Zaczynamy od supernowych, poniewa»: LAT BEZ SUPERNOWEJ!

Transkrypt

1 1 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek PERSPEKTYWY ASTROFIZYKI Prywatny punkt widzenia... Zaczynamy od supernowych, poniewa»: POTRZEBNE WSZYSKIE DZIAŁY FIZYKI SYMULACJE KOMPUTEROWE (SCIDAC) PUNKT PRZECIECIA WIELU GAŁEZI ASTROFIZYKI ROZBŁYSKI GAMMA (GRB) TO PRAWDOPODOBNIE TEŻ SUPERNOWE NIE TYLKO NAUKOWCY SA NIMI ZAINTERESOWANI, NP. IAEA (!) GALAKTYCZNA SUPRNOVA DOSTARCZY OGROMNY POTOK DANYCH MINEŁA (8 X) PIEKNA ROCZNICA LAT BEZ SUPERNOWEJ!

2 2 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek J. Kepler De Stella nova in pede Serpentarii ( Nowa gwiazda u stóp Wężownika )

3 3 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek Captain s log, stardate : Zgodnie ze wcześniejszymi rozkazami Dowództwa Gwiezdnej Floty (...) ostatecznie dotarliśmy do punktu zwrotnego w pobliżu byłej V843 Oph, obecnie 3C358.

4 4 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek

5 5 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek

6 6 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek

7 7 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek

8 8 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek Typ Ia Ib Ic IIb II-L(P) Definicja Brak linii wodoru Silne linie wodoru Występowanie Wszystkie typy galaktyk Ramiona spiralne, rejony powstawania gwiazd Częstość wzgl. W Galaktyce Jasność absolutna 30%± 9% 1/200 lat -20 m jednorodna 11%± 6% 1/500 lat -17 m m (-19.5 m ) 59%± 28% 1/100 lat -16 m m (-20 m ) Widmo w maksimum Absorbcja Si II na λ6355 Brak lub b. słabe Si II Silna linia Hα Późne widmo (kilka mieś. po maks.) Pozostałość mgławicowa emisja [FeII]+[FeIII] Shell (Balmer-dominated) Wzbroniona emisja [OI] + [CaII] Shell (Oxygen-rich) Plerion (Crab-like) Pozostałość zwarta Brak Gwiazda neutronowa lub czarna dziura Progenitor Podstawowe źródło energii Akreujący biały karzeł w układzie podwójnym Masywna gwiazda obdarta z H/He Rozpad 56 Ni 6 dni 56 Co 77 dni 56 Fe Źródło energii wybuchu Synteza C/O Fe Strumień neutrin Mechanizm fizyczny Wybuch termoj drowy Kolaps rdzenia Masywna gwiazda

9 9 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek KLASYFIKACJA SUPERNOWYCH

10 10 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek,,Termoj drowe'' thermonuclear Typ: Ia PROGENITOR: biaªy karzeª ŹRÓDŁO ENERGII: synteza C/O,,Fe'' PRZYCZYNA EKSPLOZJI: samozapªon, impuls zewn trzny CZAS SYNTEZY: 3 sekundy DOSTEPNA ENERGIA: erg 0.001Mc 2 ZNACZENIE: ±wiece standardowe, kosmologia DWIE KLASY SUPERNOWYCH,,Implozyjne'' core-collapse Typ: Ib/c IIb II-L II-P IIn PROGENITOR: masywna gwiazda (M>8-9 M ) ŹRÓDŁO ENERGII: potencjaª grawitacyjny PRZYCZYNA EKSPLOZJI: utrata stabilno±ci grawitacyjnej CZAS KOLAPSU: 0.1 sekundy DOSTEPNA ENERGIA: erg 0.1Mc 2 ZNACZENIE: obserwacje neutrinowe, fale grawitacyjne

11 11 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek SUPERNOWA Typ: Ia Nr.katalogowy: SN1994D Galaktyka: NGC 4526 Miejsce wybuchu: Halo Jasno± absolutna: -19 m

12 12 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek

13 13 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek

14 14 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek SUPERNOWA Ia i KOSMOLOGIA Czynnik skali Czas R(η) = 1 cos η, t(η) = η sin η 3 36 R(t) = t 2/3 2 R(η) = cosh η 1, t(η) = sinh η η T < 2 3H, 2 3H T < 1 H Czas R(t) = sinh T c = 2 3Λ =10.7 mld lat ( 3Λ 2 t ) 2/3 T p = ln(2+ 3) 3Λ =7 mld lat T = 2 3H artgh Ω Λ / Ω Λ = 13.7 mld lat

15 15 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek Nowa fundamentalna staªa przyrody Λ,,Antygrawitacja'' istnieje Skªad Wszech±wiata: Ciemna energia Λ: 73% Ciemna materia: 23% Ciemna materia barionowa: 4% Znana materia barionowa (My): <1% W przyszªo±ci Wszech±wiat b dzie si rozszerzaª wykªadniczo: R(t) exp H t H = Λ 3 - asymptotyczna warto± staªej Hubble'a Obecnie staªa Hubble'a wynosi H = 0.84H = 71 km/s/mpc Nowe procesy formowania struktur mo»liwe? Mechanizm,,pªugu ±nie»nego''

16 16 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek PROBLEMY TEORII SN IA Jasno± maksymalna: M B M V 19.8 ± log(h 0 /75) -Rozrzut: σ MB,V = 0.2 m m -Zależność Phillipsa: M B m 15 (B) Anomalie s znane: - Słabe (częste): SN 1991 bg M =-16.5 m - Silne (b. rzadkie): SN 1991 T M =-20.5 m Fundamentalne problemy teorii wybuchu -Model W7 (Nomoto) zgodny z obserwacjami -Nie jest to ani detonacja ani deflagracja -v l = km s < v W7 < c s = 10 4 km s Problemy z wyja±nieniem zale»no±ci,,szeroko± piku-maksimum'' - zapłon wielopunktowy? rotacja? inne?

17 17 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek MODELE SFERYCZNIE SYMETRYCZNE NIEWYSTARCZAJACE Rozważmy sferycznie symetryczna krowę o stałej gęstości

18 18 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek EKSPERCI W PRACY NAD ROZWIAZANIEM PROBLEMÓW S. E. Woosley: OTWARTE PYTANIA: Wpªyw rotacji - na zapªon - na wybuch

19 19 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek ZAPŁON WIELOPUNKTOWY

20 20 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek ROTACJA BIAŁEGO KARŁA Drastyczne zmiany struktury mo»liwe

21 21 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek TOROIDALNY ZAPŁON BIAŁEGO KARŁA Pierwsza poprawka: h 1 = h c w 4/3 (λr) Φ c (r) + C, p = K ρ 4/3 w centrum: w n (x) x2 + n 120 x4 +..., Φ c 1 2 Ω2 0 r h 1 (r) = h c + w tym przyli»eniu: ( Ω ) 3 πgρ c r Je»eli Ω 2 0 > 4 3 πgρ c to ρ c < ρ max! Gęstość zapłonu białego karła ρ c g/cm 3 daje Ω 0 25 rad/s. Heger & Langer 2000: Zapłon na rozmaitości o wymiarze: Ω 0 (Fe) > 30 rad/s Ω 0 (He) 10 3 rad/s 1 (torus) ZERO (punkty)

22 22 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek Czysta rotacja i prawdziwa rotacja

23 23 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek Czysta rotacja i prawdziwa rotacja v t + v v = 1 grad p + g, ρ v [ ] 1 grad p + ( v) v = 0, 2 r Ω ρ = r Ω(r, z) e φ Ω(r, z) z e φ = ( ) 1 ρ p

24 24 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek Dlaczego nie zaobserwowano supernowej?! Tylko pozagalaktyczne supernowe (w tym 1987A) Tylko Galaktyczne (gªównie) pozostaªo±ci 1. Supernowe wybuchaªy ale byªy niewidoczne. - Detektory neutrin wiekszosc czasu offline 2.,,Nieudane eksplozje'' 3. Ubogi rejon Galaktyki 4. Fluktuacja statystyczna -Pech? -Czy szczęście? 5. CZY MOŻEMY PRZEWIDZIEĆ WYBUCH SUPERNOWEJ?

25 25 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek EWOLUCJA GWIAZDY 25 M Spalanie M zapłonu ρ c [g/cm 3 ] Czas L/L L ν /L H 0.08M mln lat L He 0.7M tys. lat C 2M lat Ne 1.7M roku O 1.38M mies Si M Ch godz Shell Si godz ? Corecollapse M Ch s > 10 20

26 26 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek STRUKTURA PRE-SUPERNOWEJ II-P II-L IIb Ib Ic

27 27 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek GWIAZDA CHŁODZONA NEUTRINOWA versus SUPERNOWA IA Etapy spalania w fazie chªodzonej neutrinowo: 12 C ( 16 O ) 20 Ne, 24 Mg 20 Ne ( 16 O, 24 Mg ) 16 O, 24 Mg 16 O ( 24 Mg, 28 Si ) 28 Si 28 Si ( 32 S ) 56 Ni, 56 Fe, 54 Fe Masa j dra M, nieprzypadkowo jest bliska M Ch =1.44 M Energia pochodzi z przegrupowania j der Caªkowita energia jest rz du energii wybuchu supernowej Ia: E = 2M ( E w A ) [foe erg] Wzór Hoyle'a: E = M c 2 /1000 = 2.6 foe SN Ia energia wybuchu (3 s) Pre-SN neutrina (2 dni)

28 28 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek MASA CHANDRASEKHARA M Ch = 1.44 M (2 Y e ) 2 [1 + ( Se πy e ) 2 ] [ ( ) ] 1/3 12 α 11 Z 2/3 + p rad p mat Y e zawartość leptonów (elektronów) na barion (protony+neutrony) Dla typowych jąder ( 4 He, 12 C, 16 O) Y e = 0.5 S e entropia na elektron wyrażona w jednostkach stałej Boltzmana k B Miara wpływu temperatury α 1/137 stała struktury subtelnej Z średni ładunek jąder p rad, p mat ciśnienie promieniowania i materii

29 29 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek STRUMIEŃ NEUTRIN Z 1KPC Neutrina z anihilacji par w gwieździe pre-supernowej można potraktować na zasadzie luźnej analogii jako odpowiednik słonecznych neutrin pp. Należy się spodziewać, że widmo (neutrinowe) gwiazdy pre-supernowej jest w istocie bogatsze. Znaczn cz ± strumienia stanowi ν e.

30 30 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek GALAKTYKA SOMBRERO (M 104)

31 31 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek MODEL GALAKTYKI ( Model dysku: ρ N (R, Z) exp ) ( exp Bahcall & Soneira, ApJ 238 (1980) L17 (R 8) 3.5 Z 0.1 ), [kpc]

32 32 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek DETEKCJA ANTYNEUTRIN W WIELKIEJ SKALI Reakcja Reinesa-Cowana (odwrotny rozpad β): ν e + p n + e + KAMLAND (1 kt) BOREXINO (300 t) SNO (1+1.7 kt) SUPER KAMIOKANDE (32 kt) 1 event/kt H 2 O z 1 kpc dziennie HYPERK (0.54 Mt) UNO (0.44 Mt) GADZOOKS! (32 kt) Gigaton Array (1-16 Gt)

33 33 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek HARMONOGRAM GAZDZOOKS! 2004: U.S. DoE ADRP grant (M. Vagins, UCI) 2005: Testy K2K 1kt: Gd - filtrowanie, wpływ soli, osłabienie światła, : GADZOOKS! w pełnej skali 32kt Neutrina z pre-supernowej: 3σ z 2 kpc! Betelgeuse 130 pc WR kpc Eta Carina 2.7 kpc

34 34 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek MILITARNE ZNACZENIE ASTROFIZYKI NEUTRINOWEJ Neutrinos and Arms Control Workshop 5-7 February 2004, University of Hawaii Zdalne monitorowanie reaktorów j drowych Wykrywanie nielegalnych reaktorów j drowych Wykrywanie ukrytych prób j drowych ledzenie atomowych ªodzi podwodnych Georeaktor i,,tomografia'' Ziemi Przewidywanie wybuchów supernowych Neutrino SETI

35 35 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek

36 36 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek GIGATON ARRAY Balony (R=134 metry, 10 Mt) pokryte fotopowielaczami Ustawione na dnie oceanu na gª boko±ci ponad 4 km Wypeªnione 40 KCl roztworem Zakotwiczone na linach (J. G. Learned, Univ. Hawaii, Neutrino 2004)

37 37 z 37 Perspektywy astrofizyki A. Odrzywoªek SIEĆ OGÓLNOŚWIATOWA 1596 detektorów 10 Mt