Kosmické záření Dalibor Nedbal ÚČJF nedbal@ipnp.troja.mff.cuni.cz http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~nedbal/cr
Kosmické záření Kontakt: Dalibor Nedbal Ústav částicové a jaderné fyziky (ÚČJF) Troja, A825 nedbal@ipnp.troja.mff.cuni.cz Web: http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~nedbal/cr Prezentace, odkazy, skripta
Kosmické záření Literatura S. Rosswog & M. Brueggen, Introduction to High-Energy Astrophysics, Cambridge University Press, 2007 C. Grupen, Astroparticle Physics, Springer-Verlag, 2005 M. Longair, High Energy Astrophysics (Vol. 1, 2), Cambridge University Press, 1992 T. K. Gaisser, Cosmic Ray and Particle Physics, Cambridge University Press, 1990 D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxford University Press, 2003 Web M. Kachelriess, Lecture notes on high energy cosmic rays, 2008 Z. Kuncic, Lecture Notes in High Energy Astrophysics
Motivace Co to je kosmické záření (KZ) Vysokoenergetické částice z vesmíru Původem ze Slunce (sluneční vítr) nebo mimo Sluneční soustavu Zde budeme probírat extrasolární KZ
Motivace Proč jej studovat? Jediná hmota z vnějšího vesmíru, kterou umíme chytit Nevysvětlený původ, způsob urychlení a šíření Umožňuje studovat nejenergetičtější procesy ve vesmíru Ovlivňuje počasí a život na Zemi
Přehled přednášky Úvod Historie - Koncepce přednášky jako základ astročásticové fyziky - Alternativní témata vítána -1 sr GeV sec) 2 Flux (m 4 10 2 10 10 10-1 -4-7 10-10 10 2 (1 particle/m -sec) LEAP - satellite Proton - satellite Yakustk - ground array Haverah Park - ground array Akeno - ground array AGASA - ground array Fly s Eye - air fluorescence HiRes1 mono - air fluorescence HiRes2 mono - air fluorescence HiRes Stereo - air fluorescence Auger - hybrid Knee 2 (1 particle/m -year) Fenomenologie -13 10-16 10 Šíření KZ Transport KZ v Galaxii -19 10-22 10-25 10-28 10 9 10 FNAL Tevatron (2 TeV) 10 10 CERN LHC (14 TeV) 11 10 12 10 13 10 Ankle 2 (1 particle/km -year) 14 10 2 (1 particle/km -century) 15 10 16 10 17 10 18 10 19 20 10 10 Energy (ev) Stáří KZ, spektrální index Urychlení Fermiho mechanismus Rázové vlny Supernovy
Přehled přednášky Zářivé procesy Záření pohybující se částice Synchrotronní, brzdné, Čerenkovovo záření Spektrální signatura zdrojů KZ Studium elektromagnetického záření zdrojů KZ Rázové vlny Supernovy
Přehled přednášky Praktické ukázky Hledání článků, zdrojů informací Hledání astrofyzikálních dat Zobrazení dat z různých experimentů a energetických oborů pomocí DS9
Přehled přednášky Centaurus A Radiové záření RTG záření Optické světlo
Přehled přednášky Ilustrační spektrum (ve skutečnosti RGB J0152+017)
Přehled přednášky Interakce KZ Různé druhy interakcí podle energie Greisen Zatsepin Kuzmin limit Produkce VHE gama záření UHECR Nejenergetičtější známé částice Možné způsoby vzniku Detekce
Přehled přednášky Zdroje kosmického záření Supernovy Aktivní galaktická jádra Gama záblesky
Úvod Základy astrofyziky
Jednotky Astronomická jednotka (AU) 1 AU 150 10⁶ km Parsek (pc) typický rozměr v astrofyzice ~ vzdálenost nejbližší hvězdy Proxima Centauri vzdálenost, ze které je astronomická jednotka (AU) vidět pod úhlem 1'' (=1/3600 o ) 1pc = 1AU tan 1 3, 09 10 16 m 3, 26 ly,
Jednotky CGS jednotky často používané Vystačí si s mechanickými jednotkami 1 TeV = 1.602 erg Fyzikální veličina CGS SI Elektrická intenzita, potenciál e. pole E, φ 4πɛ0 (E, φ) Náboj, proud a jejich hustoty q,i,ρ, j ( ) 1/ 4πɛ0 (q, I, ρ, j) Elektrická indukce D 4π/ɛ0 D Magnetická indukce, tok a vekt. potenciál B, φ, A 4π/µ 0 (B, φ, A) Magnetická intenzita H 4πµ0 H Magnetický moment m µ0 /(4π)m B-pole Země ~ 1G B-pole mezihv. ~μg Užitečný vztah: c 0 = 1 ɛ0 µ 0
Naše Galaxie ~10 11 hvězd Složení jádro < 10 pc ~ 2 10⁶ M disk R ~ 15 kpc h ~ 300 pc bulge R ~ 5 kpc halo R < 40 kpc
Atlas vesmíru http://www.atlasoftheuniverse.com/galaxy.html
Atlas vesmíru
Atlas vesmíru
Atlas vesmíru
Historický přehled Úvod
Elektroskop
Elektroskop Vybíjení elektroskopů zbytková ionizace vzduchu Přelom 19.-20. století Roentgen 1895 objev RTG Becquerel 1896 objev radioaktivity objev α, β, γ záření Vybíjení způsobeno radioaktivními prvky v půdě?
Elektroskop
Zdroje přirozené radioaktivity
Elektroskop 1910 Theodor Wulf vyvíjí přesnější elektroskop Neočekávaně malý úbytek ionizace na vrcholu Eiffelovy věže
Objev kosmického záření 1912 Victor Hess - balónové lety z Ústí nad Labem Výška přes 5000 m Nejprve úbytek ionizace Od ~ 700 m ionizace opět roste Nad ~ 1500 m ionizace stejná jako na úrovni Země
Objev kosmického záření Efekt nadmořské výšky Růst ionizace s výškou Zbytková ionizace není pozemského původu Pozorování ve dne i v noci Není způsobena přímým slunečním světlem Implikace existence ionizujícího záření z vesmíru Nobelova cena pro Hesse v r. 1936
20. léta 20. století Otázka charakteru kosmického záření Co jej tvoří Milikan prosazuje γ záření Compton nabité částice
Nabité částice 1927 Pozorovaný efekt geomagnetické šířky (Clay) Vertical rigidity cut-off (VRCO) Ec(λ) = 14,9 cos⁴ λ GeV Ec(50 O ) = 1,1 GeV Výpočet Stoermera
Nabité částice
Polární záře
Nabité částice 1927 Dmitry Skobeltzyn fotografuje první dráhy KZ v mlžné komoře vystavené B-poli Stále je považuje za sekundární částice gama záření
Nabité částice, 1928-1929 Bothe, Kolhoerster 2 Geiger Muellerovy čítače v koincidenci Absorpční vrstva mezi detektory Důkaz korpuskulárního charakteru KZ Koincidence způsobeny sekundárními částicemi Absorpce sek. částic podobná jako absorpce KZ v atmosféře KZ je částicového charakteru A Goldbtoek, Pb Bleiabsehirmnng, Z~Z~ Zahlrohre
Kladně nabité částice 1934 Západovýchodní asymetrie Bruno Rossi *"+! /012.3!"#"$%& '() *4'53,-'.)" 6.#.)"%4 7$58"97.$:" *594B5%4 ;9)53%!"%5<:7=>?4@7:1"A 7$58"97.$:" ;%&B94>"%"$C:"A
Kladně nabité částice Spektrum elektronů KZ
Kaskády částice 1934 Heitlerův model elektromagnetické kaskády Pozorované částice na Zemi jsou sekundárními částicemi z kaskád E 0 E 0 /2 E 0 /4 E 0 /8
Rozsáhlé spršky 1938 P. Auger, B. Rossi koincidence ve vzdálených detektorech První pozorování rozsáhlých spršek částic (Extensive Air Showers - EAS) Spršky o energiích až 10¹⁵ ev 1949 Fermi navrhuje mechanismus urychlení KZ na zmagnetizovaných mračnech mimo sluneční soustavu
Historie KZ 50. léta 20. století Budování urychlovačů Odtržení kosmického záření od částicové fyziky Počátky radioastronomie 60. léta Zprovoznění Haverah Parku EAS experiment spršky až 10 20 ev
Historie KZ 60. léta Počátky RTG astronomie Gama astronomie vojenské satelity Vela detekují první gama záblesky z vesmíru 90. léta Rozvoj EAS experimentů AGASA, Fly s Eye 2004 Zprovoznění experimentu Pierre Auger Observatory Hybridní experiment, největší současný experiment pro KZ
Experimentální studium KZ Mechanismus urychlení Spektrum Chemické složení Anisotropie Vznik KZ Propagace KZ Zdroje KZ
Spektrum KZ
Spektrum KZ Rozsah energií Přes 10 řádů GeV - 10 20 ev Rozsah toků částic Přes 30 řádů Je třeba mnoho různých metod k proměření celku
Spektrum KZ Dolní limit Magnetické pole Země Sluneční vítr Časově proměnná modulace
Spektrum KZ Vliv slunečního větru Antikorelace KZ a sluneční aktivity 1997 2000 2001
Spektrum KZ All-particles J(E) =1.8 E γ 1 cm 2 ssrgev
Spektrum KZ
Spektrum KZ All-particles Komponenty Počátek Koleno 2. koleno Kotník GZK cut-off
Cihly vs. KZ
Cihly vs. KZ Vlastnosti Rozměry 4:2:1 300 x 150 x 75 mm 4,7 kg
Cihly vs. KZ Vlastnosti Rozměry 4:2:1 300 x 150 x 75 mm Pád z 1 m Potenciální energie 47 J 4,7 kg
Cihly vs. KZ Pád z 1 m Potenciální energie 47 J Kosmické záření Energie až 50 J Cihla z částic o 50 J by měla energii 10²⁹ J Výkon Slunce ~ 4 10²⁶ W
Spektrum KZ