Μετρητές Νετρονίων και Ηλιόσφαιρα: παρελθόν, παρόν και μέλλον

Transcript

1 Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Μετρητές Νετρονίων και Ηλιόσφαιρα: παρελθόν, παρόν και μέλλον Αθανάσιος Παπαϊωάννου 1,2 1 Ινστιτούτο Αστρονομίας Αστροφυσικής Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης, Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών 2 Τομέας Πυρηνικής Φυσικής & Στοιχειωδών Σωματιδίων,, Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών

2 Επισκόπηση > Εισαγωγή Κοσμική Ακτινοβολία Ηλιόσφαιρα > Μετρητές Νετρονίων Χαρακτηριστικά Σταθμός του Πανεπιστημίου Αθηνών Δίκτυα Μετρητών Νετρονίων > Φαινόμενα Μειώσεις Forbush Ηλιακά Ενεργητικά Σωματίδια Διάδοση στο διαπλανητικό χώρο > Εφαρμογές Πρόγνωση Ηλιακών Ενεργητικών Σωματιδίων - Υψηλές Ενέργειες [Ε 433 ΜeV] - Χαμηλές Ενέργειες [Ε > 10 MeV] Ανάλυση Μειώσεων Forbush > Μελλοντικές κατευθύνσεις Ηλιακά Ενεργητικά Σωματίδια Ε 433 MeV Δόσεις Ακτινοβολίας Αύξηση του Δικτύου Μετρητών Νετρονίων Αποτύπωση των μηχανισμών μειώσεων Forbush Κοσμική Ακτινοβολία στο έδαφος του Άρη

3 Εισαγωγή

4 Κοσμική Ακτινοβολία ACE, GOES AMS, BESS, PAMELA, Neutron Monitors Special Detectors Muon Telescopes > Ροή: ~ 35 τάξεις μεγέθους l Ενέργεια: ~ 14 τάξεις μεγέθους AUGER,

5 Ηλιακή Κοσμική Ακτινοβολία γ~2.7 > Η Κοσμική Ακτινοβολία έχει διάφορες προελεύσεις: Γαλαξιακή + (κατά περίπτωση) ηλιακή [μέχρι μερικά GeV] Γαλαξιακή [μέχρι και ev; knee ] Πιθανότατα εξωγαλαξιακή [> knee ] ~ ev γ~3.1 Γαλαξιακή KA Ηλιακή ΚΑ ~ ev γ~2.7 > Πηγή: εκτός του ηλιακού συστήματος > Σύσταση: κυρίως πρωτόνια, πυρήνες He (~7-10%) και κάποιοι βαρύτεροι πυρήνες (~1%) > Πηγή: ο Ήλιος > Σύσταση: κυρίως πρωτόνια, πυρήνες He (~10%) και κάποιοι βαρύτεροι πυρήνες (<1%) GeV TeV PeV EeV Γαλαξιακή προέλευση Γαλαξιακής ή Εξωγαλαξιακή Άγνωστη προέλευση

6 Ηλιακή Διαμόρφωση Αποκοπή σωματιδίων Καταιγισμοί Κοσμική Ακτινοβολία Διαμόρφωση Ηλιόσφαιρα Ήλιος Μαγνητικό πεδίο της Γης I. Κίνηση εντός της Ηλιόσφαιρας II. Κίνηση εντός της μαγνητόσφαιρας IIΙ. Κίνηση εντός της ατμόσφαιρας

7 Ηλιόσφαιρα Στεμματικές Εκτινάξεις Μάζας - SoHO/LASCO Coronal Mass Ejection - CME Ηλιακές Εκλάμψεις- SoHO/EIT Solar Flare Ηλιακά Ενεργητικά Σωματίδια Solar Energetic Particles SEPs Ground Level Enhancements GLEs

8 Κοσμική Ακτινοβολία Ηλιακή διαμόρφωση Ροή Κοσμικής Ακτινοβολίας 11ετής Forbush, Phys. Rev. 51, 1937 Μεταβολή του Ηλιακού Κύκλου (SSN) Forbush, Phys. Rev. 32, 1946

9 Μετρητές Νετρονίων

10 Μετρητές Νετρονίων J. Simpson ( ) > Οι τυπικές ενέργειες ανιχνευτών κοσμικής ακτινοβολίας: Δορυφόροι => 700 MeV Μετρητές Νετρονίων => 433 MeV 15 GeV Ανιχνευτές Μιονίων => > 10 GeV μερικές εκατοντάδες GeV > Συμπληρώνουν ιδανικά τις μετρήσεις από διαστημικές αποστολές Simpson, Space Sci. Rev, 2000 Tylka et al, J. Geophys. Res, 2012

11 Μετρητές Νετρονίων Τομή Μετρητή Νετρονίων 1 0 n B 4 2α + 7 3Li + Q 1 [94 %] 4 2α + 7 3Li + Q 2 [6%] Ανακλαστήρας Παραγωγός Επιβραδυντής Simpson, Space Sci. Rev, 2000 Αναλογικός μετρητής 94 % => 7 3Li * 2.30 MeV 6% => 7 3Li 2.78 MeV

12 Mavromichalaki et al., IEEE Trans. Nuclear Phys., 2005 Μετρητές Νετρονίων Μετρητής Νετρονίων Πανεπιστημίου Αθηνών

13 Μετρητές Νετρονίων Μετρητής Νετρονίων Πανεπιστημίου Αθηνών > Παρέχει δεδομένα 1hour, 1 min Mavromichalaki et al., Annales Geophys., 2005

14 Μετρητές Νετρονίων Γιατί τους μετρητές νετρονίων σήμερα ; > Είναι οι state-of-the-art ανιχνευτές για την ανίχνευση ΚΑ στην ενεργειακή περιοχή των λίγων GeV - κανένας ανιχνευτής στο διάστημα δεν μπορεί να συγκριθεί σε αυτή την ενέργεια > Η ενεργειακή περιοχή που καλύπτουν εμπεριέχει: Την ηλιακή διαμόρφωση των ΚΑ Τις σποραδικές Ηλιακές ΚΑ Τις πλέον σημαντικές επιδράσεις στη Γη και την Ηλιόσφαιρα > Έχουν μεγάλη ανιχνευτική επιφάνεια > Έχουν πολύ μεγάλο χρόνο ζωής

15 Μετρητές Νετρονίων Γιατί τους μετρητές νετρονίων σήμερα ; > Έχουν την μεγαλύτερη συνεχόμενη χρονοσειρά μετρήσεων στην ιστορία των ΚΑ [1956 σήμερα] Neutron Monitors adapted from Mewaldt, Proc. ICRC, 2013

16 > Κατώφλι Δυσκαμψίας Δίκτυα Μετρητών Νετρονίων Κατανομή Μετρητών Νετρονίων σε Παγκόσμια Κλίμακα 0 GV Rc 20 GV 0 GeV Ec 15 GeV > Κατώφλι Ενέργειας Shea and Smart, Space Sci. Rev, 2000

17 Δίκτυα Μετρητών Νετρονίων > Η επιστημονική αξία των μετρητών νετρονίων αυξάνεται σημαντικά όταν πολλοί ανιχνευτές χρησιμοποιούνται μαζί σε συντονισμένες συστοιχίες > Ανισοτροπική φύση ΚΑ απαιτείται καταγραφή από διάφορες διευθύνσεις ώστε να αποδοθεί η τρισδιάστατη μορφολογία αυτής (Bieber et al., Astrophys. J., 2006) > Αλγόριθμος Έγκυρης Προειδοποίησης Άφιξης Ενεργητικών Σωματιδίων (Mavromichalaki et al., Adv. Space Res., 2011) > Ενεργειακές Συστοιχίες για τον υπολογισμό του φάσματος των ΚΑ (Moraal et al., Space Scie. Rev, 2012)

18 Δίκτυα Μετρητών Νετρονίων > > 50 σταθμούς > σε πραγματικό χρόνο > Νέοι Σταθμοί Delaware Mexico Tibet Calgary South Africa Barentsburg mini NMs > Ξεκίνησε με 12 σταθμούς (κυρίως) από τη Ευρώπη το Mavromichalaki et al., Adv. Space Res.,

19 Φαινόμενα

20 Κοσμική Ακτινοβολία After S. Forbush ( ) Ανακάλυψη των μειώσεων Forbush > Ταυτόχρονες μειώσεις της έντασης της κοσμικής ακτινοβολίας (~3%) καταγεγραμμένες στο Maryland και στο Peru => Φαινόμενο Παγκόσμιας Κλίμακας Forbush, Phys. Rev. 51, 1937

21 Richardson, AMS Conference, 2015 (Περιοδικές) Μειώσεις Forbush CH 1.4 % > Περιοδικές Μειώσεις Forbush ως αποτέλεσμα ενός CIR.

22 Richardson & Cane, Solar Physics, 2011 (Μη περιοδικές) Μειώσεις Forbush > Μη περιοδική μείωση Forbush κατά μήκος της διαδρομής (A) και σχετιζόμενες επιτόπιες μετρήσεις πλάσματος % 6 % > Σχηματική απεικόνιση των μεταβολών της Γαλαξιακής Κοσμικής Ακτινοβολίας κατά μήκος τροχιών που ειτε αλληλεπιδρούν (A) είτε όχι (B) με τη ΔΣΕΜ.

23 Κοσμική Ακτινοβολία S. Forbush (1946) Ανακάλυψη των Ηλιακών Ενεργητικών Σωματιδίων Forbush, Phys. Rev. 32, 1946

24 Ηλιακά Ενεργητικά Σωματίδια Προέλευση Από τη δεκαετία του 90: Διαχωρισμός σε 2 τάξεις: -Αυθόρμητα (μικρά, συχνά, σχετιζόμενα με ηλιακές εκλάμψεις) - Βαθμιαία (lμεγάλα, σχετιζόμενα με ΣΕΜ) Αυθόρμητα Βαθμιαία Tylka et al., J. Geophys. Res., 2015 Αυθόρμητα Βαθμιαία Reames.,Space Scie. Rev., 1999

25 Διαπλανητικός χώρος (Διάδοση) 3 ημέρες p > 450 MeV SEP GLE Earth > Ηλιακά Ενεργητικά Σωματίδια [πρωτόνια από Ε>10 MeV μερικά GeV] Στις χαμηλές ενέργειες - SEP - (MeV GOES): διάρκεια > 1 ημέρα + μεγιστοποίηση καθώς το κρουστικό κύμα πλησιάζει τη Γη (επιτάχυνση κοντά στη Γη) p > 10 MeV CME HE Στις υψηλές ενέργειες - GLE- (GeV Neutron Monitor): μικρή διάρκεια (από λεπτά λίγες ώρες), καμιά ανίχνευση επιτάχυνσης από ΚΚ στο διαπλανητικό χώρο. > Ηλιακή έκλαμψη + Στεμματική Εκτίναξη Μάζας Όταν το CME φτάνει στη Γη στις χαμηλές ενέργειες βλέπουμε μια επαύξηση ενώ στις υψηλές ενέργειες μια μείωση Forbush

26 Διαπλανητικός χώρος (Διάδοση) 3 ημέρες p > 450 MeV p > 10 MeV CME HE Σενάριο: Από τον Ήλιο στη Γη Ηλιακή έκλαμψη, επιτάχυνση σωματιδίων ΣΕΜ, επιτάχυνση σωματιδίων στο κρουστικό κύμα (shock) Διαπλανητική ΣΕΜ, επιτάχυνση σωματιδίων ΔΣΕΜ στη Γη: Μείωση Forbush 26

27 Εφαρμογές

28 Li et al, ApJ, 2013 Εφαρμογές Πρόγνωση Ηλιακών Ενεργητικών Σωματιδίων > Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα ίδια τα σωματίδια Σχετικιστικά πρωτόνια Souvatzoglou et al., Space Weather, 2014

29 Εφαρμογές Πρόγνωση Ηλιακών Ενεργητικών Σωματιδίων Πρωτόνια > Ισχύει για α=0 ο [180 ο ] l κίνηση σωματιδίων κατά μήκος του ΔΜΠ > Η διάχυση από μαγνητικές μεταβολές ενισχύει τη διαφορά προς όφελος της πρόγνωσης! Μετρητές νετρονίων

30 Εφαρμογές Σύστημα Πρόγνωσης Επίγειων Επαυξήσεων GOES > 10 MeV > 100 MeV > Οι Μετρητές Νετρονίων καταγράφουν σωματίδια με ενέργεια Ε 433 MeV NMs > Τα σωματίδια αυτά φτάνουν στη Γη σε λίγα μόλις λεπτά 13:58 Figure credit: Kuwabara et al., 2006 Souvatzoglou, Papaioannou et al., Space Weather, 2014

31 Εφαρμογές Σύστημα Πρόγνωσης Επίγειων Επαυξήσεων Souvatzoglou, Papaioannou et al., Space Weather, 2014

32 Εφαρμογές GLE Alert ESA SSA SWE Portal Souvatzoglou, Papaioannou et al., Space Weather, 2014

33 Εφαρμογές Πρόγνωση Ηλιακών Ενεργητικών Σωματιδίων GLE GLE GLE Engels et al., Space Weather, 2017

34 Εφαρμογές Πρόγνωση Ηλιακών Ενεργητικών Σωματιδίων + > Εάν γνωρίζουμε ηλιακές παραμέτρους (θέση και μέγεθος ΗΕ, ταχύτητα ΣΕΜ) μπορούμε να αποτυπώσουμε την πιθανότητα ότι ένα ΗΕΣ γεγονός θα συμβεί ; Onset Peak Duration > Εάν ένα υποσύνολο ΗΕ και ΣΕΜ που παράγει ΗΕΣ γεγονότα, πως συνδυάζονται τα χαρακτηριστικά αυτών με τα χαρακτηριστικά των γεγονότων ΗΕΣ?

35 Στατιστική & βάση δεδομένων Βάση δεδομένων ΗΕ, ΣΕΜ και γεγονότων ΗΕΣ ~ 3 Solar Cycles Δεδομένα: 35,306 ΗΈ στις μαλακές ακτίνες Χ ( C1.0) 22,143 Στεμματικές Εκτινάξεις Μάζας (ΣΕΜ) Διαφορικές πρωτονικές ροές από τα διαστημόπλοια GOES Papaioannou et al., J. Space Weather Space Clim., 2016

36 Στατιστική & βάση δεδομένων Αποτελέσματα στατιστικής επεξεργασίας Papaioannou et al., J. Space Weather Space Clim., 2016

37 Εφαρμογές Πρόγνωση Ηλιακών Ενεργητικών Σωματιδίων > Μπορούμε να χρησιμοποιήσου με τα πρόδρομα ηλιακά φαινόμενα & τη στατιστική Papaioannou et al., J. Phys.: Conf. Ser., 2015 Anastasiadis et al., Solar Physics, 2017

38 Εφαρμογές Πρόγνωση Ηλιακών Ενεργητικών Σωματιδίων > Προσέγγιση: Χρησιμοποιούμε τη βάση δεδομένων για να δημιουργήσουμε Probability Function (sigmafits).

39 Εφαρμογές Πρόγνωση Ηλιακών Ενεργητικών Σωματιδίων > Βήμα 1: Βρίσκουμε 4000 ΗΕ με βάση τη θέση της προκύπτουσας ΗΕ > Βήμα 2: Δημιουργούμε ένα Τοπικό Μοντέλο (Πιθανότητα) > Βήμα 3: Interpolate στο δεδομένο μέγεθος της ΗΕ

40 Εφαρμογές Πρόγνωση Ηλιακών Ενεργητικών Σωματιδίων Papaioannou et al., JSWSC, under review, 2017 P. Halo Halo Partial halo Non Halo Park et al., J. Geophys. Res.,2012

41 Εφαρμογές Σύστημα Πρόγνωσης l FORSPEF Tool

42 NASA CCMC SEP Scoreboard > Επιστημονική προσπάθεια Επικύρωσης και Επιβεβαίωσης αποτελεσμάτων διαφορετικών μεθόδων και εργαλείων

43 Papaioannou et al., Solar Physics, 2010 Εφαρμογές Ανάλυση Μειώσεων Forbush Global Survey Method (GSM) > Υπολογισμός των χαρακτηριστικών των μειώσεων Forbush στα 10GV > Χρήση της ανισοτροπίας των ΚΑ για την αποσαφήνιση των μηχανισμών διάδοσης των ΚΑ

44 Bothmer, SEPRAD Workshop, 2017 Ηλιακή Εφαρμογές Καταιγίδα Ανάλυση Μειώσεων Forbush Ηλιοσφαιρικό περιβάλλον (ENLIL)

45 Μελλοντικές κατευθύνσεις

46 Kuehl et al, Solar Physics, 2017 Μελλοντικές κατευθύνσεις Ηλιακά Ενεργητικά Σωματίδια Υψηλών Ενεργειών > 42 γεγονότα E>500 MeV παρουσιάστηκαν από τους Kuhl et al., 2017 > 16/42 [38%] είναι GLE > 26/42 [62%] δεν είναι GLE > Μια παρόμοια λίστα παρουσιάστηκε ανεξάρτητα από τον Vainio et al., 2017 > 35/42 γεγονότα υπάρχουν και στις δυο λίστες. Vainio et al, Astron. Astrophys., 2017

47 Μελλοντικές κατευθύνσεις Ηλιακά Ενεργητικά Σωματίδια Υψηλών Ενεργειών > Τα πρωτόνια στα GLEs φαίνεται ότι απελευθερώνονται χαμηλά στο στέμμα του Ήλιου (~ 1.8 Rs) ενώ τα πρωτόνια στα non-gles απελευθερώνονται σημαντικά πιο ψηλά στο στέμμα (~6 Rs) Papaioannou et al, Astron. Astrophys., 2017b [in preparation]

48 Μελλοντικές κατευθύνσεις Ηλιακά Ενεργητικά Σωματίδια Υψηλών Ενεργειών > Εμφάνιση του όρου sub-gles Mishev et al, J. Space Weather Space Clim, 2017

49 Μελλοντικές κατευθύνσεις Αύξηση του Δικτύου των Μετρητών Νετρονίων > Δημιουργία και χρήση των mini-nms > Εξαιρετική επικάλυψη με διαστημικούς ανιχνευτές

50 Ηλιακή Διαμόρφωση Αποκοπή σωματιδίων Καταιγισμοί Μελλοντικές Ηλιακή Καταιγίδα κατευθύνσεις Υπολογισμοί Δόσεων Ακτινοβολίας I. Κίνηση εντός της Ηλιόσφαιρας II. Κίνηση εντός της μαγνητόσφαιρας σε πραγματικό χρόνο IIΙ. Κίνηση εντός της ατμόσφαιρας Matthia et al, Space Weather, 2014

51 Μελλοντικές Ηλιακή Καταιγίδα κατευθύνσεις Υπολογισμοί Δόσεων Ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο Matthia et al, Space Weather, 2014 Buetikofer, Private Communication, 2017

52 Μελλοντικές Ηλιακή Καταιγίδα κατευθύνσεις Αποτύπωση Μηχανισμών Μειώσεων Forbush > Μέσα χρονικά προφίλ μειώσεων Forbush και σχετιζόμενων διαπλανητικών παραμέτρων. Abunina, Papaioannou et al, Solar Physics, 2017 [in preparation]

53 Μελλοντικές κατευθύνσεις Κοσμική Ακτινοβολία στο έδαφος του Άρη Radiation Assessment Detector (RAD) > 100 χρόνια μετά την ανακάλυψη της Κοσμικής Ακτινοβολίας από τον Victor Hess το RAD καταγράφει τις πρώτες μετρήσεις Κοσμικής Ακτινοβολίας στην επιφάνεια ενός άλλου πλανήτη. Hassler et al., Science, 2012

54 Μελλοντικές κατευθύνσεις Κοσμική Ακτινοβολία στο έδαφος του Άρη Mostl et al, Nature, 2015 Papaioannou et al, Astron. Astrophys., 2017a

55 Ευχαριστώ πολύ