Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 529-533

ВВЕДЕНИЕ

Астрофизический комплекс TAIGA (Tunka advanced instrument for cosmic ray physics and gamma-ray astronomy) [1–4], расположенная в Тункинской долине недалеко от озера Байкал, является установкой, нацеленной на исследования гамма-излучения в области более 3–4 ТэВ. Это самая северная обсерватория в мире, что позволяет исследовать источники с высокими склонениями. В ней реализован гибридный метод регистрации гамма-квантов [1–4], в котором широкоугольные черенковские станции (TAIGA-HiSCORE) и несколько атмосферных черенковских телескопов (АЧТ) (принятое в английской литературе сокращение – IACT (imaging atmospheric Cherenkov telescope) располагаются на достаточно большом расстоянии друг от друга [1]. В 2017 был введен в строй и начал полноценно функционировать первый атмосферный черенковский телескоп, в 2018 г. представлены первые результаты по реализации гибридного метода детектирования [7], порог которого оказывается около 40 ТэВ для гамма-квантов.

ТэВ-ное излучение от Крабовидной туманности (Краба), которая считается остатком сверхновой, вспыхнувшей в 1054 г. относительно недалеко от Земли, впервые было зарегистрировано около 30 лет назад [6], что положило начало бурно развивающейся гамма-астрономии высоких энергий. С тех пор проведено с десяток новых экспериментов, открыто около двухсот ТэВ-ных источников (TeV-Catalogue) [7], но каждый новый эксперимент начинал с регистрации гамма-излучения от Крабовидной туманности, которая рассматривается как “стандартный гамма источник”.

Для сопоставления данных с результатами, полученными на других установках при более низких, ТэВ-ных энергиях, в настоящей статье представлены результаты по регистрации гамма-излучения от Крабовидной туманности и блазара Маркарян 421 одним из телескопов эксперимента TAIGA. Маркарян 421 также является одним из наиболее изученных блазаров с быстроменяющимся потоком в ТэВ-ном энергетическом диапазоне [8].

ТЕЛЕСКОП TAIGA-IACT

Телескоп TAIGA-IACT имеет составное зеркало системы Дэвиса–Коттона площадью 8.5 м² из 29 сегментов, с фокусным расстоянием – 4.75 м. В фокусе зеркал установлена регистрирующая камера из 560 ФЭУ с диаметром фотокатода около 19 мм каждый. Диаметр угла обзора камеры – 9.6°. Угол обзора каждого пикселя – 0.36°. Камера собирается из однотипных кластеров по 28 ФЭУ в каждом (в нескольких кластерах на краю камеры число ФЭУ меньше 28). Описание системы сбора информации, триггерной системы и калибровки можно найти в [1, 2, 4]. Существенно новым в работе телескопа в сезоне 2019–2020 было применение новой методики слежения за источником, “wobbling” метод, предложенный в [9] и реализованный в TAIGA [10]. Он заключается в том, что при слежении за источником с прямым восхождением Ra и склонением Dec телескоп направлен не на источник, а на точку Ra + 1.2°, а затем через 20 мин перенаправлен на точку Ra – 1.2° при фиксированном склонении. В результате в каждый момент времени положение источника (Ra, Dec) оказывается не в центре системы координат камеры, а сдвинуто на ±1.2 градуса в точку X_on, Y_on, меняющуюся со временем. Положение фоновой области в каждый момент времени выбирается как “анти-источник” c координатами X_off = –X_on, Y_off = –Y_on. Преимуществом такого подхода является экономия времени, так как не надо выделять отдельное время на измерение фона около источника. Во-вторых, исключаются возможные погрешности, связанные с неоднородностью камеры и неоднородностью условий наблюдения, так как траектория источника в камере и траектория фоновых измерений практически совпадает со сдвигом по времени 20 мин.

Наблюдения телескопом в сезоне 2019–2020 гг. проводились с октября по апрель с разделением времени между 4 основными источниками: ближайшими блазарами Mkn421, Mkn501, Крабом и Сверхновой SNRG106.6 + 2.94 (Bumerang). Темп счета зависел от погоды и снежного покрова и, в среднем, составлял около 100 Гц. Темп счета событий, в которых регистрировался сигнал от ШАЛ, составлял около 8–12 Гц.

РЕКОНСТРУКЦИЯ СОБЫТИЙ

Процедура реконструкции событий состоит из формирования имиджа события на матрице ФЭУ (выделение пикселей), определения параметров имиджа, и разбивается на несколько этапов.

А) Выходные данные камеры телескопа являются суммой амплитуд полезного сигнала и фона (пьедесталы). Величина пьедесталов и их среднеквадратичные отклонения для каждого пикселя вычисляются по 2-х минутным интервалам для исключения временной зависимости. После вычитания пьедесталов формируется матрица амплитуд Am(X_i,Y_i) в числе фотоэлектронов (ф. э.).

Б) Проводится процедура очищения (cleaning) имиджа от пикселей, амплитуда сигнала в которых происходит от флуктуации светового фона: пиксель входит в имидж ШАЛ и отбирается, если амплитуда превышает “высокий” порог N₁, и есть хотя бы один соседний пиксель, амплитуда в котором превышает значение “низкого” порога N₂. Обычно пороги выбираются как N₁ ~ 14–16 ф. э., N₂ = 7–8 ф. э. при флуктуациях фона 2–3 ф. э. После очищения имиджа определяется полное число пикселей, вошедших в имидж N_pix, и полное число фотоэлектронов в имидже Size.

В) Определение параметров эллипса Хилласа [11] по матрице Am(X_i,Y_i) для двух наборов: относительно положения источника X_on, Y_on и относительно положения фона X_off, Y_off: dist – расстояние от взвешенного центра имиджа до положения источника (X_on, Y_on) или фона (X_off, Y_off); width – ширина эллипса, length – длина эллипса, Con – концентрация, alpha – угол между основной осью эллипса Хилласа и вектором, направленным из центра тяжести имиджа на положение источника или фона.

Г) Проведение полного Монте-Карло (М-К) моделирования [12] с учетом конструкции установки, оптической системы телескопа, триггерной системы сбора данных для фона (протонов, ядер гелия) и гамма квантов; настройка М-К до полного согласования параметров экспериментального фона и фона, полученного в М-К моделировании: по Size, по спектрам, по угловому и пространственному распределению имиджей по камере. Таким образом находится набор параметров имиджей, позволяющий наиболее эффективно подавить фон и зарегистрировать гамма-кванты.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Общая экспозиция Краба в Тункинской долине в сезоне 2019–2020 гг. составила 31 день с октября по конец февраля с хорошей погодой, по 2–4 ч в день, всего около 90 ч, это около 50% полного возможного времени наблюдения Краба в Тункинской долине. За это время получено около 3 млн. событий, прошедших триггер отбора. В настоящей статье мы представляем первую часть статистики – 1.5 млн – событий, полученных за 13 дней в октябре – ноябре, и прошедших триггер. Всего – 44 ч наблюдения.

При отборе гамма-подобных ливней наиболее общепринятым и самым простым распределением для отличия гамма-ливней от ливней от протонов и ядер КЛ (после подавления фона по остальным параметрам Хилласа) является распределение по параметру углу alpha. Все гамма-кванты, пришедшие от источника (“On”) имеют измеренный угол alpha менее 15 градусов, а для фоновых событий (“Off”) распределение по alpha равномерное, как следует из М-К симуляций. На рис. 1 представлено распределение по alpha для “On” событий и для “Off” событий с шагом 4°, отобранных по оптимальным критериям: Size > 125 ф.э; dist = = 0.36°–1.44°, 0.024 < width < 0.068° × lg Size–0.047°, length < 0.31°, Con > 0.54. В области alpha < 10° оказалось, что число событий при направлении на источник составляет N_on = 490, а при направлении на фон N_off = 337, избыток составляет Exc = = 162 событий со значимостью 5.62σ, а в области alpha <  6° Exc = 141 событие со значимостью около 5.87 σ. Подавление фона для Краба по вышеуказанным критериям при отборе Size > 125 ф. е. происходит в 3000 раз, а пороговая энергия регистрации оказывается около 4 ТэВ.

Рис. 1.

Распределение по параметру alpha для наблюдений источника (“On”) и для фоновых (“Off”) событий от Крабовидной туманности. Критерии отбора: Size > 125 ф. э.; dist = 0.36°–1.44°, 0.024° < width < < 0.068° × (lg Size–0.047)°, Length < 0.31°, Con > 0.54.

Второй зарегистрированный источник – это хорошо измеренный в ТэВ-ном излучении блазар Маркарян 421 [8]. Экспозиция Mкн421 в Тункинской долине в сезоне 2019–2020 составила с ноября по конец февраля 62 ч с хорошей погодой. На рис. 2 представлено распределение по alpha для “On” событий и для “Off” событий с шагом 4°, отобранных по оптимальным критериям: Size > > 172 ф. е.; dist = 0.5°–1.25°, 0.024° < width < 0.068° × × lg Size–0.045°, length < 0.31°, Con > 0.44. В области alpha < 10°, N_on = 48, N_off = 11, избыток составляет Exc = 37 ливней со значимостью 5.77σ, а в области alpha < 6° Exc = 141 событие со значимостью около 5σ. Критерии отличаются от критериев для Краба, поскольку Мкн421 наблюдается под зенитным углом 10–15 град, а Краб под зенитным углом 30–40 град, что приводит к понижению фона и порога регистрации. Однако средний поток от Мкн421 ниже, чем от Краба в среднем и только во время вспышек превышает его. Коэффициент подавление фона для Мкн421 по вышеуказанным критериям с порогом Size > 172 ф. е. составляет 1800, а пороговая энергия регистрации оказывается около 2–3 ТэВ. Опираясь на данные М-К симуляций было показано, что полученные спектры по энергии гамма-квантов от Краба и Mкн421 не противоречат измерениям, проведенным ранее в других экспериментах.

Рис. 2.

Распределение по параметру alpha для “On” и для “Off” событий от блазара Мкн421. Критерии отбора: Size > 172 ф. э.; dist = 0.5°–1.25°, 0.024° < Width < < 0.068° × lgSize–0.045°, Length < 0.31°, Con > 0.44.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Отработана методика восстановления параметров имиджей в камере телескопа TAIGA-IACT. Показана эффективность “Wobbling” моды слежения телескопом за источником, позволяющая эффективно использовать время наблюдения источника. Проведено моделирование методом Монте-Карло регистрации гамма-квантов и адронов и получено хорошее согласие с экспериментом. Найдены оптимальные параметры подавления фона. Обнаружен избыток гамма-квантов от Крабовидной туманности в интервале энергией ~4–30 ТэВ, 178 гамма-квантов за 44 ч наблюдения cо значимостью ~5.9σ. Получен избыток гамма-квантов от блазара Mкн421 за 62 ч наблюдения 37 гамма-квантов в области энергий 3–10 ТэВ со значимостью ~5σ.

Работа поддержана Минобрнауки России (тема государственного задания FZZE-2020-0024, соглашение № 075-15-2019-163), РНФ (проекты № 19-72-20067 (раздел 1, 3, 4, 5), № 19-72-20173 (раздел 2), РФФИ (проекты № 19-52-44002 и № 19-32-60003).