Astronomija

Koliko fotona je še v letu?

Koliko fotona je še v letu?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ker je prostor večinoma prazen, bi lahko najprej pomislili, da je večina fotonov, npr. emisije zvezd od začetka vesolja še vedno letijo in jih nič ne absorbira.

Je to res?

Ali obstajajo ocene, da je delež glede na skupno količino fotonov, ki so jih kdaj ustvarili?

(Najprej razmislimo o fotonih, ki so prišli v vesolje, npr. Za zdaj izključimo fotone, ki se absorbirajo in ponovno oddajajo znotraj zvezd).


Peebles in Fukugitin odličen "Popis vesoljske energije" ocenjuje, da približno $10^{-4.3}$ celotne masne energije je v obliki kozmičnega sevanja v ozadju in $10^{-5.7}$ v obliki sevanja zvezd.

Ocena, da je motenje zaradi plazme in drugih interakcij sevanja v ozadju približno $10^{-8.5}$, zato očitno večine fotonov ni nikoli nihče zajel in so še vedno v letu.


Ali fotoni upogibajo prostor-čas ali ne?

Pravzaprav fotoni sami ne upogibajo prostora in časa. Intuitivno je to zato, ker fotoni ne morejo oddajati gravitonov, saj kot vsi brezmasni delci, ki ne doživljajo časa, fotoni ne morejo razpadati tako, da oddajajo karkoli. Najnovejši teoretični rezultati kažejo, da gravitacijsko polje fotona ni statično, temveč gravitacijski val, ki izhaja iz dogodkov emisije in absorpcije fotona. Tako prostor-čas upogibajo nabiti delci, ki oddajajo ali absorbirajo fotone, ne pa tudi sami fotoni.

kolikor vem, ni bilo eksperimentalnih dokazov, da bi svetloba krivila prostor-čas. Vemo, da če je GR pravilen, ga mora opraviti, in vsi poskusi, ki smo jih izvedli, so (do zdaj) potrdili napovedi GR, zato se zdi zelo verjetno, da svetloba res zakrivi prostor-čas.

Zdaj to ne more biti pravilno. Eden od njih pravi, da fotoni upogibajo prostor-čas, saj imajo energijo stresa, vendar ga je težko izmeriti, saj je energija, ki jo nosijo, v primerjavi z energijo stresa astronomskega telesa le malo. Torej upogibajo prostor-čas, le da ga je težko izmeriti z našimi trenutno razpoložljivimi napravami.

Zdaj drugi pravi, da fotoni sploh ne upogibajo prostora in časa. Prostor prostor-čas upogiba samo oddajajoči naboj (fermion).

Kateri je pravi? Ali fotoni sami upogibajo prostor-čas, ker imajo stresno energijo ali ne?


Nova laserska tehnologija NASA razkriva, kako meri led

Eksperimentalni Lidar z NASA-jevim večmernim snopom je preletel ledenike jugozahodne Grenlandije in morski led, da bi preizkusil novo metodo merjenja višine Zemlje iz vesolja. Prispevek slike: NASA / Tim Williams

Ko je aprila 2012 visoko nadmorsko višje letalo preletelo ledeni Arktični ocean in zasnežen teren Grenlandije, je bil to prvi polarni test nove laserske tehnologije za merjenje višine Zemlje iz vesolja.

Na krovu tega letala je letel Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar ali MABEL, ki je instrument za preskusno posteljo v zraku za satelitsko misijo NASA & # 39s ICESat-2, ki naj bi se začela leta 2017. Instrumenti MABEL in ICESat-2 & # 39s ATLAS so števci fotonov & ndash oddajajo impulze zelene laserske svetlobe in čas, koliko časa trajajo posamezni svetlobni fotoni, da se odbijejo od Zemljine površine in se vrnejo. Ta čas bo skupaj z natančnim položajem ATLAS & rsquo z vgrajenega GPS-a vključen v računalniške programe, ki bodo raziskovalcem sporočili, da se nadmorska višina Zemljine meritve & ndash spreminja na najmanjšo širino svinčnika.

Tovrstna tehnologija štetja fotonov je nova za satelite od leta 2003 do 2009, instrument ICESat-1 & rsquos je preučil intenzivnost vrnjenega laserskega signala, ki je vključeval veliko fotonov. Tako pridobivanje posameznih podatkov o fotonih od podjetja MABEL pomaga znanstvenikom, da se pripravijo na velike količine podatkov o nadmorski višini, ki jih bodo dobili od ICESat-2.

MABEL, okrajšava za & quotMultiple Altimeter Beam Experimental Lidar & quot služi kot simulator ICESat-2. Prispevek slike: NASA / Kelly Brunt

ICESat-2 je zadolžen za merjenje nadmorske višine po celotni površini Zemlje, vključno z vegetacijo in oceani, vendar s poudarkom na spremembah na zamrznjenih območjih planeta, kjer so znanstveniki opazili dramatične vplive podnebnih sprememb. Tam dve vrsti ledenih plošč led & ndash in morski led & ndash odsevata svetlobne fotone v različnih vzorcih. Na tleh, kot sta Grenlandija in Antarktika, najdemo ledene plošče in ledenike, ki nastajajo, ko se nabira zamrznjen sneg in dež. Morski led pa je zmrznjena morska voda, ki jo najdemo v Arktičnem oceanu in na morju Antarktike.

Kampanja MABEL & # 39s iz Grenlandije 2012 je bila zasnovana z namenom opazovanja vrste zanimivih ledenih lastnosti, je dejal Bill Cook, vodilni znanstvenik MABEL & # 39s v NASA-jevem centru za vesoljske lete Goddard v Greenbeltu, Md. S številom fotonov z različnih površin bi lahko drugi znanstveniki začnite analizirati podatke, da ugotovite, katere metode analize podatkov jim omogočajo, da najbolje izmerijo nadmorsko višino Zemljine površine.

& quot: Želeli smo dobiti najrazličnejše ciljne vrste, tako da bi imela znanstvena skupina veliko podatkov za razvoj algoritmov, "je dejal Cook. & quot! To je bilo naše prvo resnično posvečeno znanstveno poslanstvo. & quot

Leti nad oceanom blizu Grenlandije so na primer raziskovalcem omogočili, da lahko izmerijo višinsko razliko med odprto vodo in morskim ledom, kar je ključno za določanje debeline ledu. MABEL lahko zazna dovolj fotonov laserske svetlobe, ki se odbijejo od zemeljske površine in se vrnejo na instrument, programi pa lahko nato opravijo potrebne izračune nadmorske višine, je dejal Cook.

"Del tega, kar počnemo z MABEL, je pokazati, da bo imel instrument ICESat-2 pravo občutljivost za meritve," je dejal Cook. & quotTo lahko storite s štetjem fotonov, če imate dovolj fotonov. & quot

V članku, ki je bil nedavno objavljen v Časopis za atmosfersko in oceansko tehnologijo, Kwok in njegovi kolegi so pokazali, kako izračunati nadmorsko višino iz podatkov MABEL in to na različnih vrstah ledu & ndash od odprte vode, do tankega, steklastega ledu do zasneženega ledu.

"Natančnost je bila zelo zadovoljna," je dejal Kwok. & quot; Ravna območja so ravna do višine centimetrov, groba območja pa groba. & quot; In gostota zaznavanja fotonov bi lahko raziskovalcem tudi povedala, nad katero vrsto ledu je letel instrument.

Obrisi ledene površine so pomembni tudi pri spremljanju ledenih plošč in ledenikov, ki pokrivajo kopno. Prvotna misija ICESat-1 je uporabljala en laser, kar je otežilo merjenje, ali je ledena plošča pridobila ali izgubila višino. Z enim žarkom, ko je instrument drugič preletel mesto, raziskovalci niso mogli ugotoviti, ali se je snežna odeja stopila ali je bil laser rahlo izključen in usmerjen navzdol po hribu. Zaradi tega so znanstveniki potrebovali 10 prehodov čez območje, da bi ugotovili, ali se ledena plošča spreminja, je dejala Kelly Brunt, raziskovalka pri NASA Goddard.

& quotICESat-1 je bil fantastičen, vendar je bil instrument z enim žarkom, "je dejal Brunt. & quotMe bolj zanima ponovitev skladb za spremljanje sprememb & ndash, ki jih je težko narediti. & quot

ICESat-2 to težavo obravnava tako, da laser razdeli na šest žarkov. Ti so razporejeni v tri pare, nosilci znotraj para pa so oddaljeni 90 metrov (90 metrov) ali le malo manj kot nogometno igrišče. S primerjavo višine enega območja in višine njegovega soseda lahko znanstveniki določijo splošni naklon terena.

Brunt in njeni sodelavci so uporabili podatke MABEL iz grenlandske kampanje leta 2012, da bi poskušali zaznati plitva pobočja, saj 4-odstotni naklon. Geoznanost in daljinsko zaznavanje črk. Šteli so le del fotonov, da bi simulirali šibkejše laserske žarke, ki jih bo nosil ICESat-2. Z računalniškimi programi za določanje naklona so ga raziskovalci preverili glede na rezultate prejšnjih misij.

"Natančnost je odlična," je dejal Brunt. & quotWe & # 39 smo zelo prepričani, da lahko s parom žarkov ICESat-2 vidimo strmino. & quot

In še več je stvari, ki jih MABEL lahko izmeri. Skupina inštrumentov načrtuje poletno kampanjo za poletje leta 2014 nad ledeniki in ledenimi ploščami v toplejšem vremenu. "Quote Želimo videti, kakšni so učinki taline," je dejal Cook. & quotKako izgledajo ledeniki, če so bolj toplejši kot hladnejši? & quot


Rocket Lab za dostavo tovora Luni in naprej s Photonom

Mednarodni astronavtski kongres. Washington DC. 21. oktober 2019 - Rocket Lab, svetovni vodja v namenskem izstrelitvi majhnih satelitov, je danes predstavil načrte za podporo misijam razširjenega dosega na srednje, geostacionarne in lunine orbite s satelitsko platformo podjetja Photon.

Manj kot dve leti po odprtju dostopa do nizke zemeljske orbite (LEO) za majhne satelite z nosilko Electron Rocket Lab zdaj prinaša srednje, geostacionarne in lunine orbite na doseg majhnih satelitov. Rocket Lab bo združil svojo nosilno raketo Electron, platformo za majhna vesoljska plovila Photon in namensko etapo za množično manevriranje za izvajanje misij razširjenega dosega in dostavo majhnih vesoljskih ladij do luninega letenja, bližine pravokotne Halo orbite (NRHO), točk L1 / L2 ali lunarne orbite . Te zmogljivosti je nato mogoče razširiti, da zagotovijo še večji tovor po vsem lunarnem prostoru, vključno s tako visoko kot geostacionarno orbito (GEO).

Ustanovitelj in izvršni direktor Rocket Lab Peter Beck pravi, da narašča mednarodno zanimanje za lunarno in zunaj LEO raziskovanje iz vladnega in zasebnega sektorja.

"Majhni sateliti bodo imeli ključno vlogo pri znanosti in raziskovanju, poleg tega pa bodo zagotavljali komunikacijsko in navigacijsko infrastrukturo za podporo vračanju ljudi na Luno - igrajo ključno vlogo kot iskalci poti, da se upokojijo in postavijo infrastrukturo za prihodnje misije," pravi . »Tako kot majhna vesoljska plovila LEO je tudi veliko potencialnih raziskovalnih instrumentov in polnih satelitov na policah, ki čakajo na izstrelitev v globlji vesoljski prostor. Na enak način, kot smo malim osebam odprli dostop do LEO, bo Rocket Lab pripravljen postati namenjena vožnja do Lune in naprej za majhne satelite. «

Izkušnje, pridobljene z večkratnimi lansiranji v orbiti Electron, in ponavljajoče se izboljšave zmogljivosti pogonskega sistema Photon's Curie omogočajo Rocket Labu izvajanje misij daljšega dosega z dokazano tehnologijo in pomembnimi izkušnjami. Vsi sistemi za podaljšane misije izhajajo iz visoko dediščinske letalsko preizkušene opreme, vključno z motorjem Curie, Kick Stage, sestavljenimi rezervoarji Electron ter dokazanim strokovnim znanjem pri vodenju, navigaciji in nadzoru vesoljskih ladij.

Zadnja misija Rocket Laba, "As The Crow Flies", je bila 9. izstrelitev podjetja Electron, ki je videla, kako je Electron's Kick Stage razporedil tovor na višino več kot 1000 km. Misija je uspešno pokazala nedavne nadgradnje 3D-natisnjenega pogonskega sistema Curie za Photon, vključno s prehodom na dvo-pogonsko zasnovo za močno izboljšano zmogljivost.

Zlasti Photon je bil zasnovan za uporabo v LEO in medplanetarnih misijah z letalsko odporno letalsko elektroniko, komunikacijsko in navigacijsko tehnologijo, sposobno za vesolje, in visoko zmogljivim pogonskim prostorom, ki ga je mogoče hraniti v vesolju, z možnostjo več ponovnih zagonov v orbiti. Kombinacija Photon in Electron je bila zasnovana kot celovita rešitev za odzivne LEO, MEO in cis-lunine misije že v četrtem četrtletju 2020.

O Photonu:
Vesoljsko plovilo Photon je napreden razvoj letalski preizkušenega Kick Stagea. Z Electronom in Photonom lahko Rocket Lab zagotovi platformo za celotno majhno satelitsko misijo, vključno z izstrelitvijo, zemeljskim segmentom in vesoljskim plovilom.

Photon vključuje napredno integracijo 3D-tiskanega pogonskega sistema Curie, ki vključuje visoko proizvodnjo energije, natančnost določanja in nadzora drže ter letalsko elektroniko, odporno na sevanje, da strankam nudi paketno ponudbo za izstrelitev in satelit. Photon je približno 50-kilogramska platforma z mokro maso, ki lahko prenaša do 170 kg koristnega tovora v nizko zemeljsko orbito.

Kot močno vozilo in odporno na sevanje vozilo, ki podpira globoko vesoljsko komunikacijo in navigacijo, je bil Photon zasnovan z misijami, ki presegajo LEO. Ker je Photon vesoljsko plovilo z vsemi funkcijami in ne zgolj stopnja vbrizgavanja, lahko Photon uporabi samostojni tovor in še vedno gosti dodatne manjše obremenitve, kar omogoča več misij ob enem izstrelitvi.

Photon podpira misije, ki zahtevajo:
• natančna orbitalna postavitev,
• razporeditev več koristnih tovorov na različne ravnine / naklone (vozniške in konstelacije),
• Lunin prelet, bližina pravokotne halo-orbite (NRHO), točke L1 / L2 ali nižja lunina orbita,
• višje orbite, ki jih ni mogoče doseči samo z nosilnimi raketami,
• Gostujoča platforma za tovor, ki zahteva pogon, moč in povezavo navzdol,
• Po končani misiji se obremenitev tovora zmanjša.


Let brezčasnega fotona

Ena mojih najljubših zgodb v celotni fiziki je zgodba o sončni svetlobi, ker se dotika tako širokega spektra konceptov. Opravičujem se za dolžino te objave, vendar zagotavljam, da boste razsvetljeni pod številnimi pogoji, ki jih verjetno slišite veliko, vendar jih veliko ljudi ne razume. V mojem prejšnjem prispevku smo se naučili tudi nekaterih pomembnih načinov uporabe svetlobe, vendar nismo obravnavali najpomembnejše uporabe vseh življenj!

Zgodba o Sončevi svetlobi se skupaj s skoraj vsem v vesolju (za zdaj bomo ignorirali nekaj, čemur pravimo temna snov) začne z atomom vodika. Vodik je najelementarnejši in najbolj razširjen element v vesolju, zato je tudi njegov element na periodnem sistemu. Tudi zato, ker je sestavljen iz enega pozitivno naelektrenega delca, imenovanega proton, ki tvori njegovo jedro, in enega negativno nabitega delca, imenovanega elektron, ki kroži okoli tega enojnega protonskega jedra. Znotraj sonca ali katere koli zvezde obstaja proces, imenovan jedrska fuzija, ki vodik spremeni v vseh 92 elementov, ki jih najdemo v naravi. Vsako zrno snovi, ki tvori naš fizični svet, je skovano v srcu zvezd in se sprosti, ko začnejo umirati. Vse zvezde pa ne proizvedejo vseh 92 elementov, saj se naše sonce nikoli ne bo dovolj segrelo, da bi združilo dovolj atomov, da bi ustvarilo težke kovine, kot je zlato. Ko rečem težak, mislim na maso elementa. Več subatomskih delcev se potisne v jedro elementa, težje je. Zvezde različnih velikosti proizvajajo različne elemente, vendar se vse zvezde začnejo s spajanjem vodika v helij, kot to trenutno počne naše sonce.

V sončnem jedru se vodikovi atomi pospešijo iz velikih količin energije ali toplote, ki jo ustvari sila zvezde na sebi in trčijo pri zelo visokih hitrostih, pri čemer se med seboj tvorijo helij. Sonce mora razbiti štiri atome vodika, da nastane en atom helija. Radioaktivni elementi, ki nastanejo v vmesnih korakih, se imenujejo vodikovi izotopi. Dva atoma vodika tvorijo stabilni izotop devterija, trije, nestabilni izotop tritij, in štirje atom helija. Razlika med stabilnim in nestabilnim izotopom je enakomerno seznanjanje protonov in nevtronov (kmalu bomo prišli do tega, kaj je nevtron) v jedru. Enakomerno seznanjanje, kot sta en proton in en nevtron (devterij), je stabilno, neenakomerno seznanjanje, kot en proton in dva nevtrona (tritij), pa ni in sčasoma razpade v stabilne izotope, ker je preveč energično, da bi lahko ostalo skupaj. Ta "razpad" je znan kot radioaktivni razpad.

Dva atoma vodika tvorijo stabilni izotop devterija, trije, nestabilni izotop tritij, in štirje atom helija.

Če ste ljubitelj Simpsonovih, se morda spomnite, da se je baseball moštvo Springfield imenovalo The Isotopes. To se je nanašalo na mestno jedrsko elektrarno, v kateri se pojavi prisilna in bolj nasilna različica tega procesa, imenovana jedrska cepitev. Tipična jedra urana so natovorjena z dodatnimi nevtroni, dokler ne dosežejo tako imenovane kritične mase. Ko je kritična masa dosežena, se jedra razcepijo in sprostijo se velike količine energije, ker ne morejo zadržati tega novega dotoka nevtronov. To je nekako tako kot tvoj prijatelj, ki preveč popije v baru, nato pa povsod bruha. To nevtronsko 'bruhanje' je tisto, kar nam zagotavlja električno energijo. Medtem ko postopek sprošča energijo, pušča tudi različne oblike nestabilnih uranovih izotopov, ki včasih sto let naravno razpadejo v stabilne izotope. To je zato, ker je uran tako težji element v primerjavi z vodikom, ki njegovi izotopi precej hitro propadejo. Ti radioaktivni ostanki so še vedno zelo energični in oddajajo škodljive gama in rentgenske valove (o tem smo izvedeli v prejšnjem prispevku) in zato je zadrževanje tako ključnega pomena. Opravičujem se za ta tangens jedrske cepitve, vendar je treba vedeti, kakšna je razlika med fuzijo in cepitvijo. Fuzija združuje atome, fisija pa jih raztrga.

Torej nazaj k zgodbi o sončni svetlobi. Ko soncu končno uspe razbiti štiri atome vodika skupaj, dva protona vodika v tem procesu izgubita maso in postaneta nevtralno nabita delca, imenovana nevtroni, tako da v novem helijevem jedru skupaj z dvema elektronama v orbiti sestavljata dva protona in dva nevtrona, po en za vsak proton. Iztisnjena protonska masa, ki bo sčasoma postala naša ljubljena sončna svetloba, se oddaja kot energija v obliki visokoenergijskega elektromagnetnega sevanja (imenovana tudi svetloba), znanega kot gama žarki. To je odličen primer Einsteinove slavne enačbe za energijo, E = mc2, pri delu. Ta enačba pravi, da je masa (m) lahko pretvorjena v energijo (E). Če ste kdaj poskusili shujšati, velja isti koncept. Svojo maso poskušate pretvoriti v energijo, da jo izgubite. Vendar stvari na kvantni ravni delujejo na smešen način. Nevtron, namesto da bi bil manj masiven, dejansko postane bolj masiven, kot je bil, ko je bil proton. Za to so lahko krivi delci znotraj protonov in nevtronov, imenovani kvarki, in kako se obnašajo, kar bom pustil za drugo objavo. Del enačbe „C“ pomeni konstanto hitrosti svetlobe, kar je le nekaj, kar je treba dodati formalno, da dobimo pravilen izračun, pozneje pa bomo ugotovili, zakaj.

V prejšnjem prispevku smo izvedeli, da je elektromagnetno sevanje sestavljeno iz delcev, imenovanih fotoni. Ti novonastali fotoni gama žarkov so sprva preveč nevarni za zemeljsko porabo. Vendar pa se po več deset tisočih letih prehajanja med gosto zapakiranimi atomi na soncu fotoni nekoliko utrudijo, dokler ne postanejo manj energični fotoni vidne svetlobe ali kar imenujemo sonce. Tudi fotoni lahko potujejo s svetlobno hitrostjo do milijona let, da pobegnejo pred soncem na razdalji 432.000 milj od jedra do površine. Čeprav se to morda zdi dolga razdalja, jo primerjajte s 93 milijoni milj prepotovanih fotonov v samo 8 minutah in postane očitno, kako umirjeni so ti fotoni, saj jih atomska juha nenehno absorbira in oddaja. Ko pa enkrat zadenejo prazen vakuum vesolja, začnejo naravnost streljati na Zemljo.

Ko fotoni končno vstopijo v zemeljsko atmosfero, nekatere od njih absorbirajo drobne pore na rastlinskih listih, imenovane stomate, ki te fotone pretvorijo v kemično energijo. To se naredi s sintezo atomov vodika iz vode v rastlini z ogljikovim dioksidom v zraku, da nastanejo sladkorji. Ta postopek, prepričan sem, da ga poznate, se imenuje fotosinteza. Ker rastline vodik uporabljajo samo iz vode, preostali kisik oddajajo kot odpadni produkt in dobesedno jim dihamo. Sladkor se shrani in kasneje pretvori v kinetično energijo, da lahko rastlina deluje. Ta sladkor pa lahko prenesemo na bitje, ki poje rastlino, in na bitje, ki to bitje poje itd. Živali (vključno z nami) črpajo energijo iz teh sladkorjev tako, da reagirajo s kisikom, ki ga dihajo, in izdihujejo preostali ogljikov dioksid iz sladkorjev, tako da lahko druga rastlina z njim ustvari več sladkorja in kisika, ki ga lahko porabijo.

Torej, ko boste naslednjič pogledali proti soncu (ne neposredno!), Pomislite, kaj se tam notri dogaja. Pomislite na vse, kar vam daje jedrska fuzija, zrak, hrano - samo tisto, iz česar ste sestavljeni, in se zahvalite. In ko sončna svetloba segreje vašo kožo, pomislite na deset tisoč let, ko so jih ti fotoni dosegli. In tu je še eno zanimivo dejstvo, ki vas bo ogrozilo za te fotone, vi ste njihov celoten obstoj! No, vsaj v okviru naše ideje o obstoju. Tu pride do izraza „C“ (konstanta svetlobne hitrosti) v E = mc2. Foton, ki je energija, potuje s svetlobno hitrostjo in zato je to hitrost treba všteti v vsak izračun energije. Je 'konstantna'. In po Einsteinovi teoriji relativnosti čas upočasnjuje hitreje, ko se premikate glede na drug predmet, dokler se popolnoma ne ustavi s svetlobno hitrostjo. Fotonov čas v primerjavi z našim ne obstaja. Foton velja za brezčasen. . . no vsaj dokler se ne vnese v našo resničnost, ko ste jo absorbirali kot toploto. To bom segmentiral v naslednji prispevek, ki bo o teoriji relativnosti in kvantni mehaniki. Do takrat pa bodite radovedni moji prijatelji!


Odgovor je preprost: ja, zvezde resnično proizvajajo to veliko fotonov. Ta izračun je trden (čeprav zelo grob) približek, da lahko zvezda v velikosti sonca oddaja približno 10 ^ <45> $ vidnih fotonov na sekundo (1 sledi 45 ničel, milijarda milijard milijard milijard milijard fotonov).

Lahko naredite izračun: če vas od te zvezde loči 10 svetlobnih let, vas kljub temu vsako sekundo zasije milijon fotonov na kvadratni centimeter.

Čeprav se strinjam z vsemi tremi zgornjimi odgovori, naj predstavim nekoliko drugačen pogled na problem.

Skušnjavo je o svetlobi zvezde razmišljati kot o poplavi fotonov, ki se obnašajo kot majhne krogle. Vendar je to preveč poenostavljeno, ker je foton lokaliziran objekt, tj. Foton opazujemo, ko nekaj sodeluje s svetlobo in jo lokalizira.

Svetloba zvezde ni toča fotonov, ampak zvezda prenaša energijo v fotonsko kvantno polje in ta energija se širi radialno in enakomerno. Če bi svetlobo opisovali kot fotone, bi morali reči, da so bili fotoni popolnoma delokalizirani, torej so razpršeni po celotni sferični valovni fronti in ne bi mogli reči, v katero smer je foton potoval.

Ko vas energija doseže, lahko komunicira z molekulami rodopsina v vašem očesu in prenese energijo enega fotona. Na tej točki in šele na tej točki se energija lokalizira v foton. Tudi če bi bila zvezda tako zatemnjena, da bi oddajala le nekaj fotonov v vrednosti energije na sekundo, bi še vedno obstajala končna verjetnost, da bi vaše oko lahko sodelovalo z njo in zaznalo foton, čeprav bi bila ta verjetnost očitno smešno majhna.

Korak na stran torej ne bi imel velike razlike, ker dokler bi vaše oko nekje sekalo sferično valovno črto, bi še vedno obstajala končna verjetnost, da zaznate foton in torej vidite zvezdo.

Oglejte si moj odgovor na Nekateri dvomi o fotonih za nekatere povezane argumente.


Koliko fotona je še v letu? - astronomija

Naslednji članek je bil objavljen v izdaji časopisa Central Arkansas Astronomical Society Observer iz oktobra 1992

Predstavljajte si oddaljeno zvezdo v galaksiji Andromeda, oddaljeni dva milijona svetlobnih let. Ta zvezda sveti močno, tako kot nešteto drugih v tej zvezdni zatiči. Zvezda izliva ogromno energije v obliki vidne svetlobe, infrardečega sevanja, ultravijoličnega in številnih drugih okusov elektromagnetnega spektra. Prav tako oddaja material v obliki različnih delcev, vključno s skrivnostnim nevtrinom. Tipična zvezda.

In vendar bo en foton svetlobe te zvezde kmalu na zelo netipičnem potovanju.

Zgodba se resnično začne v središču zvezde, kjer njen jedrski motor gori vodik in ustvarja helij. Eden od produktov tega postopka je vidna svetloba. Naš foton je nastal tukaj v tej peklenski regiji in začne svoje mukotrpno potovanje proti zvezdni fotosferi.

Delček svetlobe nenehno odskakuje od enega atoma do drugega, pri čemer se neštetokrat absorbira in ponovno odda. Njegova pot je skrajno serpentinska, saj se pelje proti površju zvezde. Tukaj je temperatura v milijonih stopinj.

Nazadnje, po tem, kar nekateri astronomi verjamejo, da je dolga leta tega večnega serpentinskega leta, se doseže točka, ko zvezdne snovi ali plazma postanejo prozorne in foton odleti skupaj z milijardami drugih in zapusti razmeroma hladno fotosfero (le na tisoče stopinj zdaj) daleč zadaj.

Naš neustrašni popotnik se v nekaj sto letih prebije skozi medzvezdni prostor Andromedan. V tem času naredi nekaj tesnih klicev na sosednje zvezde (in planete?). Nekatere njegove sopotnike pa absorbira nebularni plin, ki tu prebiva. Edini znak teh iztekajočih se kvantov svetlobe je rahlo segrevanje tega plina.

Kot da gremo mimo zadnjega smerokaza z besedo "Brez plina za 100 milj", gre mimo osamljene kroglaste kopice. Masa te kopice rahlo upogne pot fotona, saj na to vpliva enakomerna svetloba. Mimo tega samotnega globusa zvezd se nadaljuje v praznino medgalaktičnega prostora.

Medtem ko se delci hitro gibljejo skozi to praznino, potujejo v ravni črti in skoraj # 150. Tudi tu nanj vpliva gravitacija. Galaksija Andromeda še vedno izvaja svoj vpliv in poskuša povleči svetlobo nazaj proti svojemu središču. Vendar se svetloba nikoli ne spreminja od svoje konstantne hitrosti, vsaj v vakuumu prostora. Kljub temu je treba ohranjati energijo. Torej, namesto da bi izgubil hitrost, foton nekoliko premakne barvo proti rdeči. Veste, tudi naš delec je val. To je zmedena ideja. Kot voda, ki je včasih trdna, včasih tekoča, ima foton tako lastnosti delca kot val. Glede na splošno relativnost njegova valovna dolžina postaja daljša, ko se vzpenja po gravitacijskem griču, medtem ko na pot, ki jo ima, vpliva gravitacijski vlek, kot če bi bil delec.

Še ena nenavadna stvar se zgodi z našo lučjo svetlobe. Kot smo že omenili, poskuša potovati po ravni črti, vendar ne more povsem uspeti. Zvezde vplivajo na njegovo pot, kopice in celo galaksije jo umaknejo s poti. Še vedno je bolj čudno, da se tudi po upoštevanju teh vplivov še vedno rahlo zavije! Masa celotnega vesolja vpliva na njegovo pot. Vesolje je sam ukrivljen in naš delec sledi tej krivulji. V dveh milijonih svetlobnih let, ki jih potuje v svojem življenju, je ta krivulja subtilen vpliv, a resnična! Astronomi bi zelo radi vedeli natančno obliko te krivulje: pozitivno kot na krogli ali negativno kot na sedežni površini. Foton ve, a ne pove.

V času tega prehajanja skozi globino medgalaktike se veliko stvari zgodi v našem majhnem svetu. Več ledenih dob prihaja in odhaja. Skalnate gore rastejo višje. Čudne živali cvetijo in izumirajo. Toda po vsem tem naš delec še vedno ni dosegel cilja. Končno človeška civilizacija začne preoblikovati planet. To časovno obdobje & # 150 naše časovno obdobje & # 150 je zadnja polovica enega odstotka celotne poti. Naša zgodovina je kot utrip maščobe v ognju, ki gori že ure in ure.

Končno foton vstopi v dosege naše galaksije mlečne poti. Gravitacija našega galaktičnega doma majhno količino fotona premakne proti modri. Njegova pot se spet usmeri proti galaktičnemu središču, vendar ne pride tako daleč & # 150 niti blizu. Vstopi v nejasen krak zvezdne spirale, pade noter in je spet obkrožen z zvezdami. Ognjene točke gredo mimo, vendar nobena ni dovolj blizu, da bi močno vplivala nanjo. Skoraj skoraj nemoteno se odpravi nazaj na drugo stran galaksije. Namesto tega pa naleti na majhno temno telo relativnosti. Če bi videl, bi v zadnjih petih sekundah zagledal majhno modro piko, ki je eksplodirala v nebo poln globus.

Foton vstopi v Zemljino atmosfero in njegova pot je zaskrbljujoče upognjena. To ni posledica gravitacije, ampak lom, saj leča našega zraka poševa svojo pot pred zadnjim strmim padcem na nočno podeželje spodaj. V zemeljski ovoj plina prodre v tisočinki sekunde. Številni sopotniki, ki so potovanje do zdaj preživeli, svoj obstoj končajo ob tla, veje dreves in celo jakno samotnega teleskopskega opazovalca. Vendar naš foton skupaj s peščico drugih pade naravnost po cevi čakalnega teleskopa.

Ko udari v kovinsko prevleko, ki pokriva stekleni parabolid, ki je primarno ogledalo, ga absorbira atom aluminija. Ta atom na površini zelo tanke kovinske plasti nato izvrže delce in jih pošlje nazaj v cev. Odbije se od sekundarnega ogledala in vstopi v okular. Refrakcija se spet prijema in upogne svojo pot, ko prehaja skozi prvi element leče. Leti skozi več takih elementov in prečka majhno zračno režo ter končno vstopi v živo lečo očesa opazovalca.

V času, ki je premajhen za merjenje, prodre skozi roženico in očesno lečo. Ta leča je zelo skrbno oblikovana z majhno mišico, tako da je foton skupaj z njegovimi spremljevalci usmerjen z lomom na skupno točko na čakalni mrežnici. Tu naš foton konča svoj obstoj. Vpliva na svetlobni senzor, imenovan & quotrod & quot. Foton porabi svojo energijo in povzroči zapleteno fotokemično reakcijo. Signali se pošiljajo po živcih za mrežnico v možgane. Čeprav se te vizualne informacije pošiljajo v možgane opazovalca, se te obdelujejo. Kar na koncu prejme vizualna skorja, ni signal, ki pravi & quotlight & quot, ampak tisti, ki približno reče & quotdim pin-point & quot. Ta neverjetna veriga dogodkov je precej neverjetna, saj signal še ni dosegel možganov. Kar se tam zgodi, je še bolj neverjetno. Vse pin-točke so sestavljene v vizualni skorji in nastane podoba oddaljenega nežno svetlečega pin-kolesa. Galaksija Andromeda je v mislih opazovalca rekonstruirana iz delcev svetlobe, ki so jih nosili v trebuhu zvezd pred dvema milijonoma let!

Zaradi takšnih fotonov je ljubiteljska astronomija zabaven hobi. Zaradi našega uma in našega razumevanja je čudovit. Dan in noč pride kakšen foton ali drugače. Ujemite nekaj!


Kaj se je zgodilo s Photon Rockets?

Koncept fotonske rakete je bil zamisel Eugena Sängerja (1905–64), ki si ga danes bolj zapomnimo po tako imenovanem Silbervogelu, konceptu vesoljskega letala, ki ga je Luftwaffe na kratko preučil v drugi svetovni vojni. Postwar Sänger continued to explore innovative aeronautical and astronautical ideas and was the first to propose the use of electron-positron annihilation for propulsion as a photon rocket. This was pure speculation, a thought-experiment assuming technology could be taken to the limits. It was never meant as near-future possibility. He revealed his ideas in 1957 and the idea was widely published.

Artists’ impressions of photon rocket starships were common in the sort of coffee table books promoting the wonders of space and astronomy I lapped up in the 1970s. One of these books was Patrick Moore and David A. Hardy’s New Challenge of the Stars (1977) I still remember the impact made on me by its painting by Hardy of an elegant “Photon Star-Ship” approaching a planet near the Trifid Nebula . The vehicle in Hardy’s artwork was a huge vehicle, perhaps kilometres in length. Visible components of the starship included the crew quarters at the tip of the craft’s spine, two plate structures intended as a radiation shield, two propellant tanks and a huge parabolic reflector. Little tubes spaced around the reflector were more conventional rocket devices for use maneuvering near habitable worlds. This would be a huge vessel which could never land on a planet, rather it would carry smaller spaceplanes to ferry down the crew.

Why was this speculation so exciting? Sänger’s fantastic concept seemed to suggested it was possible to build a rocket vehicle capable of reaching near-light speeds. Imagine that! A craft like this could conquer the unimaginably huge gulfs of space between the stars, perhaps carrying intrepid crew to explore the mysterious worlds around other stars. That is the least of the possibilities, a speeding photon rocket and its crew would be subject to the strange (to slow-moving folk) magic of Einstein’s Special Relativity. A journey to say, 51 Pegasi, 50 light years distant and with its own family of planets might take the ship a little over five decades to complete to outside observers, but less than a decade to the crew. A faster still photon rocket could span the 26 000 light years to the Galactic Core inside the crew’s life time while millenia passed outside the hull. Even intergalactic journeys would be possible, if we could build photon rockets it would really be time for the stars !

Sänger’s starting point was the familiar (to space geeks) rocket equation , a simply derived formula which predicts the maximum speed a rocket vehicle can attain. Any rocket, from the simplest leaking rubber balloon to the mightiest launch vehicle, pushes matter, reaction mass, out of an exhaust, thrusting the rocket forward. The rocket equation shows that maximum speed the rocket attains in its flight is directly proportional to the speed the reaction mass leaves the exhaust, the exhaust velocity. Note that it does not matter what the reaction mass is made of, just that its speed, and therefore momentum, be as high as possible. What would the highest possible speed be? Why, 300 000 km/s, the speed of light. Individual ‘particles’ of light are called photons, and Sänger reasoned that the highest performing rocket would push its way across the cosmos by spraying a stream of photons from its exhaust. Fantastic! Let’s go build one and see the Universe.

If only it were that simple. Sänger could only see one way to produce ‘pure’ photons and that was by bringing electrons and positrons (which are anti-electrons) together. These violently annihilate on contact, so just like any of the USS Enterprises a photon drive starship is powered by a matter-antimatter reaction. The dying electrons and positrons explode into gamma ray photons, which would be reflected rearward by a parabolic mirror to generate thrust. The rocket’s exhaust is essentially a gamma ray laser (or “graser”) beam!

Physics buffs will straight away see issues with this. There are no vast reserves of positrons ready to exploit anywhere near Earth. A photon rocket’s propellant would have to be manufactured somehow, a process which would demand unimaginable quantities of energy. Gamma rays are not easily reflected by normal matter, but instead absorbed, rapidly heating the ‘reflector’. To build a photon rocket that would not vaporise itself in flight we need a ‘perfect’ mirror, reflecting 100% of incident photons, no orthodox material known can do this (however hard science fiction fans will immediately recognise this as an ideal application for Larry Niven’s celebrated ‘ stasis field ’). Sänger suggested reflecting the gamma rays directly from a mirror of pure “electron gas”. Creating this would be an astonishing technological achievement in itself as electrons repel each other, forcing them together into a reflecting surface would require us to be able to exert and maintain pressures like we see at the centre of an exploding supernova. Apart from the difficulties it would cause to the ship itself, a photon rocket’s exhaust would be hideously destructive to any planets it was directed at, with disastrous effects similar to a nearby gamma ray burst.

Worst still are the photon rocket’s extraordinarily high power requirements and poor thrust. The photon rocket’s unparalleled exhaust velocity comes at a price, it is straight-forward to show that its every single newton of thrust requires 300 MWatts of power (a calculation based on fundamental physics, there is no way technological advances could improve this). This is ludicrously inefficient a small modern turbofan engine to power a modest jet aircraft might have a thrust of 27 000 newtons, while a respectable power station might be rated at 650 MWatts. A photon rocket would have to be huge, perhaps moon-sized, to accommodate its reserves of propellant. Its acceleration would be sluggish, perhaps needing decades to reach near-light speeds.

The Large Magellanic Cloud is one of the closest galaxies to our own. A photon rocket spacecraft could reach there in 160 000 years. Thanks to relativity, the crew could still see the star-forming region NGC 2035 there in their lifetimes. (Image credit:ESO)

Photon rockets show up occasionally in science fiction. The earliest reference I know of is in the 1959 novel The Land of Crimson Clouds by Boris and Arkady Strugatsky, I have yet to read this work so I cannot comment on its realism. A few years later Stanislaw Lem used a photon rocket to propel a human starship in his remarkably foresighted novel of conflict with alien nanotechnology The Invincible (1964). A decade later the human starships in Larry Niven and Jerry Pournelle’s famous first-contact epic The Mote in God’s Eye (1974) used photon drives for sublight travel. However Niven and Pournelle’s fictional creations were powered by nuclear fusion and capable of accelerating multi-thousand tonne craft at multiple gees of acceleration, so have little in common with “real” photon rockets. Niven’s solo work, The Warriors (1966) which is part of his popular Known Space sequence, features the Angel’s Pencil, a slightly more credible photon drive starship capable of attaining 80% of lightspeed. The story famously demonstrates just how dangerous a photon rocket might be to other ships in its vicinity. However Niven seems to have had second or even third thoughts on photon drives, in later works, the Angel’s Pencil is said to have been propelled by a light-pressure drive (boosted by a laser system) or even as a Bussard ramjet . Into Infinity (1975) was a one-off TV movie from Gerry Anderson, featuring BRIAN BLESSED! (an actor famed for his loud declarations of dialogue) as the patriarch of a space-faring family enduring an incident-packed voyage on a photon-drive starship, the oddly-named Altares . This was probably a terrible movie but it made a great impression on me back in the day: the Altares was represented by a stunning model and the movie introduced me to the mysteries of special relativity and the Doppler effect. I would not be sitting here in the Planetarium today without the childhood inspiration from stories like that.

When you closely examine the feasiblity of photon rockets the concept falls apart. They require materials and techniques that may never exist in the real Universe and need outrageous resources and time to attain their amazing performance. Sadly, photon rockets appear to be forever an intriguing fantasy.

(If you are interested in the physics of photon rockets, see the paper at this link .)

(Article by Colin Johnston, Science Communicator, you can learn more about exotic space propulsion concepts at the wonderful Atomic Rockets site)


All the light moves

During its mission, the NEA Scout will perform at least one slow, close flyby—reducing speed to less than 22 mph (10 meters per second) and passing about half a mile above the asteroid’s surface.

That highlights another advantage of solar sails: They’re very maneuverable, sometimes outperforming conventional methods of propulsion.

Animation: New NASA Rocket Will Bring Tiny Satellites Into Space

The key to steering a sail—whether it’s in the Atlantic Ocean or in space—is to create an asymmetric thrust. There are various ways do this, using the celestial equivalents of masts and rigging. IKAROS had an electro-optic coating that went dark when voltage was applied, absorbing light instead of reflecting it. That made it possible to “tune” one part of the sail so that it got half as much solar push than the other side, causing the spacecraft to tip and tilt.

The NEA Scout will take a different approach, using a sliding mechanism that moves the CubeSat back and forth relative to the booms where the sail is deployed.

“If you imagine a Coke can and that's our spacecraft, and you put a piece of paper on top of it, flat on top, that's the sail,” says Johnson. “Then, you can imagine just physically sliding the piece of paper to the left and the right. That's what we're going to be doing.” Tilting the sail also makes it possible to adjust the speed.

The agility of solar sail spacecraft—coupled with the constant thrust from an inexhaustible supply of fuel—opens the door to some intriguing possibilities.

Let’s say you want to send a probe above the ecliptic plane of the solar system to study the north pole of the sun. In order to achieve the drastic change in direction and velocity—without using precious propellant—engineers would rely on a slingshot maneuver. “Right now, we’d have to send a spacecraft out to Jupiter for a gravity assist to get it out of the ecliptic plane and have a higher angle of orbit around the sun,” says Johnson. “With a sail, you can just kind of crank it up.”

Another potential application, closer to home, is a “pole sitting” satellite. At present, if you want a satellite to remain in a fixed position relative to a certain location on the ground—which is highly desirable for communications technology—your only option is to send it into geostationary orbit, 22,236 miles above the Earth and directly above the equator.

But with a sail, “you can go above the Earth's North or South Pole and orbit the sun at the same rate the Earth is orbiting the sun,” says Johnson. “To keep the Earth’s gravity from pulling you in, you tip the sail so that it’s thrusting upward all the time. That way, you appear motionless above the North or South Pole.”


LHAASO discovers a dozen PeVatrons and photons exceeding 1 PeV and launches ultra-high-energy gamma

China's Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO)--one of the country's key national science and technology infrastructure facilities--has found a dozen ultra-high-energy (UHE) cosmic accelerators within the Milky Way. It has also detected photons with energies exceeding 1 peta-electron-volt (quadrillion electron-volts or PeV), including one at 1.4 PeV. The latter is the highest energy photon ever observed.

These findings overturn the traditional understanding of the Milky Way and open up an era of UHE gamma astronomy. These observations will prompt people to rethink the mechanism by which high-energy particles are generated and propagated in the Milky Way, and will encourage people to explore more deeply violent celestial phenomena and their physical processes as well as test basic physical laws under extreme conditions.

These discoveries are published in the journal Narava on May 17. The LHAASO International Collaboration, which is led by the Institute of High Energy Physics (IHEP) of the Chinese Academy of Sciences, completed this study.

The LHAASO Observatory is still under construction. The cosmic accelerators--known as PeVatrons since they accelerate particles to the PeV range--and PeV photons were discovered using the first half of the detection array, which was finished at the end of 2019 and operated for 11 months in 2020.

Photons with energies exceeding 1 PeV were detected in a very active star-forming region in the constellation Cygnus. LHAASO also detected 12 stable gamma ray sources with energies up to about 1 PeV and significances of the photon signals seven standard deviations greater than the surrounding background. These sources are located at positions in our galaxy that can be measured with an accuracy better than 0.3°. They are the brightest Milky Way gamma ray sources in LHAASO's field of view.

Although the accumulated data from the first 11 months of operation only allowed people to observe those sources, all of them emit so-called UHE photons, i.e., gamma rays above 0.1 PeV. The results show that the Milky Way is full of PeVatrons, while the largest accelerator on Earth (LHC at CERN) can only accelerate particles to 0.01 PeV. Scientists have already determined that cosmic ray accelerators in the Milky Way have an energy limit. Until now, the predicted limit was around 0.1 PeV, thus leading to a natural cut-off of the gamma-ray spectrum above that.

But LHAASO's discovery has increased this "limit," since the spectra of most sources are not truncated. These findings launch an era for UHE gamma astronomic observation. They show that non-thermal radiation celestials, such as young massive star clusters, supernova remnants, pulsar wind nebulas and so on--represented by Cygnus star-forming regions and the Crab nebula--are the best candidates for finding UHE cosmic rays in the Milky Way.

Through UHE gamma astronomy, a century-old mystery---the origin of cosmic rays--may soon be solved. LHAASO will prompt scientists to rethink the mechanisms of high energy cosmic ray acceleration and propagation in the Milky Way. It will also allow scientists to explore extreme astrophysical phenomena and their corresponding processes, thus enabling examination of the basic laws of physics under extreme conditions.

LHAASO and Its Core Scientific Goals

LHAASO is a major national scientific and technological infrastructure facility focusing on cosmic ray observation and research. It is located 4,410 meters above sea level on Mt. Haizi in Daocheng County, Sichuan Province. When construction is completed in 2021, LHAASO's particle detector arrays will comprise 5,195 electromagnetic particle detectors and 1,188 Muon detectors located in the square-kilometer complex array (KM2A), a 78,000 m2 water Cherenkov detector array (WCDA), and 18 wide-field-of-view Cherenkov telescopes (WFCTA). Using these four detection techniques, LHAASO will be able to measure cosmic rays omnidirectionally with multiple variables simultaneously. The arrays will cover an area of about 1.36 km2.

LHAASO's core scientific goal is to explore the origin of high-energy cosmic rays and study related physics such as the evolution of the universe, the motion and interaction of high-energy astronomical celestials, and the nature of dark matter. LHAASO will extensively survey the universe (especially the Milky Way) for gamma ray sources. It will precisely measure their energy spectra over a broad range--from less than 1 TeV (trillion electron-volts or tera-electron-volts) to more than 1 PeV. It will also measure the components of diffused cosmic rays and their spectra at even higher energies, thus revealing the laws of the generation, acceleration and propagation of cosmic rays, as part of the exploration of new physics frontiers.

PeVatrons and PeV Photons

The signal of UHE photons around PeVatrons is so weak that just one or two photons at PeV energy can be detected using 1 km2 of detectors per year even when focusing on the Crab Nebula, known as the "standard candle for gamma astronomy." What's worse, those one or two photons are submerged in tens of thousands of ordinary cosmic rays. The 1,188 muon detectors in LHAASO's KM2A are designed to select photon-like signals, making LHAASO the most sensitive UHE gamma ray detector in the world. With its unprecedented sensitivity, in just 11 months, the half-sized KM2A detected one photon around 1 PeV from the Crab Nebula. In addition, KM2A found 12 similar sources in the Milky Way, all of which emit UHE photons and extend their spectra continuously into the vicinity of 1 PeV. Even more important, KM2A has detected a photon with energy of 1.4 PeV--the highest ever recorded. It is clear that LHAASO's scientific discoveries represent a milestone in identifying the origin of cosmic rays. To be specific, LHAASO's scientific breakthroughs fall into the following three areas:

1) Revealing the ubiquity of cosmic accelerators capable of accelerating particles to energies exceeding 1 PeV in the Milky Way. All the gamma ray sources that LHAASO has effectively observed radiate photons in the UHE range above 0.1 PeV, indicating that the energy of the parent particles radiating these gamma rays must exceed 1 PeV. As a matter of convention, these sources must have significances of photon signals five standard deviations greater than the surrounding background. The observed energy spectrum of these gamma rays has not truncated above 0.1 peV, demonstrating that there is no acceleration limit below PeV in the galactic accelerators.

This observation violates the prevailing theoretical model. According to current theory, cosmic rays with energies in the PeV range can produce gamma rays of 0.1 PeV by interacting with surrounding gases in the accelerating region. Detecting gamma rays with energies greater than 0.1 PeV is an important way to find and verify PeV cosmic ray sources. Since previous international mainstream detectors work below this energy level, the existence of PeV cosmic ray accelerators had not been solidly confirmed before. But now LHAASO has revealed a large number of PeV cosmic acceleration sources in the Milky Way, all of which are candidates for being UHE cosmic ray generators. This is a crucial step toward determining the origin of cosmic rays.

2) Beginning an era of "UHE gamma astronomy." In 1989, an experimental group at the Whipple Observatory in Arizona successfully discovered the first object emitting gamma radiation above 0.1 TeV, marking the onset of the era of "very-high-energy" gamma astronomy. Over the next 30 years, more than 200 "very-high-energy" gamma ray sources were discovered. However, the first object emitting UHE gamma radiation was not detected until 2019. Surprisingly, by using a partly complete array for less than a year, LHAASO has already boosted the number of UHE gamma ray sources to 12.

With the completion of LHAASO and the continuous accumulation of data, we can anticipate to find an unexplored "UHE universe" full of surprising phenomena. It is well known that background radiation from the Big Bang is so pervasive it can absorb gamma rays with energies greater than 1 PeV. Even if gamma rays were produced beyond the Milky Way, we wouldn't be able to detect them. This makes LHAASO's observational window so special.

3) Photons with energies greater than 1 PeV were first detected from the Cygnus region and the Crab Nebula. The detection of PeV photons is a milestone in gamma astronomy. It fulfills the dream of the gamma astronomy community and has long been a strong driving force in the development of research instruments in the field. In fact, one of the main reasons for the explosion of gamma astronomy in the 1980s was the challenge of the PeV photon limit. The star-forming region in the direction of Cygnus is the brightest area in the northern territory of the Milky Way, with a large number of massive star clusters. Massive stars live only on the order of one million years, so the clusters contain enormous stars in the process of birth and death, with a complex strong shock environment. They are ideal "particle astrophysics laboratories," i.e., places for accelerating cosmic rays.

The first PeV photons found by LHAASO were from the star-forming region of the constellation Cygnus, making this area the best candidate for exploring the origin of UHE cosmic rays. Therefore, much attention has turned to LHAASO and multi-wavelength observation of this region, which could offer a potential breakthrough in solving the "mystery of the century."

Extensive observational studies of the Crab Nebula over the years have made the celestial body almost the only standard gamma ray source with a clear emission mechanism. Indeed, precise spectrum measurements across 22 orders of magnitude clearly reveal the signature of an electron accelerator. However, the UHE spectra measured by LHAASO, especially photons at PeV energy, seriously challenge this "standard model" of high-energy astrophysics and even the more fundamental theory of electron acceleration.

LHAASO has developed and/or improved: 1) clock synchronization technology over long distances that ensures timing synchronization accuracy to the sub-nanosecond level for each detector in the array 2) multiple parallel event trigger algorithms and their realization, with the help of high-speed front-end signal digitization, high-speed data transmission and large on-site computing clusters and advanced detection technologies include 3) silicon photo multipliers (SiPM) and 4) ultra-large photocathode micro-channel plate photomultiplier tubes (MCP-PMT). They are being employed at LHAASO on a large scale for the first time. They have greatly improved the spatial resolution of photon measurements and lowered the detection energy threshold. These features allow detectors to achieve unprecedented sensitivity in exploring the deep universe at a wide energy range. LHAASO provides an attractive experimental platform for conducting interdisciplinary research in frontier sciences such as atmosphere, high-altitude environment and space weather. It will also serve as a base for international cooperation on high-level scientific research projects.

History of Cosmic Ray Research in China

Cosmic ray research in China has experienced three stages. LHAASO represents the third generation of high-altitude cosmic ray observatories. High-altitude experiments are a means of making full use of the atmosphere as a detector medium. In this way, scientists can observe cosmic rays on the ground, where the size of the detector can be much larger than in a space-borne detector outside the atmosphere. This is the only way to observe cosmic rays at very high energy.

In 1954, China's first cosmic ray laboratory was built on Mt. Luoxue in Dongchuan, Yunnan Province, at 3,180 meters above sea level. In 1989, the Sino-Japanese cosmic ray experiment ASg was built at an altitude of 4,300 meters above sea level at Yangbajing, Tibet Autonomous Region.

In 2006, the joint Sino-Italian ARGO-YBJ experiment was built at the same site.

In 2009, at the Xiangshan Science Forum in Beijing, Professor CAO Zhen proposed to build a large-scale composite detection array (i.e., LHAASO) in a high-altitude area. The LHAASO project was approved in 2015 and construction began in 2017. By April 2019, construction was 25% complete and scientific operation had begun. By January 2020, an additional 25% had been completed and put into operation. In December of the same year, 75% of the facility had been completed. The entire facility will be completed in 2021. LHAASO has already become one of the world's leading UHE gamma detection facilities, and will operate for a long time. With it, scientists will be able to study the origin of cosmic rays from many aspects.

Izjava o omejitvi odgovornosti: AAAS in EurekAlert! ne odgovarjamo za točnost sporočil za javnost, objavljenih na EurekAlert! s prispevanjem institucij ali za uporabo kakršnih koli informacij prek sistema EurekAlert.


Poglej si posnetek: Predsednik vlade Janez Janša gost AmCham Poslovnega zajtrka (December 2022).