Cherenkov Telescope Array

Observatório de raios gama Cherenkov Telescope Array

Protótipo de um telescópio de 12 metros em Berlim (2014). Características

Modelo	Telescópio de imagem atmosférica Cherenkov

O Cherenkov Telescope Array (na rede francesa de Telescópios Cherenkov ), mais frequentemente referido por sua sigla CTA, é uma nova geração de telescópios gama baseados em terra, trabalhando em uma faixa de energia de alguns GeV a mais de 300 TeV . Os estudos desse observatório astronômico começaram em 2008. Após uma longa fase de projeto e prototipagem que terminou em 2009, a construção deve começar em 2020 e ser concluída em 2025. O CTA é composto por 118 telescópios atmosféricos Cherenkov de três tipos instalados em dois locais : um site no hemisfério norte em La Palma (Ilhas Canárias), que está particularmente interessado no estudo de objetos extragalácticos nas energias mais baixas possíveis, e um segundo site no hemisfério sul perto do Observatório Cerro Paranal no Chile , que cobre a totalidade gama de energia e se concentra em fontes galácticas.

Contexto

Radiação gama de origem cósmica

Os eventos cósmicos mais violentos, jatos relativísticos produzidos por buracos negros supermassivos ( blazares ), explosões de raios gama , etc., produzem radiação gama, ou seja , fótons cuja energia está entre alguns keV e centenas de TeV. A observação dessa radiação fornece informações valiosas sobre os processos em funcionamento, mas não podem ser observados diretamente do solo porque os raios gama são interceptados pela atmosfera terrestre. As primeiras observações de raios gama de origem cósmica foram feitas a partir da década de 1960, primeiro usando instrumentos a bordo de balões meteorológicos que se elevavam acima das camadas inferiores da atmosfera, depois por observatórios espaciais . No entanto, os instrumentos de bordo têm apenas superfícies de coleta de algumas centenas de centímetros quadrados. No entanto, os raios gama são raros: em média, existe um raio gama por metro quadrado por ano nas fontes mais brilhantes e um por metro quadrado por século nas fontes mais fracas.

Telescópios de imagem atmosféricos Cherenkov

Ao entrar na atmosfera da Terra na velocidade da luz, o raio gama produz cascatas de partículas, produzindo uma explosão de luz azul conhecida como efeito Vavilov-Cherenkov . Isso é produzido pela tremenda quantidade de energia transportada por esta radiação combinada com o fato de que o raio gama penetra no ar na velocidade da luz, enquanto neste meio os fótons têm uma velocidade máxima ligeiramente reduzida (0, 03%). A luz produzida por esse fenômeno é gerada em um círculo de 250 metros de diâmetro por alguns nanossegundos. O observatório Cherenkov Telescope Array vai usar telescópios de imagem Cherenkov atmosféricos que exploram este fenômeno. Esses telescópios usam grandes espelhos para convergir o efeito Vavilov-Cherenkov produzido no domínio óptico (visível e ultravioleta). O efeito Vavilov-Cherenkov é extremamente tênue e dura apenas alguns nanossegundos. As câmeras que equipam os telescópios devem ter tempos de exposição extremamente curtos para poder registrar esses eventos. Eles usam tubos fotomultiplicadores convencionais do tipo PMT ou tubos fotomultiplicadores de silício do tipo SiPM para transformar a luz coletada em uma imagem da cachoeira.

História do projeto

A primeira detecção de um raio gama do solo foi realizada em 1989 usando o telescópio Fred Lawrence Whipple . Vários observatórios explorando o efeito Vavilov-Cherenkov foram subsequentemente criados: HESS ( Sistema Estereoscópico de Alta Energia ) em 2002 na Namíbia , MAGIC ( Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov ) em 2004 em La Palma (Ilhas Canárias) e VERITAS ( Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System ) no Arizona em 2005. Esses observatórios demonstram a viabilidade técnica desse tipo de observação e permitem a obtenção de importantes resultados científicos, abrindo caminho para um projeto muito mais ambicioso, o CTA.

O projeto do observatório CTA é proposto e desenvolvido pelo consórcio CTA (CTAC) que foi criado em 2008 e reúne em 2019 mais de 1.400 membros de 200 laboratórios de pesquisa em 32 países ao redor do mundo. Em 2014, o CTA Observatory (CTAO) foi criado em Heidelberg para fornecer um quadro jurídico para as operações do escritório de design e os contratos assinados para a construção do observatório. Entre 2010 e 2013, o consórcio CTA realizou um estudo para identificar os locais suscetíveis de hospedar o observatório. Os locais de La Palma (Ilhas Canárias) e do observatório Cerro Paranal no Chile foram selecionados em julho de 2015. Em 2016, a sede do CTA estava localizada em Bolonha , Itália, enquanto Zeuthen, perto de Berlim , Alemanha , foi selecionada para hospedar o processamento de dados Centro.

Três arquiteturas são propostas para o Pequeno Telescópio (SST). Em junho de 2019 foi selecionada a arquitetura de dois espelhos ASTRI ( Astrofisica con Specchi a Tecnologia replicante Italiana ) proposta por uma equipe liderada pela Itália (INAF) equipada com uma câmera CHEC ( Compact High-Energy Camera ). A arquitetura de telescópios de médio e grande porte (MST e LST) deve ser definida até o final de 2019.

O custo do projeto está estimado em outubro de 2019 em 310 milhões de euros.

Organização

Duas organizações operam o projeto. O consórcio CTA (CTAC), que em 2019 reúne mais de 1.400 membros de 200 laboratórios de 31 países ao redor do mundo, define os objetivos científicos do observatório e será responsável pela análise científica dos dados e publicação dos resultados . Os institutos de pesquisa membros do consórcio fornecem elementos do observatório e se encarregam de sua receita antes de seu comissionamento e operação científica. Os laboratórios franceses participam no esforço conjunto em laboratórios do CEA e do CNRS , mais precisamente dos seus institutos: o Instituto Nacional de Física Nuclear e Física de Partículas e o Instituto Nacional de Ciências do Universo . O CTA foi concebido e desenvolvido por uma colaboração internacional de cientistas, com um forte envolvimento de instituições europeias. O projeto integra os roteiros do Fórum Estratégico Europeu sobre Infraestruturas de Investigação (ESFRI), a astropartícula física da rede europeia ASPERA e a astrofísica da rede europeia ASTRONET.

O CTAO ( CTA Observatory ) é a empresa jurídica que temporariamente, enquanto se aguarda a criação de uma empresa europeia de investigação do tipo European Research Infrastructure Consortium (CRIN), se encarrega do desenho do observatório e da sua construção. Em estreita colaboração com o CTAC . O CTAO é composto por acionistas de 11 países e uma organização intergovernamental (o Observatório Europeu do Sul ), bem como dois países associados. O conselho da CTAO se reúne pelo menos uma vez por ano. Os países acionistas e as organizações de pesquisa que os representam são os seguintes:

Austrália : Australia Astronomy Limited (data de adesão: 2018).
Áustria : Universidade de Innsbruck (2016).
República Tcheca : Instituto de Física da Academia Tcheca de Ciências (2015).
França : (CEA) Comissão Francesa de Energia Atômica e Energias Alternativas (2016).
Alemanha : (DESY) Deutsches Elektronen-Synchrotron (2014).
Alemanha: Instituto Max-Planck (2016).
Itália : (INAF) Istituto nazionale di astrofisica (2014).
Itália: (INFN) Istituto nazionale di fisica nucleare (2017).
Japão : Universidade de Tóquio (2015).
Eslovênia : Universidade de Nova Gorica (2018).
Espanha : (IAC) Instituto de Astrofísica de Canarias (2015).
Suíça : Universidade de Zurique (2014).
Reino Unido : Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (2015).
Holanda (país associado): (NWO) Netherlands Organization for Scientific Research (2015).
África do Sul (país associado): National Research Foundation (2015).

Objetivos científicos

O programa de física do CTA vai além da astrofísica de alta energia e se envolve em cosmologia e física teórica .

Espera-se que o CTA avance a sensibilidade em uma ordem de magnitude (10 vezes) em comparação com os telescópios da geração atual usando a técnica de imagem Cherenkov atmosférica , como HESS , MAGIC e VERITAS . Ele deve encontrar mais de mil novas fontes de objetos celestes de raios gama, dez vezes mais do que o número de fontes identificadas no momento de sua concepção.

Partículas cósmicas relativísticas

Partículas relativísticas (ou seja, partículas cuja velocidade é próxima à da luz) desempenham um papel importante em um grande número de fenômenos astrofísicos que variam de explosões de supernova a galáxias ativas . Dentro do ambiente intergaláctico de nossa própria galáxia , a relação entre os raios cósmicos, nuvens de gás e campos magnéticos é mal compreendida, assim como o impacto geral no processo de formação e evolução da galáxia. O CTA tem como objetivo fornecer as primeiras medidas precisas de prótons e núcleos presentes em sistemas astrofísicos, proporcionando nos processos de aceleração, transporte e mecanismos produtores de raios cósmicos nesses sistemas.

O primeiro objetivo da astrofísica gama é identificar as fontes de aceleração da radiação cósmica, em particular estabelecer os principais geradores de raios cósmicos que são 99% compostos por prótons e núcleos cósmicos. O CTA deve responder às seguintes questões que ainda não foram respondidas:

O corte de supernovas é o único grande contribuinte para os raios cósmicos galácticos?
Em que parte de nossa galáxia estão as partículas cuja energia vai tão longe quanto PeV acelerada?
Quais são as fontes de elétrons de alta energia?
Quais são as fontes de raios cósmicos de alta energia?

As respostas a essas perguntas devem ser fornecidas por dois tipos de observação:

Um censo de partículas relativísticas dentro e fora de nossa galáxia por meio de levantamentos sistemáticos e observações profundas de galáxias próximas e aglomerados estelares .
Medições precisas de fontes arquetípicas cujas fontes brilhantes próximas são observadas para fornecer medições espectroscópicas e curvas de luz para a compreensão dos processos de aceleração de partículas.

Surge a questão do papel desempenhado por essas partículas aceleradas nos objetos que as hospedam e como são transportadas por grandes distâncias. O CTA deve mapear as emissões em torno de inúmeras fontes de raios gama e identificá-las para que possa distinguir a morfologia associada aos processos de difusão ( hádrons ) e resfriamento ( elétrons ).

Ambientes extremos

A aceleração de partículas a energias muito altas está associada a ambientes extremos encontrados perto de estrelas de nêutrons , buracos negros ou em jatos relativísticos de matéria ou em explosões. As emissões dessas partículas fornecem informações sobre esses ambientes que, devido à distância ou afastamento no tempo, não podem ser observadas em outras faixas de energia.

Nas fronteiras da física

O CTA deve ajudar a descobrir a natureza e as propriedades da matéria escura . Isso representa 27% da massa do Universo e permanece um grande mistério científico. O observatório deve observar a auto-aniquilação das partículas de matéria escura em uma ampla faixa de massa. O CTA deve testar a existência de partículas semelhantes aos áxions e identificar possíveis violações da invariância de Lorentz .

As regiões do espaço observadas

Para atender a esses objetivos da forma mais eficiente possível, o CTA privilegia a observação de certas regiões do céu:

O centro de nossa galáxia é uma região de alguns graus de diâmetro que compreende uma ampla variedade de emissores de alta energia, incluindo o buraco negro supermassivo , nuvens moleculares densas, berçários de estrelas, numerosos cortes de supernovas , etc.
A Grande Nuvem de Magalhães é uma galáxia sem paralelo porque hospeda formações excepcionais, como o berçário de estrelas S Doradus , o aglomerado de estrelas RMC 136, o remanescente de supernova SN 1987A ...
O plano galáctico .
Os grupos de galáxias .
PeVatrons, ou seja, aceleradores de prótons cuja energia atinge ou excede 1 PeV (10 15 eV ).
Viveiros de estrelas.
As galáxias ativas .
Fenômenos transitórios.

Características do observatório

Os telescópios do CTA estão instalados em dois locais, um em cada hemisfério:

A rede do norte é hospedada pelo observatório Roque de los Muchachos do IAC em La Palma (Ilhas Canárias) .
Rede Sul está localizada perto do observatório Cerro Paranal do ESO no Deserto de Atacama no norte do Chile . Ele está localizado a 11 quilômetros a sudeste do Very Large Telescope e a 16 quilômetros do European Giant Telescope (EELT), em construção e com conclusão prevista para 2025.

Para cobrir o amplo espectro de raios gama observados (20 GeV a 300 TeV ), três tipos de telescópios devem ser implantados cobrindo uma área total de mais de um milhão de m²:

O Large-Sized Telescope (LST ) é usado para coletar raios gama nas energias mais baixas (20 a 100 GeV ). Oito telescópios desse tipo estão distribuídos nos dois locais. Eles produzem uma pequena quantidade de luz que requer a coleta de um espelho muito grande. Este tem um diâmetro de 23 metros com um campo de visão de 4,3 °. A câmera usa tubos fotomultiplicadores convencionais do tipo PMT. O telescópio com massa total de 103 toneladas pode apontar para qualquer direção do céu em 30 segundos.
Telescópio de tamanho médio (MST ) coleta raios gama de energia média (100 GeV a 10 TeV ). Quarenta telescópios desse tipo estão distribuídos nos dois locais. O espelho de 11,5 metros de diâmetro possui um campo de visão de 7,5 graus que permite a observação de grandes áreas do céu. Uma versão com dois espelhos, o SCT (telescópio Schwarzschild-Couder) é proposto porque fornece detalhes mais finos e pode detectar fontes mais fracas.
O telescópio de pequeno porte (SST ) coleta raios gama nas energias mais altas (100 GeV e acima de 10 TeV ). Esses são os mais numerosos (70). Todos eles devem ser instalados no local no Chile, onde ocupam uma área de vários quilômetros quadrados. Na verdade, o número de raios gama diminui à medida que a energia aumenta, o que significa que uma superfície maior deve ser coberta. Mas as cascatas de fótons são maiores, o que permite que sejam capturados com um espelho primário menor. Estes têm um diâmetro de 4,3 metros e seu campo de visão é de 10,5 graus. Três versões são inicialmente oferecidas. A arquitetura única escolhida inclui um espelho secundário de 1,8 metros e uma câmera equipada com um fotomultiplicador de silício (SiPM) usando circuitos ASIC.

Fonte: CTA

	LST	STD	OSH
Radiação gama observada	20 GeV- 3 TeV	80 GeV -50 TeV	1-3 TeV
Número de telescópios	4 (site norte) 4 (site sul)	15 (site norte) 25 (site sul)	70 (site sul)
Tipo ótico	Parabólico	Davies-Cotton modificado	Schwarzschild-Couder com dois espelhos
Diâmetro do espelho primário	23 m	11,5 m	4,3 m
Diâmetro do espelho secundário			1,8 m
Área efetiva do espelho	370 m²	88 m²	8 m²
Comprimento focal	28 m	16 m	2,15 m
Peso total	103 toneladas	82 toneladas	19 toneladas
Campo de visão	4,3 °	7,5 °	10,5 °
Número de pixels	1 855	1.764	2.368
Tamanho do pixel	0,1 °	0,17 °	0,19 °
Taxa de quadros	> 7 kHz	> 6 kHz	> 0,3 kHz
Apontando o tempo para qualquer outra posição	30 segundos	90 segundos	60 segundos
Precisão de apontamento	<14 segundos de arco	<7 segundos de arco	<7 segundos de arco

Notas e referências

" O observatório de raios gama mais sofisticado do mundo " , no CTA , Cherenkov Telescope Array (acessado em 8 de outubro de 2019 )
(em) " How CTA will detect Cherenkov light " on CTA , Cherenkov Telescope Array (acessado em 11 de outubro de 2019 )
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(em) " O grupo global de institutos e cientistas que contribuem para o CTA " no CTA , Cherenkov Telescope Array (acessado em 11 de outubro de 2019 )
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(em) " Os órgãos diretivos do projeto CTA " no CTA , Cherenkov Telescope Array (acessado em 11 de outubro de 2019 )
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(en) " Science - Study Themes " , no CTA , Cherenkov Telescope Array (acessado em outubro de 2019 )
(em) " Science - Key Targets " no CTA , Cherenkov Telescope Array (acessado em 10 de outubro de 2019 )
Inauguração do primeiro grande telescópio do CTA, com dez anos de trabalho
" ESO hospedará o Cherenkov Telescope Southern Array no Paranal " , no CTA , European Southern Observatory,20 de dezembro de 2018
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Bibliografia

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