På stjernekig med Superman

Højenergi-astrofysik Kristian Pedersen Astronomisk Observatorium www.astro.ku.dk/~kp

X- og gamma-astrofysik Hvad er højenergi-astrofysik? Hvad kan X- og gamma-astrofysik lære os om Universet? Hvordan bygger man en X- og en gamma-”kikkert”? Hvad kan man se på X- og gamma-himlen? X- og gamma-astrofysik i Danmark

Astrofysikere bruger hele spektret Temp. i grader Mikrobølger -200 Varmestråling 0 Solens overflade 5000 Varm gas 100.000 MEGET varm gas 1 mio. Kerneprocesser 1 mia. Astrofysikere bruger hele spektret

Ex.: Krabbetågen ”Tåge” opdaget i optisk Pulsar opdaget i radio IR: Kold gas og støv X: Energirige partikler

Atmosfæren stopper X- og gamma-stråling

X- og gamma- astrofysik må ske fra rummet Banen for europæiske XMM-Newton

X- og gamma-astrofysik: ABC Kosmisk X-stråling: E = 0.1 keV ->100 keV (125Å-0.125Å) - Temp > 1 mio. K: Meste energi udsendes i X- området (termisk stråling) - Områder med kraftigt magnet felt (synchrotronstråling) Kosmisk gamma-stråling: E > 100 keV - Kerneprocesser

X- og gamma- astrofysik: Fordele Nogle objekter udsender næsten kun X-stråling (varm gas i galaksehobe) Nogle objekter opdaget i X-stråling (sorte huller) X-himlen er meget variabel (Hård) X-stråling trænger gennem tæt gas => Kan se ind til ”skelettet i galakser” Får billede, spektrum og lyskurve i ét hug!

X-data ”Getting it all in one go” Billede Spektrum Lyskurve

X- og gamma-astrofysik: Udfordringer X- og gamma-stråling svær at fokusere: Teleskoper har lille lyssamlende areal – eller dårlig rumlig opløsning Atmosfæren absorberer kosmisk X- og gamma-stråling Observationsbetingelser i bane omkring Jorden er meget variable (”rumvejr”) X- og gamma-stråling fra et objekt giver typisk 1000 gange færre fotoner end i synligt lys: X-data mere ”støjfyldte”

X-emission Bremsestråling: Optisk tynd, varm plasma Emissivitet Integreret over energibånd

X-emission Linier Flourescens

Bremsestråling + linier Termisk X-emission Bremsestråling + linier

Synchrotronstråling: Relativistiske e- i B-felt X-emission Synchrotronstråling: Relativistiske e- i B-felt Intensitet

Synchrotron-stråling Centaurus A En aktiv galakse Spectrum of jet

X-stråling: Absorption Fotoelektrisk absorption X-absorption i Mælkevejens interstellare medium

MeV energier => Kerneprocesser Gamma-emission MeV energier => Kerneprocesser

0.511 MeV emission fra Mælkevejens centrum e-,e+ annihilation 0.511 MeV emission fra Mælkevejens centrum

Gamma-teleskoper Hulkamera Kodet maske Gamma-stråling kan ikke fokuseres => Kollimator + maske

Gamma-teleskoper: Karakteristika Komplekst at ”rekonstruere” billede fra interferensmønster Høj baggrund (fra hele synsfeltet) Rumlig opløsning: 1’-10’ Synsfelt: Adskillige grader Afvejning mellem (i) Mange og store huller i maske => mange fotoner men skidt rumlig opløsning (ii) Få og små huller i maske => få fotoner men god rumlig opløsning Godt til at studere tidsudvikling af klare kilder Skidt til at studere svage kilder og kilder tæt på hinanden

JEM-X på INTEGRAL (5-30 keV) Gamma-teleskoper JEM-X på INTEGRAL (5-30 keV)

X- og gamma- detektorer Princip: Omsætte indkommende foton til ”noget måleligt” (+skærme/diskriminere ”støjfotoner”) CCD: Foton omsættes til elektron/hul par i halvleder Gasdetektor: Ionisering => elektron Scintillationsdetektor: Foton omsættes til lysglimt (i f.eks. NaI krystal) som måles med fotomultiplikator Kalorimeter: Foton afsætter varme i absorber, måles med ”termometer” Valg af detektor afh. af: Energibånd, energiopløsning, rumlig opløsning,…

X- og gamma- detektorer Proportional tæller (ionisering): Photoelektrisk absorption af foton i gas => elektron, kaskade af elektroner vha. forstærkning => målbar strøm Net af wires registrerer position, antal målte elektroner giver energy

INTEGRAL: IBIS teleskop (15 keV – 10 MeV) Gamma-teleskoper INTEGRAL: IBIS teleskop (15 keV – 10 MeV) Lav-energetisk gamma-stråling Høj-energetisk gamma-stråling Check for baggrund

INTEGRAL billeder af Cyg X-1 Gamma-teleskoper INTEGRAL billeder af Cyg X-1

INTEGRAL billede af Mælkevejens centrale dele Gamma-teleskoper INTEGRAL billede af Mælkevejens centrale dele

Fokusering af X-stråler X-kikkerter Fokusering af X-stråler

XMM-Newton: Fokusering

XMM-Newton: Kameraer

Chandra og XMM-Newton Chandra XMM Very Large Telescope Hubble Space Telescope

Fluorescens fra overfladestøv Månen Fluorescens fra overfladestøv

Fluorescens i iltatomer 120 km over overflade Mars Fluorescens i iltatomer 120 km over overflade

Solen: Klarest på X-himlen Solen 1992 11 års cyklus

X-stjerner Stof bevæger sig med nær lysets hastighed tæt på sorte hul. Opvarmning pga. gnidning

Røntgenhimlen

X-himlen Der er kun ca. 20 ”røntgenstjerner” på X-himlen at se med ”blotte øje” ”Røntgenstjerner” varierer kraftigt på tidsskalaer fra brøkdele af et sekund til flere år => Specielle betingelser for at få X-emission, og det sker kun ”kort” tid

Supertunge sorte huller

Supertunge sorte huller Model Centaurus A (Chandra)

Supertunge sorte huller

Supertunge sorte huller: X-spektre

Galaksehobe Galaksehobe er de største ”byggeklodser” i Universet: Indeholder fra få - til tusinder af galakser Galaksehobe indeholder det meste af det lysende stof i Universet X-observationer af galaksehobe: - Skoldhed gas mellem galakserne: Vejning af galaksehobe, dynamik i galaksehobe - Strukturdannelse på største skala: Hvordan dannes de? - Følsomme for Universets geometri og udvidelse

Coma galaksehoben

Galaksehobe: X-spektre Model Observation

Galaksehobe: Vejning Komponent Brøkdel af total masse Galakser 5% Varm gas 25% Mørkt stof 70%

Dynamik i galaksehobe ”Bullet” cluster

X-stråling fra invers compton? Fjerne galaksehobe X-stråling fra invers compton?

Gamma-glimt

Gamma-glimt

Gamma-glimt:”X-efterglød”

Gamma-glimt: Eksplodernde stjerner? Animation 1 Animation 2 Jet animation

Chandra Deep Field 1 mio. sekunder

Lockman hole

Objects on the X-ray sky The Moon 1012 erg/s The Sun 1026 erg/s Active stars 1033 erg/s X-ray binary stars (Sco X-1) 1037 erg/s Normal spiral galaxy (M31) 1039 erg/s Normal elliptical galaxy 1041 erg/s Seyfert galaxy 1044 erg/s Group of galaxies 1042 erg/s Cluster of galaxies 1044 erg/s Gamma ray burst 1050 erg/s

X- og gamma- perspektiver Guldalder først lige begyndt… Chandra (NASA) XMM-Newton (ESA) INTEGRAL (ESA) HETE II (NASA) RXTE (NASA) Swift (NASA) Astro-E (Japan)

X- og gamma- ressourcer HEASARC arkivet: Offentligt, data fra stort set alle højenergimissioner, s/w,… XMM-Newton arkivet: Data fra XMM SkyView + andre: Multibølgelængdearkiver, inkl. X-, gamma- kataloger Xcosmos i København for links mv.

A223 X- og gamma-projekter Kig på arkiv data for dit favoritobjekt og sammenlign med andre bølgelængder X-morfologi af galaksehobe X-lyskurve for gamma-glimt … Kom selv med flere ideer!