Najnovšie Technológiev službách JEM-EUSO

Porovnanie JEM-EUSO s najväčšími pozemnými observatóriami

Fresnelová šošovka #2

AGASA

HiResAuger

Telescope Array

JEM-EUSO

Organizácia

Tókijská Univerzita

Univerzita v Utahu

Medzinárodné
konzorcium

Tókijská Univerzita
a Univerzita v Utahu

Medzinárodné
konzorcium

MiestoYamanashi, Japonsko

Utah, USA

ArgentínaUtah, USA

Medzinárodnávesmírna stanica

Typ detektorov

Pozemná sieťDoba prevádzky

1990~2004

1997~2006

2005~

2007~

Vypustenie očakávanév 2013

150500~7,000760125,000

50 (očakávané),
3 (pozorované)

10 (očakávané)

350 – 1,700(očakávané)Elektronika

Presné Fresnelove šošovkyPodpora pre ohniskovú plochu
Clona

Efektívna apertúra(km2∙sr)
Detektory ohniskovej plochyVýskyt EHE udalostí(počet/rok)Fresnelove šošovkyFresnelová šošovka #1

Realizácia širokého zorného poľa pri
nízkej hmotnostiZloženie

JEM-EUSO teleskop používa Fresnelove šošovky. Fresnelovašošovka je poloplochá šošovka, ktorá má kruhové drážky, ktoré
eliminujú veľkú hmotnosť štandardných konvektívnych akonkávnych šošoviek. Tenkosť a ľahkosť Fresnelovej šošovky je
nevyhnutnou podmienkou jej vuyžitia vo vesmíre, pričom ponúka
rovnaké optické funkcie ako hrubé a ťažké šošovky. JEM-EUSO
používa dve zakrivené obojstranné Fresnelove šošovky z UV
priepustného plastu a jednu mikromriežkovú Fresnelovu šošovku.
Tento dizajn umožňuje najvyššiu účinnosť širokého zorného poľa.
Veľkosť trojitej šošovky je 2.5 m v priemere, zložený zo stredovej
1.5 m časti a kruhového povrchu prstencových šošoviek.

2.26m

Detektoryohniskovej plochy
6,000 fotonásobičov

Ohnisková plocha je zakrivená spriemerom 2.26 m. 6000 1-palcovýchštvorcových multianódových rúriek
fotonásobičov (PMTs) detektuje svetlo
z rôznych miest v zemskej atmosfére.
Predchádzajúce fotonásobiče (PMTs)
mali obmedzenú fotosenzitívnu
plochu približne 45%. JEM-EUSO aHamamatsu Photonics spoločne
vyvinuli fotonásobiče (PMTs), ktoré
majú účinnú plochu 85%.

Pozostáva zo 164 modulov
a celkového počtu 5,904
PMT fotonásobičov.

t

Svetlocitlivý

JEM-EUSO misia
Výškaokolo 400km

Počet pixelov ohniskového povrchu

okolo 0.2 miliónov

Pozorovacia dĺžka a šírka

N51°- S51° × všetky dĺžkyRozlíšenie na zemi

okolo 0.8 km

Zorné pole

60°Strieda

12~25%

Apertúra (pozemná plocha)

0.2 miliónov km2

Trvanie misie

3 (+2) rokov

Priemer teleskopu

2.5 m

Celková hmotnosť

~1.9 ton

Optický Systém

Dve zakrivené obojstranné Fresnelove šošovky a vysoko-presné Fresnelove šošovkyPríkon< 1kW

Medzinárodní Partneri
Japonsko

RIKEN Konan Univ. Fukui Tech. Univ. Aoyama Gakuin Univ. Saitama Univ. NIRS Univ. TokyoTohoku Univ. ICRR, Univ. Tokyo KEK Chiba Univ. NAOJ ISAS/JAXA Kanazawa Univ. Nagoya Univ.
STE Lab., Nagoya Univ. Yukawa Inst., Kyoto Univ. Kyoto Univ. Kobe Univ. Kinki Univ. Hiroshima Univ.
Hokkaido Univ Tokyo Inst. Tech.

USA

NASA/MSFC UAH LBL, UCB UCLA Vanderbilt Univ. Univ. Arizona.

Francúzsko

APC-Paris 7 LAL, IN2P3-CNRS

Nemecko

MPI Munich Univ. Tuebingen MPI Bonn Univ. Erlangen LMU&MPQ

Taliansko

Univ. Florence Univ. Naples Univ. Palermo Univ. Rome “Tor Vergata” Univ. Turin
INOA/CNR IASF-PA/INAF IFSI-TO/INAF INFN

MexikoICN-UNAM BUAP UMSNH

Kórejskarepublika

Konfigurácia stredovej šošovky a prestencových šošoviekumožňuje vyvoriť väčšiu šošovku než aká môže byť vytvorená na jednom stroji.

Ehwa W. Univ. Yonsei Univ.

Rusko

SINP MSU Dubna JINRŠvajčiarsko

Neuchatel, CSEM IACETH

Španielsko

Univ. AlcaláPoľskoIPJ Podlasie Univ. Kielce Univ. Jagiellonian Univ.

Slovensko

Inst. Experimental Physics, Košice

tVypusteniet

Fotonásobiče

2.5m

modul

Pokrýva ohniskovú plochu spriemerom 2.26m s 5,904
PMT fotonásobičmi, z ktorýchmá každý 6 x 6 = 36
svetlocitlivých jednotiek.

85%
povrchu
PMTfotonásobičov tvorí aktívna
plocha, majúca 6 x 6 pixelov
s celkovou plochou 26.2mm štvorcových.

1,Menej ako 1
experimenty ukončené experimenty ukončené

Fluorescenčný
vesmírny teleskop

tOhnisková plocha

Fluorescenčný
Pozemná sieť +Pozemná sieť +pozemný teleskop Fluorescenčný pozemný teleskop Fluorescenčný pozemný teleskop

Transportný dopravník agentúry
JAXA pre kozmickú stanicu (HTV)
nesie JEM-EUSO

Kozmické Observatórium Extrémneho Vesmíru na palube Japonského Experimentálneho Modulu

Spolupáca JEM-EUSO
Transportný dopravník kozmickej stanice (HTV) prilieta k ISS ©JAXAtHTV bude vypustený H-IIB raketou (JAXA)
ktorá prenesie JEM-EUSO k ISS. Robotické
ramená na ISS umiestnia JEM-EUSO na JEM
modul “Kibo.”

Nová Astronómia využívajúca Zemskú Atmosféru ako Gigantické Observatórium

JaponskoComputational Astrophysics Laboratory, RIKEN

SlovenskoÚstav Experimentálnej Fyziky, Košice

2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198 Japan
Tel : +81-48-467-9417 Fax : +81-48-467-4078

Watsonova 47, 040 01 Košice, Slovensko
Tel : +421 55 622 45 54 Fax : +421 55 633 62 92

GenézaKozmické Observatórium Extrémneho Vesmíru
na palube Japonského Experimentálneho Modulu
AGASAJEM-EUSONajvyššie energie nad 1020eV
pozorované vo svete

Medzinárodná Vesmírna Stanica (ISS)Výbuch supernovy ©NASA et al.

Vzplanutie gama žiarenia ©BeppoSAX TeamPulzar ©NASA et al.

Sledovanie
Zachytávanie ultrafialovýchlúčov z atmosférickej spŕškyRádiogalaxia ©NRAO*1020eV : 16 Joulov energie, táto môže zohriať 1 centimeter kubický vody o 4°C

tKandidáti na zdroje extrémne energetických častíc zahŕňajú neznáme hviezdne objekty

ExtrémnevysokoenergetickékozmPozorovanie Zeme z Medzinárodnej Vesmírnej Stanice

JEM-EUSO bol projektovaný na rozhodné vyriešenie GZK-tienenia a naidentifikáciu astronomického pôvodu týchto častíc. JEM-EUSO môžepočas svojej počas trojročnej misie zaregistrovať až 1000 častíc s energiou
nad 7 × 1019 eV. Energia častíc a smer ich príchodu budú presne merané scieľom objasnenia pôvodu vysokoenergetických častíc.
Japonský experimentálný modul (JEM) na Medzinárodnej vesmírnej
stanici (ISS) bude hostiť JEM-EUSO. Tento astronomický teleskop nie jesmerovaný do vesmíru, ale skôr dolu k zemskému povrchu. Zatiaľ čobežné astronomické observatórium vzhliada k vesmíru zo Zeme,
JEM-EUSO pozoruje vesmír smerom k zemi, pretože zemská atmosféra je
najrozsiahlejším doposiaľ využívaným detektorom v našom skúmaní
pôvodu týchto nezachytiteľných častíc prichádzajúcich z vesmíru.
JEM-EUSO je nový typ astronomického observatória, konkrétne„Zem-pozorujúci“ astronomický teleskop.

Astronómia nabitých častíc vo Vesmíre
Trajektórie nízkoenergetických nabitých častíc sú ohýbané magnetickými poľami v
medzigalaktickom a galaktickom priestore. Informácia o ich pôvode sa tým stráca. Avšak,trajektórie vysokoenergetických častíc sú ohýbané menej, a tak zachovávajú informáciu osmere k ich zdroju, o ich pôvode. Týmto spôsobom, vysokoenergetické častice tiež nesú
informáciu pre astronómiu, popri viditeľnom svetle, röntgenovom a infračervenom žiarení.
Rôzne zdroje, ktoré by mohli generovať častice s vysokou energiou: kandidáti zahŕňajúSupernovy, Vzplanutia gama žiarenia, Aktívne Galaktické jadrá, pulzary, a kolízie rádiogalaxiía supermasívnych čiernych dier v ich centre. Napriek tomu, väčšina týchto kadnidátov, nie jeschopná urýchliť častice nad 1020 eV akýmkoľvek známym mechanizmom. Dosiahnutýmkonsenzom je, že musí existovať nejaký neznámy urýchľovací mechanizmus, alebo dokoncaneurýchľujúci mechanizmus produkujúci veľmi vysoké energie.
Zemská atmosféraickéž

1018eV1019eV

1020eV

iar
en

Fluoroscenčné UV žiarenieieTrajektórie nabitých častíc nízkych energiísú ohýbané magnetickým poľom, no tie senergiami nad 1020 eV sa pohybujú potakmer priamočiarej trajektórií s veľmimalým účinkom od magentického poľa,tak je zachovávaná informácia o smere ichpôvodu..

Atmosférická spŕškaAtmosférická spŕškaOčakávané smery pôvodu častíc snajvyššími energiami (1,000 eventov sJEM-USO). Cluster mnohonásobnýcheventov v bode kde je umiestnený ichzdroj.

tSkúmanie neutrín pri najvyššej energii

Monitorovanie atmosférického osvetlenia z celej ZemeNeutrína veľmi slabo interagujú s hmotou a nie sú predmetom
GZK odrezania. Žiadne takéto eventy neboli doposiaľspozorované kvôli veľmi nízkej efektívnosti u detektorov slimitovanou hmotnosťou. Vysokoenergetické neutrína všakmôžu byť spozorované JEM-EUSO experimentom, pretože celá
zemská atmosféra má dostatočne veľkú terčíkovú hmotnosť aj
na objavenie pár takýchto eventov za rok.

JEM-EUSO môže zachytiť prechodné atmosféru
osvetľujúce javy na nočnej oblohe: príkladmi sú
blesky, meteory, a vlastné žiarenie atmosféry.
Blýskanie sa vyskytuje medzi oblakmi a zemou, amedzi oblakmi. Niektoré z najvzrušujúcejších
svetelných javov sú rozsiahle výboje v hornýchvrstvách atmosféry, nazývané modré trysky,prízraky a elfovia. Tieto javy vychádzajú z oblakov
do vonkajšieho priestoru. Bude monitorované akočasto a kde sa vyskytujú na zemeguli, aby topomohlo objasniťpríčinu týchto mučivýchfenoménov. Meteory sú malé telieska z vesmíru
vnikajúce hlboko do zemskej atmosféry. Odpozorovaní ich veľkosti a svetielkujúceho spektrasa očakáva, že nám pomôžu dozvedieť sa niečo oich materských asteroidoch, a iných zdrojochslnečnej sústavy.

Energetická hranica – prevyšujúca LHC fyziku
Najväčší človekom vyrobený urýchľovač, „Veľký hadrónový
urýchľovač“ (LHC), začal svoju činnosť v roku 2008. Budegenerovať častice s vysokou energiou na skúmanie
elementárnej fyziky. Doposiaľ objavené vysokoenergetickéčastice kozmického žiarenia majú laboratórne energie viac ako otri rády vyššie. Energetická hranica elementárnej fyziky môžebyť rozšírená vysokoenergetickými časticami registrovanýmiJEM-EUSO experimentom.

Zaujímavý výboj:Jav Carrot Sprite.

tna Medzinárodnej Vesmírnej Staniciskúma pôvod vysokoenergetických častíc vo Vesmíre.

natríuNeZemská atmosféra odfotografovaná z raketoplánu Space Shuttle ©NASAOčákavané výsledky vesmírneho teleskopu JEM-EUSOtVesmír

Skutočnosť, že boli spozorované častice s energiami nad
GZK-odrezaním nie je v súlade s našimi súčasnýmivedomosťami o fyzike a astrofyzike. Môžu existovať významnézdroje častíc s vysokou energiou blízko našej galaxie dovzdialenosti 50 Mpc. Zdroje môžu zahŕňať dobre známu
najjasnejšiu rádiovú galaxiu (Kentaur-A a Panna M-87), alebo
to môžu byť neznáme objekty. Ak žiaden z javov nepoukáže nažiaden známy objekt, môže to vyvolať pochybnosť o platnostišpeciálnej relativity alebo iných fundamentálnych fyzikálnych
princípov. Dodnes získané pozorovania môžu ale nemusia byťsprávne, a rébus na energetickej hranici vesmíru očakáva
podrobnejšie skúmanie.

Apertúra prevyšuje AGASA
apertúru viac než 1000 krát

Na skúmanie unikátnych vysokoenergetických javov je potrebná
rozsiahla oblasť na pozorovanie. Tókijský Inštitút pre Výskumkozmického žiarenia práve vybudoval “Sieť teleskopov” s rozlohou
400km
760 km2, v Utahu, USA, ako nástupcu AGASA. Najväčšia sieť existujúca JEM-EUSO šikmý módv súčasnosti, s rozlohou 3,500 km2, vznikla v roku 2005 v Argentíne,
Observatórium Pierra Augera (PAO). (Pierre Auger je meno
JEM-EUSO
francúzskeho vedca, ktorý ako prvý objavil atmosferickú spŕšku pred
70 rokmi). Pozemné observatóriá sú obmedzené pozorovaním buďsevernej alebo južnej oblohy, nesledujú obe naraz.
AGASA 10km
Pozemné detektory týchto rozsiahlych observatórií dosiahli takmer
Auger 50kmmaximálny možný rozsah na zemi. Observatórium diaľkovéhoprieskumu zeme, JEM-EUSO, robí veľký skok vo veľkosti pozorovanej oblasti, pokrývajúc 100,000 – 500,000 km2 (viac akotisíckrát AGASA) majúc výhodné postavenie vo výške 400 km na oblohe a široké zorné pole 60°. ISS prelieta nad oboma
hemisférami, severnou a južnou. Homogénne pozorovanie celej oblohy jediným zariadením nám umožňuje pátrať pokorelácii so všetkými známymi objektmi.

VýzvaNabité častice dopadajúce na zemskú atmosféru sa zrážajú s jadrami
atómov atmosféry a generujú veľký počet elektrónov, mezónov agama-žiarenia. Sekundárne častice produkujú ďalšiu generáciu častíc,
popri ich prechádzaní atmosférou. Celá „stopa“ javu sa nazýva
„atmosférická spŕška“. Vysokoenergetický kozmický event s energiou
1020 eV generuje 100 miliárd častíc, ktoré zasiahnu zem na ploche s
polomerom 3 km .
Elektrón v atmosférickej spŕške excituje dusíkové molekuly v
atmosfére, ktoré okamžite vysielajú ultrafialové fluorescenčné fotónypozdlž celej stopy eventu. JEM-EUSO zachytáva toto svetlo diaľkovýmprieskumom, a zobrazuje pohyb stopy každých pár mikro-sekúnd(milióntina sekundy) ako extrémne vysokorýchlostná digitálna
videokamera. Nárast a pokles intenzity svetla pri nadol smerujúcej
trajektórii atmosférickej spŕšky ukazuje energiu a smer príchodu eventu
kozmického žiarenia.

Je relativita limitovaná?
Existujú neznáme objekty a mechanizmy?

Očakávané odfiltrovanie vysokoenergetických častíc bolo
teoreticky predpovedané Greisenom, Zatsepinom aKuz´minom (GZK cutoff ) na základe skutočnosti, že vesmír jevyplnený reliktovým žiarením (kozmické mikrovlnné pozadieCMB) – najvýznamnejším pozostatkom Veľkého tresku.
Vysokoenergetické častice s najvyššou energiou sa zrážajú s
CMB a strácajú energiu, kým sa na vzdialenosti 150 miliónov
svetelných rokov (50 mega parsekov) sa ich energia
nezredukuje na 4 × 1019 eV (pokiaľ platí Einsteinova špeciálnateória relativity pre akúkoľvek energiu a všade v celomvesmíre).

JEM-EUSO bude umiestný na
module "Kibo" (JEM) vesmírnej
stanice ISS obiehajúcej zemkaždých 90 minút vo výške400 km.

tTisíce nabitých častíc narážajú na Zem, každú sekundu na každý m2. Súnazývané kozmickým žiarením. Ich tok klesá so zvyšovaním energie častíc.
Očakáva sa, že prichádzajúce nabité častice s energiami nad 4 × 1019 eV
budú extrémne tienené stratami spôsobenými kolíziami s mikrovlnnýmpozadím nachádzajúcim sa všade vo vesmíre.
Po objavení častice s energiou 1020 eV* v 1962 Linsleym, tucet novýchčastíc s podobnými energiami bol spozorovaný v 90. rokoch v projekte
Akeno-Giant-Air-Shower-Array (AGASA) na Univerzite v Tokyu a Fly’s
Eye/Hi-Res Experiment-om na Univerzite v Utahu. Pôvod
vysokoenergetických častíc je neznámy a fascinujúci, a púta značnývedecký záujem.

ZáhadaSkokJaponský Experimentálny
Modul "Kibo" (JEM)

Fotografiu poskytol Koji Ito(Suginami-ku, Tokyo).