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ASTROFÍSICA ESPACIAL Jesús Martín-Pintado Martín Observatorio Astronómico Nacional Necesidad del espacio en astrofísica Requerimientos técnicos.

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Presentación del tema: "ASTROFÍSICA ESPACIAL Jesús Martín-Pintado Martín Observatorio Astronómico Nacional Necesidad del espacio en astrofísica Requerimientos técnicos."— Transcripción de la presentación:

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2 ASTROFÍSICA ESPACIAL Jesús Martín-Pintado Martín Observatorio Astronómico Nacional Necesidad del espacio en astrofísica Requerimientos técnicos Exploración del sistema solar Más allá del sistema solar: Telescopios espaciales

3 Herramientas para el estudio del Universo Radiación electromagnética Rayos Cósmicos Sondas Análisis de muestras in situ Toma de muestras y retorno a la tierra Necesidad del espacio en astrofísica Parcialmente desde la Tierra ==> Satélites Exploración espacial

4 Energía en forma de ondas electromagneticasEnergía en forma de ondas electromagneticas viajando a la velocidad de la luz viajando a la velocidad de la luz Energia de la radiación <> longitud de ondaEnergia de la radiación <> longitud de onda Radiación electromagnética

5 Visible: K : estrellas, planetas y nebulosas calientes UV: K : estrellas calientes, supernovas Rayos X: K : supernovas, cúmulos de galaxias, discos de acrección en agujeros negros Rayos gamma: > 10 8 K : discos de acrección en agujeros negros, aniquilación materia-antimateria,... Radio: < 1 K-10 2 K: materia fria y electrones energéticos IR: K : polvo caliente, planetas, estrellas frías

6 Universo en todo su explendor Necesita observar todo el espectro electromagnético !PROBLEMA: LA ATMOFERA! Absorción:Absorción: Radio, IR, UV, rayos X y GammaRadio, IR, UV, rayos X y Gamma Perdida de :Perdida de : nitidez nitidez precisión precisión Tamaño TierraTamaño Tierra

7 En general la resolución angular depende de: Longitud de onda /diámetro telescopio ==>Visible, IR e incluso radio la resolución depende de la atmósfera para diametros > 20 cm (VeR) de la atmósfera para diametros > 20 cm (VeR) Afecta : telescopios e interferometrosAfecta : telescopios e interferometros El vapor de agua atmosférico afecta la observación: ==>Imposilidad de medir variaciones de brillo pequeñas Afecta: sismologia de estrellas y radiación de fondoAfecta: sismologia de estrellas y radiación de fondo Tamaño de la Tierra: ==>Limita el tamaño de los interferometros Afecta: Estudios de muy alta resolución angularAfecta: Estudios de muy alta resolución angular

8 Requerimientos técnicos especificos El espacio es ideal para instalar los telescopios ¿en el futuro en la luna? Viabiliadad limitada debido a Masa del sateliteMasa del satelite Consumo de energíaConsumo de energía Resistencia a la aceleración del lanzamientoResistencia a la aceleración del lanzamiento Resistencia al bombardeo de Rayos CósmicosResistencia al bombardeo de Rayos Cósmicos Contaminación del espacioContaminación del espacio Velocidadad de las sondas limitadasVelocidadad de las sondas limitadas Capacidad de recogida de muestras limitadaCapacidad de recogida de muestras limitada Laboratorios muy especificos para análisisLaboratorios muy especificos para análisis ….….

9 Lanzadores a orbita geoestacionaria UE:Ariane kg EEUU: Titan kg Rusia: Zenit kg Japón:H-II 4000 kg China:CZ3B 4800 kg Coste: Mpts Ariane 5

10 Energía Habitualmente: paneles solares y baterias Gran limitación de potencia por tamaño y peso y distancia al sol Sondas a los planetas exteriores: energia nuclear Generadores termoeléctricos de isotopos radiactivos Ni fusión ni fisión. Plutonio 238 Usados en 23 misones desde 1961 Voyager 1-2: 30 Kg: 470 w a 30 volt (ahora 315 y 319 w) Voyager 1-2: 30 Kg: 470 w a 30 volt (ahora 315 y 319 w) Cassini : 33 Kg: 870 w a 30 volt Cassini : 33 Kg: 870 w a 30 volt Accidente en 1996 Mars96 con 270 gr

11 Velocidad de las sondas limitadas Voyager 1 a Mkm viajando a km/hora Voyager 2 a Mkm viajando a km/hora Estrella más próxima a Mkm Necesidad de aprovechar: Empuje gravitatorioEmpuje gravitatorio Estudios de varios objetosEstudios de varios objetos Ulises

12 La sonda Galileo es un buen ejemplo Graspa Ida +luna VenusTierra Cometa SL-9 Sonda Volcan en Io a 200 km

13 Futuro: recogida de muestras y analisis en la Tierra en laboratorio específicos La sonda americana STARDUST sobrevolarán el cometa P/Wild2 en enero de 2004 tomará material de la coma para su análisis en la Tierra. La capsula regresará a la Tierra en enero de 2006 Nurses C (2002) La sonda japonesa Nurses C (2002) traerá material de la superficie de un asteroide

14 Exploración del sistema solar: Historia ObjetoSondaPaísAcciónAño TierraSputnik1URSSOrbita1957 Luna Luna1URSS vuelo1959 SolPioneer5EEUU Vuelo 1959 MercurioMariner10EEUUVuelo1973 VenusVenera1URSSVuelo1961 MarteMariner4EEUUVuelo1977 JupiterVoyager1EEUUVuelo 1977 SaturnoVoyager1EEUUVuelo 1977 UranoVoyager2EEUUVuelo 1977 NeptunoVoyager2EEUUVuelo 1977 Plutón Pluto/KuiperEEUUVuelo2004* AsteroideGalileoEEUU/UEVuelo1989 HalleyGiottoUEVuelo1985

15 Mercurio Mariner10 : Primer sistema para tomar imágenes Mariner10 : Primer sistema para tomar imágenes imágenes 57% del planeta imágenes 57% del planeta. -Temperatura :-183 a 187 dia/noche -Temperatura :-183 a 187 dia/noche -Campo magnético débil -Campo magnético débil -Sin traza de atmósfera -Sin traza de atmósfera -Mayor densidad que la esperada -Mayor densidad que la esperada -Superfice con cráteres (agua en polos) -Superfice con cráteres (agua en polos) Futuro : MESSENGER Futuro : MESSENGERHierroLavaCráteres

16 Venus:Mariner2Venera4,5,6Verea7,8Mariner10Venera9,10Pioneer12 Venera14, 15 Venera16Vega1,2Magellan Temperatura superficie 425ºC Sonda atmos. :CO2: 95%, N:3%, O: <4% Aterrizaje en 1970, 475ºC y 95 bares Circulación atmósfera Fotos b/n de la superficie Fotos b/n de la superficie Imágenes de calidad: actividad volcánica Análisis del suelo: rocas raras, fondo del mar Imágenes polo norte (1-2 km de resolución) Imágenes polo norte (1-2 km de resolución) Globos para análisis de vientos Imagen de radar del 99% de la superficie Imagen de radar del 99% de la superficie Venera 9 Magellan ( m) Total enviadas: 25. Éxito: sólo 22!!!

17 MarteMariner4,6,7Mars3Mariner9Viking1,2 Mars Global Surv. Mars Pathfinder En ruta: Futuro: Total enviadas: 30. Éxito: sólo 6!!! Fotos superficie, CO2, 5-10 bares, B Pimer aterrizaje Primer satélite en órbita. Canales Aterizaje, busqueda de vida. Vistas Vehículo. Analisis rocas y vientos Nozomi (2003), 2001 Mars Odysses Mars exploration, Mars express (UE) Corrientes de agua líquida Corrientes agua Hielo polo ¿Vida?

18 JupiterPioneer10,11Voyager1,2Galileo Imágenes particulas cargadas y campo B Dinámica atmosférica, relampagos, 3 nuevos satélites, anillos, Io vulcanismo Sonda Voyager Galileo

19 SaturnoPioneer11Voyager1,2Futuro:Ver 1000 anillos y 7 satélites. Aspecto raro de los anillos Cassini/Huygens (Saturno+ Titan) EEUU/UE

20 UranoVoyager2NeptunoVoyager2Plutón Eje magnetico más inclinado que rotación Canales de hielo en Ariel y Miranda. 10 satélites y un anillo Meteorología muy activa. 2anillos y 6 satélites Pluto/Kuiper Express (2004) UranoNeptuno Plutón

21 AsteroidesGraspaIdaMatildeBrailleErosFuturo: NEAR. NEAR Galileo. Galileo. Deep Space1. Nurses C (Japón, 2002), NEAP (EEUU,2002) Posado en la superficie Feb 2001 Graspa 5000 km Luna de Ida Eros 1150 m Eros 120 m

22 CometasGiacobini-ZHalleyHalleyHalleyCrigg-SkjellerupHyakutakeBorrellyFuturo: Sakigake, Suesui Giotto International Sun-Earth Explorer Vega1,2 Giotto NEAR Deep Space 1 Stardust y CONTOUR (USA) ROSSETA UE (2 sondas al nucleo) Núcleo del cometa Giotto Halley

23 SolPioneer5-9SkyLab Explorer 49 Helios1 Slar Maximum M. YohkohHelios2SOHOFuturo: En orbita lunar Fulguraciones solares Sondas imágenes A 47 Mkm del sol Radiación altas energías 43 Mkm del sol Desde el interior hasta corona Genesis Fotofera Cromosfera Corona Yohkoh

24 SOHO Plataforma con 12 instrumentos a 1.5 Mkm Movimientos internos Actividad: manchas

25 SOHO Ondas sísmicas Corona: campo mag. Evolución eyección coronal Origen viento solar

26 SOHO Enguyendo 2 cometas Nube alrededor Hale-Bopp Origen viento solar

27 Telescopios espaciales Rayos Gamma Rayos X UltravioletaOpticoInfrarrojoRadioAstrometría Energías mayores que 20 keV Energías de 1 a 20 keV Longitudes de onda de 100 a 2000 A Longitudes de onda de 2 a 60 micras Longitudes de onda A Óptico Longitudes de onda >40 micras

28 Predichos antes de su detección Procesos que generan emisión en rayos gamma Colisión particulas de muy alta energia Espectro con E>72 keV Aniquliación particula-antiparticula Electron-positrrón linea a 511 KeV Decaimiento radiativo isotopos radiactivos: Lineas: Al XX a 1.08 MeV Aceleración de partículas cargadas Campo mágnetico: sincrotrón (electrones) Campo electrostático: bremsstrahlung Rayos Gamma

29 Observación del Universo más energético Primera detección en 1960 (GloboXXX)Primera detección en 1960 (GloboXXX) Prime satélite Explorer XI en 1961Prime satélite Explorer XI en 1961 –Detectó 22 fuentes en todas direcciones ===> Interacción de Rayos Cósmicos con la materia Finales de los 60: Descubrimiento Espectacular Finales de los 60: Descubrimiento Espectacular Constelación de satélites Vela (pruebas nucleares) Constelación de satélites Vela (pruebas nucleares) Detectaron destellos de Rayos Gamma del Universo Detectaron destellos de Rayos Gamma del Universo Los eventos más energéticos del Universo Los eventos más energéticos del Universo Después de más de 30 años son un misterios

30 Observatorios en Rayos Gamma Objetos en los que se detecta emision en rayos gamma OSO-3 (1967) SAS2 (1972) COS-B (1975) CGRO (1991) Confirmo el descubrimeto??? Primer mapa completo del Universo Poca resolución angular Detcción de ….. Explosiones de supernovas, estrellas de neutrones, pulsares agujeros negros y galaxias activas y destellos rayos gamma. Nucleosintesis en SN

31 Rayos X Descubiertos en 1895 por Wilhelm Conrad RöetgenDescubiertos en 1895 por Wilhelm Conrad Röetgen Primera detección de su emisión en el espacio en 1969Primera detección de su emisión en el espacio en 1969 Cohete detectó una fuente muy intensa en Scorpius X1 OSO-3 detectó un destello en de rayos X en esta fuente Uhuru 1970 Ariel5, SAS-3 OSO-8 y HEAO1 Ariel5, SAS-3 OSO-8 y HEAO1 Dedicada sólo rayos X. Mapa completo 334 fuentes. Estrellas binarias (accrección de materia), supernovas, galaxias activas galaxias activas Sisteam binarios medida de la masa estrellas neutrones y agujeros negros. Pulsares en rayos X. Nucleos activos materia ultrarelativista alrededor de agujeros negros supernasivos

32 The High-z Universe End of the Dark Ages:z ~ (?) End of the Dark Ages:z ~ (?) Resolution:0.1 arcsec ~ 1 kpc (z=1) Resolution:0.1 arcsec ~ 1 kpc (z=1) Identify: Identify: pregalactic structures pregalactic structures competition between mergers and galaxy winds (size, mass distributions) competition between mergers and galaxy winds (size, mass distributions) distribution of luminous matter w.r.t. dark matter potentials distribution of luminous matter w.r.t. dark matter potentials

33 The High-z Universe cm HI out of equilibrium with CBR 2. Earliest star bursts (synchrotron) 3. Early CO (z > 4.2 for 1 0, 8.4 for 2 1) HI Column Densities: cm -2 Typical L* galaxy to z~2 ~ 10 5 galaxies / deg 2 rotation curves to z~1 CO: L* to z~20 (should they exist!) Detectability:

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35 The High-z Universe (2) Other High-z Science: Large scale structure studies Gravitational lensing of large samples Weak-lensing studies of dark matter distns. Tests of the unified AGN model and routine polarization mapping (m.a.s. and larger) Megamasers to z~2 (OH) and z~0.15 (H 2 O) to track merger activity.

36 TRANSIENT SOURCES Sky Surveys: The X-and- -ray sky has been monitored highly successfully with wide FOV detectors The X-and- -ray sky has been monitored highly successfully with wide FOV detectors (e.g. RXTE/ASM, CGRO/BATSE). The transient radio sky (e.g. t < 1 month) is largely unexplored. New objects/phenomena are likely to be discovered as well as the predictable classes of objects.

37 TRANSIENT SOURCES (2) TARGET OBJECTS: Neutron star magnetospheres Accretion disk transients (NS, blackholes) Supernovae Gamma-ray burst sources Brown dwarf flares (astro-ph/ ) Planetary magnetospheres & atmospheres Maser spikes ETI

38 TRANSIENT SOURCES (3) Certain detections: Analogs to giant pulses from the Crab pulsar out to ~5 Mpc Flares from brown dwarfs out to at least 100 pc. GRB afterglows to 1 µJy in 10 hours at 10. Possibilities: -ray quiet bursts and afterglows? -ray quiet bursts and afterglows? Intermittent ETI signals? Intermittent ETI signals? Planetary flares? Planetary flares?

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40 OBSERVABLE DISTANCES OF CRAB PULSARS GIANT PULSES

41 Methods with the SKA I. Target individual SNRs in galaxies to 5-10 Mpc II. Blind Surveys: trade FOV against gain by multiplexing SKA into subarrays. III. In all cases, exploit coincidence tests to ferret out RFI

42 Milky Way Census Targets: Targets:Molecular cloud regions YSOs, jets Main sequence stars (thermal!) Evolving & evolved stars Full Galactic Census Full Galactic Census: microquasars radio pulsars (P-DM searches, SKA-VLBI astrometry) SNR-NS connections (SGRs, magnetars, etc.)

43 Surveys with Parkes, Arecibo & GBT. Simulated & actual Yield ~ 2000 pulsars.

44 SKA pulsar survey 600 s per beam ~10 4 psrs

45 Pulsar Yield Up to 10 4 pulsars (~10 5 in MW, 20% beaming) NS-NS binaries (~ 100, merger rate) NS-BH binaries (?) Planets, magnetars etc. Pulsars as probes of entire Galaxy: spiral arms pulsar locations vs. age electron density map (all large HII regions sampled) magnetic field map from Faraday rotation turbulence map for WIM (warm ionized medium)

46 Solar System Inventories: KBOs & Tracking NEOs Thermal detection of KBOs out to 100 AU (> 350 km) SKA needs to go to ~20 GHz Orbital elements of NEOs (>200m): SKA as receiver element of bistatic radar configuration

47 The Main Technology Challenges 1. Cost per unit A e / T sys –Arecibo (~$150M) $3G –EVLA I (~$200M) $15G Need to reduce costs to < $1G ( 5 to 15) Need to reduce costs to < $1G ( 5 to 15)

48 The Main Technology Challenges 2. Fully digital solutions to 2. Fully digital solutions to: – –sampling – –beam forming – –RFI rejection – –signal processing real time post processing Concept studies + Moores Law Concept studies + Moores Law

49 The Main Technology Challenges 3. Promoting & Maintaining radio-quiet sites. Campaigning & working with governmental and international agencies and industry. Campaigning & working with governmental and international agencies and industry.

50 The Main Technology Challenges 4. Operations & Data Management of a highly multiplexed, wide-bandwidth instrument. Automated operations, large-scale data mining and storage. Automated operations, large-scale data mining and storage.

51 Future Timeline (1) 2001White Paper to NSF for technology development ( 2006) 2002Prioritized science goals (international) Design requirements SKA Management Plan established 2003Strawman designs Site requirements 2005Design Choice Site selection

52 Future Timeline (2) :Prototype array(s) 2010SKA construction begins 2015 Completion


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