VERITAS ( Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System ) es un importante observatorio terrestre de rayos gamma con un conjunto de cuatro reflectores ópticos de 12 metros para la astronomía de rayos gamma en el rango de energía de fotones GeV - TeV . VERITAS utiliza la técnica del Telescopio Cherenkov Atmosférico de Imágenes para observar los rayos gamma que causan lluvias de partículas en la atmósfera de la Tierra que se conocen como lluvias de aire extensivas . La matriz VERITAS se encuentra en el Observatorio Fred Lawrence Whipple , en el sur de Arizona , Estados Unidos.. El diseño del reflector VERITAS es similar al anterior telescopio de rayos gamma Whipple de 10 metros, ubicado en el mismo sitio, pero es más grande y tiene una distancia focal más larga para un mejor control de las aberraciones ópticas. VERITAS consiste en una serie de telescopios de imágenes desplegados para ver las lluvias atmosféricas de Cherenkov desde múltiples ubicaciones para brindar la mayor sensibilidad en la banda de 100 GeV - 10 TeV (con sensibilidad de 50 GeV hasta 50 TeV). Este observatorio de muy alta energía, terminado en 2007, complementa efectivamente el Telescopio de Área Grande (LAT) del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi debido a su área de recolección más grande, así como a la cobertura en una banda de energía más alta.
Nombres alternativos | Sistema de matriz de telescopio de imágenes de radiación muy enérgico |
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Parte de | Observatorio Fred Lawrence Whipple |
Ubicación (es) | Arizona |
Coordenadas | 31 ° 40′30 ″ N 110 ° 57′07 ″ O / 31,6751 ° N 110,952 ° WCoordenadas : 31 ° 40′30 ″ N 110 ° 57′07 ″ O / 31,6751 ° N 110,952 ° W |
Altitud | 1.268 m (4.160 pies) |
Primera luz | 1 de febrero de 2005, abril de 2007 |
Estilo telescopio | telescopio de rayos gamma del observatorio astronómico |
Numero de telescopios | 4 |
Diámetro | 12 m (39 pies 4 pulgadas) |
Resolución angular | 0,1 grados |
Área de recolección | 100.000 m 2 (1.100.000 pies cuadrados) |
Sitio web | veritas |
Localización de VERITAS | |
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Especificaciones y diseño
VERITAS está construido con cuatro Telescopios Cherenkov Atmosféricos de Imágenes de 12 m de diámetro con una separación aproximada de 100 m (330 pies) entre cada telescopio adyacente. [1] Cada telescopio comprende un reflector óptico grande y orientable y una cámara de tubo fotomultiplicador de alta velocidad . Se necesitan varios telescopios en una matriz para las observaciones estereoscópicas de la luz de Cherenkov producida en extensas lluvias de aire. Estas observaciones estereoscópicas permiten una reconstrucción precisa de la geometría de la lluvia de partículas , lo que proporciona una resolución angular y energética muy mejorada en comparación con un solo telescopio. La dirección angular de la lluvia entrante se determina encontrando el eje central de la extensión de la lluvia en cada telescopio y trazando esos ejes hasta que se crucen. La intersección de estos ejes determina la dirección de entrada de la partícula primaria (rayo cósmico o rayo gamma) que inició la lluvia de aire en la atmósfera superior. También determina la posición del núcleo de la ducha, es decir, la posición extrapolada de la partícula primaria en el suelo si no hubiera interactuado. La energía de la partícula primaria se determina a partir de la cantidad total de luz Cherenkov medida en cada telescopio, junto con la distancia de ese telescopio al núcleo de la ducha.
Cada uno de los telescopios individuales tiene una apertura de 12 m de diámetro y un campo de visión de 3,5 grados. Los telescopios están construidos con un diseño óptico Davies-Cotton, que utiliza un reflector esférico y es sencillo de construir y alinear. Este diseño provoca una dispersión de tiempo en la llegada de fotones de Cherenkov a la cámara, pero esta dispersión es pequeña (~ 4 nanosegundos). [2] El reflector consta de 350 facetas de espejo individuales, de forma hexagonal, montadas sobre una estructura de soporte óptico rígido. La cámara de cada telescopio tiene 499 píxeles individuales ( tubos fotomultiplicadores de alta velocidad de 26 mm de diámetro ). VERITAS, como otros IACT , es sensible a partículas primarias que producen suficiente luz Cherenkov atmosférica para ser detectable en el suelo. Su rango completo de sensibilidad es de 50 GeV a 50 TeV (aunque la reconstrucción espectral no comienza hasta al menos 100 GeV, dependiendo de la intensidad de la fuente). La energía y la resolución angular dependen de la energía del rayo gamma incidente, pero a 1 TeV la resolución de energía es ~ 17% y la resolución angular es de 0,08 grados (65% de radio de contención). La matriz completa tiene un área efectiva máxima de 100.000 metros cuadrados por encima de 1 TeV. VERITAS puede detectar una fuente astrofísica muy débil con un flujo de rayos gamma de solo el 1% de la Nebulosa del Cangrejo en menos de 25 horas de observación. Las fuentes más fuertes se pueden detectar en mucho menos tiempo.
Para distinguir entre los eventos de fondo (es decir, lluvias hadrónicas y muones ) o ruido (es decir, luz de estrellas y luz de luna) y los datos objetivo (es decir, lluvias electromagnéticas producidas por rayos gamma), VERITAS utiliza un sistema de activación de tres niveles. El nivel uno corresponde a un paso a nivel en cada píxel utilizando discriminadores de fracciones constantes . El nivel dos es un disparador de selección de patrones, que selecciona lluvias similares a fotones, que tienen formas compactas, y elimina la mayoría de las lluvias de fondo, que producen formas más aleatorias en cada cámara. El nivel tres es el disparador de la matriz que busca una coincidencia en el tiempo de llegada de la lluvia en múltiples telescopios. [3]
La luz de Cherenkov producida por los rayos gamma en la atmósfera superior es muy tenue, por lo que VERITAS observa mejor bajo cielos claros y oscuros. Las observaciones no son posibles bajo cielos nublados o lluviosos, o cuando la Luna es muy brillante. Sin embargo, las observaciones se realizan con regularidad cuando la Luna tiene un brillo tenue o moderado (por lo general, menos del 60% de iluminación). El tiempo total de observación anual es típicamente de alrededor de 1200 horas (de las cuales alrededor de 200 a 250 horas es durante la luz de la luna más brillante con una iluminación entre el 20 y el 60%). El observatorio generalmente no recopila datos en julio o agosto debido a las condiciones locales del monzón.
Historia
VERITAS fue diseñado para explorar el cielo de rayos gamma de muy alta energía (VHE) por encima de los 100 GeV , siguiendo el éxito del telescopio de rayos gamma Whipple de 10 m. El telescopio Whipple fue pionera en el uso de una cámara de Cherenkov de formación de imágenes, junto con un gran reflector 10 m de diámetro, para hacer que la primera detección definitiva de una fuente de rayos gamma VHE, la nebulosa de cangrejo en 1989. [4] Posteriormente, el HEGRA telescopio en La Palma demostró una buena sensibilidad por encima de 1 TeV utilizando una serie de telescopios atmosféricos Cherenkov de imágenes. VERITAS combina los beneficios de las observaciones estereoscópicas en una matriz con reflectores grandes para un umbral de energía bajo. Comparado con el telescopio Whipple, VERITAS emplea reflectores más grandes de 12 m de diámetro, ópticas mejoradas y eficiencia de recolección de luz, y una cámara pixelada más fina. Tanto la grabación (usando 500 MS / s Flash-ADC hechos a medida) como la electrónica de disparo (usando un sofisticado sistema de tres niveles) se mejoraron significativamente en comparación con los instrumentos anteriores. VERITAS fue concebido en la década de 1990, junto con otros tres conjuntos de telescopios atmosféricos Cherenkov (IACT) de imágenes: CANGAROO-III, HESS y MAGIC . VERITAS es actualmente el único arreglo IACT que opera en el hemisferio occidental.
La primera propuesta para VERITAS (llamada VHEGRA en ese momento) fue presentada por Trevor Weekes ( Observatorio Astrofísico Smithsonian (SAO)) a la Institución Smithsonian en 1995; esta propuesta describía una serie de nueve telescopios Cherenkov de 10 m de diámetro. En 1998, se llevó a cabo la primera reunión de colaboración VERITAS en la Universidad de Chicago . En 2000, el concepto de VERITAS como una matriz de siete telescopios fue recomendado por la Encuesta Decadal en Astronomía y Astrofísica de 2000 como un proyecto de tamaño moderado. [5] Se incurrió en retrasos debido a dificultades con dos sitios propuestos en Arizona (Montosa Canyon en la base del Monte Hopkins y Kitt Peak ) y debido a una reducción en los fondos disponibles. La propuesta de un conjunto de cuatro telescopios (ahora con reflectores de 12 m de diámetro) fue revisada favorablemente en 2002 y la construcción de VERITAS comenzó en 2003 en el Observatorio Fred Lawrence Whipple . Se completó un prototipo de telescopio inicial como Telescopio # 1 y vio la primera luz en 2004. La construcción del Telescopio # 2 se completó en 2005 y las primeras observaciones estereofónicas comenzaron ese año. Los telescopios n. ° 3 y n. ° 4 se completaron a principios de 2007 y la primera celebración de luces para el conjunto completo de telescopios fue del 27 al 28 de abril de 2007. [6] Las operaciones científicas regulares de VERITAS comenzaron en septiembre de 2007. La construcción de VERITAS fue financiada en gran parte en los Estados Unidos por el Departamento de Energía , la Fundación Nacional de Ciencias y la Institución Smithsonian . Enterprise Ireland (ahora Science Foundation Ireland ) y el Consejo de Investigación en Física de Partículas y Astronomía del Reino Unido proporcionaron financiación adicional para la construcción .
Desde 2007 se han realizado periódicamente mejoras y actualizaciones a VERITAS. El telescopio n. ° 1 se trasladó en el verano de 2009 a una nueva ubicación para mejorar la geometría de la matriz (y mejorar la sensibilidad a los rayos gamma). [1] Entre 2009 y 2011 se llevó a cabo un programa de actualización que mejoró la alineación de las facetas del espejo VERITAS y reemplazó el sistema de activación de nivel 2. Además, en el verano de 2012, todos los tubos fotomultiplicadores de la cámara se actualizaron a tubos de alta eficiencia cuántica, lo que nuevamente aumentó la sensibilidad, especialmente cerca del extremo inferior del rango de energía de rayos gamma. En comparación con su sensibilidad de diseño inicial, la sensibilidad real alcanzada por VERITAS es significativamente mejor con el tiempo requerido para detectar fuentes débiles de rayos gamma reducido en más de un factor de dos. [6]
En junio de 2017, se llevó a cabo una celebración en el Observatorio Whipple para celebrar los diez años de la ciencia VERITAS. [7]
Ciencias
VERITAS tiene un amplio programa científico que combina aspectos clave de la astronomía, la exploración del universo en la nueva banda de ondas de los rayos gamma VHE y la física, en busca de nuevas partículas de fenómenos más allá del modelo estándar de la física de partículas. Las preguntas básicas que se persiguen incluyen: comprender la aceleración de las partículas cósmicas en nuestra galaxia (con especial énfasis en comprender el origen de los rayos cósmicos ) y más allá de nuestra galaxia, sondear entornos extremos cerca de objetos compactos como estrellas de neutrones y agujeros negros , la naturaleza de la materia oscura y el campo magnético intergaláctico, y si la velocidad de la luz es constante en estas energías extremas de rayos gamma. El programa de observación VERITAS incluye fuentes galácticas como remanentes de supernovas , púlsares , nebulosas de viento púlsar , sistemas binarios y la enigmática fuente de rayos gamma en el Centro Galáctico . Las fuentes extragalácticas incluyen núcleos galácticos activos , galaxias estelares y estallidos de rayos gamma . Un componente importante de las observaciones de VERITAS es el asociado con el seguimiento de múltiples longitudes de onda y múltiples mensajeros , incluidos los eventos de ráfagas de radio rápidas (FRB), neutrinos de alta energía y ondas gravitacionales . VERITAS tiene un extenso programa de materia oscura, en el que se realizan búsquedas indirectas para encontrar rayos gamma VHE resultantes de la aniquilación de partículas de materia oscura. La mayoría de estas búsquedas tienen como objetivo el Centro Galáctico y las galaxias esferoidales enanas . A partir de 2017, el programa científico VERITAS se amplió para incluir observaciones en la banda de ondas ópticas a través de mediciones de alta resolución en el tiempo de ocultaciones de asteroides e interferometría de intensidad estelar.
A partir de 2020, la investigación de VERITAS había llevado a 58 Ph.D. y más de 100 publicaciones revisadas por pares. Como se muestra en la figura, VERITAS ha detectado 63 fuentes astrofísicas de rayos gamma de muy alta energía (a enero de 2020). El primer catálogo de fuentes de VERITAS tenía solo seis fuentes.
Algunos de los aspectos científicos más destacados de VERITAS incluyen:
- 2008: descubrimiento del primer blazar del tipo BL Lacertae (IBL) con pico de frecuencia intermedia a muy altas energías, W Comae [8] seguido de un segundo IBL 3C 66A. [9]
- 2009: descubrimiento de la primera galaxia con estallido estelar en emitir energía de rayos gamma, la Galaxia del Cigarro o M 82. [10] [11] Este resultado fue significativo porque representó el primer objeto extragaláctico detectado donde se cree que se producen los rayos gamma. a través de procesos astrofísicos típicos que se encuentran en nuestra Galaxia, a diferencia de los procesos extremos que se encuentran en los chorros de núcleos galácticos activos . [12]
- 2010; detección de emisión extendida de rayos gamma de la Nebulosa de las Medusas o IC 443, [13] seguida de estudios morfológicos detallados por VERITAS que, cuando se combinan con datos de Fermi-LAT , proporcionan una fuerte evidencia de la aceleración de los rayos cósmicos por un remanente de supernova galáctica . [14]
- 2011: descubrimiento de un componente nuevo e inesperado de emisión de rayos gamma por encima de 100 GeV del Crab Pulsar , que desafía seriamente los modelos de púlsar existentes. [15]
- 2011: descubrimiento de la emisión de rayos gamma TeV del remanente de supernova Tycho ; [16] este remanente resultó de una de las pocas supernovas históricas en nuestra Galaxia.
- 2013: localización de la emisión de rayos gamma en el chorro de un núcleo galáctico activo , mediante la combinación de observaciones de rayos gamma VHE realizadas por VERITAS y observaciones de alta resolución angular realizadas por Very Long Baseline Array . [17]
- 2015: detección de rayos gamma TeV del quásar PKS 1441 + 25 a un valor de corrimiento al rojo ~ 1, lo que indica la transparencia general del universo a los fotones a estas energías. [18]
- 2018: detección de rayos gamma VHE desde la dirección del objeto BL Lac TXS 0506 + 056 , [19] que coincide con el evento de neutrinos de alta energía IC 170922A informado por el telescopio de neutrinos IceCube .
- 2019-2020: medición directa de los diámetros angulares estelares mediante un telescopio de imágenes atmosféricas Cherenkov [20] y demostración de interferometría de intensidad estelar con un sistema de telescopio moderno. [21]
Los investigadores de VERITAS también han sido pioneros en el uso de un IACT para realizar Ciencia Ciudadana . Para mejorar la detección de eventos de muones , se creó el proyecto Muon Hunter en la plataforma Zooniverse . El proyecto mostró imágenes tomadas con VERITAS y los ciudadanos voluntarios tuvieron que clasificar las imágenes como eventos muones o no muones. Luego, los investigadores entrenaron un algoritmo de aprendizaje automático que funcionó mejor que el análisis estándar. [22] En Muon Hunter 2.0, el proyecto intentará mejorar el resultado con un enfoque diferente de aprendizaje automático. [23]
Colaboración
La colaboración VERITAS se formó oficialmente mediante la firma de un acuerdo de trabajo en equipo en 2000 entre nueve instituciones miembros en tres países. Las instituciones miembros fueron: Iowa State University , Purdue University , Smithsonian Astrophysical Observatory , University of California, Los Ángeles , University of Chicago , University of Utah y Washington University en St. Louis en los EE. UU., University of Leeds en el Reino Unido y National Universidad de Irlanda Dublín en Irlanda. Se agregó una décima institución miembro, la Universidad McGill en Canadá, con un acuerdo actualizado en 2008. Representantes de las instituciones miembros forman el Consejo Ejecutivo de VERITAS (VEC), que sirve como la máxima autoridad para la toma de decisiones dentro de la colaboración. [6]
En 2008, la colaboración se amplió con la incorporación de instituciones colaboradoras que tienen representación en el VERITAS Science Board, que dirige el programa científico de VERITAS. Las instituciones colaboradoras iniciales fueron: Adler Planetarium , Barnard College , Cork Institute of Technology , DePauw University , Galway-Mayo Institute of Technology , Grinnell College , National University of Ireland, Galway , University of California, Santa Cruz , University of Iowa y University of Massachusetts, Amherst .
A partir de 2019, la colaboración VERITAS consta de ~ 80 científicos de instituciones en Canadá, Alemania, Irlanda y los EE. UU.Las instituciones participantes son: Barnard College , Columbia University , Cork Institute of Technology , DESY , Georgia Institute of Technology , Iowa State University , Universidad McGill , Universidad Nacional de Irlanda, Galway , Universidad Purdue , Observatorio Astrofísico Smithsonian , University College Dublin , Universidad de California, Los Ángeles , Universidad de California, Santa Cruz , Universidad de Chicago , Universidad de Delaware , Universidad de Iowa , Universidad de Minnesota , Universidad de Utah y Universidad de Washington en St. Louis . También hay miembros no afiliados y asociados de varias otras instituciones. [6]
El presidente de la Junta de Ciencias de VERITAS es el Portavoz. Hay un portavoz adjunto para ayudar en el liderazgo de la colaboración. En la siguiente tabla se proporciona una lista cronológica de los Portavoces y Portavoces adjuntos de VERITAS. A partir de 2007, el Portavoz / Portavoz adjunto cumplió un mandato de dos años y puede ser reelegido.
fechas | Portavoz | Portavoz adjunto |
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2000-2007 | Trevor Weekes (SAO) | n / A |
2007-2009 | Simon Swordy (Universidad de Chicago) | Rene Ong (UCLA) |
2009-2011 | Rene Ong (UCLA) | Jamie Holder (U. Delaware) |
2011-2013 | Rene Ong (UCLA) | Reshmi Mukherjee (Barnard College) |
2013-2015 | Jamie Holder (U. Delaware) | John Finley (Purdue U.) |
2015-2017 | Reshmi Mukherjee (Barnard College) | Scott Wakely (Universidad de Chicago) |
2017-2019 | Reshmi Mukherjee (Barnard College) | Scott Wakely (Universidad de Chicago) |
2019-2021 | John Quinn (UCD) | David Williams (UCSC) |
2021-2023 | John Quinn (UCD) | Amy Furniss (CSU, este de la bahía) |
A partir de 2019, las siguientes agencias proporcionan financiamiento operativo para VERITAS: la National Science Foundation y la Smithsonian Institution en los EE. UU., El Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería en Canadá, la Asociación Helmholtz en Alemania.
Ver también
- Telescopio espacial de rayos gamma Fermi
- Sistema estereoscópico de alta energía
- YO ACTUO
- MAGIC (telescopio)
Referencias
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enlaces externos
- Sitio oficial VERITAS