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

Prezentacja na temat: "1 Błyski gamma największe kataklizmy Wszechświata eksperyment of the Sky Marcin Sokołowski Instytut Problemów Jądrowych im. A.Sołtana"— Zapis prezentacji:

1 1 Błyski gamma największe kataklizmy Wszechświata eksperyment of the Sky Marcin Sokołowski Instytut Problemów Jądrowych im. A.Sołtana http://grb.fuw.edu.pl

2 2 7.12.1941, Pearl Harbor Niespodziewany atak lotnictwa japońskiego na zgrupowanie floty USA Szok w USA doktryna nigdy nie dać się zaskoczyć

3 3 1963 – Układ o zakazie prób jądrowych w przestrzeni kosmicznej Wystrzelenie satelitów VELA Stirling Colgate, Los Alamos National Laboratory wyposażone w detektory promieni orbita R=100 000 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 4

5 5 2.6.1967 – VELA rejestrują błysk 2.6.1967 – 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

6 6 1969 – Wystrzelenie VELA 5 i 6 czasowa zdolność rozdzielcza 1/64 s możliwość określenia kierunku (~5°) i odległości 1969-73 – 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 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 100 000 lat odległość do M312.5 mln lat widzialny Wszechświat 15 mld lat

8 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 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 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 11 Supernowe Wyzwolona energia ~3. 10 51 erg ( 3. 10 46 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 12 Galeria supernowych (X) SN 1987 SN 1572 SN w Kasjopei Krab SN 386

13 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 – 1-1000/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 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: 10-1000 lat świetlnych 10 l.ś. ~ odległość do najbliższych g.n. 1000 l.ś. ~ grubość dysku galaktycznego

15 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 16 Błysk w Obłoku Magellana 5.3.1979 – satelity IPN rejestrują niezwykle silny błysk po którym następuje gasnący szereg słabych co 8 s Kierunek z Wielkiego Obłoku Magellana (sąsiednia galaktyka, 160 000 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 17 Soft Gamma Repeaters (SGR) 1986 – błysk zaobserwowany w miejscu GRB 1979.01.07 przegląd danych archiwalnych ujawnił >100 rozbłysków tego obiektu w latach 1979-84 większość skupiona w 1983.11, część w grupach, część pojedynczych Wkrótce odkryto więcej takich obiektów wszystkie w naszej Galaktyce wszystkie w miejscu po SN sprzed ~10 000 lat pulsacje w promieniach X o okresie ~8s Zagadka rozwiązana w 1998 Inne niż GRB zjawisko w 3 lata okres SGR 1806-20 zmalał o 0.008s powodem - pole magnetyczne obliczone na 10 11 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 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 1985 1991 – na orbicie! koszt 12M$ + 400 manyear 18 lat przygotowań 6 lat opóźnienia

19 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 20 Jeśli widziałeś jeden błysk gamma... widziałeś jeden błysk gamma Jeśli widziałeś jeden błysk gamma... widziałeś jeden błysk gamma

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

22 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 23 Wielka debata nr 2 1920.04.26 – Wielka debata o odległościach we Wszechświecie Czy mgławice to obiekty w naszej Galaktyce czy galaktyki, podobne do naszej? Harlow Shapley – Heber Curtis 1995.04.22 – Wielka debata nr 2 Błyski Gamma w naszej Galaktyce czy w odległym Wszechświecie Don Lamb – Bohdan Paczyński Prowadzący: Martin Rees Rees Paczyński Lamb

24 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 25 Pogoń za błyskiem 1996.04.30 – BeppoSax na orbicie 1996.07.20 – pierwszy GRB widziany w prom. X 1996... – wiele GRB, nic w X (kamera = 2% nieba) 1997.01.11 – GRB + źródło X radioteleskop VLA: gasnące źródło radiowe teleskop KECK (10 m): galaktyka wysłano artykuły do Nature tuż przed drukiem wyniki okazały się fałszywe 1997.02.28 – 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 26 Pierwsze poświaty 1997.02.28 – obserwacja GRB w promieniach X 21 h później - obserwacja optyczna William Herschel Telescope, 4.2m, La Palma

27 27 GRB970508 ( z=0.835 ) GRB971214 ( z=3.1418 ) Wyznaczenie przesunięcia ku czerwieni linii widmowych

28 28 Nowa Supernowa SN1998bw 1998.04.25 – 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 29 BATSE i ROTSE 4 ruchome obiektywy CANON d=10 cm sterowane sygnałem z satelity BATSE Obserwacja 1999.01.23 20 s po alercie BATSE Błysk optyczny 9 m ! widoczny przez lornetkę

30 30 Błysk gamma wyzwala energię >10 51 ergów = 10 44 J w ciągu 0.1-100s Tyle samo wydzieli Słońce w ciągu swego istnienia (10 mld lat)

31 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 32 Soft Gamma Repeater 1806-20 Gigantyczny wybuch SGR 1806 Może krótkie GRB to superwybuchy odległych SGR? (ich słabszych wybuchów nie rejestrujemy)

33 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 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 35 Mechanizm błysków gamma

36 36 Swift GRB 2004.12.19 Prekursor widoczny także w GRB 2005.01.24 B.Paczyński i P.Haensel (astro-ph/0502297) interpretują prekursor jako kolaps do gwiazdy neutronowej a główny błysk jako utworzenie gwiazdy kwarkowej

37 37 Satelity HETE 1996.11.04 Wystrzelenie HETE pozostał uwięziony w korpusie rakiety 2000.10.09 Wystrzelenie HETE-2 pole widzenia 50°×50°

38 38 Satelita Swift Wystrzelony 2004.11 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 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 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 6.2004-8.2005

41 41 of the Sky: obserwacje GRB of the Sky: obserwacje GRB 89 GRB wykrytych przez satelity 7.2004-7.2005, 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 040916B, >13 m dla t > t 0 +17min (publ. GCN 2725) GRB 041217, >11.5 m dla t > t 0 +30min (publ. GCN 2862) GRB 050123, >12 m dla t 12 m dla t < t 0 -108min (publ. GCN 2970) GRB 050123, >11 m dla t 11 m dla t < t 0 -33min (publ. GCN 3146) 2 - w polu widzenia GRB 040825A (publikacja GCN 2677) 2 - w polu widzenia GRB 040825A (publikacja GCN 2677) >10 m dla t 12 m dla t = t 0 >9.5 m dla t > t 0 +7s GRB 040412 (GCN 3240) >11.5 m / >11 m / >11.5 m limity przed i w czasie trwania GRB

42 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 43 Flare Star V* CN Leo : 20050402 Seminarium Doktoranckie IPJ 24-V-2005 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6

44 44 Obserwacje obiektów szybkozmiennych Trwa analiza danych 7.2004-8.2005: 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 : http://www.fuw.edu.pl/~msok/public_db.html

45 45 HD 16189 – gwiazda zmienna HD 26609 – układ podwójny zaćmieniowy typu W UMa HD 119592 -układ podwójny zaćmieniowy typu Algol HD 73857 – gwiazda zmienna typu RR Lyr

46 46 of the Sky: obserwacje meteorów of the Sky: obserwacje meteorów Wybuch bolidu zarejestrowany 2.12.2004

47 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 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 990123

49 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 50 Zrób to sam Obserwatorium cyfrowe za 500 zł Kamera internetowa (webcam) z CCD + teleskop = fotografie planet + obiektyw Zenit = pomiary blasku gwiazd

51 51 Kamera internetowa + teleskop M15 plamy na Słońcu

52 52 Kamera zmodyfikowana M31 M57

53 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 54 Zapraszamy do programów edukacyjnych stowarzyszonych z of the Sky grb.fuw.edu.pl http://grb.fuw.edu.pl/pi/edu.htm Teleskopy w edukacji Telescopes in Education Internetowy dostęp dla szkół do dużych teleskopów Wszechświat własnymi rękami Hands on Universe ( http://tie.astronet.pl/ )http://tie.astronet.pl/ Dostęp do danych z teleskopu Hubble itp. Szkolne obserwatorium cyfrowe za ~1000zł Zapraszamy też na wycieczkę po Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku www.ipj.gov.pl jedyny w Polsce pracujący reaktor jądrowy działający model elektrowni jądrowej eksperymenty z fizyki jądrowej

55 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 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 1994-95 – 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 1999.01.23 – BATSE wysyła alert GRB nad Livermore chmury nad Los Alamos czyste niebo...