Astronomia i astroﬁzyka na orbicie

(1)

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

(2)

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.

(3)

Podbój kosmosu

(4)

Podbój kosmosu

(5)

Część I

Tryb badań: EKSPLORACJA

(6)

Eksploracja kosmosu

Najważniejsze misje/sondy eksplorujące Układ Słoneczny sondy kosmiczne

1 Voyager 1/2, Pioneer (badania planet-olbrzymów: Jowisz, Saturn, Uran, Neptun; sondy opuściły nasz układ planetarny !)

2 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 łaziki marsjańskie (2/3 nieudanych misji! - zapamiętajmy tą informację)

2 Huyghens (lądownik na Tytanie)

3 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

(7)

Eksploracja kosmosu

lądowniki

1 program Apollo (lądowanie człowieka na Księżycu)

wciąż mówi się o wyprawie załogowej na Marsa i powrocie na Księżyc. . .

(8)

Eksploracja kosmosu

lądowniki

(9)

Eksploracja kosmosu

lądowniki

(10)

Eksploracja kosmosu

lądowniki

(11)

Eksploracja kosmosu

lądowniki

(12)

Eksploracja kosmosu

lądowniki

(13)

Eksploracja kosmosu

lądowniki

(14)

Eksploracja kosmosu

lądowniki

(15)

Efekty specjalne?

(16)

Efekty specjalne?

(17)

Efekty specjalne?

(18)

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 . . .

(19)

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 !

(20)

Gdzie szukać?

badanie oceanów Europy powrót na Tytana (Enceladusa) dalsza eksploracja Marsa

Wspólnym mianownikiem tych projektów jest poszukiwanie życia pozaziemskiego w Układzie Słonecznym!

(21)

Europa Ocean Explorer (Icepick), Europa Lander

(22)

(23)

(24)

(25)

Część II

Tryb badań: OBSERWACJA

(26)

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.

(27)

Podstawowe wady to koszt wyniesienia na orbitę (wliczając ryzyko całkowitego zniszczenia sprzętu) oraz naprawy (przypadek HST).

(28)

(29)

Optymalna lokalizacja teleskopu?

S. Bajtlik, Postępy Fizyki, (podsumowanie Roku Astronomii w Polsce)

(30)

Dygresja . . .

2 listopada upłynęło 10 lat ciągłej obecności ludzi na Międzynarodowej

(31)

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

(32)

Przezroczystość atmosfery ziemskiej

(33)

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 . . .

(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

Spitzer Space Telescope

(35)

Astronomia „multi-wavelength”

Przykład: galaktyka M82 (IR, X, widzialne)

Astronomia orbitalna dostar- cza fotografii nieba we wszystkich długościach fal w zdu- miewającej jakości i rozdziel- czości. Dotyczy to szczegól- nie promieniowania rentge- nowskiego (X), a konstrukcja teleskopu operującego dla tak krótkich fal elektromagnetycz- nych to temat na osobny, fa- scynujący referat!

(36)

Astronomia orbitalna dostar- cza fotografii nieba we wszystkich długościach fal w zdu- miewającej jakości i rozdziel- czości. Dotyczy to szczegól- nie promieniowania rentge- nowskiego (X), a konstrukcja teleskopu operującego dla tak krótkich fal elektromagnetycz- nych to temat na osobny, fa-

(37)

Astronomia orbitalna dostar- cza fotografii nieba we wszystkich długościach fal w zdu- miewającej jakości i rozdziel- czości. Dotyczy to szczegól- nie promieniowania rentge- nowskiego (X), a konstrukcja teleskopu operującego dla tak krótkich fal elektromagnetycz- nych to temat na osobny, fa- scynujący referat!

(38)

Przykład: emisja X w Galaktyce

Astronomia rentgenowska wy- sokiej rozdzielczości wykazała, że nie istnieje rozciągła emisja X w galaktyce: są to po prostu pojedyncze obiekty, co (na krótko zapewne) zmartwi- ło entuzjastów „nowej fizyki”.

(39)

Część III

Tryb badań: EKSPERYMENT

(40)

Anomalia Pioneer-a

(41)

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)

(42)

Anomalia Pioneer-a

Proponowany eksperyment

(43)

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

(44)

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

(45)

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)

(46)

(47)

(48)

(49)

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

(50)

QUANTUS-II

(51)

QUANTUS-II

(52)

QUANTUS-II

(53)

QUANTUS-II

(54)

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

(55)

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

(56)

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.

(57)

KONIEC

Dodatkowe slajdy

(58)

(59)

(60)

Idea eksperymentów BE

(61)

LATOR

(62)

ISLES

(63)

Zegary Atomowe

(64)

Przykłady (filmy: kula z powietrzem)

Animacje

(65)

Locomotion