Astronomia i astrofizyka na orbicie

Transkrypt

Astronomia i astrofizyka na orbicie
Andrzej Odrzywołek
Zakład Teorii Względności i Astrofizyki
Uniwersytet Jagielloński, Kraków
Piatek, 5.11.2010, 17:00
A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA)
Astronomia na orbicie
Piatek, 5.11.2010, 17:00
1 / 34
Podbój kosmosu
Trzy kategorie badań naukowych w kosmosie
eksploracja: sondy kosmiczne, lądowniki, wyprawy załogowe
obserwacja: teleskopy, detektory cząstek i fal grawitacyjnych, sondy
monitorujące ciała niebieskie na orbicie, poszukiwanie innych układów
planetarnych
eksperyment: załogowe stacje orbitalne (ISS), urządzenia badawcze
na orbicie, próbniki „głębokiego kosmosu”
Proste wymienienie z nazwy wszystkich ważnych misji kosmicznych
w każdej z kategorii wypełniłoby cały referat! Epoka kosmiczna trwa już
ponad 50 lat.
Piatek, 5.11.2010, 17:00
2 / 34
Podbój kosmosu
planetarnych
ponad 50 lat.
Piatek, 5.11.2010, 17:00
2 / 34
Podbój kosmosu
planetarnych
ponad 50 lat.
Piatek, 5.11.2010, 17:00
2 / 34
Część I
Tryb badań: EKSPLORACJA
Piatek, 5.11.2010, 17:00
3 / 34
Eksploracja kosmosu
Najważniejsze misje/sondy eksplorujące Układ Słoneczny
sondy kosmiczne
1
2
Voyager 1/2, Pioneer (badania planet-olbrzymów: Jowisz, Saturn,
Uran, Neptun; sondy opuściły nasz układ planetarny !)
Cassini (orbiter Saturna); Galileo (orbiter Jowisza)
Cassini był prawdopodobnie ostatnią z tego typu misji wysłanych przez
ludzkość: są zbyt kosztowne, niebezpieczne i długotrwałe . . .
lądowniki
1
2
3
łaziki marsjańskie (2/3 nieudanych misji! - zapamiętajmy tą informację)
Huyghens (lądownik na Tytanie)
badania komet i planetoid (NEAR, Deep Impact, Stardust, Roseta)
ten tryb badań będzie zapewne dominujący w przyszłości; najbardziej
ambitne projekty to eksploracja oceanów Europy i powrót na Tytana
wyprawy załogowe
1
program Apollo (lądowanie człowieka na Księżycu)
wciąż mówi się o wyprawie załogowej na Marsa i powrocie na
Księżyc. . .
Piatek, 5.11.2010, 17:00
4 / 34
Eksploracja kosmosu
sondy kosmiczne
1
2
lądowniki
1
2
3
wyprawy załogowe
1
Księżyc. . .
Piatek, 5.11.2010, 17:00
4 / 34
Eksploracja kosmosu
sondy kosmiczne
1
2
lądowniki
1
2
3
wyprawy załogowe
1
Księżyc. . .
Piatek, 5.11.2010, 17:00
4 / 34
Eksploracja kosmosu
sondy kosmiczne
1
2
lądowniki
1
2
3
wyprawy załogowe
1
Księżyc. . .
Piatek, 5.11.2010, 17:00
4 / 34
Eksploracja kosmosu
sondy kosmiczne
1
2
lądowniki
1
2
3
wyprawy załogowe
1
Księżyc. . .
Piatek, 5.11.2010, 17:00
4 / 34
Eksploracja kosmosu
sondy kosmiczne
1
2
lądowniki
1
2
3
wyprawy załogowe
1
Księżyc. . .
Piatek, 5.11.2010, 17:00
4 / 34
Eksploracja kosmosu
sondy kosmiczne
1
2
lądowniki
1
2
3
wyprawy załogowe
1
Księżyc. . .
Piatek, 5.11.2010, 17:00
4 / 34
Eksploracja kosmosu
sondy kosmiczne
1
2
lądowniki
1
2
3
wyprawy załogowe
1
Księżyc. . .
Piatek, 5.11.2010, 17:00
4 / 34
Eksploracja kosmosu
sondy kosmiczne
1
2
lądowniki
1
2
3
wyprawy załogowe
1
Księżyc. . .
Piatek, 5.11.2010, 17:00
4 / 34
Efekty specjalne?
Piatek, 5.11.2010, 17:00
5 / 34
Efekty specjalne?
Piatek, 5.11.2010, 17:00
5 / 34
Efekty specjalne?
Piatek, 5.11.2010, 17:00
5 / 34
Efekty specjalne?
NIE! Te sceny nie należą do kategorii „nieistniejących światów”: obiekty w
tle to rzeczywiste fotografie planet, wykonane przez sondy Galileo i Cassini.
Dziś to Hollywood zgłasza się do NASA po zdjęcia, a nie odwrotnie . . .
Piatek, 5.11.2010, 17:00
5 / 34
Najbardziej ekscytujące przyszłe projekty
Poszukiwanie życia w Układzie Słonecznym
Pytanie o istnienie i ewentualne cechy (identyczność kodu genetycznego
itp.) życia pozaziemskiego jest równie ważne jak zagadka ciemnej materii
i ciemnej energii !
Piatek, 5.11.2010, 17:00
6 / 34
Gdzie szukać?
badanie oceanów Europy
powrót na Tytana (Enceladusa)
dalsza eksploracja Marsa
Wspólnym mianownikiem tych projektów jest poszukiwanie życia
pozaziemskiego w Układzie Słonecznym!
Piatek, 5.11.2010, 17:00
6 / 34
Europa Ocean Explorer (Icepick), Europa Lander
Piatek, 5.11.2010, 17:00
6 / 34
Piatek, 5.11.2010, 17:00
6 / 34
Piatek, 5.11.2010, 17:00
6 / 34
Piatek, 5.11.2010, 17:00
6 / 34
Część II
Tryb badań: OBSERWACJA
Piatek, 5.11.2010, 17:00
7 / 34
Obserwacje astronomiczne: dlaczego w kosmosie?
Fundamentalna motywacja
1
Atmosfera jest nieprzezroczysta dla większości zakresów widma
elektromagnetycznego
2
W pozostałych zakresach stanowi ona źródło zakłóceń
ograniczających rozdzielczość [aczkolwiek współcześnie optyka
adaptywna pokonuje te klasyczne ograniczenia]
3
w kosmosie nie ma chmur, dnia i nocy, obserwacje nie są ograniczone
do jednej półkuli
Do tego dochodzą liczne dodatkowe korzyści: brak problemów z terenem
pod budowę, stabilne warunki, brak grawitacji, brak oświetlenia miejskiego,
itd.
Podstawowe wady to koszt wyniesienia na orbitę (wliczając ryzyko
całkowitego zniszczenia sprzętu) oraz naprawy (przypadek HST).
Piatek, 5.11.2010, 17:00
8 / 34
1
2
3
do jednej półkuli
itd.
Piatek, 5.11.2010, 17:00
8 / 34
1
2
3
do jednej półkuli
itd.
Piatek, 5.11.2010, 17:00
8 / 34
Optymalna lokalizacja teleskopu?
S. Bajtlik, Postępy Fizyki, (podsumowanie Roku Astronomii w Polsce)
Piatek, 5.11.2010, 17:00
9 / 34
Dygresja . . .
2 listopada upłynęło 10 lat ciągłej obecności ludzi na Międzynarodowej
Stacji Kosmicznej! Wykonano ponad 600 eksperymentów torując drogę do
nowych odkryć i technologii. (APOD, dzisiaj)
Piatek, 5.11.2010, 17:00
10 / 34
April 19, 2010 ” The Barnett Government will pay a group of
Murchison Aboriginals about $10 million to drop their native title
objections to the CSIRO’s Square Kilometre Array telescope project.”
September 29, 2010 Apaches oppose telescope permit renewal
2006 A HUGE WIN FOR MAUNA KEA and welcomed victory for
the people, who for 30 years have said, ’’Enough is
Enough!’’ NO MORE DEVELOPMENT ON THE SACRED SUMMIT!
Nature 417, 5 (2 May 2002) NASA faces legal challenge
over Hawaiian telescope plan
(23 May
2003) ”Tiny bug may affect astronomy plans”. The Honolulu Advertiser
Piatek, 5.11.2010, 17:00
11 / 34
Przezroczystość atmosfery ziemskiej
Piatek, 5.11.2010, 17:00
12 / 34
Problemy istnieją na Ziemi i na orbicie
Przypadek teleskopu Suzaku
Historia teleskopu Suzaku (wcześniej Astro-E2), który zastąpił Astro-E,
jest dobrym przykładem ryzyka ponoszonego w trakcie misji kosmicznej.
Pierwsza wersja sondy eksplodowała razem z rakietą, druga przestała
działać z powodu wycieku helu.
Duża awaryjność misji w kosmosie nie jest niczym dziwnym:
1
naprawa teleskopu Hubble’a
2
2/3 nieudanych misji na Marsa
3
eksplodujące przy starcie rakiety
4
...
Piatek, 5.11.2010, 17:00
13 / 34
Lista orbitalnych obserwatoriów
Poniżej przedstawiam niektóre z misji, które mają charakter
teleskopów, nastawionych na obserwacje astronomiczne:
Astro-E2/Suzaku
Chandra X-ray Observatory
GALEX
GLAST
Herschel
High Energy Transient Explorer-2 (HETE-2)
Hubble Space Telescope
International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL)
Kepler
Planck
Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE)
SOFIA
Piatek, 5.11.2010, 17:00
14 / 34
Astronomia „multi-wavelength”
Przykład: galaktyka M82 (IR, X, widzialne)
Astronomia orbitalna dostarcza fotografii nieba we wszystkich długościach fal w zdumiewającej jakości i rozdzielczości. Dotyczy to szczególnie promieniowania rentgenowskiego (X), a konstrukcja
teleskopu operującego dla tak
krótkich fal elektromagnetycznych to temat na osobny, fascynujący referat!
Piatek, 5.11.2010, 17:00
15 / 34
Piatek, 5.11.2010, 17:00
15 / 34
Piatek, 5.11.2010, 17:00
15 / 34
Przykład: emisja X w Galaktyce
Astronomia rentgenowska wysokiej rozdzielczości wykazała,
że nie istnieje rozciągła emisja X w galaktyce: są to po
prostu pojedyncze obiekty, co
(na krótko zapewne) zmartwiło entuzjastów „nowej fizyki”.
Piatek, 5.11.2010, 17:00
16 / 34
Część III
Tryb badań: EKSPERYMENT
Piatek, 5.11.2010, 17:00
17 / 34
Anomalia Pioneer-a
Piatek, 5.11.2010, 17:00
18 / 34
Anomalia Pioneer-a
obserwacje sondy wskazują na niezgodną z grawitacją Newtona
pozycję
jedynie obserwacje w zewnętrznych obszarach Układu Słonecznego
mogą potwierdzić lub obalić te przypuszczenia
proponowane jest użycie sond kosmicznych (tryb eksperymentalny)
lub obserwacje wyselekcjonowanych asteroid (tryb pasywny)
Piatek, 5.11.2010, 17:00
18 / 34
Anomalia Pioneer-a
Proponowany eksperyment
Piatek, 5.11.2010, 17:00
18 / 34
Eksperymenty, ktorych nie można wykonać na Ziemi
Zalety eksperymentów w kosmosie
1
brak grawitacji [Ziemia: ,,drop towers’’, lot paraboliczny]
2
wysoka próżnia [Z: pompy próżniowe]
3
brak zaburzeń pochodzenia tektonicznego, atmosferycznego,
ludzkiego itp [Z: izolacja, amortyzacja, masa]
4
nieograniczone rozmiary [Z: ×]
5
ostateczne zerwanie z geocentryzmem [Z: ×]
Zwykle eksperymenty wykonują astronauci na pokładzie stacji orbitalnej.
„Klasyczne’ pokazowe eksperymenty (stacje kosmiczne)
kula wody (z bąbelkami, rotujące, itp.)
spalanie, wrzenie
Piatek, 5.11.2010, 17:00
19 / 34
Fizyka w kosmosie: sposób na obejście §22
Catch-22
Współczesna fizyka opiera się na dwóch filarach:
Ogólna Teoria Względności (OTW)
Mechanika Kwantowa
Ostatnie kilkadziesiąt lat wysiłków fizyków wskazuje, że te „filary”
wykluczają się nawzajem!
Kosmiczne cele
testy zasad fundamentalnych (równoważności, Lorentza, CPT)
fale grawitacyjne
antymateria
splątanie kwantowe, zimne atomy (kondensaty Bosego-Einsteina)
pomiary cząstek promieniowania kosmicznego i gamma (de facto są
to teleskopy wykorzystujące metody fizyki jądrowej)
Piatek, 5.11.2010, 17:00
20 / 34
Plan ESA na lata 2015-2025
Fundamentalna fizyka w kosmosie
LISA pathfinder (fale grawitacyjne)
MICROSCOPE (zasada równoważności, 2 ciała na orbicie)
Atomic Clock Ensemble in Space (redshift grawitacyjny, niezależność
od pozycji)
AMS-02 (anty-hel, spektrometr masowy)
Piatek, 5.11.2010, 17:00
21 / 34
od pozycji)
Piatek, 5.11.2010, 17:00
21 / 34
od pozycji)
Piatek, 5.11.2010, 17:00
21 / 34
od pozycji)
Piatek, 5.11.2010, 17:00
21 / 34
Kondensat Bosego-Einsteina na orbicie ?
Kluczowa rola braku grawitacji
od 1995 roku technika wytwarzania i operowania BEC rozwinęła się od
„granitowych stołów” wypełnionych aparaturą do postaci „on-chip”
lasery zastępujemy kondensatem → wzrost precyzji pomiarów
grawitacyjna energia potencjalna atomu Rb na wysokości 5nm rBEC
jest równa energii termicznej dla T ∼ 0.5 nK
rozwiązanie obecne: „drop tower”
rozwiązanie docelowe: eksperyment w kosmosie
kapsuła zrzucana z wieży jest dobrym prototypem sondy kosmicznej:
małe rozmiary i masa, autonomiczność, wytrzymałość,
miniaturyzacja, mały pobór prądu, zdalne sterowanie
Piatek, 5.11.2010, 17:00
22 / 34
QUANTUS-II
Piatek, 5.11.2010, 17:00
23 / 34
QUANTUS-II
Piatek, 5.11.2010, 17:00
23 / 34
QUANTUS-II
Piatek, 5.11.2010, 17:00
23 / 34
QUANTUS-II
Piatek, 5.11.2010, 17:00
23 / 34
Inne eksperymenty o „kosmicznych” aspiracjach
grawitacyjne:
LATOR (ugięcie światła, 2 sondy + ISS), LISA (fale grawitacyjne),
BepiColombo (peryhelium Merkurego), LLR (nowe reflektory na
Księżycu), ISLES ( r12 ), STEP, POEM, GGG (zasada równoważności),
pomiar G
fizyka poza Modelem Standardowym:
e-EDM (elektryczny moment dipolowy elektronu)
fizyka atomowa:
QUANTUS (demonstracja technologii), CASI (efect Sagnac’a), ICE
(akcelerometr), OPTIS, ACES (redshift), RACE (zegary atomowe)
ciemna energia/materia
?
Piatek, 5.11.2010, 17:00
24 / 34
Krytyka programów eksperymentów w kosmosie
Czy te plany są wykonalne ?
przykład Gravity Probe B pokazał, że od pomysłu do wyników droga
jest dłuższa niż ktokolwiek się spodziewał
większość doświadczeń (optyka atomowa, jądrowa) wymaga ciągłej
lub przynajmniej okresowej interwencji wykwalifikowanego naukowca
dokładniejszy wgląd w proposale pokazuje, że de facto jedynie fizyka
grawitacyjna będzie realizowana; pomiary promieniowania gamma czy
kosmicznego można równie dobrze wrzucić do jednego worka z
teleskopami;
brak konkretnych terminów czy proposali dot. kondensatu BE,
splątania kwantowego, interferencji fal materii itp.
ISS nie jest idealnym miejscem dla niektórych eksperymentów
Piatek, 5.11.2010, 17:00
25 / 34
PODSUMOWANIE
W mojej opinii ciągle jest zbyt wcześnie na wysyłanie niektórych
eksperymentów na orbitę. Najpierw chciałbym zobaczyć w 100%
automatycznie wykonujące się eksperymenty na Ziemi (QUANTUS
działa, ale kilka sekund), lub załogowe wyprawy/stacje na orbicie,
Księżycu czy Marsie.
Zawsze będzie istniała konkurencja pomiędzy:
(i) najbardziej zaawansowanymi i złożonymi eksperymentami na Ziemi
(ii) pracującymi w lepszych warunkach prostszymi eksperymentami na
orbicie.
Piatek, 5.11.2010, 17:00
26 / 34
KONIEC
Dodatkowe slajdy
Piatek, 5.11.2010, 17:00
27 / 34
Piatek, 5.11.2010, 17:00
28 / 34
Piatek, 5.11.2010, 17:00
28 / 34
Idea eksperymentów BE
Piatek, 5.11.2010, 17:00
29 / 34
LATOR
Piatek, 5.11.2010, 17:00
30 / 34
ISLES
http://www.ligo.caltech.edu/ veronica/CaJAGWR/info/general/paik01.pdf
Piatek, 5.11.2010, 17:00
31 / 34
Zegary Atomowe
Piatek, 5.11.2010, 17:00
32 / 34
Przykłady (filmy: kula z powietrzem)
Animacje
Piatek, 5.11.2010, 17:00
33 / 34
Locomotion
Piatek, 5.11.2010, 17:00
34 / 34

Astronomia i astrofizyka na orbicie

Transkrypt

Podobne dokumenty

Łukasz Płotkowski - Dlaczego satelity nie spadają ? Krótka historia o

Lebombo kości

Supernowe Ia i kosmologia

OzonyMed Instr PL - Profi od 1996 s y s t e m y d e n t y s t y c z n e

ee_06.

DIAGNOdent 2095