No Slide Title - Pi of the Sky
advertisement
„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 1 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 – Eddington: synteza jądrowa HHe 1938 – Bethe: 1H + 1H 2D + e+ + n 1920 + 1H 3He + g 3He + 3He 4He + 1H + 1H, ... 2D Gwiazdy to gigantyczne reaktory termojądrowe 2 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 - ?! 3 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”. 4 Kosmiczne akceleratory cząstek supernowe otoczki supernowych aktywne jądra gakaktyk (kwazary, blazary) błyski gamma pulsary, pleriony mikrokwazary 5 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) 6 Pierre Auger – udział Instytutu Fizyki Jądrowej PAN Konstrukcja elementów mechanicznych detektorów Detekcja fotonów wys. energii z wykorzystaniem atmosfery jako kalorymetru elektromagnetycznego 7 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 8 Kascade (Karlsruhe) IPJ P7 Obserwacja wielkich pęków atmosferycznych poprzez detekcję fal radiowych Nature, 19 maja 2005 9 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 10 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 11 Eksperyment „p of the Sky” Badanie zjawisk astrofizycznych o krótkich skalach czasowych (10s-1rok) Poszukiwanie optycznych odpowiedników błysków gamma (ang. Gamma Ray Bursts – GRB) 12 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 13 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. 14 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. 16 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) 17 „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 18 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 19 „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) 20 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×) 21 Co widzi „p of the Sky” jak nie śpi ? Przykładowa „noc z życia gwiazdy” Badanie gwiazd zmiennych okresowych Spektakularne obserwacje meteorów 22 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 23 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, ...) 24 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” 25 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 26 Gdyby Kopernik żył w XXI w. ... 27
