Calibrarea precisă a telescoapelor CTAO cu ajutorul inelelor de muoni
Cercetările demarate ca parte a unei lucrări de licență în fizică la Universitatea Autonomă din Barcelona (UAB) au dus la o nouă descriere analitică a calibrării bazate pe muoni pentru telescoapele Cherenkov cu două oglinzi. Lucrarea rezolvă o problemă rămasă deschisă mai bine de 30 de ani din cauza complexității geometrice a acestor sisteme optice: determinarea precisă a cantității de lumină Cherenkov produsă de un muon care ajunge la cameră, ținând cont de umbrele aruncate de oglinda secundară și de camera în sine.
Studiul este semnat de Markus Gaug, lector în Departamentul de Fizică al UAB și cercetător la CERES-IEEC, de Víctor Giráldez-Segalàs, absolvent de fizică al UAB, și de doctoranda Fiona Redmen. Rezultatele au fost publicate în The Astrophysical Journal Supplement Series.
Muonii ca sursă naturală de calibrare
Telescoapele Cherenkov detectează scurtimpulsele de lumină produse în atmosferă de cascadele de particule generate de razele gamma și de razele cosmice. Printre aceste particule se numără muonii care, atunci când traversează atmosfera cu o viteză mai mare decât viteza luminii în aer, emit radiație Cherenkov.
Când un muon trece aproape de un telescop, această radiație produce o imagine caracteristică în formă de inel pe cameră. Deoarece cantitatea de lumină emisă poate fi calculată cu mare precizie, aceste inele constituie o sursă naturală de calibrare disponibilă continuu în timpul observațiilor. Comparând lumina așteptată cu cea detectată efectiv de cameră, se poate determina eficiența generală a sistemului optic și de detecție și se poate urmări evoluția ei în timp.
Această calibrare continuă este deosebit de importantă deoarece marile telescoape CTAO nu sunt protejate de domuri – spre deosebire de telescoapele optice convenționale –, fiind expuse direct la intemperii. În plus, calibrarea precisă este esențială pentru reconstrucția corectă a energiei razelor gamma și pentru controlul incertitudinilor sistematice.
De la o lucrare de licență la o nouă soluție analitică
Cercetarea a pornit de la lucrarea de licență realizată de Giráldez-Segalàs în timpul studiilor de fizică la UAB, sub îndrumarea lui Gaug. Obiectivul a fost extinderea metodelor analitice de calibrare cu muoni, dezvoltate pentru telescoapele convenționale cu o singură oglindă, la viitoarele telescoape cu două oglinzi ale CTAO.
Într-un telescop cu două oglinzi, geometria este considerabil mai complexă: oglinda secundară, suporturile și deflectoarele de lumină ale acesteia, camera și orificiul central al oglinzii primare pot intercepta o parte din radiația Cherenkov. Aceste umbre depind și de înclinarea și traiectoria muonului și variază de-a lungul inelului observat. Dispunerea de o soluție analitică va scuti CTAO de necesitatea de a recurge la simulări continue și costisitoare din punct de vedere al timpului de calcul.
Diferențe de până la 40% față de modelele simplificate
Noul formalism permite calcularea explicită a fracției de lumină Cherenkov blocată de diferitele componente ale telescopului pentru fiecare traiectorie de muon. Efectele sunt deosebit de semnificative pentru muonii înclinați și pentru configurațiile cu structuri de protecție în jurul oglinzii secundare. În aceste cazuri, cantitatea de lumină prezisă poate diferi cu până la 40% față de cea obținută prin aproximările anterioare, care tratat umbra oglinzii secundare într-un mod simplificat. Această diferență depășește cu mult cerințele CTAO, care impun o metodă de calibrare cu o precizie mai bună de 4%.
Studiul oferă, de asemenea, două rezultate pentru telescoapele convenționale cu o singură oglindă: o corecție de ordinul întâi pentru altitudinea maximă de la care lumina Cherenkov a unui muon poate ajunge la reflector, datorită curburii oglinzii primare, și o descriere analitică a efectului aberației de comă asupra inelelor de muoni în telescoapele cu reflectoare parabolice.
Aplicabilitate pentru Observatorul Cherenkov Telescope Array
CTAO va fi un observator terestru de nouă generație dedicat astronomiei razelor gamma de foarte înaltă energie. Va avea două amplasamente: CTAO-North, la Observatorul Roque de los Muchachos din La Palma, și CTAO-South, în deșertul Atacama din Chile. Mai mult de jumătate dintre telescoapele planificate vor folosi sisteme optice cu două oglinzi inspirate de designul Schwarzschild-Couder, inclusiv telescoapele de dimensiuni mici (SST). Aceste configurații oferă câmpuri vizuale largi și o calitate bună a imaginii pe întreg planul focal, permițând totodată utilizarea unor camere mai compacte.
Noul formalism oferă instrumentele necesare pentru calibrarea precisă a acestor sisteme cu ajutorul inelelor de muoni.
