ΑστροφυσικήΙΙ 2007 · 17/01/08 Χριστοπούλου 47 • Pierre Auger on Cosmic Rays • "In his excellent paper, Louis LePrince-Ringuet, citing a remark of Powell's

17/01/08 Χριστοπούλου

1

Ιστοσελίδα:

http://www.physics.upatras.gr/content/dyn/show_lesson.det?lesson_table=c_p&lesson_id=24

2610-996907

[email protected]

Αστροφυσική ΙΙ 2007


2

Ποια είναι η προέλευση των κοσμικώνακτίνων;

• 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


3

Τύποι ακτινοβολίας• Έχουμε ΗΜ ακτινοβολία με v=c• Όταν ξεκίνησε η μελέτη ακτινοβολίας στιςαρχές του 1900, βρέθηκαν 3 διαφορετικοίτύποι ακτίνων• Ακτίνες α–πυρήνες ηλίου• Ακτίνες β–e και ποζιτρόνια• Ακτίνες γ- φως!

• Κατασκευάστηκαν ανιχνευτές για τημελέτη της ακτινοβολίας. Μετρητές Geiger, φιλμ και ηλεκτροσκόπια


4

Ανακάλυψη κοσμικών ακτίνων

• Προσπαθούσε να βρειτην πηγή της επιπλέονακτινοβολίας πουανιχνευόταν στο έδαφοςπου δεν μπορούσε ναερμηνευθεί με φυσικέςπηγές ραδιοενεργούςδιάσπασης

Viktor Hess (1912) Viktor Hess (1912) μετέφερεμετέφερε έναέναηλεκτροσκόπιοηλεκτροσκόπιο σεσε αερόστατοαερόστατο σεσε ύψοςύψος 17500 17500 πόδιαπόδια ((χωρίςχωρίς οξυγόνοοξυγόνο!)!)


5

Το πείραμα του Hess

• Ο Hess χρησιμοποίησε ηλεκτροσκόπιο –ανιχνεύειφορτίο σε δύο λεπτά φύλλα

• http://www.shep.net/resources/curricular/physics/P30/Unit2/electroscope.html

• Όταν οι κοσμικές ακτίνες χτυπούν τοηλεκτροσκόπιο, απομακρύνουν το φορτίο

• Περισσότερες κοσμικές ακτίνες ταχύτερηεκφόρτιση ηλεκτροσκοπίου

• Ο Hess κέρδισε το Nobel 1936 για τηνανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων


6

Τι είναι οι κοσμικές ακτίνες;

• Φορτισμένα σωμάτια, p, e και πυρήνεςατόμων

• Δεν είναι ΗΜ ακτινοβολία (δηλ. Φως) • Εν τούτοις μερικές φορές οι Κ.Ααλληλεπιδρούν με το αέριο του γαλαξία καιπαράγουν ακτίνες γ


7

Κοσμικές ακτίνες υψηλήςενέργειας

Ακτίνες γ στο επίπεδο του γαλαξίααποτελούνται από κοσμικές ακτίνες πουσυγκρούονται με το αέριο


8

Σύσταση των κοσμικών ακτίνων

• Πυρήνες διαφόρων ατόμων διαφορετικώνστοιχείων (και ηλεκτρόνια) %

• Όλα τα γνωστά στοιχεία του Περιοδικού Πίνακασυναντώνται στις K.A.

• H σύσταση των κοσμικών ακτίνων είναι περίπουη ίδια με αυτή των στοιχείων στο ΗΣ

• Αν και είναι δύσκολο να διακριθούν, ανιχνεύονταιεπίσης πολλά ισότοπα των στοιχείων


9

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, τηςμεσοαστρικής ύλης (ISM) και της γαλαξιακής ύλης


10

Ιδιότητες

• 90% είναι πυρήνες υδρογόνου ( p) • 9% είναι πυρήνες ηλίου• 1% όλα τα υπόλοιπα στοιχεία• Xιλιάδες K.A μικρής ενέργειαςπροσπίπτουν / m3 / sec

• Οι υψηλής ενέργειας K.A είναι σπάνιες –λιγότερο από 1 / km2 /αιώνα


11

Φορτισμένα σωμάτια σε μαγνητικό πεδίο

• http://webphysics.ph.msstate.edu/javamirror/ipmj/java/partmagn/

• Τα μαγνητικά πεδία αλλάζουν τη διεύθυνσηδιάδοσης των φορτισμένων σωματίων(αντίθετα για κάθε φορτίο)

• Αφού αλλάζει η πορεία που ακολουθούνκαθώς διαδίδονται είναι δύσκολο ναβρούμε από πού προήλθαν.


12

Κοσμικές ακτίνες σε σχέση μεακτίνες γ

• Οι κοσμικές ακτίνες(1) παρεκκλίνουνλόγω μαγνητικώνπεδίων

• Οι ακτίνες γ (2) διαδίδονται ευθείαανεπηρέαστες απόμαγνητικά πεδία


13

Φάσμα κοσμικών ακτίνωνΓραφικήπαράστασητου αριθμούτων K.A πουανιχνεύονταιως συνάρτησητης ενέργειαςτους στοανώτεροστρώμα τηςγήινηςατμόσφαιρας


14

Οι ηλιακές εκλάμψεις ευθύνονται για τιςΚΑ μικρής ενέργειας

• Οι ηλιακές κηλίδες πηγάζουν από τις ηλιακέςκηλίδες

• Τα μαγνητικά πεδία των ηλιακών κηλίδωναποθηκεύουν ενέργεια την οποία ελευθερώνουν στιςηλιακές εκλάμψεις

• Οι ηλιακές κηλίδες απαντώνται σε ζεύγη• Όσο πιο σύνθετες είναι οι ομάδες τόσο μεγαλύτερηπιθανότητα έχει να σχηματιστεί μία ηλιακή έκλαμψη

• Μία μεγάλη έκλαμψη έχει 106 φορές περισσότερηενέργεια από ένα μεγάλο σεισμό


15

Ηλιακές κηλίδεςΗλιακή προεξοχή Skylab 1973

SOHO/MDI σεισμός11ου μεγέθους στονΉλιο που έπεται μίαςηλιακής έκλαμψης


16

Κύκλος ηλιακής δραστηριότητας• Κάθε 11 έτη, αυξάνει ο αριθμόςτων ηλιακών κηλίδωνκαι των ακτίνων X

• Η αυξημένηακτινοβολία κάνει τηγήινη ατμόσφαιρα ναδιαστέλλεται

• Οι ηλιακές εκλάμψειςπροκαλούνπαρεμβολή στοραδιοφωνικό μέρος 1991

1995


17

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 ηλιακόςκύκλος 24!

http://science.nasa.gov/headlines/y2008/10jan_solarcycle24.htm?list994537


18

Στεμματικές εκτινάξεις ύλης(Coronal Mass Ejections)

• CMEs η αιτία των σημαντικώνγεωμαγνητικών καταιγίδων στη Γη

• CMEs ΔΕΝ προκαλούνται από ηλιακέςεκλάμψεις αν και μπορεί να είναι ενδείξειςταχέων μεταβολών του μαγνητικού πεδίου

• 1015 - 1016 g ύλης εκτινάσσονται μεταχύτητες 50 με >1200 km/s

• Παρατηρούνται μόνο με στεμματογράφους


19

Στεμματικές εκτινάξεις ύληςCoronal mass ejectionστο UV από το SOHO

Solar Maximum Mission CME in 1989


20

Οι ηλιακές εκλάμψεις επηρεάζουν τη Γη

• Το φως των ηλιακών εκλάμψεων ταξιδεύει με c (8.5 min για να φτάσει στη Γη)

• Τα σχετικιστικά σωματίδια ταξιδεύουν σχεδόν μεc – φτάνουν από 20 min -ώρες

• Μεγάλης μάζας υλικό που εκτινάσσεται από τονΉλιο ταξιδεύει με 400-1000 km/hr – χρειάζεται~1 για να φτάσει στη Γη

• Τα φορτισμένα σωμάτια που χτυπούνε τη Γηδημιουργούν το σέλας


21

Σέλας• Παρατηρείται καλύτερα στους μαγνητικούς πόλους• Τα χρώματα οφείλονται σε διαφορετικά μόρια πουυπάρχουν σε κάθε στρώμα της ατμόσφαιρας (ύψος) –κυρίως οξυγόνο, άζωτο)

Recent auroral location


22

Ανωμαλία του Νότιου Ατλαντικού καιΚ.Α

• Περιοχή όπου το μαγνητικό πεδίο χαμηλώνειεπιτρέπει τις Κ.Α να φτάσουν σε χαμηλότεραστρώματα της ατμόσφαιρας


23

Κ.Α μεσαίας ενέργειας

• 1012 – 1015 eV• Σύσταση στη γήινη ατμόσφαιρα

• 50% p• ~25% α• ~13% πυρήνες C/N/O • <1% e• Θεωρούνται ότι προέρχονται έξω από τοηλιακό σύστημα αλλά μέσα στο Γαλαξία μας


24

Πιθανές πηγές γαλαξιακών Κ.Α

• Ενεργειακά γεγονότα στο Γαλαξία• Μελανές οπές• Αστέρες νετρονίων• Pulsars• Υπερκαινοφανείς

Περιοχήσχηματισμούαστέρων 30

Doradus

Red = Xrays

Blue = UV

Green = ionized H


25

Επιτάχυνση Κ.Α• Οι μεσαίας ενέργειας Κ.Α πρέπει ναεπιταχύνονται από μηχανισμούς κυμάτων shock στον Γαλαξία μας

• Η έρευνα ασχολείται με το να αποδειχτεί ότι οιSN μπορούν να επιταχύνουν τις κοσμικές ακτίνεςσε αυτές τις ενέργειες

• Δηλαδή σε ενέργειες μέχρι το «γόνατο» 3 x 1015

eV• Πώς αποδεικνύεται ότι οι SN είναι πράγματι οιτόποι επιτάχυνσης των Κ.Α ;


26

Αστρονομικός Δορυφόρος ακτίνων X ASCA

• ASCA = Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics ήAsuka ή ιπτάμενοπουλί

• Ιαπωνικόςδορυφόρος ακτίνωνX παρατήρησης1993-2001


27

ASCA and SN1006


28

ASCA και SN1006

• Πρώτη άμεση ένδειξη ότι οι υπερκαινοφανείςμπορούν να επιταχύνουν τις κοσμικές ακτίνες

• Μη θερμικό φάσμα σύγχροτρο στα άκρα τουυπερκαινοφανή όπου πρέπει να σχηματίζονταικύματα shock

• Θερμικό φάσμα στο κέντρο του SN λόγω θερμούαερίου από την έκρηξη

• Μαγνητικό πεδίο στον SN1006 ακριβώς τόσοισχυρό ώστε να επιταχύνει τις Κ.Α έως το«γόνατο»


29

Ανίχνευση κοσμικών ακτίνων• Κατατάσσονται σε πρωτογενείς και δευτερογενείς• Οι πρωτογενείς είναι τα σωμάτια πουσυγκρούονται στην ατμόσφαιρα της Γης

• Οι δευτερογενείς δημιουργούνται απόαλληλεπιδράσεις μεταξύ των πρωτογενών καιτων μορίων του αέρα


30

Βροχές (Air showers) των δευτερογενώνΚ.Α• Οι δευτερογενείς είναι κυρίως “πιόνια” –

στοιχειώδη σωμάτια με φορτίο + - ή 0• Τα φορτισμένα πιόνια συγκρούονται με τα μόριατου αέρα

• Τα ουδέτερα διασπώνται σε 2 ακτίνες γ οι οποίεςδημιουργούν ζεύγη ποζιτρονίου/ηλεκτρονίου

• Καταρράκτης σωματιδίων προκαλείται απόφωσφορισμό UV, περισσότερα φορτισμένασωμάτια και ακτινοβολία Cherenkov – το κυανόφως που προκαλεί η κίνηση σωματιδίων στηνατμόσφαιρα με ταχύτητα μεγαλύτερη από τηνταχύτητα του φωτός στις τοπικές συνθήκες


31

Βροχές των δευτερογενών Κ.Α


32

Το μέγιστο της βροχής Κ.Α• Ο καταρράκτης συνεχίζεται μέχρι το μέσης ενέργειαςσωματίδιο της βροχής Κ.Α να μην μπορεί να παράξει νέασωματίδια “μέγιστο της βροχής Κ.Α ”

• Μετά το μέγιστο, τα σωματίδια απορροφόνται από τα μόριατης ατμόσφαιρας και η ένταση της βροχής ελαττώνεται

• Μέγιστο της βροχής Κ.Α : για κάθε 1 GeV ενέργειας στηνπρωταρχική κοσμική ακτίνα, η βροχή έχει 1-1.6 σωματίδια

• Για τα πρωτογενή > 1015 eV, αρκετά σωματίδια φτάνουνστο έδαφος για να ανιχνευθούν στις πειραματικές διατάξεις


33

Εκτεταμένες διατάξεις ανίχνευσηςβροχής Κ.Α

• Το “αποτύπωμα” τηςβροχής εκτείνεταιπολλές εκατοντάδες m2

• Τα σωματίδια κινούνταιμε υ~c

• Συγκρίνοντας τουςχρόνους άφιξης σεδιαφορετικούςανιχνευτές, μπορεί νακαθοριστεί η διεύθυνσηπροέλευσής μέσα σε 1o


34

Air Cherenkov τηλεσκόπια

• Η ακτινοβολία Cherenkovσυγκεντρώνεται σε οπτικάτηλεσκόπια (μωσαϊκό μεεξαγωνικές ψηφίδες)

• Οι βροχές που οφείλονται σεακτίνες γ με E>TeVμπορούν να διακριθούν απότις βροχές Κ.Α με ανάλυσητης μορφής της κατατομήςτης βροχής


35

Κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας• Θεωρούνται ότι προέρχονται έξω από το Γαλαξίαμας πιθανόν στην τοπική ομάδα

• Για ΚΑ πάνω από το “γόνατο” (>3 x 1015 eV) πρέπει να υπάρχει κάποιος άλλος μηχανισμόςεπιτάχυνσης

• Συχνά οι μηχανισμοί επιτάχυνσης θεωρούνται οιπίδακες από τους ενεργούς γαλαξίες

• Από τι αποτελούνται;• Από πού προέρχονται;• Πώς έχουν πάρει τόση ενέργεια;


36

Ανιχνευτές “φθορισμού”

• Η ακτινοβολία UV που εκπέμπεται από (κυρίως) τα μόρια αζώτου εστιάζεται και συγκεντρώνεταιμε ανιχνευτές σε τηλεσκόπια

Σημείωση: ηακτινοβολία UV είναιστην πράξησπινθηρισμός και όχιφθορισμός-δηλαδήεπανεκπομπή της UVστο ορατό


37

Ανιχνευτική διάταξη στη UtahFly’s Eye (Το Μάτι της Μύγας)


38

Fly’s Eye: 1981-1993

• Τα pixels στoν ουρανό από τη διάταξη τουτηλεσκοπίου είναι εξάγωνα πλακάκια όπωςτο μάτι της μύγας- τελικά μια δεύτερηδιάταξη κατασκευάστηκε γιαστερεοσκοπική όραση

• http://aspire.cosmic-ray.org/movies/wmp250k.wmv?ASPIRE_Session=c042d0286bdaf65ce9444c8c13c43d27


39

Γιγάντια Διάταξη βροχής Κ.Α Akeno• AGASA στην Ιαπωνία• 111 ανιχνευτές στηνεπιφάνεια και 27 υπόγειοι ανιχνευτέςμιονίων σε 100 km2 σεανά 1 km

• Συνδυασμός τωνπαραπάνω ανιχνευτώνοδηγεί στην σύστασητης πρωτογενούςκοσμικής ακτινοβολίας


40

Σπινθηριστές• Μεγάλα κομμάτια υλικού (συνήθως ανόργαναάλατα ή οργανικά πλαστικά) που εκπέμπουν φωςστο οπτικό όταν πέφτουν πάνω τους ΚΑ

• Συχνά χρησιμοποιούνται και για ακτίνες γ

AGASA Scintillator


41

Ανιχνευτές μιονίων• Πολλά από τα δευτερογενή σωμάτια είναιμιόνια-αρνητικά φορτισμένα σωματίδια σανe αλλά με μάζα 186 φορές μεγαλύτερη


42

Ανιχνευτές Cherenkov στο νερό• Δεξαμενές νερού περιβάλλουν PMs για ναανιχνεύσουν την κυανή ακτινοβολίαCherenkov που εκπέμπεται στο νερό

AGASA Water CerenkovDetector


43

Το υψηλότερο ενεργειακό γεγονός τηςAGASA

• 3 x 1020 eV – τοδεύτερο ενεργειακάυψηλότερο που έχειποτέ ανιχνευθεί

• Η βροχή διεσπάρη σεπεριοχή 6 x 6 km2

• Δισεκατομμύριασωματίδια στη βροχή

• Τα πρωτογενή πιθανόνπυρήνες οξυγόνου ήπαρόμοιου στοιχείου


44

Ανισοτροπία AGASA• ΚΑ μεγαλύτερες από 1019 eV ανιχνεύθηκαν στα

11 χρόνια παρατήρησης της AGASA• Ερυθρά > 1020 eV, πράσινα 4-10 x 1019 eV• Οι κύκλοι είναι ομάδες γεγονότων μέσα σε 2.5o


45

Δεδομένα AGASA – “αστράγαλος” στηναποκοπή GZK

• Κοσμικές ακτίνεςμε Ε>1020 eV από> 150 εκατομ. ε.φδεν θα έπρεπε ναφτάνουν στη Γηλόγωσυγκρούσεων μεφωτόνια τηςμικροκυματικήςακτινοβολίαςυποβάθρου“αποκοπή GZK”


46

Αστεροσκοπείο Pierre Auger

• 2 διατάξεις νερού Cherenkov για την ανίχνευσητων υψηλής ενέργειας ΚΑ- σε κάθε ημισφαίριο

• έκταση 3000 km2 με 1600 ανιχνευτές

UtahArgentina


47

• Pierre Auger on Cosmic Rays• "In his excellent paper, Louis LePrince-Ringuet,

citing a remark of Powell's at the Conference ofBagneres-de-Bigorre in 1953, declared that fromthat date on, particle accelerators took the place ofcosmic rays, which more or less faded into thebackground. And yet, even today accelerators havenot caught up with cosmic rays. For in 1938, I showed the presence in primary cosmic rays ofparticles of a million Gigavolts -- a million timesmore energetic than accelerators of that day couldproduce. Even now, when accelerators have farsurpassed the Gigavolt mark, they still have notattained the energy of 1020 eV, the highestobserved energy for cosmic rays. Thus, cosmic rayshave not been dethroned as far as energy goes, andthe study of cosmic rays has a bright future, if onlyto learn where these particles come from and howthey are accelerated. You know that Fermi made a very interesting proposal that particles areprogressively accelerated by bouncing off movingmagnetic fields, gaining a little energy each time. Inthis way, given a certain number of "kicks," onecould perhaps account for particles of 1018 - 1020 electron volts. As yet, however, we have no goodtheory to explain the production of the very-high-energy particles that make the air showers that mystudents and I discovered in 1938 at Jean Perrin'slaboratory on a ridge of the Jungfrau."

• — Pierre Auger, Journal de Physique, 43, 12, 1982


48

Τι μας νοιάζουν οι κοσμικές ακτίνες;• Είμαστε συνεχώς εκτεθειμένοι στις δευτερογενείςΚΑ

• Περισσότερο τα αεροπλάνα και στα υψηλά βουνά• Οι ΚΑ παράγουν C14 για ραδιενεργή χρονολόγηση• Οι ΚΑ παράγουν τυχαία γεγονότα-λάθη στουςδιαστημικούς υπολογιστές (chips)

• Θέλουμε να κατανοήσουμε ΠΩΣ η φύση μπορεί ναεπιταχύνει σωματίδια σε υ~c

• Οι υψηλής ενέργειας ΚΑ μπορεί να σημαίνουν ΝΕΑΦΥΣΙΚΗ!


49

Εργαστήριο ASPIRE• http://sunshine.chpc.utah.edu/javalabs/java1

02/hess/index.htm• Δοκιμάστε τη Δραστηριότητα 1

(τουλάχιστον για 20 sec). Τι συμπεραίνεταιγια την προέλευση των κοσμικών ακτίνων;.


50

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/


51

Πηγές στο Διαδίκτυο

• Ιστορία κοσμικών ακτίνωνhttp://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.html

• AGASA http://www-akeno.icrr.u-tokyo.ac.jp/AGASA/• HIRES http://hires.physics.utah.edu/

Documents

ΑστροφυσικήΙΙ 2007 · 17/01/08 Χριστοπούλου 47 • Pierre Auger on Cosmic Rays • "In his excellent paper, Louis LePrince-Ringuet, citing a remark of Powell's