J1-3011 Daljinsko zaznavanje atmosfere na observatoriju Cherenkov Telescope Array in njen vpliv na opazovanje visoko energijskih kozmičnih gama žarkov

Leta 2023 se bo v obliki evropskega konzorcija za raziskovalno infrastrukturo (CTAO ERIC) pričela izgradnja novega polja Čerenkovih teleskopov, observatorija Cherenkov Telescope Array (CTAO), ki bo imel vsaj za en red velikosti boljšo občutljivost in večji energijski obseg od dosedanjih instrumentov za detekcijo VHE fotonov. Ustanovni član CTAO ERIC bo tudi Slovenija. CTA bo predvidoma omogočil odkritje več kot 1000 novih izvorov VHE gama žarkov po celotnem nebu.

Kozmični žarki gama zelo visokih energij (VHE, E ≥ 20 GeV) nosijo pomembne in edinstvene informacije o najbolj energijskih astrofizikalnih pojavih v vesolju. Najobčutljivejši eksperimentalni pristop v astronomiji VHE gama žarkov temelji na hkratnem zaznavanju bliskov Čerenkove svetlobe, induciranih s plazovi sekundarnih delcev, ki so nastali pri interakcijah VHE gama žarkov z atomskimi jedri atmosferskih plinov. Bliske opazujemo z več teleskopi hkrati (s poljem Čerenkovih teleskopov oziroma IACT) in iz pridobljenih slik rekonstruiramo lastnosti primarnih VHE gama žarkov.

Ker je kalorimeter za observatorij CTA atmosfera, je za doseganje načrtovanih performansov observatorija CTA ključnega pomena podrobno razumevanje in neprestani monitoring atmosferskih lastnosti. Razumevanje časovnega razvoja glavnih karakteristik aerosolov, ki imajo najhitrejšo časovno dinamiko, je izjemno zahtevno in zahteva uporabo tehnik daljinskega zaznavanja, kot jih na primer omogoča Ramanski lidar. Laserski pulzi, ki jih lidar oddaja, se sipljejo na molekulah atmosferskih plinov in na aerosolih, detekcija povratno sipane svetlobe pa nam omogoča rekonstrukcijo profilov atmosferskih lastnosti vzdolž izsevane smeri. Za uspešno delovanje observatorija CTA je predviden Ramanski lidar z dosegom do oddaljenosti 30 km. Ker bodo njegove meritve atmosferskih lastnosti omogočile zmanjšanje sistematske napake pri rekonstrukciji lastnosti VHE gama žarkov in povečanje deleža obratovalnega časa observatorija v primerjavi s trenutno obstoječimi IACT, je s tem ključna komponenta observatorija.

Razvoj in implementacija Ramanskega lidarja za uporabo v okviru observatorija CTA je primarni projektni cilj, ki s tem neposredno prispeva k razvoju uradnega prototipa “CTA Pathfinder” do končne verzije Ramanskega lidarja za severni observatorij CTA-N na La Palmi. Prototip razvijamo v okviru mednarodne skupine raziskovalcev z Institut de Física d’Altes Energies, in Universitat Autònoma de Barcelona, Španija, Univerze v Novi Gorici ter INFN - Padova in Università degli studi di Padova, Italija. Naša naprava je prvi kandidat za Ramanski lidar CTA z zahtevami, kot jih določa tehnična dokumentacija observatorija in bo predstavljal prispevek Španije (80%) in Slovenije (20%) v naravi k izgradnji observatorija.

Poleg razvoja in raziskav, povezanih z samim lidarjem in njegovo umestitvijo v observatorij CTA-N je drugi izmed ciljev predlaganega projekta študij sistematskih napak, ki jih pri določanju lastnosti VHE kozmičnih gama žarkov povzroče spremenljive atmosferske lastnosti. Te so še posebej pomembne in izrazite pri pregledih celotnega neba, ki nam bodo omogočili pridobiti sliko vesolja pri energijah nad nekaj desetimi GeV, s katerimi bomo lahko identificirali t.i. izvengalaktične »temne pospeševalnike«. Za optimizacijo časa, ki ga bo potrebno nameniti za take preglede neba, je bil kot alternativa predlagan t.i. »divergentni način« uporabe posameznih teleskopov observatorija, kar pomeni, da ne kažejo vsi v isto smer - s čimer se efektivno poveča vidno polje observatorija. V projektu se osredotočamo na študij performansov in sistematskih napak za različne nastavitve divergentnega načina pregledovnaja neba. Oba glavna projektna cilja sta usklajena z ključnimi aktivnostmi za izgradnjo in čimprejšnji začetek obratovanja CTA in bosta predstavljala bistven prispevek Slovenije k izgradnji observatorija.

Prostorska porazdelitev vsebnosti sipalcev nad observatorijem Roque de los Muchachos na La Palmi dne 22.9.2022, dobljena na podlagi sedmih 90 s dolgih meritev pri fiksnih zenitnih kotih med 0° in 30° s korakom 5°. Za boljšo grafično vizualizacijo je bila, za kote med posameznimi meritvami, uporabljena baricentrična interpolacija.

Vir financiranja

Javna agencija Republike Slovenije za raziskovalno dejavnost (ARRS)

Povezava: https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/project/18621

Obdobje: 1. 10. 2021 – 30. 9. 2024

Sestava skupine

dr. Samo Stanič -https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/8458

dr. Gabrijela Zaharijas -https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/36323

dr. Andrej Filipčič - https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/6101

dr. Marko Zavrtanik - https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/7572

dr. Danilo Zavrtanik - https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/6365

dr. Sergey Vorobyev - https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/21136

dr. Saptashwa Bhattacharya - https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/51190

Miha Živec - https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/5001 1

Veronika Vodeb - https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/5001 2

Faze projekta

WP1 Testiranje in kalibracija prototipa Ramanskega lidarja za CTA na severnem observatoriju CTA-N na La Palmi – zaključeno

Prispevali smo k eno leto trajajoči kampanji meritev z prototipom Ramanskega lidarja na severnem CTA observatoriju na La Palmi (CTA-N).

WP2 Nadgradnja prototipa in njegova integracija v CTA-N – v teku

Po zaključku testiranja in kalibracije prototipa izvajamo preverjanje ustreznosti in zamenjavo njegovih komponent za večletno avtomatizirano delovanje na observatoriju na La Palmi ter nadgradnjo komponent in programske opreme, da bo naprava lahko sprejeta kot del CTA.

WP3 Študij sistematskih napak pri rekonstrukciji visoko energijskih gama žarkov zaradi vpliva atmosfere – v teku

V okviru tega delovnega sklopa bomo ocenili odzivne funkcije observatorija CTA z uporabo pravih atmosferskih meritev.

WP4 Študij strategij divergentnega usmerjanja Čerenkovih teleskopov – v teku

V okviru tega delovnega sklopa bomo ocenili performanse ”divergentnega načina” usmerjanja teleskopov CTA.

Znanstvene objave

ACHARYYA, A. et al., CTA Collaboration. Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array to a dark matter signal from the Galactic centre. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Jan. 2021, vol. 2021, no. 1, str. 1-62, DOI: 10.1088/1475-7516/2021/01/057. [COBISS.SI-ID 53262595]
ABDALLA, H. et al., CTA Collaboration. Sensitivity of the Cherenkov Telescope Array for probing cosmology and fundamental physics with gamma-ray propagation. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Feb. 2021, vol. 2021, no. 2, str. 1-63, DOI: 10.1088/1475-7516/2021/02/048. [COBISS.SI-ID 53539843]
ŽIVEC, Miha et al., Observation of the Cumbre Vieja volcano plume above the Observatorio del Roque de los Muchachos with the Barcelona Raman LIDAR. Journal of Physics. Conference series. 2022, vol. 2398, str. 1-6. DOI: 10.1088/1742-6596/2398/1/012013. [COBISS.SI-ID 134584835]
PANES, Boris et al., Identification of point sources in gamma rays using U-shaped convolutional neural networks and a data challenge. Astronomy & Astrophysics. 2021, vol. 656, str. 1-18. DOI: 10.1051/0004-6361/202141193. [COBISS.SI-ID 97866243]