เครื่องมือวัดรังสีเอกซ์และรังสีแกมมา

เครื่องมือวัดรังสีเอกซ์และรังสีแกมมาตรวจจับโฟตอนพลังงานสูงที่สุดในทางดาราศาสตร์ โดยใช้เลนส์แบบเล็งเฉียง (grazing-incidence optics), ช่องรับแสงแบบเข้ารหัส (coded apertures) และเครื่องตรวจจับการติดตามอนุภาค (particle-tracking detectors) แทนที่จะใช้กระจกแบบดั้งเดิมของกล้องโทรทรรศน์แบบแสง

Definition

เครื่องมือวัดรังสีเอกซ์และรังสีแกมมาประกอบด้วยเลนส์และเครื่องตรวจจับที่ใช้ในการสังเกตโฟตอนตั้งแต่ประมาณหนึ่งร้อยอิเล็กตรอนโวลต์ไปจนถึงเทระอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งออกแบบมาโดยคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าโฟตอนดังกล่าวไม่สามารถโฟกัสได้ด้วยการสะท้อนหรือการหักเหแบบธรรมดา

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงกระจกเงารังสีเอกซ์แบบเล็งเฉียงซ้อนกัน (nested grazing-incidence X-ray mirrors), CCD รังสีเอกซ์และไมโครแคลอริมิเตอร์ที่สร้างภาพและวัดพลังงานโฟตอน, โคลลิเมเตอร์และหน้ากากช่องรับแสงแบบเข้ารหัสสำหรับพลังงานที่สูงขึ้น, กล้องโทรทรรศน์แบบติดตามคู่และคอมป์ตันสำหรับรังสีแกมมา, และเทคนิคเชเรนคอฟในบรรยากาศบนพื้นดินที่ตรวจจับรังสีแกมมาพลังงานสูงสุดทางอ้อม

Core questions

• รังสีเอกซ์ถูกโฟกัสได้อย่างไรเมื่อพวกมันผ่านกระจกธรรมดา?
• รังสีแกมมาที่ไม่สามารถโฟกัสได้เลย ถูกสร้างภาพได้อย่างไร?
• พลังงานของโฟตอนพลังงานสูงถูกวัดได้อย่างไร?
• รังสีแกมมาพลังงานสูงสุดถูกตรวจจับจากพื้นดินได้อย่างไร?

Key theories

เลนส์แบบเล็งเฉียง (Grazing-incidence optics)

รังสีเอกซ์จะสะท้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพเฉพาะที่มุมเล็งเฉียงตื้นๆ ดังนั้นกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์จึงซ้อนเปลือกกระจกหลายชั้นที่เป็นศูนย์กลางเดียวกัน เช่น การออกแบบของ Wolter เพื่อรวบรวมและโฟกัสพวกมัน

ช่องรับแสงแบบเข้ารหัสและการติดตามอนุภาค (Coded apertures and particle tracking)

รังสีแกมมาถูกสร้างภาพโดยไม่ใช้การโฟกัส แต่โดยการสร้างเงาผ่านหน้ากากแบบเข้ารหัส หรือโดยการติดตามคู่ของอิเล็กตรอน-โพซิตรอนและการกระเจิงแบบคอมป์ตันที่พวกมันสร้างขึ้นในเครื่องตรวจจับแบบหลายชั้น

เทคนิคการสร้างภาพเชเรนคอฟในบรรยากาศ (Imaging atmospheric Cherenkov technique)

รังสีแกมมาพลังงานสูงสุดถูกตรวจจับจากพื้นดินโดยการสร้างภาพแสงเชเรนคอฟที่กะพริบสั้นๆ จากฝักบัวอากาศที่พวกมันกระตุ้นในบรรยากาศ

Clinical relevance

เครื่องมือวัดพลังงานสูงใช้สำรวจหลุมดำและดาวนิวตรอนที่กำลังสะสมมวล, ซากซูเปอร์โนวา, นิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์, การระเบิดรังสีแกมมา และก๊าซร้อนในกระจุกดาว ซึ่งเผยให้เห็นฟิสิกส์สุดขั้วที่สุดในจักรวาลที่ไม่สามารถมองเห็นได้ที่พลังงานต่ำกว่า

History

การบินจรวดของ Giacconi และ Rossi ในปี 1962 ได้ค้นพบแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ในอวกาศแหล่งแรก ซึ่งเป็นการเริ่มต้นดาราศาสตร์รังสีเอกซ์ การออกแบบแบบเล็งเฉียงของ Wolter ทำให้กล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์แบบสร้างภาพ เช่น Einstein และ Chandra สามารถใช้งานได้ ในขณะที่ภารกิจรังสีแกมมาและอาร์เรย์เชเรนคอฟบนพื้นดินได้เปิดท้องฟ้าพลังงานสูงยิ่งยวด

Key figures

• Riccardo Giacconi
• Bruno Rossi
• Hans Wolter

Seminal works

• seward2010
• longair2011
• giacconi1962

Frequently asked questions

กล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์สร้างภาพได้อย่างไรถ้ารังสีเอกซ์ผ่านกระจกธรรมดาได้?

รังสีเอกซ์จะสะท้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพก็ต่อเมื่อพวกมันเฉียดพื้นผิวที่มุมตื้นมากๆ ดังนั้นกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์จึงใช้ชุดของกระจกรูปทรงกระบอกที่ซ้อนกันเป็นชั้นๆ ซึ่งรังสีจะเลียบไปตามผิว ค่อยๆ โค้งงอเข้าสู่จุดโฟกัสร่วมกัน ซึ่งเป็นการจัดเรียงที่เรียกว่าเลนส์แบบเล็งเฉียงหรือเลนส์ Wolter

รังสีแกมมาพลังงานสูงสุดสามารถศึกษาจากพื้นดินได้อย่างไร?

รังสีแกมมาดังกล่าวหายากเกินไปและมีพลังงานสูงเกินไปที่จะตรวจจับได้โดยตรงด้วยดาวเทียม เมื่อรังสีแกมมาชนเข้ากับชั้นบรรยากาศ มันจะสร้างอนุภาคน้ำตกที่ปล่อยแสงเชเรนคอฟที่ริบหรี่ ซึ่งอาร์เรย์กล้องโทรทรรศน์บนพื้นดินจะสร้างภาพเพื่อสร้างพลังงานและทิศทางของรังสีแกมมาขึ้นมาใหม่