Thiết bị tia X và tia Gamma

Thiết bị tia X và tia gamma phát hiện các photon năng lượng cao nhất trong thiên văn học bằng cách sử dụng quang học tán xạ góc nhỏ (grazing-incidence optics), khẩu độ mã hóa (coded apertures) và máy dò theo dõi hạt (particle-tracking detectors) thay vì các gương thông thường của kính thiên văn quang học.

Definition

Thiết bị tia X và tia gamma bao gồm các hệ thống quang học và máy dò được sử dụng để quan sát các photon từ khoảng một trăm electron volt đến teraelectronvolt, được thiết kế dựa trên thực tế là các photon như vậy không thể được hội tụ bằng phản xạ hoặc khúc xạ thông thường.

Scope

Chủ đề này bao gồm gương tia X tán xạ góc nhỏ lồng nhau, CCD tia X và vi nhiệt lượng kế (microcalorimeters) để tạo ảnh và đo năng lượng photon, ống chuẩn trực (collimators) và mặt nạ khẩu độ mã hóa cho năng lượng cao hơn, kính thiên văn theo dõi cặp (pair-tracking) và Compton cho tia gamma, và kỹ thuật Cherenkov khí quyển đặt trên mặt đất để phát hiện gián tiếp các tia gamma năng lượng cao nhất.

Core questions

• Làm thế nào để tia X được hội tụ khi chúng đi qua gương thông thường?
• Làm thế nào để tạo ảnh tia gamma, vốn không thể hội tụ được?
• Làm thế nào để đo năng lượng của một photon năng lượng cao?
• Làm thế nào để phát hiện các tia gamma năng lượng cao nhất từ mặt đất?

Key theories

Quang học tán xạ góc nhỏ (Grazing-incidence optics)

Tia X chỉ phản xạ hiệu quả ở các góc tán xạ nông, vì vậy kính thiên văn tia X lồng nhiều vỏ gương đồng tâm, chẳng hạn như thiết kế Wolter, để thu thập và hội tụ chúng.

Khẩu độ mã hóa (Coded apertures) và theo dõi hạt (particle tracking)

Tia gamma được tạo ảnh không phải bằng cách hội tụ mà bằng cách tạo bóng thông qua mặt nạ mã hóa hoặc bằng cách theo dõi các cặp electron-positron và tán xạ Compton mà chúng tạo ra trong các máy dò phân lớp.

Kỹ thuật Cherenkov khí quyển tạo ảnh (Imaging atmospheric Cherenkov technique)

Các tia gamma năng lượng cao nhất được phát hiện từ mặt đất bằng cách tạo ảnh các chớp sáng Cherenkov ngắn từ các trận mưa hạt trong khí quyển mà chúng kích hoạt.

Clinical relevance

Thiết bị năng lượng cao thăm dò các lỗ đen và sao neutron đang bồi tụ, tàn dư siêu tân tinh, hạt nhân thiên hà hoạt động, bùng nổ tia gamma và khí cụm nóng, tiết lộ vật lý cực đoan nhất trong vũ trụ mà không thể nhìn thấy ở năng lượng thấp hơn.

History

Chuyến bay tên lửa năm 1962 của Giacconi và Rossi đã phát hiện ra nguồn tia X vũ trụ đầu tiên, khởi đầu ngành thiên văn học tia X. Các thiết kế tán xạ góc nhỏ của Wolter đã cho phép tạo ra các kính thiên văn tia X tạo ảnh như Einstein và Chandra, trong khi các nhiệm vụ tia gamma và các mảng Cherenkov đặt trên mặt đất đã mở ra bầu trời năng lượng rất cao.

Key figures

• Riccardo Giacconi
• Bruno Rossi
• Hans Wolter

Seminal works

• seward2010
• longair2011
• giacconi1962

Frequently asked questions

Làm thế nào để kính thiên văn tia X tạo ảnh nếu tia X đi xuyên qua gương bình thường?

Tia X chỉ phản xạ hiệu quả khi chúng lướt qua một bề mặt ở các góc rất nông. Do đó, kính thiên văn tia X sử dụng các bộ gương hình thùng lồng nhau mà các tia lướt dọc theo, dần dần bẻ cong chúng đến một tiêu điểm chung, một cấu hình được gọi là quang học tán xạ góc nhỏ hoặc quang học Wolter.

Làm thế nào để nghiên cứu các tia gamma năng lượng cao nhất từ mặt đất?

Các tia gamma như vậy quá hiếm và quá mạnh để có thể phát hiện trực tiếp bằng vệ tinh. Khi một tia gamma va chạm với khí quyển, nó tạo ra một chuỗi hạt phát ra một chớp sáng Cherenkov mờ nhạt, mà các mảng kính thiên văn đặt trên mặt đất sẽ tạo ảnh để tái tạo năng lượng và hướng của tia gamma.