Promienie kosmiczne i astrofizyka wysokich energii. Materia w

Promienie kosmiczne i astrofizyka wysokich energii
Materia w skrajnych warunkach
Badania zjawisk zachodzących we Wszechświecie jako całości są istotne
nie tylko ze względu na ich ogólny cel poznawczy, dający istotny wkład
w rozwój podstawowych dziedzin fizyki, takich jak np. fizyka teoretyczna,
fizyka plazmy, fizyka jądrowa czy nawet fizyka ciała stałego, ale także ze
względu na bezpośredni związek zjawisk kosmicznych z istnieniem, rozwojem
i przyszłością działalności człowieka na Ziemi.
Procesy i zjawiska kosmiczne, np. takie jak powstawanie pierwiastków, źródła
energii gwiazd, wybuchy supernowych, promienie kosmiczne czy meteoryty stanowią
podstawę istnienia życia na Ziemi i jego ewolucji. Badania archeologiczne wskazują,
że tego typu zjawiska kosmiczne doprowadziły do ukształtowania się obecnej flory i
fauny. Zrozumienie ich ma podstawowe znaczenie dla przyszłości człowieka. Dlatego
badania kosmiczne stanowią jeden z kilku głównych kierunków działalności naukowej
w programach Unii Europejskiej.
W Katedrze Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Łódzkiego prowadzone są
badania z zakresu astrofizyki wysokich energii, tzn. dotyczące procesów fizycznych,
zachodzących w Kosmosie, w których powstają i oddziałują cząstki elementarne o
wysokich energiach. Są to energie znacznie większe niż te, do których przyśpiesza
się protony w najnowszych akceleratorach (do około jednej dziesięciomilionowej
dżula na jeden proton). Procesy te zachodzą w obiektach kosmicznych, takich jak
gwiazdy (Słońce, układy gwiazd), obiekty egzotyczne (białe karły, gwiazdy
neutronowe czyli pulsary, magnetary) czy obiekty wybuchające (supernowe, błyski
promieniowania gamma, aktywne jądra galaktyk). Warunki panujące w tych
obiektach i ich otoczeniu nie mogą być odtworzone sztucznie na Ziemi. Dlatego tylko
poprzez obserwacje tych zjawisk i procesów mamy dostęp do badania materii w
skrajnych warunkach, tj. przy bardzo dużych gęstościach i ciśnieniach, w bardzo
wysokich temperaturach czy super-silnych polach magnetycznych i grawitacyjnych.
Poznanie własności materii znajdującej się w skrajnych warunkach w odległych
obiektach kosmicznych następuje pośrednio poprzez obserwację docierającego do
Ziemi promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal oraz cząstek
naładowanych (jąder różnych pierwiastków, elektronów), czyli promieni kosmicznych.
Obserwacje tych cząstek wymagają stosowania urządzeń dość kosztownych,
wykorzystujących najnowsze technologie i dlatego często budowanych przez duże
międzynarodowe zespoły badawcze.
Ponieważ wgląd w procesy zachodzące w obiektach kosmicznych nie może być
bezpośredni, często używaną metodą badawczą są komputerowe symulacje
procesów fizycznych i ich porównanie z obserwacjami. Pracownicy Katedry Fizyki
Doświadczalnej mają duże doświadczenie w wykorzystaniu tych technik badawczych
i dlatego są także poszukiwanymi pracownikami firm wykorzystujących technologie
informatyczne.
Katedra Fizyki Doświadczalnej bierze obecnie udział w dwóch wielkich,
międzynarodowych eksperymentach: Obserwatorium Pierre Auger oraz MAGIC.
Celem budującego się obecnie Obserwatorium Auger jest zbadanie czym są i
skąd pochodzą promienie kosmiczne o najwyższych energiach. Obserwatorium to
składać się będzie z dwóch gigantycznych kompleksów detektorów – jeden na półkuli
południowej, drugi na północnej, a więc tak, aby móc obserwować całe niebo.
Obecnie na ukończeniu jest stacja południowa, mieszcząca się na argentyńskim
płaskowyżu tuż pod Andami.
Cząstka
promieni
kosmicznych
o
najwyższych
energiach,
wchodząc
w atmosferę ziemską i zderzając się z jej cząsteczkami, wywołuje lawinę cząstek
wtórnych, czyli tzw. wielki pęk atmosferyczny, który docierając do powierzchni ziemi
pokrywa znaczny obszar, rzędu nawet kilkudziesięciu kilometrów kwadratowych.
Jednak strumień promieni kosmicznych maleje gwałtownie wraz z energią cząstki
pierwotnej. Dlatego też potrzebne jest pokrycie detektorami cząstek wtórnych
znacznej powierzchni tak, aby zwiększyć szansę na ich efektywną detekcję.
Powierzchnia, na której znajdzie się 1600 detektorów cząstek w Obserwatorium
Auger ma 3000 km2.
Atmosfera nad tymi detektorami będzie obserwowana przez cztery stacje
detektorów
optycznych,
rejestrujących
słabe
błyski
od
wielkich
pęków
atmosferycznych tzw. światło fluorescencyjne. Użycie dwóch różnych rodzajów
detektorów do rejestracji wielkich pęków zapewni znakomitą dokładność w
wyznaczeniu energii i kierunków przychodzenia cząstek promieni kosmicznych, jak
również umożliwi wzajemną kalibrację tych dwóch typów detektorów.
Z racji sporych kosztów przedsięwzięcia i skali eksperymentu, we współpracy
biorą udział jednostki badawcze z ponad 20 krajów świata. Nasza katedra
uczestniczy
w
oprogramowania,
projektowaniu
w
i
symulacjach
konstruowaniu
komputerowych
elektroniki
rozwoju
detektorów
wielkich
i ich
pęków,
niezbędnych do interpretacji danych doświadczalnych oraz przy analizie tych danych
– ale też uczestniczymy osobiście w pomiarach i budowie aparatury w Argentynie.
Wstępne wyniki eksperymentu zostały już opublikowane na ostatniej konferencji
promieni kosmicznych w Indiach (2005). Mamy nadzieję, że przełomowe wyniki
współpracy Auger zostaną upublicznione na tegorocznej (2007) międzynarodowej
konferencji w Meksyku, poświeconej całkowicie problemom promieni kosmicznych.
Współpraca MAGIC została ustanowiona przez naukowców z kilku krajów
europejskich (Niemcy, Włochy, Hiszpania, Szwajcaria, Finlandia, Polska, Bułgaria) w
celu obserwacji promieniowania gamma ze źródeł kosmicznych, w których dominują
procesy wysokich energii. Na Wyspach Kanaryjskich (La Palma) został zbudowany
teleskop optyczny, o największej na świecie średnicy 17 m. Rejestruje on tzw. światło
Czerenkowa wysyłane przez kaskady elektronów i pozytronów, wytwarzane w
atmosferze ziemskiej przez pojedyncze kwanty gamma, przychodzące z Kosmosu.
Ponieważ kwanty te nie niosą ładunku elektrycznego, więc kierunek ich ruchu nie
ulega zmianom w trakcie przelotu przez pola magnetyczne w naszej Galaktyce lub
też poza nią. Tak więc kierunek skąd kwanty te przychodzą wskazuje na źródło ich
powstawania, a powstają one zwykle wskutek oddziaływań protonów, elektronów
z otoczeniem. Tak więc uzyskane wyniki dostarczają informacji o procesach
przyśpieszania cząstek do wysokich energii w tych obiektach.
Pracownicy naszej katedry biorą bezpośredni udział w obserwacjach przy
pomocy teleskopu MAGIC, przygotowują programy obserwacyjne oraz dokonują ich
teoretycznej interpretacji. Wyniki uzyskane w pierwszym roku pracy teleskopu zostały
zawarte
w
kilkunastu
pracach
opublikowanych
w wiodącym
czasopiśmie
astrofizycznym The Astrophysical Journal i już uzyskały ponad 100 cytowań. Ponadto
opublikowaliśmy kilka prac poświęconych symulacjom komputerowym procesów
fizycznych w obserwowanych obiektach.
Obecnie Współpraca MAGIC buduje drugi teleskop, który wraz z istniejącym
znacznie poszerzy jego możliwości obserwacyjne. Przełomowe wyniki uzyskane
przez teleskop MAGIC (oraz podobne urządzenie na półkuli południowej –
Współpraca HESS) spowodowały że państwa Unii Europejskiej podjęły decyzję o
budowie w nadchodzących latach systemu kilkudziesięciu teleskopów tego typu
(Współpraca Cherenkov Telescope Array – CTA). W tym przedsięwzięciu zespół z
Katedry Fizyki Doświadczalnej zamierza także brać udział.
MARIA GILLER
WŁODZIMIERZ BEDNAREK
ANDRZEJ ŚMIAŁKOWSKI