительности изучаемого явления: 24.6 мкс, 0.4 мс и 6.6 мс, с тем же числом шагов 256. Детальное описание детектора можно найти в работе [11].

ТРАНЗИЕНТНЫЕ СОБЫТИЯ ТИПА “ЭЛЬВ”

Наиболее распространенным видом транзиентных атмосферных явлений является эльв. Он представляет собой излучение атмосферы на высоте 80–90 км, расширяющееся в виде кольца. Эльвы были обнаружены и изучены с помощью видеокамер с временным разрешением менее 1 мс. В настоящее время известно, что разряд типа эльв возникает при пересечении ионосферного слоя Д электромагнитным импульсом (ЭМИ) молнии [12]. Поскольку длительность этих явлений мала и скорость перемещения сигнала по фотоприемнику аналогична скорости ШАЛ, то триггер ШАЛ детектора “ТУС” эффективно срабатывает на события такого рода. На рис. 1 представлено “обычное” событие эльв, зарегистрированное телескопом “ТУС”. Карта сработавших ячеек демонстрирует развитие эльва во времени от радиуса кольца около 25 км в момент срабатывания триггера и до кольца с радиусом более 70 км – в конце разверток осциллографов сработавших ячеек. Молния, ответственная за этот эльв, зарегистрирована сетью детекторов молний Vaisala [13] в том месте, где расположен центр кольца эльва.

Рис. 1.

Карта сработавших ячеек в событии Эльв. Моменты времени слева-направо 146 и 174 мкс.

Интересно, что детектор “ТУС” впервые наблюдал с орбиты Земли аналогичные события, но с более сложной пространственно-временной структурой: в течение длительности развертки осциллограмм 200 мкс наблюдаются два кольца и больше, следующих одно за другим с разрывом во времени около 50–60 мкс, с общим центром. Такие двойные кольца можно ожидать в случае возникновения второго, отраженного ЭМИ молнии от слоя ионосферы к земле и обратно [14]. В нашем случае на это указывает значение промежутка времени между кольцами, соответствующее разнице времени распространения первичного и вторичного ЭМИ со скоростью света. Пример осциллограммы и карты каналов двойного эльва приведены на рис. 2.

Рис. 2.

Двойной эльв. Слева – осциллограммы двух ячеек фотоприемника, справа – карта каналов.

НЕОБЫЧНЫЙ ТИП ВНЕГРОЗОВЫХ СОБЫТИЙ, ОБНАРУЖЕННЫЙ ДЕТЕКТОРОМ “ТУС”

Интересное событие было отобрано триггером ШАЛ над Индийским океаном, в 150 км от континента Австралии (широта –26.95°, долгота 112.05°). Оно зарегистрировано вдали от гроз и в безоблачных условиях. По данным наземной сети регистрации молний Vaisala GLD360 расстояние до ближайшей грозы составило примерно 500 км к северо-западу от события. Спутниковые данные об облачности в зоне события указывают на отсутствие грозовых облаков. Это событие имеет необычную динамику развития (см. рис. 3). Оно начинается с мгновенной и мощной вспышки с центром яркости в ячейке (3.6), которая находится в насыщении все время записи. В других пикселях (модули 2, 3 и 4) наблюдается перемещение максимума сигнала во времени. Скорость перемещения сигнала по матрице фотоприемника так велика, что можно сделать предположение, что источник движется в поле зрения телескопа со скоростью света. В этом случае, зенитный угол трека относительно оси зрения телескопа составляет 80°. Движение объекта происходит из космоса к Земле. Амплитуды сигналов в той части события, где наблюдается перемещение максимума свечения, на порядок больше ожидаемых от ШАЛ с энергией 100 ЭэВ. В конце осциллограмм сигналы в ячейках достигают некоторого уровня, который намного выше уровня шума до начала события. Это означает, что часть УФ сигнала продолжает излучаться в течение более 100 мкс. Эти особенности обсуждаемого события: длительный огромный сигнал в первой на пути трека ячейке и длительные большие сигналы после максимума кривой свечения в последующих ячейках, не позволяют считать их сигналом ШАЛ ультра высокой энергии. Природа необычного события (пока единственного в своем роде) не ясна. В настоящее время происходит поиск событий с подобными характеристиками и проводится их анализ.

Рис. 3.

Карты каналов для трех моментов времени (сверху) и осциллограммы сработавших пикселей модулей 3 и 4 (снизу).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы прибора “ТУС” в режиме ШАЛ происходит регистрация УФ событий различной природы. Эти явления вызывают срабатывание триггерной системы детектора и с учетом мертвого времени при записи отобранных событий, уменьшают экспозицию измерения КЛ ПВЭ по данным о ШАЛ. Вместе с тем, по своим кинематическим характеристикам и пространственно-временной структуре эти фоновые события существенно отличаются от ШАЛ. Это позволяет производить оффлайн отбор и анализ событий, выделять полезные сигналы. Таким образом, детектор “ТУС” подтверждает работоспособность методики регистрации ШАЛ с борта спутника и при этом предоставляет также возможность исследовать новые события с высоким временным разрешением, в частности, изучать транзиентные атмосферные явления.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 16-29-13065-офи-м, финансировании Госкорпорации по космической деятельности РОСКОСМОС и поддержке Программы развития МГУ.