Αστροφυσική ΙΙ 2007 Ιστοσελίδα: http://www.physics.upatras.gr/content/dyn/show_les son.det?lesson_table=c_p&lesson_id=24 2610-996907 pechris@physics.upatras.gr 1
Ποια είναι η προέλευση των κοσμικών ακτίνων; Ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων Γενικές ιδιότητες Κοσμικές ακτίνες από τον Ήλιο Επιτάχυνση κοσμικών ακτίνων Ανίχνευση κοσμικών ακτίνων Κοσμικές ακτίνες υψηλότερης ενέργειας Νέα πειράματα κοσμικών ακτίνων 2
Τύποι ακτινοβολίας Έχουμε ΗΜ ακτινοβολία με v=c Ότανξεκίνησεημελέτηακτινοβολίαςστις αρχές του 1900, βρέθηκαν 3 διαφορετικοί τύποι ακτίνων Ακτίνες α πυρήνες ηλίου Ακτίνες β e και ποζιτρόνια Ακτίνες γ- φως! Κατασκευάστηκαν ανιχνευτές για τη μελέτη της ακτινοβολίας. Μετρητές Geiger, φιλμ και ηλεκτροσκόπια 3
Ανακάλυψη κοσμικών ακτίνων Viktor Hess (1912) μετέφερε ένα ηλεκτροσκόπιο σε αερόστατο σε ύψος 17500 πόδια (χωρίς οξυγόνο!) Προσπαθούσε να βρει την πηγή της επιπλέον ακτινοβολίας που ανιχνευόταν στο έδαφος που δεν μπορούσε να ερμηνευθεί με φυσικές πηγές ραδιοενεργούς διάσπασης 4
Το πείραμα του Hess Ο Hess χρησιμοποίησε ηλεκτροσκόπιο ανιχνεύει φορτίο σε δύο λεπτά φύλλα http://www.shep.net/resources/curricular/physics/p30/unit 2/electroscope.html Όταν οι κοσμικές ακτίνες χτυπούν το ηλεκτροσκόπιο, απομακρύνουν το φορτίο Περισσότερες κοσμικές ακτίνες ταχύτερη εκφόρτιση ηλεκτροσκοπίου Ο Hess κέρδισε το Nobel 1936 για την ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων 5
Τιείναιοικοσμικέςακτίνες; Φορτισμένα σωμάτια, p, e και πυρήνες ατόμων Δεν είναι ΗΜ ακτινοβολία (δηλ. Φως) Εν τούτοις μερικές φορές οι Κ.Α αλληλεπιδρούν με το αέριο του γαλαξία και παράγουν ακτίνες γ 6
Κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας Ακτίνες γ στο επίπεδο του γαλαξία αποτελούνται από κοσμικές ακτίνες που συγκρούονται με το αέριο 7
Σύσταση των κοσμικών ακτίνων Πυρήνες διαφόρων ατόμων διαφορετικών στοιχείων (και ηλεκτρόνια) % ΌλαταγνωστάστοιχείατουΠεριοδικούΠίνακα συναντώνται στις K.A. H σύσταση των κοσμικών ακτίνων είναι περίπου ηίδιαμεαυτήτωνστοιχείωνστοησ Αν και είναι δύσκολο να διακριθούν, ανιχνεύονται επίσης πολλά ισότοπα των στοιχείων 8
ACE Advanced Composition Explorer http://www.srl.caltech.edu/ace/ Εκτοξεύτηκε το 8/25/97, σε λειτουργία Μένει κοντά στο σημείο L1 της τροχιάς της Γης Μελετά σωματίδια του ηλιακού ανέμου, της μεσοαστρικής ύλης (ISM) και της γαλαξιακής ύλης 9
Ιδιότητες 90% είναι πυρήνες υδρογόνου (p) 9% είναι πυρήνες ηλίου 1% όλα τα υπόλοιπα στοιχεία Xιλιάδες K.A μικρής ενέργειας προσπίπτουν /m 3 / sec Οι υψηλής ενέργειας K.A είναι σπάνιες λιγότερο από 1 / km 2 /αιώνα 10
Φορτισμένα σωμάτια σε μαγνητικό πεδίο http://webphysics.ph.msstate.edu/javamirror /ipmj/java/partmagn/ Τα μαγνητικά πεδία αλλάζουν τη διεύθυνση διάδοσης των φορτισμένων σωματίων (αντίθετα για κάθε φορτίο) Αφού αλλάζει η πορεία που ακολουθούν καθώς διαδίδονται είναι δύσκολο να βρούμε από πού προήλθαν. 11
Κοσμικές ακτίνες σε σχέση με ακτίνες γ Οι κοσμικές ακτίνες (1) παρεκκλίνουν λόγω μαγνητικών πεδίων Οι ακτίνες γ (2) διαδίδονται ευθεία ανεπηρέαστες από μαγνητικά πεδία 12
Γραφική παράσταση του αριθμού των K.A που ανιχνεύονται ως συνάρτηση της ενέργειας τους στο ανώτερο στρώμα της γήινης ατμόσφαιρας Φάσμα κοσμικών ακτίνων 13
Οι ηλιακές εκλάμψεις ευθύνονται για τις ΚΑ μικρής ενέργειας Οι ηλιακές κηλίδες πηγάζουν από τις ηλιακές κηλίδες Τα μαγνητικά πεδία των ηλιακών κηλίδων αποθηκεύουν ενέργεια την οποία ελευθερώνουν στις ηλιακές εκλάμψεις Οι ηλιακές κηλίδες απαντώνται σε ζεύγη Όσο πιο σύνθετες είναι οι ομάδες τόσο μεγαλύτερη πιθανότητα έχει να σχηματιστεί μία ηλιακή έκλαμψη Μία μεγάλη έκλαμψη έχει 10 6 φορές περισσότερη ενέργεια από ένα μεγάλο σεισμό 14
Ηλιακές κηλίδες Ηλιακή προεξοχή Skylab 1973 SOHO/MDI σεισμός 11ου μεγέθους στον Ήλιο που έπεται μίας ηλιακής έκλαμψης 15
Κύκλος ηλιακής δραστηριότητας Κάθε 11 έτη, αυξάνει ο αριθμός τωνηλιακώνκηλίδων 1995 και των ακτίνων X Ηαυξημένη ακτινοβολία κάνει τη γήινη ατμόσφαιρα να διαστέλλεται Οι ηλιακές εκλάμψεις προκαλούν παρεμβολή στο ραδιοφωνικό μέρος 1991 16
Διαστημικός καιρός Για τα τελευταία νέα Διαστημικού καιρού, που περιλαμβάνει ηλιακές εκλάμψεις, σέλας, διακοπές και ηλιακές κηλίδες κ.λ.π, δείτε http://www.sec.noaa.gov/swn/ Αρχίζει ο ηλιακός κύκλος 24! http://science.nasa.gov/he adlines/y2008/10jan_sola rcycle24.htm?list994537 17
Στεμματικές εκτινάξεις ύλης (Coronal Mass Ejections) CMEs η αιτία των σημαντικών γεωμαγνητικών καταιγίδων στη Γη CMEs ΔΕΝ προκαλούνται από ηλιακές εκλάμψεις αν και μπορεί να είναι ενδείξεις ταχέων μεταβολών του μαγνητικού πεδίου 10 15-10 16 g ύλης εκτινάσσονται με ταχύτητες 50 με >1200 km/s Παρατηρούνται μόνο με στεμματογράφους 18
Στεμματικές εκτινάξεις ύλης Coronal mass ejection στο UV από το SOHO Solar Maximum Mission CME in 1989 19
Οι ηλιακές εκλάμψεις επηρεάζουν τη Γη Το φως των ηλιακών εκλάμψεων ταξιδεύει με c (8.5 min γιαναφτάσειστηγη) Τα σχετικιστικά σωματίδια ταξιδεύουν σχεδόν με c φτάνουν από 20 min -ώρες Μεγάλης μάζας υλικό που εκτινάσσεται από τον Ήλιο ταξιδεύει με 400-1000 km/hr χρειάζεται ~1 για να φτάσει στη Γη Τα φορτισμένα σωμάτια που χτυπούνε τη Γη δημιουργούν το σέλας 20
Σέλας Παρατηρείται καλύτερα στους μαγνητικούς πόλους Τα χρώματα οφείλονται σε διαφορετικά μόρια που υπάρχουν σε κάθε στρώμα της ατμόσφαιρας (ύψος) κυρίως οξυγόνο, άζωτο) Recent auroral location 21
Ανωμαλία του Νότιου Ατλαντικού και Κ.Α Περιοχή όπου το μαγνητικό πεδίο χαμηλώνει επιτρέπει τις Κ.Αναφτάσουνσεχαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας 22
Κ.Α μεσαίας ενέργειας 10 12 10 15 ev Σύσταση στη γήινη ατμόσφαιρα 50% p ~25% α ~13% πυρήνες C/N/O <1% e Θεωρούνται ότι προέρχονται έξω από το ηλιακό σύστημα αλλά μέσα στο Γαλαξία μας 23
Πιθανές πηγές γαλαξιακών Κ.Α Ενεργειακά γεγονότα στο Γαλαξία Μελανές οπές Αστέρες νετρονίων Pulsars Υπερκαινοφανείς Red = Xrays Blue = UV Green = ionized H Περιοχή σχηματισμού αστέρων 30 Doradus 24
Επιτάχυνση Κ.Α Οι μεσαίας ενέργειας Κ.Α πρέπει να επιταχύνονται από μηχανισμούς κυμάτων shock στον Γαλαξία μας Η έρευνα ασχολείται με το να αποδειχτεί ότι οι SN μπορούν να επιταχύνουν τις κοσμικές ακτίνες σε αυτές τις ενέργειες Δηλαδή σε ενέργειες μέχρι το «γόνατο» 3 x 10 15 ev Πώς αποδεικνύεται ότι οι SN είναι πράγματι οι τόποι επιτάχυνσης των Κ.Α ; 25
Αστρονομικός Δορυφόρος ακτίνων X ASCA = Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics ή Asuka ήιπτάμενο πουλί Ιαπωνικός δορυφόρος ακτίνων X παρατήρησης 1993-2001 ASCA 26
ASCA and SN1006 27
ASCA και SN1006 Πρώτη άμεση ένδειξη ότι οι υπερκαινοφανείς μπορούν να επιταχύνουν τις κοσμικές ακτίνες Μη θερμικό φάσμα σύγχροτρο στα άκρα του υπερκαινοφανή όπου πρέπει να σχηματίζονται κύματα shock ΘερμικόφάσμαστοκέντροτουSN λόγω θερμού αερίου από την έκρηξη Μαγνητικό πεδίο στον SN1006 ακριβώς τόσο ισχυρό ώστε να επιταχύνει τις Κ.Αέωςτο «γόνατο» 28
Ανίχνευση κοσμικών ακτίνων Κατατάσσονται σε πρωτογενείς και δευτερογενείς Οι πρωτογενείς είναι τα σωμάτια που συγκρούονται στην ατμόσφαιρα της Γης Οι δευτερογενείς δημιουργούνται από αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πρωτογενών και τωνμορίωντουαέρα 29
Βροχές (Air showers) των δευτερογενών Κ.Α Οι δευτερογενείς είναι κυρίως πιόνια στοιχειώδη σωμάτια με φορτίο + - ή 0 Τα φορτισμένα πιόνια συγκρούονται με τα μόρια του αέρα Τα ουδέτερα διασπώνται σε 2 ακτίνες γ οι οποίες δημιουργούν ζεύγη ποζιτρονίου/ηλεκτρονίου Καταρράκτης σωματιδίων προκαλείται από φωσφορισμό UV, περισσότερα φορτισμένα σωμάτια και ακτινοβολία Cherenkov το κυανό φως που προκαλεί η κίνηση σωματιδίων στην ατμόσφαιρα με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός στις τοπικές συνθήκες 30
Βροχές των δευτερογενών Κ.Α 31
Το μέγιστο της βροχής Κ.Α Ο καταρράκτης συνεχίζεται μέχρι το μέσης ενέργειας σωματίδιο της βροχής Κ.Α να μην μπορεί να παράξει νέα σωματίδια μέγιστο της βροχής Κ.Α Μετά το μέγιστο, τα σωματίδια απορροφόνται από τα μόρια της ατμόσφαιρας και η ένταση της βροχής ελαττώνεται Μέγιστο της βροχής Κ.Α : για κάθε 1 GeV ενέργειας στην πρωταρχική κοσμική ακτίνα, η βροχή έχει 1-1.6 σωματίδια Γιαταπρωτογενή > 10 15 ev, αρκετά σωματίδια φτάνουν στο έδαφος για να ανιχνευθούν στις πειραματικές διατάξεις 32
Εκτεταμένες διατάξεις ανίχνευσης βροχής Κ.Α Το αποτύπωμα της βροχής εκτείνεται πολλές εκατοντάδες m 2 Τα σωματίδια κινούνται με υ~c Συγκρίνοντας τους χρόνους άφιξης σε διαφορετικούς ανιχνευτές, μπορεί να καθοριστεί η διεύθυνση προέλευσής μέσα σε 1 o 33
Air Cherenkov τηλεσκόπια Η ακτινοβολία Cherenkov συγκεντρώνεται σε οπτικά τηλεσκόπια (μωσαϊκό με εξαγωνικές ψηφίδες) Οι βροχές που οφείλονται σε ακτίνες γ με E>TeV μπορούν να διακριθούν από τις βροχές Κ.Α μεανάλυση της μορφής της κατατομής της βροχής 34
Κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας Θεωρούνται ότι προέρχονται έξω από το Γαλαξία μας πιθανόν στην τοπική ομάδα Για ΚΑ πάνω από το γόνατο (>3 x 10 15 ev) πρέπει να υπάρχει κάποιος άλλος μηχανισμός επιτάχυνσης Συχνά οι μηχανισμοί επιτάχυνσης θεωρούνται οι πίδακες από τους ενεργούς γαλαξίες Από τι αποτελούνται; Από πού προέρχονται; Πώς έχουν πάρει τόση ενέργεια; 35
Ανιχνευτές φθορισμού Η ακτινοβολία UV που εκπέμπεται από (κυρίως) τα μόρια αζώτου εστιάζεται και συγκεντρώνεται με ανιχνευτές σε τηλεσκόπια Σημείωση: η ακτινοβολία UV είναι στην πράξη σπινθηρισμός και όχι φθορισμός-δηλαδή επανεκπομπή της UV στο ορατό 36
Ανιχνευτική διάταξη στη Utah Fly s Eye (Το Μάτι της Μύγας) 37
Fly s Eye: 1981-1993 Τα pixels στoν ουρανό από τη διάταξη του τηλεσκοπίου είναι εξάγωνα πλακάκια όπως το μάτι της μύγας- τελικά μια δεύτερη διάταξη κατασκευάστηκε για στερεοσκοπική όραση http://aspire.cosmic-ray.org/movies/wmp250k.wmv?aspire_session=c042d0286bdaf65ce9444c8c13c43d27 38
Γιγάντια Διάταξη βροχής Κ.Α Akeno AGASA στην Ιαπωνία 111 ανιχνευτές στην επιφάνεια και 27 υπόγειοι ανιχνευτές μιονίων σε 100 km 2 σε ανά 1 km Συνδυασμός των παραπάνω ανιχνευτών οδηγεί στην σύσταση της πρωτογενούς κοσμικής ακτινοβολίας 39
Σπινθηριστές Μεγάλα κομμάτια υλικού (συνήθως ανόργανα άλατα ή οργανικά πλαστικά) που εκπέμπουν φως στοοπτικόότανπέφτουνπάνωτουςκα Συχνά χρησιμοποιούνται και για ακτίνες γ AGASA Scintillator 40
Ανιχνευτές μιονίων Πολλά από τα δευτερογενή σωμάτια είναι μιόνια-αρνητικά φορτισμένα σωματίδια σαν e αλλά με μάζα 186 φορές μεγαλύτερη 41
Ανιχνευτές Cherenkov στο νερό Δεξαμενές νερού περιβάλλουν PMs για να ανιχνεύσουν την κυανή ακτινοβολία Cherenkov που εκπέμπεται στο νερό AGASA Water Cerenkov Detector 42
Το υψηλότερο ενεργειακό γεγονός της 3 x 10 20 ev το δεύτερο ενεργειακά υψηλότερο που έχει ποτέ ανιχνευθεί Η βροχή διεσπάρη σε περιοχή 6 x 6 km 2 Δισεκατομμύρια σωματίδια στη βροχή Τα πρωτογενή πιθανόν πυρήνες οξυγόνου ή παρόμοιου στοιχείου AGASA 43
Ανισοτροπία AGASA ΚΑ μεγαλύτερες από 10 19 ev ανιχνεύθηκαν στα 11 χρόνια παρατήρησης της AGASA Ερυθρά > 10 20 ev, πράσινα 4-10 x 10 19 ev Οι κύκλοι είναι ομάδες γεγονότων μέσα σε 2.5 o 44
Δεδομένα AGASA αστράγαλος στην αποκοπή GZK Κοσμικές ακτίνες με Ε>10 20 ev από > 150 εκατομ. ε.φ δεν θα έπρεπε να φτάνουν στη Γη λόγω συγκρούσεων με φωτόνια της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου αποκοπή GZK 45
Αστεροσκοπείο Pierre Auger 2 διατάξεις νερού Cherenkov για την ανίχνευση των υψηλής ενέργειας ΚΑ- σε κάθε ημισφαίριο έκταση 3000 km 2 με 1600 ανιχνευτές Argentina Utah 46
Pierre Auger on Cosmic Rays "In his excellent paper, Louis LePrince-Ringuet, citing a remark of Powell's at the Conference of Bagneres-de-Bigorre in 1953, declared that from that date on, particle accelerators took the place of cosmic rays, which more or less faded into the background. And yet, even today accelerators have not caught up with cosmic rays. For in 1938, I showed the presence in primary cosmic rays of particles of a million Gigavolts -- a million times more energetic than accelerators of that day could produce. Even now, when accelerators have far surpassed the Gigavolt mark, they still have not attained the energy of 1020 ev, the highest observed energy for cosmic rays. Thus, cosmic rays have not been dethroned as far as energy goes, and the study of cosmic rays has a bright future, if only to learn where these particles come from and how they are accelerated. You know that Fermi made a very interesting proposal that particles are progressively accelerated by bouncing off moving magnetic fields, gaining a little energy each time. In this way, given a certain number of "kicks," one could perhaps account for particles of 1018-1020 electron volts. As yet, however, we have no good theory to explain the production of the very-highenergy particles that make the air showers that my students and I discovered in 1938 at Jean Perrin's laboratory on a ridge of the Jungfrau." 47 Pierre Auger, Journal de Physique, 43, 12, 1982
Τι μας νοιάζουν οι κοσμικές ακτίνες; Είμαστε συνεχώς εκτεθειμένοι στις δευτερογενείς ΚΑ Περισσότερο τα αεροπλάνα και στα υψηλά βουνά Οι ΚΑ παράγουν C 14 για ραδιενεργή χρονολόγηση Οι ΚΑ παράγουν τυχαία γεγονότα-λάθη στους διαστημικούς υπολογιστές (chips) Θέλουμε να κατανοήσουμε ΠΩΣ η φύση μπορεί να επιταχύνει σωματίδια σε υ~c Οι υψηλής ενέργειας ΚΑ μπορεί να σημαίνουν ΝΕΑ ΦΥΣΙΚΗ! 48
Εργαστήριο ASPIRE http://sunshine.chpc.utah.edu/javalabs/java1 02/hess/index.htm Δοκιμάστε τη Δραστηριότητα 1 (τουλάχιστον για 20 sec). Τι συμπεραίνεται για την προέλευση των κοσμικών ακτίνων;. 49
Πηγές στο Διαδίκτυο Imagine the Universe http://imagine.gsfc.nasa.gov Java demo http://webphysics.ph.msstate.edu/javamirror/ipmj/ java/partmagn/ Cosmic and Heliospheric Learning Center http://helios.gsfc.nasa.gov Astronomy Picture of the Day http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ 50
Πηγές στο Διαδίκτυο Ιστορία κοσμικών ακτίνων http://ast.leeds.ac.uk/haverah/cosrays.shtml Pierre Auger Observatory http://www.auger.org/ Adelaide Astrophysics Group http://www.physics.adelaide.edu.au/astrophysics/cr_new.ht ml AGASA http://www-akeno.icrr.u-tokyo.ac.jp/agasa/ HIRES http://hires.physics.utah.edu/ 51