Forskare i Cherenkov Telescope Array (CTA) konsortiet har upptäckt gammastrålar från krabbnebulosan med hjälp av en prototyp Schwarzschild-Couder Telescope (pSCT), bevisar lönsamheten hos den nya teleskopdesignen för användning inom gammastrålastrofysik. Resultaten tillkännagavs den 1 juni vid det 236:e mötet i American Astronomical Society (AAS).

"I femtio år, den optiska designen av gammastrålningteleskop har varit i stort sett oförändrad. Med denna upptäckt, vi har verifierat en ny, mer sofistikerad optisk design som inte bara ger enormt bättre optisk prestanda, men gör det möjligt för kameran att dra full nytta av moderna utvecklingar inom ljussensorer och höghastighetselektronik, sa David Williams, en forskare vid Santa Cruz Institute for Particle Physics (SCIPP) och adjungerad professor i fysik vid UC Santa Cruz.

Williams är en av de huvudansvariga utredarna för bidraget från National Science Foundation som stödde konstruktionen av teleskopet. Hans grupp vid UCSC, inklusive flera studenter, testade ljussensorer för att välja den bästa modellen att använda i teleskopkameran och för att kalibrera prestanda för sensorerna som köpts till kameran.

Krabbnebulosan är den ljusaste stadiga källan till mycket högenergi-gammastrålar på himlen, så att upptäcka det är ett utmärkt sätt att bevisa pSCT-tekniken. "Gammastrålar med mycket hög energi är de högsta energifotonerna i universum och kan avslöja fysiken hos extrema objekt inklusive svarta hål och möjligen mörk materia, " sa Justin Vandenbroucke från University of Wisconsin.

Att upptäcka krabbnebulosan med pSCT är mer än bara bevis positivt för själva teleskopet. Det lägger grunden för framtiden för gammastrålastrofysik. "Vi har etablerat den här nya tekniken, som kommer att mäta gammastrålar med extraordinär precision, möjliggör framtida upptäckter, " sade Vandenbroucke. "Gammastrålastronomi är redan kärnan i den nya multi-budbärarastrofysiken, och SCT-tekniken kommer att göra den till en ännu viktigare aktör."

Användningen av sekundära speglar i gammastrålningteleskop är ett steg framåt i innovation för det relativt unga fältet av mycket högenergi gammastrålastronomi, som snabbt har flyttat till astrofysikens framkant. "För drygt tre decennier sedan, TeV gammastrålar upptäcktes först i universum, från krabbnebulosan, på samma berg där pSCT sitter idag, " sa Vandenbroucke. "Det var ett verkligt genombrott, öppna ett kosmiskt fönster med ljus som är en biljon gånger mer energisk än vi kan se med våra ögon. I dag, vi använder två spegelytor istället för en, och toppmoderna sensorer och elektronik för att studera dessa gammastrålar med utsökt upplösning."

Den första pSCT Crab Nebula-detekteringen möjliggjordes genom att utnyttja viktiga samtidiga observationer med det samlokaliserade VERITAS-observatoriet (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System). "Vi har framgångsrikt utvecklat hur gammastrålastronomi har gjorts under de senaste 50 åren, gör att studier kan utföras på mycket kortare tid, " sa VERITAS direktör Wystan Benbow. "Flera framtida program kommer särskilt att gynna, inklusive undersökningar av gammastrålehimlen, studier av stora föremål som supernovarester, och söker efter multi-budbärare motsvarigheter till astrofysiska neutrinos och gravitationsvåghändelser."

Beläget vid Fred Lawrence Whipple Observatory i Amado, Arizona – den största fältplatsen för Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian – pSCT invigdes i januari 2019 och såg första ljuset samma vecka. Efter ett års driftsättningsarbete, forskare började observera krabbnebulosan i januari 2020, men projektet har pågått i mer än ett decennium.

"Vi föreslog först idén att tillämpa detta optiska system på TeV-gammastrålastronomi för nästan 15 år sedan, och jag och mina kollegor byggde ett team i USA och internationellt för att bevisa att den här tekniken kunde fungera, " sa pSCT:s huvudutredare Vladimir Vassiliev. "Det som en gång var en teoretisk gräns för denna teknik är nu väl inom vårt grepp, och fortsatta förbättringar av tekniken och elektroniken kommer att ytterligare öka vår förmåga att upptäcka gammastrålar med upplösningar och hastigheter som vi en gång bara drömt om."

pSCT möjliggjordes av bidrag från trettio institutioner och fem viktiga industripartners över hela USA, Italien, Tyskland, Japan, och Mexiko, och genom finansiering genom U.S. National Science Foundation Major Research Instrumentation Program.

"Att en prototyp av en framtida anläggning kan ge ett så lockande resultat lovar fantastiska saker från den fulla kapaciteten, och exemplifierar NSF:s intresse av att skapa nya möjligheter som kan göra det möjligt för ett projekt att attrahera brett stöd, " sa NSFs programchef Nigel Sharp.

Nu visat, pSCT:s nuvarande och kommande innovationer kommer att lägga grunden för användning i det framtida Cherenkov Telescope Array-observatoriet, som kommer att vara värd för mer än 100 gammastråleteleskop. "pSCT, och dess innovationer, är vägvisare för framtidens CTA, som kommer att upptäcka gammastrålningskällor cirka 100 gånger snabbare än VERITAS, vilket är det aktuella läget, ", sa Benbow. "Vi har visat att denna nya teknologi för gammastrålastronomi otvetydigt fungerar. Löftet finns för detta banbrytande nya observatorium, och det öppnar en enorm mängd upptäcktspotential."