put kroz mikro kosmos (tajne kosmičkog zračenja)

Dr Tijana ProdanovićPMF Novi Sad

Petnica, 2. Jul 2009. 1Tijana Prodanović - [email protected]

Put kroz mikro KosmosPut kroz mikro Kosmos(Tajne kosmičkog zračenja)(Tajne kosmičkog zračenja)

Veliki-mali Svemir

• Veliki stanovnici– galaksije, zvezde ...– Astronomi, astrofizičari

• Mali stanovnici– čestice u Svemiru čestice u Svemiru – “Who are you gonna call?!” • astrofizičar+nuklearni fizičar+kosmolog = Astročestičar!

Petnica, 2. Jul 2009. Tijana Prodanović - [email protected] 2

Kosmičko zračenje

• Nije SF• Nije “pravo” zračenje kao svetlost• Brze (~ Brze (~ cc), naelektrisane čestice ), naelektrisane čestice

koje ispunjavaju svemir– protoni (H), jezgra težih elemenata

(na pr. He-alfa čestice), elektroni– (nekada i gama zračenje i neutrini)– kao “svemirska kiša”


Čestice u Svemiru – pa šta!?


• Odakle dolaze?• Šta to znači? Kakav proces u svemiru

ih stvara?• Energije veće od bilo čega na Zemlji!– Svemir je najmoćniji akcelerator za

siromahe!• Poreklo hemijskih elemenata• Mutacije?• Kompjuterska industrija – sve manji

delovi, sve više štete od kosmičkog zračenja

Šta to zrači?• Elektroskop– metalna šipka + (zlatna) folija– naelektrisan – folija odmaknuta od šipke– kad se razelektriše – folija se spoji sa

šipkom• nešto jonizuje vazduh unutar elektroskopa

(elektroni se odvoje iz atoma)• nastali joni u vazduhu unutra se lepe za foliju –

razelektrišu je• elektroskop se “prazni”

• Ali i savršeno izolovan elektroskop se prazni!? Nešto uvek jonizuje vazduh!


Otkriće!• Victor Hess 1912.– Balon i elektroskop– potraga za jonizujućim zračenjem

• opada sa visinom – potiče od prirodne radioaktivnosti

• raste sa visinom na 1.5 km iznad površini i više!

• slično i noću i danju – nije od Sunca• Svemir nas bombarduje jonizujućim

zračenjem?!• Millikan 1925. daje naziv kosmičko

zračenje– još nije bilo poznato dal su zraci il

česticePetnica, 2. Jul 2009. Tijana Prodanović - [email protected] 6

Sastav kosmičkog zračenja

• Sastav – sličan međuzvezdanoj sredini– protoni (H) – 86%– alfa čestice (He) – 11%– teža jezgra (do uranijuma) – 1%– elektroni – 2%– ostalo (pozitroni itd.) < 1%

• Li, Be i B su milion puta zastupljeniji!Petnica, 2. Jul 2009. Tijana Prodanović - [email protected] 7

Sastav kosmičkog zračenja

• Podela kosmičkog zračenja– primarno – nastalo na

“izvoru”– sekundarno – nastalo

u letu interakcijom primarnog KZ – spalacione reakcije

• Li, Be i B nastali od kosmičkog zračenja u letu!


Gde se nalazi kosmičko zračenje?

• Svuda u galaksiji i van galaksije!• Tradicionalno kažemo galaktičko

kosmičko zračenje (mada baš nije uvek tako)

• Ispunjava prostor i šeta na sve strane– svetlost (u glavnom) ide pravo – znate

gde je izvor– kosmičko zračenje krivuda

• naelektrisano + (galaktičko) magnetno polje = krivudanje

• ne znamo gde je izvorPetnica, 2. Jul 2009. Tijana Prodanović - [email protected] 9

Kako znamo da su svuda?

• Kosmički zraci bombarduju međuzvezdanu sredinu (MZS)

• Nastaje gama zračenje

• MZS najgušća u disku – najjače gama zračenjePetnica, 2. Jul 2009. Tijana Prodanović - [email protected] 10

2 raspada sepion a 00 HpHp kzKZ

Setimo se: energija i fluks• (Astro)čestičari koriste “posebne” jedinice za energiju• Umesto Dzul (J) koristi se elektron volt (eV)– 1 eV = 1 elektron volt = 1.6 x 10-19 J– energija koju dobije elektron kada se ubrza u polju

potencijalne razlike (napona) 1 V• Energije velike te se koristi

– GeV (giga eV)= 109 eV – TeV (tera eV)= 1012 eV, – PeV (peta eV)= 1015 eV – EeV (eta eV)= 1018 eV

• Fluks = broj čestica/energiji/jed. površini/sekundi/prostornom uglu


Spektar kosmičkog zračenja• Kosmičko zračenje

zahvata 12 redova veličine energija!

• Ali fluks čestice naglo opada kao stepeni zakon!– broj čestica po energiji


(nagib) indeks spektralni -

AEdE

dN

Spektar kosmičkog zračenja• Spektar nije idealan– koleno na – članak na

• Spektar– do kolena

– od kolena do članka

– posle članka


75.2 EdEdN

eV 10~ 15E

eV 10~ 19E

21 je gde EdEdN

1.3 EdEdN

Kosmička kiša na zemlji

• Kosmičko zračenje u atmosferi• Pljusak čestica (nastaje sekundarno KZ)• Samo sekundarno KZ stigne do površine– najviše mioni (stariji brat elektrona)


Jel to ptica? Jel to avion?Ne! To je kosmički mion!


Solarno kosmičko zračenje• Sunčeve baklje, nekada i koronarne

eksplozije• KZ energija nekoliko stotina MeV

(mnogo slabije od galaktičkog kosmičkog zračenja)

• Sunčev vetar – manja energija• Sastav sličan galaktičkom

kosmičkom zračenju• Forbušov efekat – porast solarnog KZ smanjuje fluks galaktičkog KZ


http://sohowww.nascom.nasa.gov/home.html

17

Polarna svetlost• Još jedan fenomen čestica u

svemiru• Ogromni mehuri gasa izbačeni

sa Sunca• Solarno kosmičko zračenje i

solarni vetar– sliva se na polove– “sudara” sa vazduhom– polarna svetlost (aurora borealis)– ometanje satelita

• Svemirska prognozahttp://spaceweather.com/

http://spaceweather.com/

Poreklo kosmičkog zračenja• Galaktičko kosmičko zračenje• Šta ima toliku energiju?!• Supernove!

– Česte (1/100 god) i energične (kin. E. 1051erg=1044J=1053eV)– 10% energije ode na kosmičko zračenje (no problemo!)


“Svemir je akcelerator siromaha” Zel’dovich


Petnica, 2. Jul 2009.

Ubrzanje čestica• Sastojci

– naelektrisane čestice– udarni talas – kao probijanje

zvučnog zida– magnetno polje

• Ubrzavanje u udarnom talasu bez (direktnih) sudara!

• Gde god ima udarni talas + magnetno polje čestice se ubrzavaju– na pr. na Suncu

Tijana Prodanović - [email protected] 20

Petnica, 2. Jul 2009.

Dodatno ubrzanje• Fermijev mehanizam ubrzanja I

reda u udarnim talasima – supernova – udarni talas –

remeti mag. polje– čestica sredine uzme deo

kinetičke energije kad prodje udarni talas

– čestica se odbija o nepravilno magnetno polje – “random walk”

– čestica biva vraćena kroz udarni talas ... pa jovo nanovo

Tijana Prodanović - [email protected] 21

Ubrzanje ima granicu...• Zavisi od magnetnog polja– naelektrisane čestice su zarobljene u mag. polju• dok je tzv. giro-radijus čestice < veličine regiona

– ali sa dovoljnom energijom mogu da se oslobode• ubrzane čestice beže daleko od udarnog talasa i čak iz

Galaksije!


LBZeE max

Ze – naelektrisanje česticeB – magnetna indukcijaL – veličina regiona ubrzanja

Nedovoljno ubrzanje• Za supernove i Gal. mag. polje max energija je oko

1015 eV za protone, pa do oko 1017 za gvožđe• Al šta dalje? Šta daje “članak”?


?

Ultra high energy cosmic rays (UHECR)

• Kosmičko zračenje najvećih energija (LHC no problemo!)

• Ekstremna energija • Kao kada Nole servira!– m=57g , v=188 km/h• Ali ne bi bolelo • impuls! (ko će srušiti zid? Metak – brz a mali, ili tenk – velik a spor?)

• impuls kosmičkog zračenja 10000 puta manji od impulsa puža!

• U ostalom oni ni ne dopru do vaše glavePetnica, 2. Jul 2009. Tijana Prodanović - [email protected] 24

J 782

1 2 mvEserva

J 16eV 10~ 20

UHECR poreklo?• Šta je dovoljno energično a ne tako često ko supernove?• Nešto Egzotično!

– Džetovi aktivnih galaktičkih jezgara– Gama bljeskovi (kolaps zvezde u crnu rupu, ili sudar neutronskih

zvezda)– jako “namagnetisane” rotirajuće neutronske zvezde– brzo-rotirajuće crne rupe– iz procesa u doba Velikog Praska


Ali...GZK granica• Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) efekat– svemir neprozračan za velike energije– kosmičko zračenje se “sudara” sa fotonima kosmičkog

pozadinskog zračenja (CMB) - nastaju pioni

– izuzetno efikasno – svo kosmičko zračenje se “brzo” potroši!– minimalna energija 3x1019 eV– GZK granica na 3x1020 eV


0' KZCMBKZ pp

GZK granica

Šta znači GZK granica?• Što dalje putuje (duže “živi”) super-energičan

kosmički zrak to je veća verovatnoća da će se on potrošiti (na pravljenje piona)

• Tj. nakon 50 Mpc svo UHECR treba da bude potrošeno! Znači– ako ih vidimo – dolaze sa manje daljine– ako ih ne vidimo – potiču sa veće daljine

• Velika energija – ne skreću u mag. polju – znamo pravac!


Misterija ili greška?


“Agasa” ne vidi GZK:-ili su UHECR blizu -ili nova fizika

Ali ne vidimo neki poseban pravac –nisu blizu

“HiRes” vidi GZK:-UHECR daleko -fizika ok

Piere AUGER to the rescue!


2007.GZK granica potvrđena!

UHECR mapirani!

Detektovano kosmičko zračenje sa energ. (obližnja) Aktivna galaktička jezgra 75d Mpc

Super- galaktička ravan

Galaktička longituda

Galaktičkaravan

eVE 18105

Poklapanje položaja AGJ sa kosmičkim zračenjem najvećih energija!

UHECR potiču od aktivnih galaktičkih jezgara!

8.Nov. 2007.

I zapamtite...Mali svemir – velika muka – veći nauk • Kosmičko zračenje – naelektrisane čestice velikih

energija• Ispunjava svemir• Potiče od– ostataka supernovih – galaktičko kosmičko zračenje– sunca – bljeskovi i koronarne eksplozije– UHECR – najveće energije – aktivna galaktička jezgra

• Bitno za – proizvodnju nekih elemenata (Li)– čestičnu i nuklearnu fiziku– genetiku– astroifiziku eksptremnih sredina i procesa


Hvala!

Pitanja?


UHECR• Velika energija ~1020 eV =16 J• Kao kada Nole servira!– m=57g , v=188 km/h• Ali ne bi bolelo – impuls kosmičkog zraka je mali (ko će srušiti zid? Metak – brz a mali, ili tenk – velik a

spor?)

– UHECR

– m=10g, v=0.013 m/s

• U ostalom oni ni ne dopru do vaše glavePetnica, 2. Jul 2009. Tijana Prodanović - [email protected] 33

skgmcmEc

pUHECR /1051 8422

skgmmvppuž /10 4

JmvEserva 782

1 2

put kroz mikro kosmos (tajne kosmičkog zračenja)

Documents