Astronomia i astrofizyka na orbicie

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

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. A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 2 / 34

Część I Tryb badań: EKSPLORACJA A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 3 / 34

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 1 program Apollo (lądowanie człowieka na Księżycu) wciąż mówi się o wyprawie załogowej na Marsa i powrocie na Księżyc... A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 4 / 34

Efekty specjalne? A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 5 / 34

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... A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 5 / 34

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! A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 6 / 34

Najbardziej ekscytujące przyszłe projekty Gdzie szukać? badanie oceanów Europy powrót na Tytana (Enceladusa) dalsza eksploracja Marsa Wspólnym mianownikiem tych projektów jest poszukiwanie życia pozaziemskiego w Układzie Słonecznym! A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 6 / 34

Najbardziej ekscytujące przyszłe projekty Europa Ocean Explorer (Icepick), Europa Lander A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 6 / 34

Część II Tryb badań: OBSERWACJA A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 7 / 34

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. Podstawowe wady to koszt wyniesienia na orbitę (wliczając ryzyko całkowitego zniszczenia sprzętu) oraz naprawy (przypadek HST). A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 8 / 34

Optymalna lokalizacja teleskopu? S. Bajtlik, Postępy Fizyki, (podsumowanie Roku Astronomii w Polsce) A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 9 / 34

Dygresja... 2 listopada upłynęło 10 lat ciągłej obecności ludzi na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej! Wykonano ponad 600 eksperymentów torując drogę do nowych odkryć i technologii. (APOD, dzisiaj) A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 10 / 34

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 A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 11 / 34

Przezroczystość atmosfery ziemskiej A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 12 / 34

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... A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 13 / 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 A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 14 / 34

Astronomia multi-wavelength Przykład: galaktyka M82 (IR, X, widzialne) Astronomia orbitalna dostarcza fotografii nieba we wszystkich długościach fal w zdumiewającej jakości i rozdzielczości. Dotyczy to szczególnie promieniowania rentgenowskiego (X), a konstrukcja teleskopu operującego dla tak krótkich fal elektromagnetycznych to temat na osobny, fascynujący referat! A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 15 / 34

Astronomia multi-wavelength Przykład: emisja X w Galaktyce Astronomia rentgenowska wysokiej rozdzielczości wykazała, że nie istnieje rozciągła emisja X w galaktyce: są to po prostu pojedyncze obiekty, co (na krótko zapewne) zmartwiło entuzjastów nowej fizyki. A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 16 / 34

Część III Tryb badań: EKSPERYMENT A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 17 / 34

Anomalia Pioneer-a A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 18 / 34

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) A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 18 / 34

Anomalia Pioneer-a Proponowany eksperyment A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 18 / 34

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 A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 19 / 34

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 splątanie kwantowe, zimne atomy (kondensaty Bosego-Einsteina) pomiary cząstek promieniowania kosmicznego i gamma (de facto są to teleskopy wykorzystujące metody fizyki jądrowej) A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 20 / 34

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) A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 21 / 34

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 r BEC 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 A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 22 / 34

QUANTUS-II A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 23 / 34

Inne eksperymenty o kosmicznych aspiracjach grawitacyjne: LATOR (ugięcie światła, 2 sondy + ISS), LISA (fale grawitacyjne), BepiColombo (peryhelium Merkurego), LLR (nowe reflektory na Księżycu), ISLES ( 1 ), STEP, POEM, GGG (zasada równoważności), r 2 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? A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 24 / 34

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 A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 25 / 34

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. A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 26 / 34

KONIEC Dodatkowe slajdy A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 27 / 34

A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 28 / 34

Idea eksperymentów BE A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 29 / 34

LATOR A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 30 / 34

ISLES http://www.ligo.caltech.edu/ veronica/cajagwr/info/general/paik01.pdf A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 31 / 34

Zegary Atomowe A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 32 / 34

Przykłady (filmy: kula z powietrzem) Animacje A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 33 / 34

Locomotion A. Odrzywołek (IFUJ, ZTWiA) Astronomia na orbicie Piatek, 5.11.2010, 17:00 34 / 34