1 Błyski gamma największe kataklizmy Wszechświata eksperyment of the Sky Marcin Sokołowski Instytut Problemów Jądrowych im. A.Sołtana

, Pearl Harbor Niespodziewany atak lotnictwa japońskiego na zgrupowanie floty USA Szok w USA doktryna nigdy nie dać się zaskoczyć

– Układ o zakazie prób jądrowych w przestrzeni kosmicznej Wystrzelenie satelitów VELA Stirling Colgate, Los Alamos National Laboratory wyposażone w detektory promieni orbita R= km, okres=4.5 doby zdolne wykryć wybuch jądrowy na odwrotnej stronie Księżyca kierunek z czasów rejestracji przez różne satelity 1958 – USA planują próby jądrowe na odwrotnej stronie Księżyca (dane ujawnione dopiero w 2000)

4

– VELA rejestrują błysk – VELA rejestrują błysk Ray Klebesadel i Roy Olson z Los Alamos National Laboratory porównują wydruki danych z VELA 4A i 4B Znajdują ten sam błysk widziany przez oba statki ZSRR złamało Układ? Kształt impulsu inny niż dla bomby jądrowej brak informacji o kierunku i odległości

– Wystrzelenie VELA 5 i 6 czasowa zdolność rozdzielcza 1/64 s możliwość określenia kierunku (~5°) i odległości – rejestracja 16 błysków 1973 – publikacja wyników odległość > milion km kierunki wykluczają Słońce i planety rozkład ~izotropowy dziennikarze węszą wojnę jądrową między kosmitami podniecenie wśród astronomów

7 Skale odległości w jednostkach świetlnych ( 1 rok św ~= 9460 mld km ) Ziemia – Księżyc 1 s Ziemia – Słońce 8 min krańce Układu Słonecznego 11 h najbliższa Słońcu gwiazda 4 lata średnica Galaktyki lat odległość do M312.5 mln lat widzialny Wszechświat 15 mld lat

8 Pytania i pierwsze hipotezy 1974 – przegląd Rudermana wymienia kilkadziesiąt teorii Skąd pochadzą ? Układ Słoneczny, Galaktyka, Wszechświat Co jest przyczyną ? gwiazdy ciągu głównego, białe karły, czarne dziury, gwiazdy neutronowe, planety, komety, ziarna pyłu, białe dziury, struny kosmiczne, wormholes, kres życia masywnej gwiazdy etc. Jak powstaja ? energia grawitacyjna, termojądrowa, magnetyczna, kinetyczna (rotacyjna)

9 Supernowe - gigantyczne eksplozeje widoczne wświetle widzialnym Gwiazda czerpie energię z procesów termojądrowych łączenia atomów H w He. Jeśli jest >8x cięższa od Słońca, to po zużyciu H następuje łączenie cięższych pierwiastków aż do Fe.

10 Wybuch supernowej Nagle żelazne jądro o masie ~M Słońca i promieniu ~R Ziemi w ciągu ułamka sekundy kurczy się do R~10 km tworząc gwiazdę neutronową Zewnętrzne warstwy zapadają się i z prędkością ~c/3 odbijają się od jądra Przeciwbieżne strumienie materii zderzają się Wytworzona fala uderzeniowa brnie przez materię wytwarzając pierwiastki cięższe od Fe Wreszcie odrzuca najbardziej zewnętrzne części gwiazdy

11 Supernowe Wyzwolona energia ~ erg ( J ) jest unoszona przez neutrina (~95%) i fotony (~5%) Gwiazda staje się jaśniejsza niż cała galaktyka (miliardy gwiazd) Po kilku tygodniach stopniowo przygasa Barwna otoczka pozostaje widoczna przez stulecia

12 Galeria supernowych (X) SN 1987 SN 1572 SN w Kasjopei Krab SN 386

13 Gwiazdy neutronowe Obiekt o masie rzędu Słońca, R~10 km, gęstość materii jądrowej Grawitacja miażdży jądra atomowe gwiazda neutronowa = gigantyczne jądro atomowe Szybki obrót – /s Silne pole magnetyczne skupia promieniowanie w wąskim stożku Jeśli oś pola osi obrotu to stożek promieniowania omiata przestrzeń jak latarnia morska gwiazda neutronowa = pulsar

14 Spadek komety na gwiazdę neutronową Różnorodność kształtów i wielkości komet dobrze tłumaczy różnorodność kształtów błysków Ale g.n. skupione są w dysku Galaktyki Skąd więc rozkład izotropowy? Możliwy, jeśli widzimy tylko bliskie g.n. Znając liczbę gwiazd neutronowych (z obserwacji pulsarów i supernowych) oraz liczbę komet (z Układu Słonecznego) można policzyć częstość błysków Znając typowe wielkości komet i g.n. możemy policzyć wyzwoloną energię Porównując z energią obserwowaną otrzymujemy skalę odległości: lat świetlnych 10 l.ś. ~ odległość do najbliższych g.n l.ś. ~ grubość dysku galaktycznego

15 Sieć międzyplanetarna Inter-Planetary Network (IPN) 1978 – kilka statków kosmicznych z dala od Ziemi wyposażonych w detektory gamma Prognoz 7 (ZSRR) – satelita Ziemi Helios 2 (RFN) – satelita Słońca Pioneer Venus Orbiter (USA) Wenera 11 i 12 (ZSRR) – misja na Wenus Kosmos (ZSRR) – kilka satelitów Ziemi Vela 5 i 6 (USA) – dalekie orbity wokółziemskie Potrzeba więcej danych !

16 Błysk w Obłoku Magellana – satelity IPN rejestrują niezwykle silny błysk po którym następuje gasnący szereg słabych co 8 s Kierunek z Wielkiego Obłoku Magellana (sąsiednia galaktyka, l.ś. od Ziemi) Położenie pokrywa się z pozostałością po supernowej Gigantyczna energia wyklucza hipotezę komety Miejsce po supernowej i 8 s pulsacje wskazują na gwiazdę neutronową (pulsar) Hipoteza gigantycznej burzy magnetycznej na g.n. o olbrzymim polu magnetycznym dobrze tłumaczy obserwowany błysk

17 Soft Gamma Repeaters (SGR) 1986 – błysk zaobserwowany w miejscu GRB przegląd danych archiwalnych ujawnił >100 rozbłysków tego obiektu w latach większość skupiona w , część w grupach, część pojedynczych Wkrótce odkryto więcej takich obiektów wszystkie w naszej Galaktyce wszystkie w miejscu po SN sprzed ~ lat pulsacje w promieniach X o okresie ~8s Zagadka rozwiązana w 1998 Inne niż GRB zjawisko w 3 lata okres SGR zmalał o 0.008s powodem - pole magnetyczne obliczone na T ! magnetar - gwiazda neutronowa o polu mag. ~10 11 T obracając się szybko jest spłaszczona i promieniuje tracąc energię zwalnia i robi się bardziej kulista pęknięcia skorupy – trzęsienia gwiazdy powodują gigantyczne burze magnetyczne obserwowane jako błyski gamma

18 Burst And Transient Source Experiment 1973 – Gerald Fishman na konferencji wysłuchuje referatu o błyskach odkrytych przez VELA i rozpoczyna prace nad nowymi detektorami 1975 – 2 loty balonem po 12h: tylko ze Słońca 1980, 82 – loty 19+48h: 1 GRB / 40 spodziewanych 1978 – BATSE planowany na satelitę GRO w – na orbicie! koszt 12M$ manyear 18 lat przygotowań 6 lat opóźnienia

19 BATSE / GRO wykrywał ~1 błysk dziennie położenie błysków: 4-10° zaobserwował ~3000 GRB Miał nagrywać dane na taśmę i przesyłać lecąc nad USA W 1992 zepsuły się magnetofony NASA zbudowała stacje w Afryce i Australii Dzięki bezpośredniej transmisji teleskopy naziemne mogły natychmiast podejmować obserwacje błysków 2000 – z powodów politycznych NASA spaliła GRO pomimo nienagannej pracy aparatury i protestów naukowców

20 Jeśli widziałeś jeden błysk gamma... widziałeś jeden błysk gamma Jeśli widziałeś jeden błysk gamma... widziałeś jeden błysk gamma

21 Błyski z BATSE - bardzo duża baza danych dwie klasy : krótkie i długie rozkład izotropowy

22 Sytuacja w 1990 Błysk w Obłoku Magellana okazuje się być SGR SGR – to osobna klasa słabych, powtarzalnych GRB A co z silnymi, jednorazowymi GRB? >95% astronomów za pochodzeniem galaktycznym Ed Fenimore, Martin Rees, Donald Lamb,... <5% astronomów za pochodzeniem kosmologicznym Bohdan Paczyński,... Zakład Fenimore-Paczyński o butelkę wina Rees proponował Paczyńskiemu zakład 100:1

23 Wielka debata nr – Wielka debata o odległościach we Wszechświecie Czy mgławice to obiekty w naszej Galaktyce czy galaktyki, podobne do naszej? Harlow Shapley – Heber Curtis – Wielka debata nr 2 Błyski Gamma w naszej Galaktyce czy w odległym Wszechświecie Don Lamb – Bohdan Paczyński Prowadzący: Martin Rees Rees Paczyński Lamb

24BeppoSAX Satelita włosko-holenderski szerokokątna (pole 40°) kamera rentgenowska precyzyjna (rozdzielczość 3) kamera rentgenowska monitor promieniowania 1980 – rozpoczęcie prac 1986 – planowany start 1996 – na orbicie! 10 lat opóźnienia planowany koszt 28 M$ faktyczny koszt: 200 M$ satelita 150 M$ wystrzelenie + stacje naziemne

25 Pogoń za błyskiem – BeppoSax na orbicie – pierwszy GRB widziany w prom. X – wiele GRB, nic w X (kamera = 2% nieba) – GRB + źródło X radioteleskop VLA: gasnące źródło radiowe teleskop KECK (10 m): galaktyka wysłano artykuły do Nature tuż przed drukiem wyniki okazały się fałszywe – silny GRB + X Holendrzy odkrywają poświatę optyczną w 7 tygodni później ukazuje się ich artykuł w Nature Włoski artykuł o GRB+X ukazuje się 2 miesiące później, gdyż angielski wymagał wielu poprawek

26 Pierwsze poświaty – obserwacja GRB w promieniach X 21 h później - obserwacja optyczna William Herschel Telescope, 4.2m, La Palma

27 GRB ( z=0.835 ) GRB ( z= ) Wyznaczenie przesunięcia ku czerwieni linii widmowych

28 Nowa Supernowa SN1998bw – GRB zaobserwowany przez BeppoSAX znaleziono bardzo jasną poświatę – 14 m (wszystkie poprzednie >20 m ) widmo inne niż poprzednich GRB charakterystyczne dla SN poświata jaśniała przez 2 tygodnie, potem słabła

29 BATSE i ROTSE 4 ruchome obiektywy CANON d=10 cm sterowane sygnałem z satelity BATSE Obserwacja s po alercie BATSE Błysk optyczny 9 m ! widoczny przez lornetkę

30 Błysk gamma wyzwala energię >10 51 ergów = J w ciągu s Tyle samo wydzieli Słońce w ciągu swego istnienia (10 mld lat)

31 1 min. – 10 cm obiektyw fotograficzny 1 h – 30 cm teleskop amatorski 1 dzień – 1 m profesjonalny 1 tydzień – 6 m gigant 1 miesiąc – teleskop Hubblea

32 Soft Gamma Repeater Gigantyczny wybuch SGR 1806 Może krótkie GRB to superwybuchy odległych SGR? (ich słabszych wybuchów nie rejestrujemy)

33 Aktualny stan wiedzy Długie błyski ( > 1 s ) - znane odłegłości do kilkudziesieciu błysków ( z przesunięć ku czerwieni ), pochodzą spoza galaktyki rodzaj wybuchu supernovej ( może hypernova ), czyli śmierć masywnej gwiazdy Krótkie błyski ( < 1 s ) - prawdopodobnie związane ze zderzeniami 2 gwiazd neutronowych w układzie podwójnym lub wybuchy SGR-ów

34 Skale energii we wszechświecie Energie zjawisk w skali ludzkiej 1 ergs = podskok komara 10^3 ergs = podrzucenie piłki 10^10 ergs = zderzenie ciężarówki 10^20 ergs = bomba wodorowa 10^26 ergs = killer asteroid Energie w skali astronomicznej 10^33 ergs/s = Słońce 10^39 ergs/s = Nova 10^45 ergs/s = Galaktyka 10^51 ergs/s = Supernova 10^51 ergs/s = GRB

35 Mechanizm błysków gamma

36 Swift GRB Prekursor widoczny także w GRB B.Paczyński i P.Haensel (astro-ph/ ) interpretują prekursor jako kolaps do gwiazdy neutronowej a główny błysk jako utworzenie gwiazdy kwarkowej

37 Satelity HETE Wystrzelenie HETE pozostał uwięziony w korpusie rakiety Wystrzelenie HETE-2 pole widzenia 50°×50°

38 Satelita Swift Wystrzelony Trzy instrumenty: BAT - detektor : 2 steradiany BAT - detektor : 2 steradiany XRT - detektor X: rozdzielczość 4 XRT - detektor X: rozdzielczość 4 UVOT – ruchomy teleskop optyczny (+ultrafiolet) UVOT – ruchomy teleskop optyczny (+ultrafiolet)

39 Co dalej? Konieczność obserwacji optycznych w czasie i przed GRB Dotychczasowe metody mało skuteczne (tylko 3 błyski) Zbyt długi czas reakcji wypracowanie decyzji transmisja na Ziemię obrót teleskopu Nowe podejście: wykorzystanie metod fizyki cząstek projekt of the Sky: jednoczesna obserwacja całego nieba duży strumień danych analiza w czasie rzeczywistym Projekt realizują wspólnie: Instytut Problemów Jądrowych W-wa/Świerk Instytut Problemów Jądrowych W-wa/Świerk Centrum Fizyki Teoretycznej PAN + Uniwersystet Kard. St. Wyszyńskiego Centrum Fizyki Teoretycznej PAN + Uniwersystet Kard. St. Wyszyńskiego Instytut Fizyki Doświadczalnej UW, Politechnika Warszawska Instytut Fizyki Doświadczalnej UW, Politechnika Warszawska współpraca: Princeton University, Centrum Badań Kosmicznych W-wa współpraca: Princeton University, Centrum Badań Kosmicznych W-wa

40 Aparatura of the Sky 2 kamery CCD 2000×2000 pikseli 2 kamery CCD 2000×2000 pikseli obiektywy Zeiss f=50mm, d=f /1.4 obiektywy Zeiss f=50mm, d=f /1.4 wspólne pole widzenia 33°×33° wspólne pole widzenia 33°×33° od 2006: Canon f=85mm, d=f /1.2 od 2006: Canon f=85mm, d=f /1.2 wspólne pole widzenia 20°×20° wspólne pole widzenia 20°×20° detector - robot detector - robot sterowany z Wwy sterowany z Wwy pracuje wg programu pracuje wg programu reaguje na trygery własne i zewnętrzne reaguje na trygery własne i zewnętrzne Brwinów Las Campanas Observatory, Chile

41 of the Sky: obserwacje GRB of the Sky: obserwacje GRB 89 GRB wykrytych przez satelity , z tego: 5 - aparatura wyłączona (1) lub chmury (4) 5 - aparatura wyłączona (1) lub chmury (4) 18 - nieosiągalny (północna półkula) 48 - w ciągu dnia 16 - poza polem widzenia, dla 4 z nich limity GRB B, >13 m dla t > t 0 +17min (publ. GCN 2725) GRB , >11.5 m dla t > t 0 +30min (publ. GCN 2862) GRB , >12 m dla t 12 m dla t < t min (publ. GCN 2970) GRB , >11 m dla t 11 m dla t < t 0 -33min (publ. GCN 3146) 2 - w polu widzenia GRB A (publikacja GCN 2677) 2 - w polu widzenia GRB A (publikacja GCN 2677) >10 m dla t 12 m dla t = t 0 >9.5 m dla t > t 0 +7s GRB (GCN 3240) >11.5 m / >11 m / >11.5 m limity przed i w czasie trwania GRB

42 Wykryto ~100 błysków na pojedynczych klatkach (10s) Nie można wykluczyć, że to refleksy satelitarne Zaobserwowano 6 błysków na 2 klatkach - pochodzenie nieznane Wykryto 1 błysk na 11 klatkach - gwiazda rozbłyskowa CN Leo Błyski wykryte przez of the Sky CN Leo EQ Peg

43 Flare Star V* CN Leo : Seminarium Doktoranckie IPJ 24-V

44 Obserwacje obiektów szybkozmiennych Trwa analiza danych : Bazy danych ~5 mln gwiazd z krzywymi blasku w skalach czasowych : 12 sec : pojedyncze klatki 4 min : klatki posumowane po 20 1 dnia : conocny przegląd całego nieba Dostępna publicznie :

45 HD – gwiazda zmienna HD – układ podwójny zaćmieniowy typu W UMa HD układ podwójny zaćmieniowy typu Algol HD – gwiazda zmienna typu RR Lyr

46 of the Sky: obserwacje meteorów of the Sky: obserwacje meteorów Wybuch bolidu zarejestrowany

47 Perspektywy of the Sky 2 kamery of the Sky na Las Campanas wyposażamy w nowe obiektywy Rozpoczęliśmy budowę systemu 2×16 kamer pokrywających pole widzenia satelity SWIFT ( ~ 2 srad ) - lokalizacja Wyspy Kanaryjskie Przygotowujemy międzynarodowy projekt (Kopenhaga, Poczdam, Warszawa,...) na budowę O(100) kamer o większym zasięgu grb.fuw.edu.pl

48 Pot, krew i łzy... S atelity VELA przez 4 lata nic nie zarejestrowały Nowe satelity i 6 lat pracy zaowocowały 16 GRB Pra-BATSE po 7 latach: 1 GRB zamiast 40 BATSE: 18 lat przygotowań, 6 lat opóźnienia BeppoSAX: 16 lat przygotowań, 10 lat opóźnienia Pierwszy optyczny odpowiednik: 1 rok po starcie HETE: 17 lat przygotowań, 6 lat opóźnienia awarie rakiet, pierwszy satelita zniszczony Obserwacje optyczne: 15 lat odrzucania grantów ETC+RMT: nic, GROCSE: nic,... ROTSE: 10 lat prac, 1 błysk w 20s po GRB

49 Nauka na gorąco Postęp nauki oglądany z perspektywy książek: laminarny proces stopniowego poszerzania wiedzy Rozwój nauki śledzony na gorąco: wysoce turbulentny proces przypadkowe odkrycia tworzenia i upadania idei udanych i nieudanych eksperymentów zaskakujących obserwacji gwałtownych i nieoczekiwanych zwrotów... i właśnie dlatego jest taki pasjonujący!

50 Zrób to sam Obserwatorium cyfrowe za 500 zł Kamera internetowa (webcam) z CCD + teleskop = fotografie planet + obiektyw Zenit = pomiary blasku gwiazd

51 Kamera internetowa + teleskop M15 plamy na Słońcu

52 Kamera zmodyfikowana M31 M57

53 Pomiar blasku gwiazd Dwie gwiazdy o podobnej wielkości i jasności okrążają się po ciasnej orbicie. Z Ziemi widać je jako jeden obiekt, którego blask okresowo spada o połowę.

54 Zapraszamy do programów edukacyjnych stowarzyszonych z of the Sky grb.fuw.edu.pl Teleskopy w edukacji Telescopes in Education Internetowy dostęp dla szkół do dużych teleskopów Wszechświat własnymi rękami Hands on Universe ( ) Dostęp do danych z teleskopu Hubble itp. Szkolne obserwatorium cyfrowe za ~1000zł Zapraszamy też na wycieczkę po Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku jedyny w Polsce pracujący reaktor jądrowy działający model elektrowni jądrowej eksperymenty z fizyki jądrowej

55 Odrzucone granty 1974 – Paul Boynton proponuje poszukiwać optycznych odpowiedników GRB vidiconem NSF: failed to show that they would, in fact, observe anything 1983 – MIT: Explosive Transient Camera (16 kamer = 43% nieba, d=25mm) Raipdly Moving Telescope, d=180mm odrzucone przez NFS, okrojona wersja w 1991 oprogramowanie nie poradziło sobie z tłem 1993 – Scott Barthelmy (NASA) tworzy sieć dystrybusji alertów BAtse COorDInate NEtwork i proponuje eksperyment GTOTE – odrzucony przez NASA ~1989 – Lawrence Livermore NL ma opracować kamerę dla programu Gwiezdnych Wojen. Projekt upada.

56 Wyrok Salomona 1992 – Carl Akerlof, fizyk cząstek (m.in. MACHO) jedzie do LLNL Od koleżanki ze studiów Hye-Sook Park dowiaduje się o kamerze do Gwiezdnych Wojen Odkurzona kamera staje się eksperymentem GROCSE Niestety, nic zaobserwowała żadnego błysku – propozal GROCSE-II odrzucony przez NFS 4x 1996 – Lee próbuje usunąć Akerlofa z projektu Dzielą kamerę na pół i rozstają się Lee w Livermore buduje LOTIS Akerlof w Los Alamos buduje ROTSE – BATSE wysyła alert GRB nad Livermore chmury nad Los Alamos czyste niebo...