Matko Milin Prirodoslovno-matematički

fakultet, Sveučilište u Zagrebu

Nuklearna astrofizika

Kolegij: sadržaj

1. Astronomija: kratak uvod u moderne instrumente

2. Astrofizika: kratak uvod (zvijezde, galaksije, kozmičke zrake, kemijski sastav materijala u svemiru)

3. Nuklearna fizika: pojmovi i definicije

4. Nuklearne reakcije: formalizam

5. Nukleosinteza u ranom svemiru

6. Nukleosinteza u zvijezdama: mirno gorenje

7. Nukleosinteza u zvijezdama: eksplozivni procesi

8. Nukleosinteza kozmičkim zrakama

9. Radioaktivno datiranje

10. Visokoenergijska astrofizika

11. Nuklearne eksperimentalne metode: osnove i moderne metode

12. Moderna istraživanja u nuklearnoj astrofizici

Nuklearna astrofizika: literatura

1) C.E. Rolfs, W.S. Rodney: “Cauldrons in the Cosmos”, The University of Chicago Press, 1988.

2) D.D. Clayton: “Principles of stellar evolution and nucleosynthesis”, The University of Chicago Press, 1983.

3) D. Arnett: “Supernovae and Nucleosynthesis”, Princeton University Press, 1996.

4) C. Iliadis: “Nuclear Physics of Stars”, Wiley – VCH, 2007.

5) B.E.J. Pagel: “Nucleosynthesis and Chemical Evolution of Galaxies”, Cambridge University Press, 1997.

LOTS

AND

LOTS

OF

MATHS

WELCOME TO

BASIC

ASTRONOMY.

BEFORE WE

START, ARE

THERE ANY

QUESTIONS?

YEAH, LIKE

WHAT MAKES

ASTRONOMY

DIFFERENT

FROM

ASTROLOGY?

http://www.univie.ac.at/strv-astronomie/unterhaltung.html

1. Uvod: astronomija

Moderni teleskopi: Zemlja ili sateliti?

Novi veliki teleskopi

CCD-kamera! (W.Boyle & G.E. Smith - Nobelova nagrada 2009. godine)

napredak računala

većina teleskopa – reflektori

“primarna” zrcala više nisu masivna

“aktivna optika” – oblik zrcala se prilagođava danom položaju

“adaptivna optika” – sekundarno ili posebno korektivno zrcalo prilagođava se atmosferskim promjenama na skali stotinke sekunde!

Teleskop Keck

4145m, Mauna Kea, Hawaii

dva identična teleskopa segmentiranog zrcala efektivne veličine 10 m

interferometrijom: razlučivanje jedna lučna milisekunda

prvobitno privatno financiranje

Teleskopi LBT i GTC

LBT – Large Binocular Telescope, Mt. Graham, Arizona

dva vezana teleskopa, primarna zrcala 8.4 m

GTC – Gran Telscopio Canarias, La Palma, Kanari

primarno zrcalo 10.4 m – trenutačno najveći teleskop na svijetu

VLT: Very Large Telescope

četiri odvojena optička teleskopa složena u niz

ESO (European Southern Observatory) → pustinja sjevernog Čilea

svaki teleskop: 8.2 m

interferometrija (VLTI) samo u posebnim slučajevima

Radio-astronomija

prvi radio-teleskopi: 1930-te!

Arecibo, Puerto Rico (1963.)

antena promjera 305 m je fiksna, prijemnik mobilan

radio-astronomija danas: interferometrija!

VLA: Very Large Array

pustinje Novog Meksika

rezolucija: 0.04 lučne sekunde

27 velikih “tanjura”, svaki promjera 25 m

moguće pomicanje na tračnicama - najveća udaljenost 2 tanjura: 35 km!

fizika: od kometa do kvazara...

ALMA

engl. Atacama Large Millimeter Array

pustinje Čilea

najosjetljiviji radio-teleskop ikad (rezolucija 10 lučnih milisekundi)

66 velikih “tanjura”, svaki promjera 7-12 m

moguće pomicanje - najveća udaljenost 2 tanjura: 20 km!

LOFAR

LOFAR - LOw Frequency Array

Nizozemska, Njemačka, Francuska, Velika Britanija, ..., Hrvatska?

“najbolji u svijetu” u području 10-250 MHz

velik broj (10000?) relativno jeftinih dipolnih antena

Neutrinska astronomija

F.Reines, C.Cowan – prva direktna detekcija neutrina 1956. (Reines – Nobelova nagrada 1995.)

rani neutrinski detektori – “astronomski” problemi

kasne „60-te: R.Davis, J.N.Bachall et al., eksperiment “Homestake” – detektirano tri puta manje neutrina od predviđanja standardnog modela Sunca

GALLEX, LSND, IMB, Kamiokande, SAGE, ... – uvijek premalo neutrina

PROBLEM SUNČEVIH NEUTRINA

(Davis & M.Koshiba – Nobelova nagrada 2002)

rješenje: neutrinske oscilacije (Super-Kamiokande i SNO)

SN1987A – uz Sunce do danas jedini potvrđeni astronomski izvor neutrina

Kamiokande i Superkamiokande

Skora budućnost: NEMO, KM3NeT, ?

Gama-astronomija

atmosfera posve zaustavlja primarnu gama-zraku!

Gama-astronomija na površini Zemlje

fotoni energije veće od 30 GeV-a

detektiraju se posredno preko pljuska sekundarnih čestica koji stvaraju u atmosferi

Gama-astronomija na površini Zemlje

Teleskop Hess

HESS – High Energy Stereoscopic System

Namibija, od 2002. godine

Čerenkovljev atmosferski teleskop (engl. Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope, IACT)

detekcija Čerenkovljeve svjetlosti koja nastaje pri prolasku sekundarnih visokoenergijskih čestica nastalih upadom primarnog “kozmičkog” fotona

prvi prostorno razlučen izvor vrlo visokog gama-zračenja

zajedno s HEGRA-om, “prototip” na iskustvu kojeg su se dizajnirali slični moderni detektori: MAGIC, VERITAS, CANGOROO, ...

Teleskop MAGIC

MAGIC – Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherekov Telescope

Kanari, 2004. godina (od 2009. i MAGIC2)

50 GeV – 30 TeV

17 m zrcala – trenutačno najveći IACT

Hrvatska član kolaboracije (IRB, Rijeka, Split)

Kozmičke zrake

Kozmičke zrake

Opservatorij Pierre Auger

Patagonija, Argentina

proučavanje kozmičkih zraka najvećih energija (≥1020 eV)

1 događaj na godinu po kvadratnom kilometru!

pokriveno 3000 km2, s 1600 stanica

svaka stanica: velika cisterna vode u kojoj nastaje i detektira se Čerenkovljevo zračenje

rekonstrukcija energija i smjera upadne čestice

+ 4 detektora flourescencije u atmosferi

1438 deployed

1400 filled

1364 taking data

090707 ~ 85%

All 4 fluorescence

buildings complete,

each with 6 telescopes

1st 4-fold on 20 May 2007

AIM: 1600 tanks

HYBRID DETECTOR

Pierre Auger South Observatory 3000 km2

The Auger Observatory

prvi rezultati:

postoji korelacija između vrlo energetskih kozmičkih zraka i AGN-ova

za sada rezultat pod velikim upitnikom jer je baziran na detekciji 27 događaja

plan: napraviti sličan niz detektora na sjevernoj polutci (Colorado?), još većih dimenzija (veći od Slovenije!)

Auger Highest-energy Sky Map

The Pierre Auger Collaboration

Uređaji u orbiti oko Zemlje

NASA: projekt “Velikih opservatorija” (engl. Great Observatories)

niz svemirskih teleskopa koji rade na raznim em-frekvencijama

1. Hubble Space Telescope (1990.)

2. Compton Gamma-Ray Telescope (1991.)

3. Chandra X-Ray Telescope (1999.)

4. Spitzer Infrared Telescope (2003.)

• uz ove, NASA lansirala i SWIFT, te RXTE

• ESA; XXMM-Newton, INTEGRAL

• Kanada: MOST

• Japan: Akari

Hubble Space Telescope

niska orbita: 600 km

velika greška na optici ispravljena 1993.

snimio preko milijun fotografija

2.4-metarski reflektor s 3 kamere, 2 spektrografa, ...

Compton + GLAST (Gamma-ray Large Area Space T.)

lansiran 1991.

najteži (17 t) instrument ikada prenesen u svemir pomoću Space Shuttlea

pokriva područje od 30 keV-a do 30 GeV-a

prestao s radom 2000.

njegov nasljednik: GLAST (5 keV-a do 300 GeV-a), lansiran 2008.

Adva

nced

Com

pto

n Telesc

ope

Gama-detekcija

Gama-detekcija

Isotope Mean Lifetime

Decay Chain -Ray Energy (keV)

7Be 77 d 7Be 7Li* 478

56Ni 111 d 56Ni 56Co* 56Fe*+e+ 158, 812; 847, 1238

57Ni 390 d 57Co 57Fe* 122

22Na 3.8 y 22Na 22Ne* + e+ 1275

44Ti 89 y 44Ti44Sc*44Ca*+e+ 78, 68; 1157

26Al 1.04 106y 26Al 26Mg* + e+ 1809

60Fe 2.0 106y 60Fe 60Co* 60Ni* 59, 1173, 1332

e+ …. 105y e++e- Ps .. 511, <511

All-sky map; Richardson-Lucy, Smoothed Knödlseder et al. 2004

anihilacija pozitrona

(511 keV)

An interesting case (and my favorite nucleus) - 26Al

(check out Roland Diehl’s web page)

Chandra X-ray observatory

ime po Subrahmanyanu Chandrasekharu

0.09 – 10 keV

visoka i ekscentrična orbita – dio vremena sasvim izvan Zemljinog radijacijskog pojasa

rezolucija 25 puta bolja od bilo kojeg prethodnog detektora

niz vrlo značajnih otkrića:

kompaktan objekt na mjestu SN Cassiopeia A

supermasivna crna jama u središtu naše galaksije

uočene istovremene provale X- i gama-zračenja

uočeni objekti gušći od pulsara!?

...

“konkurencija”: Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE)

Spitzer Space Telescope

u orbiti od 2003.

infracrveno zračenje (3 do 180 mm)

teleskop veličine 0.8 m

rezultati:

detekcija najmlađih zvijezda

preciznije mjerenje geometrije naše galaksije

direktno opažanje ekstrasolarnih planeta

otkriće novog Saturnovog prstena

...

SWIFT (Gamma-Ray Burst Mission)

NASA – europska kolaboracija

cilj: detekcija i brzo lociranje provala gama-zračenja

ima detektore za gama-, X- i UV-zračenje, te telescope (Burst Alert Telescope) koji pokriva veliki komad neba (1 sr) i u stanju je unutar 15 sekundi locirati provalu gama-zračenja

Nobelova nagrada 2011.

Adam Riess, Saul Perlmutter, Brian Schmidt

"for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations

of distant supernovae"

Nobelova nagrada 2011.

Adam Riess, Saul Perlmutter, Brian Schmidt

"for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations

of distant supernovae"

Nobelova nagrada 2011.

2. Uvod: astrofizika

Astronomska lokacija Nuklearni procesi

Nove, supernove,

X-ray provale

AGB-zvijezde,

supernovae tipa 2,

Neutronske zvijezde

Crveni divovi, asimptotska

grana

Veliki prasak (prvobitna

nukleosinteza)

Gorenje vodika

ciklus proton-proton, CNO-ciklus,

ciklus Ne-Na, ciklus Mg-Al

Eksplozivni procesi

Vrući CNO-ciklus

Procesi brzog uhvata protona (rp-procesi)

Nukleosinteza elemenata težih od željeza

Spor uhvat neutrona (s-proces)

Brz uhvat neutrona (r-proces)

Fotodisintegracija, protonski procesi

Gorenje helija

3a-proces, 12C(a,)16O

Druge (a,) i (a,n) reakcije

Reakcije među najlakšim izotopima

p, d, He, Be, Li

Gorenje težih elemenata

Reakcije s C, O, N, Ne, Si…

Super divovi

Wolf-Rayetove zvijezde

Pre-supernove

Glavni niz

Basis of the modern nuclear astrophysics “Mapa” nuklearne astrofizike

neutrons

protons

masa poznata

poluživot poznat posve nepoznato

s-procesi

“mirno gorenje”

Big Bang

p-procesi

Supernovae

kozmičko zračenje H(1)

Fe (26)

Sn (50)

Pb (82)

neutrons

protons

X-ray burst (RXTE)

331

330

329

328

327 10 15 20

Time (s)

4U1728-34

10 20 30 Wavelength (A)

V382 Vel Ne

Nova (Chandra)

E0102-72.3

Supernova (HST)

Zvijezde hala bez metala (Keck, HST)

n-zvijezda (Chandra)

masa poznata

poluživot poznat posve nepoznato

Zvijezde – kako ih proučavamo?

Informacije o:

površinskoj temperaturi, kemijskom sastavu, stupnju ionizacije, tlaku i gustoći plina, relativnim brzinama, rotaciji ili ekspanziji, magnetskim poljima…

Kontinuiran spektar s tamnim linijama

Kontinuiran spektar

Spektra svijetlih linija

Oblak plina

Izvor kontinuiranog spektra elektomag.

zračenja

Zvijezde

Opća svojstva:

mase: 0.075 – 150 Sunčevih (M0)

polumjeri: 0.0001 – 1900 Sunčevih (R0)

površinske temperature: 3000 – 100000 K

kemijski sastav: raznolik!

magnetska polja: 5 - 1014 Gaussa (1 Gauss = 10-4 T)

rotacija zvijezda (npr. pulsari)

...

više zvijezda manjih od Sunca

svojstva vrlo različita, ali ipak postoje jednostavne relacije među njima

→ Hertzsprung-Russel (HR) Diagram

Zvijezde

Hertzsprung-Russel (HR) dijagram

Hertzsprung-Russel (HR) Diagram

Temperatura [K]

Lum

inoz

itet

GLAVNI NIZ

BIJELI PATULJCI

DIVOVI

SUPERDIVOVI

SUNCE

95% svih zvijezda se nalaze na glavnom nizu

svojstva zvijezda na glavnom nizu:

M ~ 0.5 - 40 Mo

R ~ 0.8 - 13 Ro

L ~ 0.08 - 4x105 Lo

T ~ 3500 - 40000 To

Zvijezde: relacija mase i luminoziteta

Luminozitet:

masa i luminozitet zvijezda na glavnom nizu nisu proizvoljni, već vrijedi:

veća masa → veća temperatura u unutrašnjosti → “brže” nuklearne reakcije → veća energija se stvara i isijava

npr. zvijezda mase 10 Sunčevih “živi” preko 1000 puta kraće!

L ~ M4

Veliki prasak:

H, He, Li Nastanak zvijezda gravitacijskim sažimanjem

međuzvjezdanog materijala

Međuzvjezdani

plin

Li, Be, B

Zvijezde Kozmičke

zrake

bijeli patuljci

neutronske zvijezde

crne jame

Materijal obogaćen

“metalima”

Supernovae …

Nuklearne reakcije:

produkcija energije

stabilnost vs. kolaps

sinteza “metala”

posuđeno od A. Coc