Fizyka kosmosu Czego Instytut Problemów Jądrowych szuka w kosmosie? „Atomistyka XXI w.” – sesja naukowa z okazji 50-lecia IBJ Warszawa, 16.06.2005 Fizyka kosmosu Czego Instytut Problemów Jądrowych szuka w kosmosie? Krzysztof Nawrocki, Grzegorz Wrochna Instytut Problemów Jądrowych im. A.Sołtana http://grb.fuw.edu.pl
Dlaczego gwiazdy świecą? Do atmosfery Ziemskiej dociera ze Słońca 1340 W/m2 Słońce emituje L = 4.1026 W = 4 200 000 ton.c2/s polskie elektrownie: 9.1010 W 1920 – Eddington: synteza jądrowa HHe 1938 – Bethe: 1H + 1H 2D + e+ + n 2D + 1H 3He + g 3He + 3He 4He + 1H + 1H, ... Gwiazdy to gigantyczne reaktory termojądrowe
14 mld lat – człowiek 10 mld lat – Ziemia 200 mln lat – galaktyki 380 000 lat – atomy 3 minuty – jądra He miliardowa s – protony ??? - kwarki ??? - ??? 0 - ?!
Astronomia a fizyka subatomowa Badaniem najbardziej podstawowych praw przyrody zajmują się • astronomia (kosmologia) • fizyka jądrowa i cząstek elementarnych W ostatnich latach dziedziny te bardzo zbliżyły się do siebie. Fizyka cząstek opisuje prawa rządzące materią na fundamendalnym poziomie, kosmologia - jak ewoluował Wszechświat pod ich wpływem Eksperymenty fizyki cząstek odtwarzają warunki panujące w młodym Wszechświecie W kosmosie nie brak źródeł cząstek o gigantycznych energiach. Wyniki eksperymentów fizyki cząstek są podstawą modeli kosmologicznych. Wyniki obserwacji astronomicznych są sprawdzianem fizyki cząstek. Metody eksperymentalne obu dziedzin zbliżyły się do siebie. Coraz więcej eksperymentów “z pogranicza”.
Kosmiczne akceleratory cząstek błyski gamma supernowe otoczki supernowych pulsary, pleriony aktywne jądra gakaktyk (kwazary, blazary) mikrokwazary
Detektory cząstek kosmicznych Józef Chełmoński (1849-1914) Detektor im. Pierre Auger 2 systemy po 3000 km2 Mendoza, Argentyna (w budowie) Utah or Colorado, USA (planowany)
Pierre Auger – udział Instytutu Fizyki Jądrowej PAN Konstrukcja elementów mechanicznych detektorów Detekcja fotonów wys. energii z wykorzystaniem atmosfery jako kalorymetru elektromagnetycznego
Zakład Fizyki Promieniowania Kosmicznego IPJ „P7” w Łodzi Aparatura własna: Detektor wielkich pęków atmostefycznych: E>1015eV Podziemny teleskop mionowy: E>5GeV Projekt im. Rolanda Maze Eksperymenty międzynarodowe: Kascade, Kascade Grande (Karlsruhe) Baksan (Kaukaz) Detekcja pęków na pokładzie Airbus A380 (College de France) Teoria, modelowanie: produkcja wielocząstkowa przez promienie kosmiczne korelacje promieni kosmicznych i mikrofalowego promieniowania tła
Kascade (Karlsruhe) IPJ P7 Obserwacja wielkich pęków atmosferycznych poprzez detekcję fal radiowych Nature, 19 maja 2005
Projekt im. Rolanda Maze – IPJ P7 Łódź Przedsięwzięcie naukowo-dydaktyczne Detektory promieni kosmicznych w szkołach (po 4) Detektor = 1m2 scyntylatora + fotopowielacz Synchronizacja GPS (RMS=2ns) Wstępna analiza w szkołach Centralna baza danych w IPJ Uczniowie sami montują detektory i piszą oprogramowanie
Poszukiwanie dziwadełek (strangelets) IPJ P8, IFJ PAN, Akademia Świętokrzyska Dziwadełka to hipotetyczne bryłki materii złożonej z kwarków dziwnych poszukiwania w CASTOR (CMS/LHC) i w pękach mionów kosmicznych w detektorach LEP interpretacja kandydatów symulacja przejścia przez atmosferę dz. jako źródło promieni kosmicznych najw. energii
Eksperyment „p of the Sky” Badanie zjawisk astrofizycznych o krótkich skalach czasowych (10s-1rok) Poszukiwanie optycznych odpowiedników błysków gamma (ang. Gamma Ray Bursts – GRB)
2.6.1967 – VELA rejestrują błysk g 1963 – Układ o zakazie prób jądrowych w przestrzeni kosmicznej USA wystrzeliwuje satelity VELA wyposażone w detektory promieni g zdolne wykryć wybuch jądrowy w kosmosie i na odwrotnej stronie Księżyca 2.6.1967 – VELA rejestrują błysk g
Błyski gamma ang. Gamma Ray Bursts - GRB GRB to krótkie (0.01-100s) impulsy g z punktowych źródeł na niebie Pochodzą spoza Galaktyki (najdalszy 13 mld lat śwtl.) Są przejawem gigantycznych eksplozji, których natura nie jest do końca wyjaśniona Zapaść masywnej gwiazdy do czarnej dziury? Połączenie 2 gwiazd neutronowych w czarną dziurę? W ciągu kilku s wydziela się energia 1044 J tyle wyprodukuje Słońce przez 10 mld lat istnienia Obserwuje się też emisję fal radiowych, światła widzialnego i promieni Roentgena.
Mechanizm błysków gamma
Obserwacje błysków gamma W kosmosie ma miejsce 2-3 GRB dziennie! Wykrywają je satelity i przekazują współrzędne do teleskopów naziemnych GRB 990123 mógłby być dostrzeżony przez lornetkę, a GRB 030329 gołym okiem! Gdyby się zdarzył w sąsiedniej galaktyce Andromedy, byłby jasny jak Księżyc. Gdyby w naszej, np. w Mgławicy Oriona byłby jasny jak Słońce.
Koncepcja „p of the Sky” Aby zrozumieć naturę GRB należy je obserwować w czasie a nawet przez błyskiem. Tymczasem przesłanie alertu satelitarnego i nakierowanie dużego teleskopu zajmuje czas. Metodę tradycyjną: „wybieram obiekt i obserwuję” należy zastąpić przez: „obserwuję wszystko, wybieram interesujące obiekty”. Szerokie pole widzenia (p sterad. = 20° nad horyzontem) Duże strumienie danych (GB / h) Analiza w czasie rzeczywistym (specjalne algorytmy)
„p of the Sky” – made in Poland ! Skonstruowanie detektora-robota całkowicie w polskich warunkach przez warszawskie instytuty naukowe: IPJ, CFT PAN, IFD UW, ISE PW Wysokoczułe kamery CCD: procesor Cypress, 16 MB RAM programowalne zdalnie migawka na 10 mln otwarć „Montaż paralaktyczny”: <1 min w dowolny punkt nieba precyzja ~1/1000 stopnia
Aparatura „p of the Sky” Prototyp działający od 7.2004: 2 kamery CCD 2000×2000 pikseli obiektywy Zeiss f=50mm, d=f /1.4 wspólne pole widzenia 33°×33° Las Campanas Observatory, Chile Testy w Polsce Docelowo: 2×16 kamer po 20°×20° Canon EF f=85mm/1.2
„p of the Sky”: detektor-robot System pracuje autonomicznie według programu: śledzi pole widzenia satelity HETE lub Integral samodzielnie wykrywa błyski optyczne wieczorem i rano skanuje całe niebo (2×20min) podąża za obiektami alertów satelitarnych Wysoka niezawodność ,w ciągu > 11 miesięcy pracy: ~10 nocy przestoju z powodu awarii + ~30 nocy przestoju z powodu pogody > 300 nocy pracy, 1 000 000 zdjęć nieba, na każdym ok. 20 000 gwiazd samodiagnostyka (e-mail i SMS do Polski)
Co zobaczył „p of the Sky” ? Obserwacja szeregu błysków nieznanego pochodzenia Poszukiwania optycznych odpowiedników GRB dla 7 GRB byliśmy najszybsi, w tym 2 razy przed GRB nie zaobserwowano błysków optycznych wyznaczono limity na ich jasność Badanie gwiazd kataklizmicznych obserwacje przed odkryciem nowej V5115 Sgr 2005, nowej karłowatej ASAS 002511+1217.2 wykrycie rozbłysku gwiazdy CN Leo (pojaśniała 100×)
Co widzi „p of the Sky” jak nie śpi ? Przykładowa „noc z życia gwiazdy” Badanie gwiazd zmiennych okresowych Spektakularne obserwacje meteorów
Zespół „p of the Sky” Projektem kierują: dr hab. Grzegorz Wrochna – IPJ dr hab. Lech Mankiewicz – CFT PAN Trzon zespołu stanowią studenci i doktoranci: Instytut Problemów Jądrowych im. A.Sołtana Centrum Fizyki Teoretycznej PAN Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego Instytut Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej Uniwersytetu Kard. Stefana Wyszyńskiego We współpracy z projektem ASAS z OA UW (dr hab. G.Pojmański) i prof. B. Paczyńskim (Princeton University, USA). Idealny instrument do dydaktyki na wysokim poziomie: Ukończone: 2 prace magisterskie Rozpoczęte: 3 prace magisterskie, 2 doktoraty Inicjatywy popularyzatorskie: http://grb.fuw.edu.pl/pi/edu.htm
Fizyka cząstek czy astronomia? Dawniej astronom — oglądał ciała niebieskie przez teleskop fizyk cząstek — oglądał ślady cząstek w komorze pęcherzykowej Dzisiaj astronom — zlicza fotony docierające do jego detektora (CCD) fizyk cząstek — zlicza cząstki docierające do jego detektora ale jednym z lepszych sposobów detekcji cząstek jest zmuszenie ich do emisji fotonów (scyntylacja, promieniowanie Czerenkowa, ...)
Fizyka cząstek czy astronomia? Schemat typowego eksperymentu fizyki cząstek: chcemy badać dane zjawisko jednyna informacja o nim dostępna dla nas niesiona jest przez wyprodukowane w nim cząstki aby je efektywnie rejestrować, umieszczamy ośrodek emitujący fotony na skutek przejścia cząstek rejestrujemy fotony detektorem elektronicznym Niech teraz: badanym zjawiskiem będzie — źródło GRB optycznie aktywnym ośrodkiem — materia międzygwiazdowa a detektorem — kamera CCD Jest to dokładnie eksperyment “p of the Sky”
Instytut Fizyki Mikro i Makrokosmosu Nadchodzi epoka w której rozróżnienie między astronomią a fizyką cząstek zaciera się Być może Instytut Problemów Jądrowych należałoby przemianować na Instytut Fizyki Mikro i Makrokosmosu
Gdyby Kopernik żył w XXI w. ...