Niewidzialny Wszechwiat podczerwie zakres submilimetrowy i mikrofale Ryszard

„Niewidzialny” Wszechświat: podczerwień, zakres submilimetrowy i mikrofale. Ryszard Szczerba Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika, Toruń CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 1

CAMK TORUN O CZYM BĘDĘ MÓWIŁ? • CAMK w Toruniu. • Co to jest podczerwień, zakres submilimetrowy i czym są mikrofale? • Dlaczego, jakie obiekty i skąd warto obserwować w tych długościach fal? • Obrazy różnorodnych obiektów Wszechświata w różnych długościach fal. • Projekty satelitarne: (SWAS, SIRTF, SOFIA, ASTRO_F, HSO, PLANCK) do badania Kosmosu w zakresie od podczerwieni do mikrofal. • HSO - Herschel Space Observatory (udział Polski w budowie instrumentu heterodynowego). CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 2

POLSKA CAMK TORUŃ CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 3

TORUŃ CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 4

TORUŃ CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 5

CAMK TORUŃ CAMK 27 X 2003 Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika w Toruniu Ryszard Szczerba 6

Jednostki długości i częstotliwości fal elektromagnetycznych l[cm] * n[Hz]=c CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 7

promieniowanie elektromagnetyczne CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 8

Zakres promieniowania elektromagnetycznego dostępny dla naszego oka. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 9

Nieprzezroczystość atmosfery ziemskiej CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 10

Nieprzezroczystość atmosfery ziemskiej od 1 mm do 200 mm. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 11

Poziomy energetyczne wody CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 12

Linie emisyjne wody w zakresie od 1 mm do 100 mm CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 13

• Sir Frederick William Herschel (1738 -1822) urodził się w Hanoverze ale od 1757 mieszkał w Anglii, • był muzykiem i astronomem. • Sir F. W. Herschel jest dkrywcą planety Uran, • twórcą katalogu gwiazd podwójnych i mgławic. • W 1800 r. F. W. Herschel odkrył promieniowanie podczerwone. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 14

Doświadczenie Herschel’a. Skale temperatur “F” i “C”. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 15

Jak promienuje ciało o określonej temperaturze l[mm] * T[K]=3000 CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 16

Zamiana energii na temperaturę. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 17

Temperatura barw widzialnych. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 18

Obrazy w świetle widzialnym i podczerwonym. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 19

Dalsze przykłady obrazów w podczerwieni. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 20

Co i dlaczego widzimy w zakresie od 1 mm do 1 cm? l[mm] * T[K]=3000 Rotacyjne przejścia molekularne i atomowe: • Wszechświat molekularny; astrochemia. Najchłodniejsze obiekty we Wszechświecie: • pył o T=10 K emituje głównie na 300 mm, CMB o T=2. 7 K emituje głównie na 1. 1 mm. • Obszary formowania się gwiazd i planet; gwiazdy kończące ewolucję; odległe galaktyki; ewolucję Wszechświata - promieniowanie tła. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 21

Skąd możemy ogladać Wszechświat w zakresie od 10 mm do 1 mm? • Z przestrzeni kosmicznej. Bardzo kosztowne! • Jak najdalej od źródeł emisji termicznej (Ziemia, Księżyc). • Dodatkowo musimy chłodzić detektory do temperatur bliskich zeru bezwzględnemu. Nadciekły hel => ograniczony czas trwania misji satelitarnych. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 22

Saturn w zakresie UV, widzialnym, podczerwonym i radiowym CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 23

Słońce w promieniowaniu: X, UV, widzialnym, podczerwonym i radiowym CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 24

Mgławica Oriona w zakresie: X, UV, widzialnym, podczerwonym i radiowym CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 25

Mgławica Oriona w 3 wymiarach. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 26

Dysk protoplanetarny w Beta Pictoris CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 27

Centrum naszej Galaktyki CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 28

Droga Mleczna z 2 MASS CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 29

Droga Mleczna: gamma, X, UV, COBE CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 30

Droga Mleczna w zakresie radiowym CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 31

Galaktyka M 51: Chandra, widzialny, ISO, VLA CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 32

Galaktyka M 81: X, UV, widzialny, IRAS 60, VLA-HI CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 33

Największe galaktyki IR obserwowane przez 2 MASS CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 34

Galaktyki obserwowane przez 2 MASS CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 35

Hubble Deep Field - początki galaktyk CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 36

Mikrofalowe promieniowanie tła (CMB) - COBE CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 37

SWAS = w przestrzeni od XII 1998 CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 38

SWAS: wyniki 55 x 71 cm eliptyczny teleskop. Obserwacje: • wody H 2 O na 556. 936 GHz i H 218 O at 548. 676 GHz; • molekularnego tlenu O 2 na 487. 249 GHz; • neutralnego węgla CI na 492. 161 GHz; • izotopu tlenku węgla (czadu) 13 CO na 550. 927 GHz; WYNIKI: • woda jest prawie wszędzie; • nawet w gwiazdach węglowych!: IRC 10+216; • tlen molekularny (ph H i He, tken jest bajbardziej obfitym pierwiastkeim we Wszechświecie) jest PRAWIE nieobecny. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 39

CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 40

SIRTF - Space Infra. Red Telescope Facility: spektroskopia i fotometria w zakresi od 3 -180 mm CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 41

ASTRO - F: podobnie jak IRAS przegląd nieba (lepsza czułość). Zakres od 1. 8 mm to 200 mm; 67 cm teleskop CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 42

SOFIA: Startospheric Observatory For Infrared Astronomy CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 43

CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 44

SOFIA - instrumenty CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 45

HSO - Herschel Space Observatory • HSO i PLANCK zostaną wyniesione na orbitę (wokół drugiego punktu Lagrange’a układu Słońce - Ziemia) przy pomocy tej samej rakiety (Ariane 5) -planowany początek misji - 2007 r. • Przeciążenie przy starcie 15 krotnie większe od ziemskiego • masa: około 3300 kg • długość: około 9 m • szerokość: około 4. 5 m CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 46

HSO • Będzie: – ulokowany 1. 5 miliona km od Ziemi (dalej niż jakikolwiek inny teleskop kosmiczny); – obserwował w dotychczas niestosowanym zakresie długości fal: • 60 -670 mikrometrów; • 1 mikrometr to 1/1000 mm – większy i lepszy od jego kosmicznych poprzedników: • teleskop z 3. 5 m zwierciadłem pierwotnym (największym z dotychczas budowanych do wyniesienia w przestrzeń kosmiczną); CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 47

HSO • Będzie: – miał osłony przeciwsłoneczne (temperatura około 80 K) z bateriami słonecznymi po zewnętrznej stronie; – posiadał kriostat z około 2500 litrów nadciekłego helu; – wyposażony w 3 instrumenty (HIFI, PACS, SPIRE), które będą działały w temperaturze około 2 K (< -271 C); – pracował przez co najmniej 3 lata (około 7000 godzin obserwacji rocznie); – badał narodziny galaktyk, gwiazd, układów planetarnych i poszukiwał wody we Wszechświecie CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 48

HSO • Dlaczego w kosmosie i tak daleko (w L 2)? –atmosfera ziemska ze względu na obecność w niej molekuł pełni rolę swoistego parasola dla promieniowania w dalekiej podczerwieni i w zakresie submilimetrowym (w szczególności dla promieniowania pochodzącego od wody); –odległość 4 razy większa niż Ziemia-Księżyc zmniejszy istotnie wpływ promieniowania tych obiektów na teleskop; –Ziemia i Słońce będą w zasadzie na tym samym kierunku co umożliwi bezproblemowe obserwacje większości nieba. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 49

HSO • Dlaczego w zakresie submilimetrowym? –wszelkie obiekty (nawet te bardzo chłodne) emitują promieniowanie termiczne (niewidoczne dla nas); –maksimum emisji termicznej przypada na długość fali spełniająca prostą zależność: • T [K] x dł. fali [mikrometrach] = 3000 • np. 300 ->10; 30 ->100; 10 ->300; 5 K ->600 mikrometrach; –linie papilarne bardzo wielu molekuł oraz atomów uwidaczniają się właśnie w zakresie submm. • linie (pasma) molekularne dostarczaja informacji o warunkach fizycznych (temperatura, gęstość) i chemicznych w obserwowanych obszarach Wszechświata. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 50

HIFI LOCAL OSCILLATOR CONTROL UNIT Some photos from the last activities: • HLCU IMD delivered to Bonn (December 2002), • HLCU IMD in Bonn under the tests with Band 1 (May 2003), • the Bands 1 and 5 assembled in cryostat, connected to HLCU IMD and integrated with mixer in Gronningen (June/July 2003), the photo shows the band 5 before assembling in the cryostat CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 51

Rozdzielczość przestrzenna: zdolność rozróżniania drobnych szczegołów CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 52

Czułość: zdolność detekcji słabych źródeł. CAMK 27 X 2003 Ryszard Szczerba 53