Na teleskopima budućeg opservatorija Cherenkov Telescope Array (CTAO) znanstvenici će koristiti neobičan prirodni izvor svjetlosti: prstenove koje u atmosferi stvaraju mioni. Nova analiza pokazuje da se taj signal može iskoristiti za precizno podešavanje dvostrukih teleskopa, čime bi mjerenja gama-zraka trebala biti pouzdanija.
Čestice iz kozmičkih zraka postaju mjerni alat
Mion je kratkoživuća elementarna čestica koja nastaje visoko u atmosferi kada kozmičke zrake udare u molekule zraka. Do tla stiže velik broj miona, a neki kroz zrcala Čerenkovljevih teleskopa ostavljaju karakterističan kružni trag. Mion se pritom kroz zrak giba brže od brzine kojom se svjetlost širi u istom mediju. Tada nastaje Čerenkovljevo zračenje, plavičasti bljesak koji se može zabilježiti osjetljivim kamerama.
Za razliku od izvora gama-zračenja, čiji položaj i jačina nisu unaprijed poznati, mioni su stalno prisutni i njihova geometrija može se opisati. Prsten na snimci tako postaje svojevrsno mjerilo: iz njegova promjera i rasporeda svjetlosti može se provjeriti usmjerenje teleskopa, osjetljivost kamera i oblik optičkog sustava.
Zašto je dvostruki teleskop zahtjevan za kalibraciju
CTAO neće biti klasičan optički opservatorij. Njegovi teleskopi pratit će kratke bljeskove Čerenkovljeve svjetlosti koji nastaju kada gama-zrake uđu u atmosferu. Da bi se iz takvog bljeska rekonstruirala energija i smjer čestice koja ga je izazvala, potrebno je vrlo dobro poznavati svaki dio sustava.
Poseban izazov predstavljaju teleskopi s dva zrcala. Takav raspored skraćuje konstrukciju i omogućuje široko vidno polje, ali mijenja put kojim svjetlost dolazi do kamere. Prijašnji izračuni prstenova miona često su se oslanjali na približne formule. U nekim slučajevima razlika u odnosu na stvarnu geometriju dosezala je 40 posto, dok CTAO za svoje ciljeve traži pogrešku manju od četiri posto.
Nova metoda uklanja dugogodišnju geometrijsku pogrešku
Istraživači sa Sveučilišta Autònoma de Barcelona razvili su analitički opis koji u izračun uključuje stvarni položaj oba zrcala, zakrivljenost njihovih površina i način na koji kamera bilježi prsten. Model omogućuje da se svaki snimljeni trag usporedi s očekivanim oblikom, bez oslanjanja na pojednostavljenja koja su ranije unosila velike razlike.
To ne znači da će se teleskop kalibrirati jednim snimkom. Mioni nastaju nasumično, a na sliku utječu atmosfera, elektronički šum i položaj teleskopa. Statistički skup velikog broja prstenova ipak daje dovoljno podataka za određivanje optičke osi i provjeru odgovora detektora.
Što preciznija kalibracija donosi astronomima
CTAO će promatrati izvore ekstremnog gama-zračenja, od ostataka supernova do aktivnih galaktičkih jezgri. Astronomi već proučavaju takve pojave u projektima poput Cherenkov Telescope Arraya i drugih gama-opservatorija, ali nova mreža teleskopa trebala bi ponuditi osjetljivija i učestalija mjerenja.
Kalibracija pomoću miona smanjuje sustavne pogreške koje bi se inače mogle zamijeniti za stvarne promjene u sjaju nekog izvora. Bolje određivanje energije pomaže pri usporedbi različitih teleskopa, a precizniji smjer olakšava povezivanje gama-bljeska s njegovim izvorom na nebu. Podaci se mogu provjeravati i tijekom rada, bez posebne kalibracijske lampe ili prekida promatranja na dulje vrijeme.
Metoda za sjever i jug
CTAO se gradi na dvije lokacije: sjeverni dio opservatorija nalazi se na La Palmi, a južni u čileanskoj pustinji Atacama. U oba će se koristiti teleskopi s dvostrukim zrcalima, pa ista metoda može poslužiti za usporedbu instrumenata na različitim nadmorskim visinama i u različitim atmosferskim uvjetima.
Rezultati su objavljeni u časopisu The Astrophysical Journal Supplement Series u radu o analitičkom opisu mionskih prstenova u teleskopima s dva zrcala. Autori navode da će se model moći primijeniti i na buduće instrumente slične optičke izvedbe.
Mioni su, dakle, čestice koje svakodnevno prolaze kroz Zemljinu atmosferu, ali njihov kratki bljesak može postati važan dio kontrole najosjetljivijih teleskopa za gama-zrake. Kada CTAO počne prikupljati znanstvene podatke, prstenovi na snimkama poslužit će kao stalna provjera da instrumenti mjere ono što astronomi misle da mjere.
Prednost je i u tome što se mjerenje može ponavljati tijekom rada. Ako se optički odgovor teleskopa promijeni zbog temperature, prašine ili starenja detektora, skup novih mionskih prstenova pokazat će gdje je nastala razlika i olakšati pravodobnu provjeru instrumenta.
