Κεφάλαιο 8

Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας

81 Εισαγωγή

Αναφέραμε ήδη στο πρώτο κεφάλαιο ότι τα φωτόνια είναι η κύριοι φορείς αστρονομικής πληροφορίας όχι

όμως και οι μοναδικοί Σωμάτια που φτάνουν στη Γη από το διάστημα (κοσμικές ακτίνες) ανιχνεύονται

εδώ και έναν αιώνα η αστρονομία των νετρίνων έχει πάρει ιδιαίτερη ανάπτυξη τις τελευταίες δεκαετίες

ενώ εντείνονται οι προσπάθειες για ανίχνευση βαρυτικής ακτινοβολίας Επί πλέον από την αρχή της

διαστημικής εποχής οι επιτόπιες μετρήσεις σωματίων και πεδίων από διαστημικές αποστολές είναι στην

ημερήσια διάταξη Τα όργανα που χρησιμοποιούνται για τους παραπάνω σκοπούς θα μας συζητήσουμε με

συντομία στο κεφάλαιο αυτό

82 Ανίχνευση νετρίνων

821 Η προέλευση των νετρίνων

Νετρίνα παράγονται σε πυρηνικές αντιδράσεις που εμπλέκουν ασθενείς αλληλεπιδράσεις όπως η μετατροπή

πρωτονίου σε νετρόνιο Υπενθυμίζουμε ότι η σύντηξη τεσσάρων πρωτονίων σε ένα πυρήνα ηλίου που είναι

η πηγή ενέργειας για τον ήλιο και τα περισσότερα αστέρια απελευθερώνει δύο νετρίνα που προέρχονται

από τη μετατροπή των δύο από τα τέσσερα πρωτόνια σε νετρόνια

4 1Η minusrarr4He + 2e+ + 2ν + 2633 MeV (81)

Η παραπάνω αντίδραση εκφράζει το τελικό αποτέλεσμα μιας σειράς αντιδράσεων κάποιες από τις

οποίες παράγουν νετρίνα Στον ήλιο επικρατούν οι αντιδράσεις που συγκροτούν τον κύκλο του πρωτονίου

(βλ Αλυσσανδράκης 2014 κεφάλαιο 4) ο οποίος ξεκινά με παραγωγή δευτέριου από δύο πρωτόνια

(αντίδραση pp)1H +1H minusrarr2H + e+ + ν (82)

ή εναλλακτικά σε ποσοστό 025

1H +1H + eminus minusrarr2H + ν (83)

Η επόμενη αντίδραση είναι η πρόσληψη ενός πρωτονίου από το δευτέριο με δημιουργία3He

2H +1H minusrarr3He + γ (84)

157

158 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 81 Ενεργειακό φάσμα των νετρίνων που παράγονται από διάφορες πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό

του ήλιου (από Bahcall amp Ulrich 1988)

όπου ldquoγrdquo σημαίνει εκπομπή ακτίνων γ Στη συνέχεια έχουμε τρείς δυνατότητες Η πιο πιθανή πορεία του

κύκλου (85) είναι η παραγωγή4He από δύο πυρήνες

3He

3He +3He minusrarr4He + 2 1H (85)

Η επόμενη εναλλακτική αντίδραση είναι πολύ σπάνια

3He +1H minusrarr4He + e+ + ν (86)

Η τρίτη εναλλακτική δυνατότητα έχει ενδιαφέρον γιατί δίνει νετρίνα με αρκετά υψηλή ενέργεια που μπο-

ρούσαν να ανιχνευτούν με τα πρώτα πειράματα Ξεκινάει με την αντίδραση

3He +4He minusrarr7 Be + γ (87)

η οποία ακολουθείται είτε από τις

7Be + eminus minusrarr 7Li + ν (88)

7Li +1H minusrarr 2 4He (89)

ή από τις

7Be +1H minusrarr 8Β + γ (810)

8Β minusrarr 8Be + e+ + ν (811)

8Be minusrarr 2 4He (812)

Τα νετρίνα που παράγονται από κάθε αντίδραση έχουν το δικό τους φάσμα συνεχές ή γραμμικό

(Σχήμα 81) συνεπώς το ποια από αυτά θα ανιχνεύσει μία διάταξη εξαρτάται από την περιοχή ενέργειας

στην οποία είναι ευαίσθητη Μολονότι η ροή των νετρίνων που φτάνουν στη Γη υπολογίζεται ότι είναι

αρκετά μεγάλη της τάξης των 1010 cmminus2 secminus1

η ενεργός διατομή τους είναι τόσο μικρή που κάνει τη

μέτρησή τους εξαιρετικά δύσκολη

Σημειώνουμε ότι νετρίνα παράγονται επίσης σε εκρήξεις αστεριών που συμβαίνουν στα τελικά στάδια

της εξέλιξής τους τέτοια νετρίνα ανιχνεύθηκαν από έκρηξη αστεριού σε γειτονικό γαλαξία το 1987

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 159

822 Η ανίχνευση των νετρίνων

Οι προσπάθειες για ανίχνευση νετρίνων από τις πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του ήλιου ξεκίνησαν

το 1965 με το πείραμα του Davis και των συνεργατών του Το πείραμα στηριζόταν στην πρόσληψη νετρίνων

από το χλώριο που δίνει ραδιενεργό αργό σύμφωνα με την αντίδραση

37Cl + ν minusrarr37 Ar + eminus (813)

Η αντίδραση αυτή έχει αρκετά υψηλό ενεργειακό κατώφλι 814 keV πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί

να ανιχνεύσει μόνο νετρίνα που παράγονται από την αντίδραση αποσύνθεσης του βόριου (811) μια αν-

τίδραση ενός υπο-κλάδου του υπο-κλάδου του κύκλου του πρωτονίου Η κύρια αντίδραση (82) παράγει

νετρίνα χαμηλότερης ενέργειας μέχρι 400 περίπου keV (Σχήμα 81)

Στο πείραμα του Davis χρησιμοποιήθηκαν 610 τόνοι υπερχλωρεθαίνιου (C2Cl4 κοινό υγρό καθαρι-

σμού) που περιέχουν 22 1030

άτομα χλωρίου Το υπερχλωρεθαίνιο τοποθετήθηκε σε δεξαμενή 400 κυβικών

μέτρων μέσα σε ένα εγκαταλειμμένο χρυσορυχείο στο Homestake της Νότιας Ντακότας στις ΗΠΑ σε

βάθος 1480 μέτρων κάτω από το έδαφος (Σχήμα 82) ΄Ετσι πετυχαίνεται προστασία από κοσμικές ακτίνες

που θα προκαλούσαν ανεπιθύμητες πυρηνικές αντιδράσεις Στο τέλος μιας περιόδου 100 περίπου ημερών

διοχετευόταν στη δεξαμενή ήλιο το οποίο συμπαρέσυρε το αργό Στη συνέχεια μετριόταν επί 8 μήνες η

αποσύνθεση του αργού που συνοδεύεται από εκπομπή ηλεκτρονίου ενέργειας 28 keV

Σχήμα 82 Η δεξαμενή υπερχλωρεθαίνιου του ανιχνευτή Homestake (αριστερά) και σχεδιάγραμμα της διάταξης

(δεξιά) από R DavisBrookhaven National Laboratory

Η όλη διαδικασία είναι τόσο αποτελεσματική ώστε μπορεί να ανιχνεύσει 003 αντιδράσεις νετρίνων

την ημέρα Τα αποτελέσματα δίνονται σε laquoμονάδες ηλιακών νετρίνωνraquo (solar neutrino units SNU) Μια

τέτοια μονάδα αντιστοιχεί σε μία αντίδραση ανά 1036

άτομα χλωρίου ανά δευτερόλεπτο Οι μετρήσεις (1967

- 1998) έδοσαν μέση ροή νετρίνων 20 plusmn 03 SNU τιμή κάπου τρείς φορές μικρότερη από την αναμενόμενη

που είναι 79 plusmn 03 SNU

Το πειραματικό αυτό αποτέλεσμα έβαλε σε πολλές σκέψεις όσους ασχολούνται με τη θεωρία της

εσωτερικής δομής των αστεριών Πειραματικό λάθος αποκλείστηκε μια και μετρήσεις του πειράματος

Kamiokande στο ορυχείο Kamioka (Σχήμα 83) της Ιαπωνίας (1986 - 1995) που βασιζόταν στην ακτινο-

βολία Cerenkov και είχε ενεργειακό κατώφλι 75 MeV έδοσε παρόμοια αποτελέσματα Διευκρινίζουμε ότι

η ακτινοβολία Cerenkov προέρχεται από ηλεκτρόνια που αποκτούν μεγάλη ενέργεια λόγω σκέδασης με τα

νετρίνα

eminus + ν minusrarr eminus + ν (814)

160 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 83 Το αναβαθμισμένο πείραμα Super Kamiokande Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος με τον

κώνο φωτός που προκαλεί η ακτινοβολία Cerenkov (αριστερά) Η δεξαμενή νερού (πριν από την πλήρωσή της) μαζί

με ανιχνευτές φωτονίων (κέντρο) Ανίχνευση νετρίνου (δεξιά) από ICRR The University of Tokyo

Παρόμοια ήταν και τα αποτελέσματα του πειράματος Gallex που πραγματοποιήθηκε (1991 - 1997) σε

σήραγγα κάτω από την κορυφή Gran Sasso στα Απέννινα όρη της Ιταλίας και του Σοβιετο-Αμερικανικού

πειράματος SAGE στον Καύκασο (1996 - 2006) Τα πειράματα αυτά χρησιμοποίησαν γάλλιο για την ανί-

χνευση των νετρίνων

71Ga + ν minusrarr71 Ge + eminus (815)

Το ενδιαφέρον σ΄ αυτή την αντίδραση έγκειται στο ότι έχει ενεργειακό κατώφλι 233 keV κατά συνέπεια

μπορεί να ανιχνεύσει νετρίνα από την κύρια αντίδραση (82) του κύκλου του πρωτονίου (Σχήμα 81)

Απέμεναν συνεπώς δύο κατευθύνσεις για την επίλυση του προβλήματος Η μια είναι ότι χρειάζεται

αναθεώρηση του laquoτυπικού μοντέλουraquo (standard model) του εσωτερικού του ήλιου που παρουσιάσαμε

παραπάνω και η άλλη είναι ότι δεν γνωρίζουμε αρκετά καλά τη συμπεριφορά των νετρίνων

΄Οσες προσπάθειες έγιναν στην κατεύθυνση ερμηνείας της έλλειψης των νετρίνων με αναθεώρηση του

τυπικού μοντέλου δημιούργησαν περισσότερα προβλήματα από αυτά που επεχείρησαν να λύσουν και τελικά

θεωρείται βέβαιο ότι το πρόβλημα βρίσκεται στις γνώσεις μας για τα νετρίνα παρά στο τυπικό μοντέλο

Πράγματι αν το νετρίνο έχει μάζα μπορεί να μεταπηδήσει ανάμεσα σε τρείς καταστάσεις ηλεκτρονικό

νετρίνο (σαν αυτά που παράγει οι αντιδράσεις στο εσωτερικό του ήλιου) νετρίνο τ και νετρίνο micro Το

φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως ταλαντώσεις των νετρίνων (neutrino oscillations) Τέτοιες ταλαντώσεις

μπορούν να γίνουν πιο εύκολα παρουσία άλλου υλικού πχ στη διάρκεια της διαδρομής των νετρίνων μέσα

στον ήλιο Ως αποτέλεσμα στη Γη φτάνει τελικά το ένα τρίτο των ηλεκτρονικών νετρίνων που παράγονται

στον ήλιο και τα υπόλοιπα έχουν μετατραπεί σε νετρίνα τ και micro

Τελικά από τα πειράματα ανίχνευσης νετρίνων μάθαμε περισσότερα για τη φυσική των νετρίνων παρά

για το εσωτερικό των αστεριών πέρα βέβαια από την πειραματική επιβεβαίωση της παραγωγής ενέργειας από

θερμοπυρηνικές αντιδράσεις Η σημασία αυτών που μάθαμε αναγνωρίστηκε με την απονομή του βραβείου

Nobel Φυσικής για το 2015 στους Takaaki Kajita (πείραμα Kamiokande) και Arthur B McDonald

(πείραμα Sudbury) για την ανακάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων Το ίδιο βραβείο είχε απονεμηθεί

στους Raymond Davis Jr (πείραμα Homestake) και Masatoshi Koshiba (πείραμα Super Kamiokande)

το 2002 για την ανίχνευση των νετρίνων

823 Νεότερα πειράματα

Η επιτυχία των πρώτων πειραμάτων ανίχνευσης νετρίνων είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη νέων συστη-

μάτων ανίχνευσης ενώ επιχειρείται η ανίχνευση νετρίνων που δεν προέρχονται από τον ήλιο Το πείραμα

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 161

Borexino που λειτουργεί από το 2007 και είναι εγκατεστημένο στο Gran Sasso (βλ παραπάνω) έχει

στόχο την ανίχνευση νετρίνων χαμηλής ενέργειας 863 keV που προέρχονται από τη μετατροπή του7Be

σε7Li (αντίδραση 88

7Be στο Σχήμα 81) Αποτελείται από σφαιρικό δοχείο που περιέχει υγρό σπιν-

θηριστή (Σχήμα 84 αριστερά) για την ανίχνευση χρησιμοποιείται η ελαστική σκέδαση των νετρίνων από

ηλεκτρόνια το φάσμα των οποίων μετά τη σκέδαση έχει μέγιστο στα 664 keV

Σχήμα 84 Η διάταξη του πειράματος Borexino (αριστερά) Ο ανιχνευτής DO2 του Αστεροσκοπείου νετρίνων

Sudbury (δεξιά) από Laboratori Nazionali del Gran Sasso

Ο ανιχνευτής του Αστεροσκοπείου νετρίνων Sudbury (SNO) το όποίο λειτούργησε από το 1999 έως

το 2006 απετελείτο από δοχείο διαμέτρου 12m που περιείχε 1000 τόνους DO2 (Σχήμα 84 δεξιά) ΄Ηταν

εγκατεστημένος σε βάθος 2000m στο ορυχείο Creighton κοντά στο Sudbury του Ontario (Καναδάς) Για

τη μέτρηση της ακτινοβολίας Cerenkov το SNO χρησιμοποιούσε 9600 φωτοπολλαπλασιαστές Υπάρχουν

σχέδια αναβάθμισής του (SNO+) με χρησιμοποίηση υγρού σπινθηριστή αντί για DO2

Η βασική αντίδραση νετρίνων με το δευτέριο του DO2 το διασπά αε δύο πρωτόνια

νe +2H minusrarr p + p + eminus (816)

και εμπλέκει αποκλειστικά νετρίνα ηλεκτρονίων Το σύνολο σχεδόν της ενέργειας του νετρίνου μεταφέρεται

στο ηλεκτρόνιο που παράγεται το οποίο δίνει ακτινοβολία Cerenkov

Μια άλλη αντίδραση διασπά το δευτέριο σε πρωτόνιο και νετρόνιο

ν +2H minusrarr p + n + ν (817)

η οποία δεν περιορίζεται στα νετρίνα ηλεκτρονίων αλλά μπορεί να γίνει και με τα άλλα δύο είδη (τ και

μ) εξ ού και το ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού μπορεί να ανιχνεύσει όλα τα νετρίνα και όχι μόνο τα νετρίνα

ηλεκτρονίων Η ανίχνευση γίνεται μέσα από την σύλληψη του νετρονίου που παράγεται από κάποιο πυρήνα

και την επακόλουθη εκπομπή ακτίνων γάμμα Μολονότι η σύλληψη του νετρίνου μπορεί να γίνει και από

το δευτέριο πολύ πιο αποτελεσματικά γίνεται από το Cl και για το σκοπό αυτό διαλύεται στο DO2 μια

ποσότητα ClNa

Τέλος υπάρχει και η λιγότερο συχνή αντίδραση σκέδασης του νετρίνου από ηλεκτρόνια (814) όπου

το ηλεκτρόνιο παίρνει ενέργεια από το νετρίνο και παράγει ακτινοβολία Cerenkov Μολονότι και αυτή

η αντίδραση δεν κάνει διάκριση του είδους των νετρίνων τα νετρίνα ηλεκτρονίων ευνοούνται κατά ένα

παράγοντα έξι

162 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Η δυνατότητα μέτρησης όλων των μορφών νετρίνων από το SNO καθώς και η δυνατότητα διάκρισης

ανάμεσα στην ακτινοβολία Cerenkov των νετρίνων ηλεκτρονίων και των νετρίνων μ που είχε το Super

Kamiokande επιβεβαίωσαν τους ρυθμούς παραγωγής νετρίνων που προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο

του εσωτερικού του ήλιου καθώς και τις ταλαντώσεις των νετρίνων

Σχήμα 85 Σχεδιάγραμμα (αριστερά) και αναπαράσταση (δεξιά) του πειράματος ANTARES (από Hoffman

K D 2009 και Francois MontanetWikimedia)

Κάποια σύγχρονα πειράματα χρησιμοποιούν το νερό της θάλασσας ή τους πολικούς πάγους Το

πείραμα ANTARES εγκατεστημένο σε απόσταση 40 km από την ακτή της Toulon (Γαλλία) ανιχνεύει

ακτινοβολία Cerenkov από το θαλασσινό νερό Αποτελείται από 12 συστοιχίες ανιχνευτών μήκους 350m

διεσπαρμένους σε έκταση 01 km2(Σχήμα 85) και επιχειρεί σε συνεργασία με το πείραμα IceCube την

ανίχνευση κοσμικών (μη ηλιακών) νετρίνων Το τελευταίο είναι εγκατεστημένο μέσα στους πάγους στο

Νότιο Πόλο και αποτελείται από 86 κάθετες διατάξεις από 60 ανιχνευτές η κάθε μία σε βάθος 1450 έως

2450m Η μέση απόσταση των συστοιχιών είναι 17m (Σχήμα 86) και ο όγκος πάγου που καλύπτουν είναι

ένα κυβικό χιλιόμετρο Πρόδρομος του IceCube υπήρξε το πείραμα AMANDA

Σχήμα 86 Σχεδιάγραμμα του IceCube (αριστερά) αεροφωτογραφία (κέντρο) και μία ανίχνευση νετρίνου

(δεξιά) από IceCube Science TeamFrancis Halzen

Αναφέρουμε τέλος την Ευρωπαϊκή συνεργασία Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT)

για την κατασκευή τηλεσκοπίου νετρίνων ενός κυβικού χιλιομέτρου στη Μεσόγειο στην οποία συμμετέχει

και η Ελληνική ομάδα NESTOR μαζί με την ομάδα του ANTARES και την Ιταλική ομάδα ΝΕΜΟ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 163

83 Ανίχνευση Βαρυτικής Ακτινοβολίας

΄Οταν η κατανομή μάζας ενός συστήματος αλλάζει με τον χρόνο τότε αυτό σύμφωνα με την Γενική Θεωρία

της Σχετικότητας προκαλεί μια διαταραχή του βαρυτικού πεδίου η οποία διαδίδεται ως βαρυτική ακτινοβολία

(gravitational radiation) Επειδή η βαρυτική δύναμη άρα και η καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω από

ένα αντικείμενο εξαρτάται από την μάζα του αντικείμενα με μεγάλες μάζες όπως πχ περιστρεφόμενοι

αστέρες διπλά συστήματα αστέρων μαύρες τρύπες κλπ αποτελούν πηγές βαρυτικών κυμάτων με δυνητικά

ανιχνεύσιμο εύρος Υπάρχουν περιοδικές (πχ διπλά αστέρια παλλόμενα αστέρια αστέρια νετρονίων κλπ)

και παροδικές (πχ εκρήξεις υπερκαινοφανών ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες κλπ) πηγές βαρυτικών κυμάτων

Τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός στο κενό και εξαιτίας της ασθενούς φύσης της

βαρυτικής δύναμης σε σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις δεν αλληλεπιδρούν με το υλικό

Συνεπώς το σύμπαν είναι πρακτικά διαφανές στα βαρυτικά κύματα και έτσι πιθανές παρατηρήσεις βαρυτικών

κυμάτων θα αποτελέσουν ένα σημαντικό νέο παράθυρο της αστροφυσικής σε απροσπέλαστες από άλλες

μεθόδους περιοχές

Μέχρι στιγμής δεν έχει πραγματοποιηθεί καμία άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων1

΄Εμμεσες

ενδείξεις για την παρουσία τους προέκυψαν από παρατηρήσεις της απόσβεσης της περιόδου ενός διπλού

συστήματος αστεριών νετρονίων από τους Taylor και Weisberg η οποία βρέθηκε συμβατή με απώλειες

ενέργειας λόγω εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας Η πόλωση των βαρυτικών κυμάτων είναι τέτοια που να

προκαλεί συστολή και διαστολή σωμάτων σε ελεύθερη πτώση σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους κατευθύνσεις

Εξαιτίας της ασθενούς φύσης της βαρυτικής δύναμης οι παραμορφώσεις που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα

είναι πολύ μικρές κάτι που καθιστά την ανίχνευση τους μια τρομερά απαιτητική και δύσκολή μέτρηση

Σχήμα 87 Περίγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού (αριστερά) και φωτογραφία μιας τέτοιας διάταξης Antenna

Ultracriogenica Risonante per lrsquoIndagine Gravitazionale Astronomica στην Πάδοβα της Ιταλίας (δεξιά)

Το εύρος των βαρυτικών κυμάτων μπορεί να ποσοτικοποιηθεί από την αδιάστατη παράμετρο h

h =δL

L (818)

που δίδει την σχετική παραμόρφωση ενός αντικειμένου ή ισοδύναμα την σχετική μεταβολή της απόστασης

δυο ελευθέρων μαζών υπό την επίδρασή τους Θεωρητικοί υπολογισμοί βασισμένοι σε διάφορες πηγές

βαρυτικών κυμάτων δίδουν ότι η h παίρνει τιμέςasymp [10minus26 10minus18] ενώ οι αντίστοιχες συχνότητες κυμαίνονται

asymp [10minus4 104]Hz Συνεπώς ένα βαρυτικό κύμα με h = 10minus22θα προκαλέσει σύμφωνα με την εξίσωση 818

1Τον Φεβρουάριο του 2016 η ομάδα του πειράματος LIGO ανακοίνωσε την ανίχνευση βαρυτικής ακτινοβολίας την οποία

απέδοσαν στη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών

164 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

μια αλλαγή της απόστασης ανάμεσα στην γη και την σελήνη (L 380 times 103km) κατά δL 410minus14m

που αντιστοιχεί στο asymp 12 του μεγέθους του πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου Συνεπώς μετρήσεις

βαρυτικών κυμάτων απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια και μεγάλους (συμβολομετρικούς) ανιχνευτές

Οι πρώτες απόπειρες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων άρχισαν την δεκαετία του ΄60 από τον Weber

και βασίζονταν στην χρήση βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού ΄Οπως είδαμε παραπάνω όταν ένα βαρυτικό

κύμα διέρχεται από ένα σώμα θα το συμπιέσει και αποσυμπιέσει αντίστοιχα σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους

κατευθύνσεις Αν η συχνότητα του προσπίπτοντος βαρυτικού κύματος συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα του

σώματος τότε διεγείρονται οι φυσικοί τρόποι ταλάντωσης του σώματος το οποίο ταλαντώνεται στην ιδιοσυ-

χνοτητά του με άλλα λόγια έχουμε συντονισμό ανάμεσα στο βαρυτικό κύμα και το σώμα Η ιδιοσυχνότητα

ενός σώματος εξαρτάται κυρίως από την μάζα του όπως και από το υλικό Προφανώς χρειαζόμαστε σώματα

μεγάλης μάζας άρα με χαμηλές ιδιοσυχνότητες για να έχουμε συντονισμό με τα βαρυτικά κύματα τα οποία

επίσης χαρακτηρίζονται από χαμηλές συχνότητες

Στο Σχήμα 87 δίδουμε το σχηματικό διάγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού όπως και μια φωτογρα-

φία του Ο ανιχνευτής έχει κυλινδρικό σχήμα και στην επιφάνεια του υπάρχουν πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι

οι οποίοι μετατρέπουν τις μικρές μηχανικές τάσεις που αναπτύσσονται λόγω φαινομένων συντονισμού σε

ηλεκτρικό δυναμικό το οποίο κατόπιν καταμετρείται Ο ανιχνευτής έχει μεγάλη μάζα πχ ο πρώτος τέτοιος

ανιχνευτής ήταν ένας αλουμινένιος κύλινδρος 15 τόνου Τέτοιοι ανιχνευτές έχουν δυνητικά ευαισθησία

σε μια στενή φασματική περιοχή γύρω από την συχνότητα συντονισμού τους που βρίσκεται στην περιο-

χή των asymp 103Hz Πρόσφατα άρχισε η ανάπτυξη σφαιρικών βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού όπως ο

MiniGrail στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας οι οποίο παρέχουν δυνατότητα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων

ανεξαρτήτου της διεύθυνσης που προέρχονται

Σχήμα 88 Αεροφωτογραφία του LIGO (αριστερή εικόνα) Σχεδιάγραμμα του LIGO (δεξιά εικόνα) Κάτοπτρο

(Κ) διαιρετής δέσμης (ΔΔ) φωτοανιχνευτής (ΦΑ) από CaltechLIGO

Μια άλλη βασική μέθοδος ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων βασίζεται στην συμβολομετρία ΄Ενα παρά-

δειγμα ενός συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων είναι το Laser Interferometer Gravitational-

Wave Observatory (LIGO) με έναν τέτοιο ανιχνευτή να βρίσκεται στην Washington και έναν δεύτερο

στην Louisiana των ΗΠΑ Το LIGO είναι βασικά ένα συμβολόμετρο Michelson και αποτελείται από δύο

κάθετους μεταξύ τους πανομοιότυπους βραχίονες σε σχήμα L (αριστερή εικόνα του Σχήματος 88) Ο

κάθε βραχίονας έχει μήκος 4 km και βρίσκεται εντός σήραγγας διαμέτρου 12 m που στο εσωτερικό της

επικρατεί κενό Σχηματικό διάγραμμα του LIGO δίδεται στην δεξιά εικόνα του Σχήματος 88 Κάθε

βραχίονας φέρει στα άκρα και στο μέσο του ελεύθερα να ταλαντωθούν κάτοπτρα (Κ) Μονοχρωματική

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 165

ακτινοβολία από πηγή laser διαμερίζεται στους δύο βραχίονες μέσω ενός διαιρέτη δέσμης (ΔΔ) Για περαι-

τέρω ενίσχυση της ευαισθησίας της μέτρησης το φως υφίσταται πολλαπλές ανακλάσεις ανάμεσα στα δύο

κάτοπτρα του κάθε βραχίονα για να συμβάλουν κατόπιν οι δύο δέσμες και να καταγραφεί το αποτέλεσμα

της συμβολής στην θέση του φωτοανιχνευτή (ΦΑ) Προφανώς η διαμόρφωση του προϊόντος της συμβολής

των δυο δεσμών (πχ ενισχυτική ή καταστρεπτική συμβολή) σχετίζεται με το μήκος των δύο βραχιόνων

το οποίο αλλάζει όταν προσπίπτει σε αυτούς κάποιο βαρυτικό κύμα ΄Αλλοι συμβολομετρικοί ανιχνευτές

βαρυτικών κυμάτων βρίσκοντανβρίσκονται σε λειτουργία στην Ιταλία (VIRGO) Γερμανία (GEO600) και

Ιαπωνία (TAMA300)

Σχήμα 89 Σκίτσο του διαστημικού συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων eLISA (από ESA)

Υπάρχουν τέλος σχέδια για ανάπτυξη συμβολομετρικών ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων στο διάστη-

μα Το σύστημα evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA Σχήμα 89) θα αποτελείται από

3 διαστημόπλοια σε διάταξη ισοπλεύρου τριγώνου με πλευρές μήκους ενός εκατομμυρίου χιλιομέτρων σε

τροχιά που θα ακολουθεί αυτήν της γης γύρω από τον ήλιο σε μια απόσταση 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων

΄Ενα από τα 3 διαστημόπλοια θα στέλνει δέσμες laser στα δύο άλλα Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης

ανάμεσα στα διαστημόπλοια αυτά δεν θα φέρουν κάτοπτρα για να ανακλαστεί το φως από την δέσμη laser

αφού το φως από το laquoμητρικόraquo διαστημόπλοιο θα φθάνει στα δύο laquoθυγατρικάraquo πολύ εξασθενημένο Σε

κάθε διαστημόπλοιο θα υπάρχουν σημειακές μάζες σε ελεύθερη πτώση οι οποίες θα χρησιμοποιούνται για

να μετρηθούν οι σχετικές μετατοπίσεις τους ανά δύο Το παραπάνω βασίζεται στον συνδυασμό συμβολο-

μετρικής μέτρησης των μετατοπίσεων πρώτα ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια και κατόπιν ανάμεσα σε κάθε

διαστημόπλοιο και στην ελεύθερη μάζα που φέρει Με αυτόν τον τρόπο απαλείφεται η σχετικά μεγάλη

αβεβαιότητα στον καθορισμό της σχετικής θέσης ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια Ο eLISA προβλέπεται

να μπορεί να μετρήσει μετατοπίσεις με ακρίβεια της τάξης των 10minus12m και προβλέπεται να εκτοξευθεί μετά

το 2030 Μια αποστολή προπομπός της eLISA η οποία θα επιτρέψει τον έλεγχο βασικών τεχνολογιών της

προβλέπεται να εκτοξεύθηκε το 2015

Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι για μια καταφατική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που βασίζεται στην

μέτρηση απειροελάχιστων μετατοπίσεωνπαραμορφώσεων χρειάζεται να laquoμονωθούνraquo οι ελεύθερες μάζες

που χρησιμοποιούνται από οποιαδήποτε άλλη εξωτερική διαταραχή Αυτές περιλαμβάνουν σεισμική δρα-

στηριότητα θερμικό θόρυβο θόρυβο φωτονίων όπως επίσης και την πίεση ακτινοβολίας και του ηλιακού

ανέμου για την περίπτωση διαστημικών ανιχνευτών

166 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

84 Επιτόπιες μετρήσεις

Η απαρχή της διαστημικής εποχής το 1957 σηματοδότησε μια νέα εποχή στην αστροφυσική παρατήρηση

αφού μια σειρά από δορυφόρους και διαστημόπλοια εφοδιασμένα με κατάλληλα όργανα εκτελούσαν ή

εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις των διαφόρων παραμέτρων του πλάσματος (πχ ταχύτητα θερμοκρασία

και πυκνότητα ιόντων) όπως επίσης και του μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης και άλλων

πλανητών (πχ Δίας Κρόνος) όπως επίσης και του ηλιακού ανέμου (βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος 2016) ΄Ετσι έχουμε λεπτομερείς μετρήσεις πλάσματος και πεδίων στο σημείο στο

οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος ή το διαστημόπλοιο χωρίς όμως να έχουμε μια σύνοψη σε μεγάλη κλίμακα

της δομής στην οποία βρίσκεται το σημείο λήψης των επιτόπιων μετρήσεων ΄Ετσι απαραίτητο συμπλήρωμα

στην περαιτέρω ανάλυση των επιτόπιων μετρήσεων αποτελούν παρατηρήσεις από τηλεσκόπια ή προβλέψεις

από μοντέλα

841 Μετρητές Ιόντων

Ο συνηθέστερος μετρητής ιόντων που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το κύπελλο Faraday (Faraday

cup) Το κύπελλο Faraday πχ σχήμα 810 είναι ουσιαστικά μια παγίδα ιόντων και αποτελείται από μια

κοίλη μεταλλική (αγώγιμη) επιφάνεια η οποία φορτίζεται θετικά από την πρόσπτωση των ιόντων σε αυτήν

Ανάλογα με τα ηλεκτρονικά του συστήματος γίνεται μέτρηση του φορτίου ή του ρεύματος ή της διαφοράς

δυναμικού που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στα ιόντα και στο αγώγιμο υλικό του κυπέλλου

Το μετρούμενο σήμα είναι ανάλογο του αριθμού των ιόντων που εισήλθαν στο κύπελλο

Σχήμα 810 Φωτογραφία του κυπέλλου Faraday που βρίσκεται πάνω στο διαστημόπλοιο WIND (από MIT)

΄Ενα κύπελλο Faraday περιλαμβάνει και μια σειρά από μεταλλικά πλέγματα διαμόρφωσης στα οποία

εφαρμόζονται μεταβαλλόμενες διαφορές δυναμικού Για δοθείσα διαφορά δυναμικού V ιόντα με λόγο

ενέργειαςφορτίου Eq θα μπορέσουν να διασχίσουν το πλέγμα και να ανιχνευθούν αν ισχύει Eq gt V

Μεταβάλλοντας το V με μια συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz εντός μιας περιοχής διαφορών δυναμικού

[Vmin Vmax] επιλέγουμε ιόντα που καλύπτουν ένα εύρος τιμών του Eq Κατασκευάζονται με άλλα λόγια

ενεργειακά φάσματα για ένα πλήθος τιμών Eq

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

158 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 81 Ενεργειακό φάσμα των νετρίνων που παράγονται από διάφορες πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό

του ήλιου (από Bahcall amp Ulrich 1988)

όπου ldquoγrdquo σημαίνει εκπομπή ακτίνων γ Στη συνέχεια έχουμε τρείς δυνατότητες Η πιο πιθανή πορεία του

κύκλου (85) είναι η παραγωγή4He από δύο πυρήνες

3He

3He +3He minusrarr4He + 2 1H (85)

Η επόμενη εναλλακτική αντίδραση είναι πολύ σπάνια

3He +1H minusrarr4He + e+ + ν (86)

Η τρίτη εναλλακτική δυνατότητα έχει ενδιαφέρον γιατί δίνει νετρίνα με αρκετά υψηλή ενέργεια που μπο-

ρούσαν να ανιχνευτούν με τα πρώτα πειράματα Ξεκινάει με την αντίδραση

3He +4He minusrarr7 Be + γ (87)

η οποία ακολουθείται είτε από τις

7Be + eminus minusrarr 7Li + ν (88)

7Li +1H minusrarr 2 4He (89)

ή από τις

7Be +1H minusrarr 8Β + γ (810)

8Β minusrarr 8Be + e+ + ν (811)

8Be minusrarr 2 4He (812)

Τα νετρίνα που παράγονται από κάθε αντίδραση έχουν το δικό τους φάσμα συνεχές ή γραμμικό

(Σχήμα 81) συνεπώς το ποια από αυτά θα ανιχνεύσει μία διάταξη εξαρτάται από την περιοχή ενέργειας

στην οποία είναι ευαίσθητη Μολονότι η ροή των νετρίνων που φτάνουν στη Γη υπολογίζεται ότι είναι

αρκετά μεγάλη της τάξης των 1010 cmminus2 secminus1

η ενεργός διατομή τους είναι τόσο μικρή που κάνει τη

μέτρησή τους εξαιρετικά δύσκολη

Σημειώνουμε ότι νετρίνα παράγονται επίσης σε εκρήξεις αστεριών που συμβαίνουν στα τελικά στάδια

της εξέλιξής τους τέτοια νετρίνα ανιχνεύθηκαν από έκρηξη αστεριού σε γειτονικό γαλαξία το 1987

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 159

822 Η ανίχνευση των νετρίνων

Οι προσπάθειες για ανίχνευση νετρίνων από τις πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του ήλιου ξεκίνησαν

το 1965 με το πείραμα του Davis και των συνεργατών του Το πείραμα στηριζόταν στην πρόσληψη νετρίνων

από το χλώριο που δίνει ραδιενεργό αργό σύμφωνα με την αντίδραση

37Cl + ν minusrarr37 Ar + eminus (813)

Η αντίδραση αυτή έχει αρκετά υψηλό ενεργειακό κατώφλι 814 keV πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί

να ανιχνεύσει μόνο νετρίνα που παράγονται από την αντίδραση αποσύνθεσης του βόριου (811) μια αν-

τίδραση ενός υπο-κλάδου του υπο-κλάδου του κύκλου του πρωτονίου Η κύρια αντίδραση (82) παράγει

νετρίνα χαμηλότερης ενέργειας μέχρι 400 περίπου keV (Σχήμα 81)

Στο πείραμα του Davis χρησιμοποιήθηκαν 610 τόνοι υπερχλωρεθαίνιου (C2Cl4 κοινό υγρό καθαρι-

σμού) που περιέχουν 22 1030

άτομα χλωρίου Το υπερχλωρεθαίνιο τοποθετήθηκε σε δεξαμενή 400 κυβικών

μέτρων μέσα σε ένα εγκαταλειμμένο χρυσορυχείο στο Homestake της Νότιας Ντακότας στις ΗΠΑ σε

βάθος 1480 μέτρων κάτω από το έδαφος (Σχήμα 82) ΄Ετσι πετυχαίνεται προστασία από κοσμικές ακτίνες

που θα προκαλούσαν ανεπιθύμητες πυρηνικές αντιδράσεις Στο τέλος μιας περιόδου 100 περίπου ημερών

διοχετευόταν στη δεξαμενή ήλιο το οποίο συμπαρέσυρε το αργό Στη συνέχεια μετριόταν επί 8 μήνες η

αποσύνθεση του αργού που συνοδεύεται από εκπομπή ηλεκτρονίου ενέργειας 28 keV

Σχήμα 82 Η δεξαμενή υπερχλωρεθαίνιου του ανιχνευτή Homestake (αριστερά) και σχεδιάγραμμα της διάταξης

(δεξιά) από R DavisBrookhaven National Laboratory

Η όλη διαδικασία είναι τόσο αποτελεσματική ώστε μπορεί να ανιχνεύσει 003 αντιδράσεις νετρίνων

την ημέρα Τα αποτελέσματα δίνονται σε laquoμονάδες ηλιακών νετρίνωνraquo (solar neutrino units SNU) Μια

τέτοια μονάδα αντιστοιχεί σε μία αντίδραση ανά 1036

άτομα χλωρίου ανά δευτερόλεπτο Οι μετρήσεις (1967

- 1998) έδοσαν μέση ροή νετρίνων 20 plusmn 03 SNU τιμή κάπου τρείς φορές μικρότερη από την αναμενόμενη

που είναι 79 plusmn 03 SNU

Το πειραματικό αυτό αποτέλεσμα έβαλε σε πολλές σκέψεις όσους ασχολούνται με τη θεωρία της

εσωτερικής δομής των αστεριών Πειραματικό λάθος αποκλείστηκε μια και μετρήσεις του πειράματος

Kamiokande στο ορυχείο Kamioka (Σχήμα 83) της Ιαπωνίας (1986 - 1995) που βασιζόταν στην ακτινο-

βολία Cerenkov και είχε ενεργειακό κατώφλι 75 MeV έδοσε παρόμοια αποτελέσματα Διευκρινίζουμε ότι

η ακτινοβολία Cerenkov προέρχεται από ηλεκτρόνια που αποκτούν μεγάλη ενέργεια λόγω σκέδασης με τα

νετρίνα

eminus + ν minusrarr eminus + ν (814)

160 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 83 Το αναβαθμισμένο πείραμα Super Kamiokande Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος με τον

κώνο φωτός που προκαλεί η ακτινοβολία Cerenkov (αριστερά) Η δεξαμενή νερού (πριν από την πλήρωσή της) μαζί

με ανιχνευτές φωτονίων (κέντρο) Ανίχνευση νετρίνου (δεξιά) από ICRR The University of Tokyo

Παρόμοια ήταν και τα αποτελέσματα του πειράματος Gallex που πραγματοποιήθηκε (1991 - 1997) σε

σήραγγα κάτω από την κορυφή Gran Sasso στα Απέννινα όρη της Ιταλίας και του Σοβιετο-Αμερικανικού

πειράματος SAGE στον Καύκασο (1996 - 2006) Τα πειράματα αυτά χρησιμοποίησαν γάλλιο για την ανί-

χνευση των νετρίνων

71Ga + ν minusrarr71 Ge + eminus (815)

Το ενδιαφέρον σ΄ αυτή την αντίδραση έγκειται στο ότι έχει ενεργειακό κατώφλι 233 keV κατά συνέπεια

μπορεί να ανιχνεύσει νετρίνα από την κύρια αντίδραση (82) του κύκλου του πρωτονίου (Σχήμα 81)

Απέμεναν συνεπώς δύο κατευθύνσεις για την επίλυση του προβλήματος Η μια είναι ότι χρειάζεται

αναθεώρηση του laquoτυπικού μοντέλουraquo (standard model) του εσωτερικού του ήλιου που παρουσιάσαμε

παραπάνω και η άλλη είναι ότι δεν γνωρίζουμε αρκετά καλά τη συμπεριφορά των νετρίνων

΄Οσες προσπάθειες έγιναν στην κατεύθυνση ερμηνείας της έλλειψης των νετρίνων με αναθεώρηση του

τυπικού μοντέλου δημιούργησαν περισσότερα προβλήματα από αυτά που επεχείρησαν να λύσουν και τελικά

θεωρείται βέβαιο ότι το πρόβλημα βρίσκεται στις γνώσεις μας για τα νετρίνα παρά στο τυπικό μοντέλο

Πράγματι αν το νετρίνο έχει μάζα μπορεί να μεταπηδήσει ανάμεσα σε τρείς καταστάσεις ηλεκτρονικό

νετρίνο (σαν αυτά που παράγει οι αντιδράσεις στο εσωτερικό του ήλιου) νετρίνο τ και νετρίνο micro Το

φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως ταλαντώσεις των νετρίνων (neutrino oscillations) Τέτοιες ταλαντώσεις

μπορούν να γίνουν πιο εύκολα παρουσία άλλου υλικού πχ στη διάρκεια της διαδρομής των νετρίνων μέσα

στον ήλιο Ως αποτέλεσμα στη Γη φτάνει τελικά το ένα τρίτο των ηλεκτρονικών νετρίνων που παράγονται

στον ήλιο και τα υπόλοιπα έχουν μετατραπεί σε νετρίνα τ και micro

Τελικά από τα πειράματα ανίχνευσης νετρίνων μάθαμε περισσότερα για τη φυσική των νετρίνων παρά

για το εσωτερικό των αστεριών πέρα βέβαια από την πειραματική επιβεβαίωση της παραγωγής ενέργειας από

θερμοπυρηνικές αντιδράσεις Η σημασία αυτών που μάθαμε αναγνωρίστηκε με την απονομή του βραβείου

Nobel Φυσικής για το 2015 στους Takaaki Kajita (πείραμα Kamiokande) και Arthur B McDonald

(πείραμα Sudbury) για την ανακάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων Το ίδιο βραβείο είχε απονεμηθεί

στους Raymond Davis Jr (πείραμα Homestake) και Masatoshi Koshiba (πείραμα Super Kamiokande)

το 2002 για την ανίχνευση των νετρίνων

823 Νεότερα πειράματα

Η επιτυχία των πρώτων πειραμάτων ανίχνευσης νετρίνων είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη νέων συστη-

μάτων ανίχνευσης ενώ επιχειρείται η ανίχνευση νετρίνων που δεν προέρχονται από τον ήλιο Το πείραμα

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 161

Borexino που λειτουργεί από το 2007 και είναι εγκατεστημένο στο Gran Sasso (βλ παραπάνω) έχει

στόχο την ανίχνευση νετρίνων χαμηλής ενέργειας 863 keV που προέρχονται από τη μετατροπή του7Be

σε7Li (αντίδραση 88

7Be στο Σχήμα 81) Αποτελείται από σφαιρικό δοχείο που περιέχει υγρό σπιν-

θηριστή (Σχήμα 84 αριστερά) για την ανίχνευση χρησιμοποιείται η ελαστική σκέδαση των νετρίνων από

ηλεκτρόνια το φάσμα των οποίων μετά τη σκέδαση έχει μέγιστο στα 664 keV

Σχήμα 84 Η διάταξη του πειράματος Borexino (αριστερά) Ο ανιχνευτής DO2 του Αστεροσκοπείου νετρίνων

Sudbury (δεξιά) από Laboratori Nazionali del Gran Sasso

Ο ανιχνευτής του Αστεροσκοπείου νετρίνων Sudbury (SNO) το όποίο λειτούργησε από το 1999 έως

το 2006 απετελείτο από δοχείο διαμέτρου 12m που περιείχε 1000 τόνους DO2 (Σχήμα 84 δεξιά) ΄Ηταν

εγκατεστημένος σε βάθος 2000m στο ορυχείο Creighton κοντά στο Sudbury του Ontario (Καναδάς) Για

τη μέτρηση της ακτινοβολίας Cerenkov το SNO χρησιμοποιούσε 9600 φωτοπολλαπλασιαστές Υπάρχουν

σχέδια αναβάθμισής του (SNO+) με χρησιμοποίηση υγρού σπινθηριστή αντί για DO2

Η βασική αντίδραση νετρίνων με το δευτέριο του DO2 το διασπά αε δύο πρωτόνια

νe +2H minusrarr p + p + eminus (816)

και εμπλέκει αποκλειστικά νετρίνα ηλεκτρονίων Το σύνολο σχεδόν της ενέργειας του νετρίνου μεταφέρεται

στο ηλεκτρόνιο που παράγεται το οποίο δίνει ακτινοβολία Cerenkov

Μια άλλη αντίδραση διασπά το δευτέριο σε πρωτόνιο και νετρόνιο

ν +2H minusrarr p + n + ν (817)

η οποία δεν περιορίζεται στα νετρίνα ηλεκτρονίων αλλά μπορεί να γίνει και με τα άλλα δύο είδη (τ και

μ) εξ ού και το ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού μπορεί να ανιχνεύσει όλα τα νετρίνα και όχι μόνο τα νετρίνα

ηλεκτρονίων Η ανίχνευση γίνεται μέσα από την σύλληψη του νετρονίου που παράγεται από κάποιο πυρήνα

και την επακόλουθη εκπομπή ακτίνων γάμμα Μολονότι η σύλληψη του νετρίνου μπορεί να γίνει και από

το δευτέριο πολύ πιο αποτελεσματικά γίνεται από το Cl και για το σκοπό αυτό διαλύεται στο DO2 μια

ποσότητα ClNa

Τέλος υπάρχει και η λιγότερο συχνή αντίδραση σκέδασης του νετρίνου από ηλεκτρόνια (814) όπου

το ηλεκτρόνιο παίρνει ενέργεια από το νετρίνο και παράγει ακτινοβολία Cerenkov Μολονότι και αυτή

η αντίδραση δεν κάνει διάκριση του είδους των νετρίνων τα νετρίνα ηλεκτρονίων ευνοούνται κατά ένα

παράγοντα έξι

162 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Η δυνατότητα μέτρησης όλων των μορφών νετρίνων από το SNO καθώς και η δυνατότητα διάκρισης

ανάμεσα στην ακτινοβολία Cerenkov των νετρίνων ηλεκτρονίων και των νετρίνων μ που είχε το Super

Kamiokande επιβεβαίωσαν τους ρυθμούς παραγωγής νετρίνων που προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο

του εσωτερικού του ήλιου καθώς και τις ταλαντώσεις των νετρίνων

Σχήμα 85 Σχεδιάγραμμα (αριστερά) και αναπαράσταση (δεξιά) του πειράματος ANTARES (από Hoffman

K D 2009 και Francois MontanetWikimedia)

Κάποια σύγχρονα πειράματα χρησιμοποιούν το νερό της θάλασσας ή τους πολικούς πάγους Το

πείραμα ANTARES εγκατεστημένο σε απόσταση 40 km από την ακτή της Toulon (Γαλλία) ανιχνεύει

ακτινοβολία Cerenkov από το θαλασσινό νερό Αποτελείται από 12 συστοιχίες ανιχνευτών μήκους 350m

διεσπαρμένους σε έκταση 01 km2(Σχήμα 85) και επιχειρεί σε συνεργασία με το πείραμα IceCube την

ανίχνευση κοσμικών (μη ηλιακών) νετρίνων Το τελευταίο είναι εγκατεστημένο μέσα στους πάγους στο

Νότιο Πόλο και αποτελείται από 86 κάθετες διατάξεις από 60 ανιχνευτές η κάθε μία σε βάθος 1450 έως

2450m Η μέση απόσταση των συστοιχιών είναι 17m (Σχήμα 86) και ο όγκος πάγου που καλύπτουν είναι

ένα κυβικό χιλιόμετρο Πρόδρομος του IceCube υπήρξε το πείραμα AMANDA

Σχήμα 86 Σχεδιάγραμμα του IceCube (αριστερά) αεροφωτογραφία (κέντρο) και μία ανίχνευση νετρίνου

(δεξιά) από IceCube Science TeamFrancis Halzen

Αναφέρουμε τέλος την Ευρωπαϊκή συνεργασία Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT)

για την κατασκευή τηλεσκοπίου νετρίνων ενός κυβικού χιλιομέτρου στη Μεσόγειο στην οποία συμμετέχει

και η Ελληνική ομάδα NESTOR μαζί με την ομάδα του ANTARES και την Ιταλική ομάδα ΝΕΜΟ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 163

83 Ανίχνευση Βαρυτικής Ακτινοβολίας

΄Οταν η κατανομή μάζας ενός συστήματος αλλάζει με τον χρόνο τότε αυτό σύμφωνα με την Γενική Θεωρία

της Σχετικότητας προκαλεί μια διαταραχή του βαρυτικού πεδίου η οποία διαδίδεται ως βαρυτική ακτινοβολία

(gravitational radiation) Επειδή η βαρυτική δύναμη άρα και η καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω από

ένα αντικείμενο εξαρτάται από την μάζα του αντικείμενα με μεγάλες μάζες όπως πχ περιστρεφόμενοι

αστέρες διπλά συστήματα αστέρων μαύρες τρύπες κλπ αποτελούν πηγές βαρυτικών κυμάτων με δυνητικά

ανιχνεύσιμο εύρος Υπάρχουν περιοδικές (πχ διπλά αστέρια παλλόμενα αστέρια αστέρια νετρονίων κλπ)

και παροδικές (πχ εκρήξεις υπερκαινοφανών ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες κλπ) πηγές βαρυτικών κυμάτων

Τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός στο κενό και εξαιτίας της ασθενούς φύσης της

βαρυτικής δύναμης σε σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις δεν αλληλεπιδρούν με το υλικό

Συνεπώς το σύμπαν είναι πρακτικά διαφανές στα βαρυτικά κύματα και έτσι πιθανές παρατηρήσεις βαρυτικών

κυμάτων θα αποτελέσουν ένα σημαντικό νέο παράθυρο της αστροφυσικής σε απροσπέλαστες από άλλες

μεθόδους περιοχές

Μέχρι στιγμής δεν έχει πραγματοποιηθεί καμία άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων1

΄Εμμεσες

ενδείξεις για την παρουσία τους προέκυψαν από παρατηρήσεις της απόσβεσης της περιόδου ενός διπλού

συστήματος αστεριών νετρονίων από τους Taylor και Weisberg η οποία βρέθηκε συμβατή με απώλειες

ενέργειας λόγω εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας Η πόλωση των βαρυτικών κυμάτων είναι τέτοια που να

προκαλεί συστολή και διαστολή σωμάτων σε ελεύθερη πτώση σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους κατευθύνσεις

Εξαιτίας της ασθενούς φύσης της βαρυτικής δύναμης οι παραμορφώσεις που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα

είναι πολύ μικρές κάτι που καθιστά την ανίχνευση τους μια τρομερά απαιτητική και δύσκολή μέτρηση

Σχήμα 87 Περίγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού (αριστερά) και φωτογραφία μιας τέτοιας διάταξης Antenna

Ultracriogenica Risonante per lrsquoIndagine Gravitazionale Astronomica στην Πάδοβα της Ιταλίας (δεξιά)

Το εύρος των βαρυτικών κυμάτων μπορεί να ποσοτικοποιηθεί από την αδιάστατη παράμετρο h

h =δL

L (818)

που δίδει την σχετική παραμόρφωση ενός αντικειμένου ή ισοδύναμα την σχετική μεταβολή της απόστασης

δυο ελευθέρων μαζών υπό την επίδρασή τους Θεωρητικοί υπολογισμοί βασισμένοι σε διάφορες πηγές

βαρυτικών κυμάτων δίδουν ότι η h παίρνει τιμέςasymp [10minus26 10minus18] ενώ οι αντίστοιχες συχνότητες κυμαίνονται

asymp [10minus4 104]Hz Συνεπώς ένα βαρυτικό κύμα με h = 10minus22θα προκαλέσει σύμφωνα με την εξίσωση 818

1Τον Φεβρουάριο του 2016 η ομάδα του πειράματος LIGO ανακοίνωσε την ανίχνευση βαρυτικής ακτινοβολίας την οποία

απέδοσαν στη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών

164 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

μια αλλαγή της απόστασης ανάμεσα στην γη και την σελήνη (L 380 times 103km) κατά δL 410minus14m

που αντιστοιχεί στο asymp 12 του μεγέθους του πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου Συνεπώς μετρήσεις

βαρυτικών κυμάτων απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια και μεγάλους (συμβολομετρικούς) ανιχνευτές

Οι πρώτες απόπειρες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων άρχισαν την δεκαετία του ΄60 από τον Weber

και βασίζονταν στην χρήση βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού ΄Οπως είδαμε παραπάνω όταν ένα βαρυτικό

κύμα διέρχεται από ένα σώμα θα το συμπιέσει και αποσυμπιέσει αντίστοιχα σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους

κατευθύνσεις Αν η συχνότητα του προσπίπτοντος βαρυτικού κύματος συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα του

σώματος τότε διεγείρονται οι φυσικοί τρόποι ταλάντωσης του σώματος το οποίο ταλαντώνεται στην ιδιοσυ-

χνοτητά του με άλλα λόγια έχουμε συντονισμό ανάμεσα στο βαρυτικό κύμα και το σώμα Η ιδιοσυχνότητα

ενός σώματος εξαρτάται κυρίως από την μάζα του όπως και από το υλικό Προφανώς χρειαζόμαστε σώματα

μεγάλης μάζας άρα με χαμηλές ιδιοσυχνότητες για να έχουμε συντονισμό με τα βαρυτικά κύματα τα οποία

επίσης χαρακτηρίζονται από χαμηλές συχνότητες

Στο Σχήμα 87 δίδουμε το σχηματικό διάγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού όπως και μια φωτογρα-

φία του Ο ανιχνευτής έχει κυλινδρικό σχήμα και στην επιφάνεια του υπάρχουν πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι

οι οποίοι μετατρέπουν τις μικρές μηχανικές τάσεις που αναπτύσσονται λόγω φαινομένων συντονισμού σε

ηλεκτρικό δυναμικό το οποίο κατόπιν καταμετρείται Ο ανιχνευτής έχει μεγάλη μάζα πχ ο πρώτος τέτοιος

ανιχνευτής ήταν ένας αλουμινένιος κύλινδρος 15 τόνου Τέτοιοι ανιχνευτές έχουν δυνητικά ευαισθησία

σε μια στενή φασματική περιοχή γύρω από την συχνότητα συντονισμού τους που βρίσκεται στην περιο-

χή των asymp 103Hz Πρόσφατα άρχισε η ανάπτυξη σφαιρικών βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού όπως ο

MiniGrail στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας οι οποίο παρέχουν δυνατότητα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων

ανεξαρτήτου της διεύθυνσης που προέρχονται

Σχήμα 88 Αεροφωτογραφία του LIGO (αριστερή εικόνα) Σχεδιάγραμμα του LIGO (δεξιά εικόνα) Κάτοπτρο

(Κ) διαιρετής δέσμης (ΔΔ) φωτοανιχνευτής (ΦΑ) από CaltechLIGO

Μια άλλη βασική μέθοδος ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων βασίζεται στην συμβολομετρία ΄Ενα παρά-

δειγμα ενός συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων είναι το Laser Interferometer Gravitational-

Wave Observatory (LIGO) με έναν τέτοιο ανιχνευτή να βρίσκεται στην Washington και έναν δεύτερο

στην Louisiana των ΗΠΑ Το LIGO είναι βασικά ένα συμβολόμετρο Michelson και αποτελείται από δύο

κάθετους μεταξύ τους πανομοιότυπους βραχίονες σε σχήμα L (αριστερή εικόνα του Σχήματος 88) Ο

κάθε βραχίονας έχει μήκος 4 km και βρίσκεται εντός σήραγγας διαμέτρου 12 m που στο εσωτερικό της

επικρατεί κενό Σχηματικό διάγραμμα του LIGO δίδεται στην δεξιά εικόνα του Σχήματος 88 Κάθε

βραχίονας φέρει στα άκρα και στο μέσο του ελεύθερα να ταλαντωθούν κάτοπτρα (Κ) Μονοχρωματική

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 165

ακτινοβολία από πηγή laser διαμερίζεται στους δύο βραχίονες μέσω ενός διαιρέτη δέσμης (ΔΔ) Για περαι-

τέρω ενίσχυση της ευαισθησίας της μέτρησης το φως υφίσταται πολλαπλές ανακλάσεις ανάμεσα στα δύο

κάτοπτρα του κάθε βραχίονα για να συμβάλουν κατόπιν οι δύο δέσμες και να καταγραφεί το αποτέλεσμα

της συμβολής στην θέση του φωτοανιχνευτή (ΦΑ) Προφανώς η διαμόρφωση του προϊόντος της συμβολής

των δυο δεσμών (πχ ενισχυτική ή καταστρεπτική συμβολή) σχετίζεται με το μήκος των δύο βραχιόνων

το οποίο αλλάζει όταν προσπίπτει σε αυτούς κάποιο βαρυτικό κύμα ΄Αλλοι συμβολομετρικοί ανιχνευτές

βαρυτικών κυμάτων βρίσκοντανβρίσκονται σε λειτουργία στην Ιταλία (VIRGO) Γερμανία (GEO600) και

Ιαπωνία (TAMA300)

Σχήμα 89 Σκίτσο του διαστημικού συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων eLISA (από ESA)

Υπάρχουν τέλος σχέδια για ανάπτυξη συμβολομετρικών ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων στο διάστη-

μα Το σύστημα evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA Σχήμα 89) θα αποτελείται από

3 διαστημόπλοια σε διάταξη ισοπλεύρου τριγώνου με πλευρές μήκους ενός εκατομμυρίου χιλιομέτρων σε

τροχιά που θα ακολουθεί αυτήν της γης γύρω από τον ήλιο σε μια απόσταση 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων

΄Ενα από τα 3 διαστημόπλοια θα στέλνει δέσμες laser στα δύο άλλα Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης

ανάμεσα στα διαστημόπλοια αυτά δεν θα φέρουν κάτοπτρα για να ανακλαστεί το φως από την δέσμη laser

αφού το φως από το laquoμητρικόraquo διαστημόπλοιο θα φθάνει στα δύο laquoθυγατρικάraquo πολύ εξασθενημένο Σε

κάθε διαστημόπλοιο θα υπάρχουν σημειακές μάζες σε ελεύθερη πτώση οι οποίες θα χρησιμοποιούνται για

να μετρηθούν οι σχετικές μετατοπίσεις τους ανά δύο Το παραπάνω βασίζεται στον συνδυασμό συμβολο-

μετρικής μέτρησης των μετατοπίσεων πρώτα ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια και κατόπιν ανάμεσα σε κάθε

διαστημόπλοιο και στην ελεύθερη μάζα που φέρει Με αυτόν τον τρόπο απαλείφεται η σχετικά μεγάλη

αβεβαιότητα στον καθορισμό της σχετικής θέσης ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια Ο eLISA προβλέπεται

να μπορεί να μετρήσει μετατοπίσεις με ακρίβεια της τάξης των 10minus12m και προβλέπεται να εκτοξευθεί μετά

το 2030 Μια αποστολή προπομπός της eLISA η οποία θα επιτρέψει τον έλεγχο βασικών τεχνολογιών της

προβλέπεται να εκτοξεύθηκε το 2015

Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι για μια καταφατική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που βασίζεται στην

μέτρηση απειροελάχιστων μετατοπίσεωνπαραμορφώσεων χρειάζεται να laquoμονωθούνraquo οι ελεύθερες μάζες

που χρησιμοποιούνται από οποιαδήποτε άλλη εξωτερική διαταραχή Αυτές περιλαμβάνουν σεισμική δρα-

στηριότητα θερμικό θόρυβο θόρυβο φωτονίων όπως επίσης και την πίεση ακτινοβολίας και του ηλιακού

ανέμου για την περίπτωση διαστημικών ανιχνευτών

166 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

84 Επιτόπιες μετρήσεις

Η απαρχή της διαστημικής εποχής το 1957 σηματοδότησε μια νέα εποχή στην αστροφυσική παρατήρηση

αφού μια σειρά από δορυφόρους και διαστημόπλοια εφοδιασμένα με κατάλληλα όργανα εκτελούσαν ή

εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις των διαφόρων παραμέτρων του πλάσματος (πχ ταχύτητα θερμοκρασία

και πυκνότητα ιόντων) όπως επίσης και του μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης και άλλων

πλανητών (πχ Δίας Κρόνος) όπως επίσης και του ηλιακού ανέμου (βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος 2016) ΄Ετσι έχουμε λεπτομερείς μετρήσεις πλάσματος και πεδίων στο σημείο στο

οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος ή το διαστημόπλοιο χωρίς όμως να έχουμε μια σύνοψη σε μεγάλη κλίμακα

της δομής στην οποία βρίσκεται το σημείο λήψης των επιτόπιων μετρήσεων ΄Ετσι απαραίτητο συμπλήρωμα

στην περαιτέρω ανάλυση των επιτόπιων μετρήσεων αποτελούν παρατηρήσεις από τηλεσκόπια ή προβλέψεις

από μοντέλα

841 Μετρητές Ιόντων

Ο συνηθέστερος μετρητής ιόντων που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το κύπελλο Faraday (Faraday

cup) Το κύπελλο Faraday πχ σχήμα 810 είναι ουσιαστικά μια παγίδα ιόντων και αποτελείται από μια

κοίλη μεταλλική (αγώγιμη) επιφάνεια η οποία φορτίζεται θετικά από την πρόσπτωση των ιόντων σε αυτήν

Ανάλογα με τα ηλεκτρονικά του συστήματος γίνεται μέτρηση του φορτίου ή του ρεύματος ή της διαφοράς

δυναμικού που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στα ιόντα και στο αγώγιμο υλικό του κυπέλλου

Το μετρούμενο σήμα είναι ανάλογο του αριθμού των ιόντων που εισήλθαν στο κύπελλο

Σχήμα 810 Φωτογραφία του κυπέλλου Faraday που βρίσκεται πάνω στο διαστημόπλοιο WIND (από MIT)

΄Ενα κύπελλο Faraday περιλαμβάνει και μια σειρά από μεταλλικά πλέγματα διαμόρφωσης στα οποία

εφαρμόζονται μεταβαλλόμενες διαφορές δυναμικού Για δοθείσα διαφορά δυναμικού V ιόντα με λόγο

ενέργειαςφορτίου Eq θα μπορέσουν να διασχίσουν το πλέγμα και να ανιχνευθούν αν ισχύει Eq gt V

Μεταβάλλοντας το V με μια συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz εντός μιας περιοχής διαφορών δυναμικού

[Vmin Vmax] επιλέγουμε ιόντα που καλύπτουν ένα εύρος τιμών του Eq Κατασκευάζονται με άλλα λόγια

ενεργειακά φάσματα για ένα πλήθος τιμών Eq

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 159

822 Η ανίχνευση των νετρίνων

Οι προσπάθειες για ανίχνευση νετρίνων από τις πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του ήλιου ξεκίνησαν

το 1965 με το πείραμα του Davis και των συνεργατών του Το πείραμα στηριζόταν στην πρόσληψη νετρίνων

από το χλώριο που δίνει ραδιενεργό αργό σύμφωνα με την αντίδραση

37Cl + ν minusrarr37 Ar + eminus (813)

Η αντίδραση αυτή έχει αρκετά υψηλό ενεργειακό κατώφλι 814 keV πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί

να ανιχνεύσει μόνο νετρίνα που παράγονται από την αντίδραση αποσύνθεσης του βόριου (811) μια αν-

τίδραση ενός υπο-κλάδου του υπο-κλάδου του κύκλου του πρωτονίου Η κύρια αντίδραση (82) παράγει

νετρίνα χαμηλότερης ενέργειας μέχρι 400 περίπου keV (Σχήμα 81)

Στο πείραμα του Davis χρησιμοποιήθηκαν 610 τόνοι υπερχλωρεθαίνιου (C2Cl4 κοινό υγρό καθαρι-

σμού) που περιέχουν 22 1030

άτομα χλωρίου Το υπερχλωρεθαίνιο τοποθετήθηκε σε δεξαμενή 400 κυβικών

μέτρων μέσα σε ένα εγκαταλειμμένο χρυσορυχείο στο Homestake της Νότιας Ντακότας στις ΗΠΑ σε

βάθος 1480 μέτρων κάτω από το έδαφος (Σχήμα 82) ΄Ετσι πετυχαίνεται προστασία από κοσμικές ακτίνες

που θα προκαλούσαν ανεπιθύμητες πυρηνικές αντιδράσεις Στο τέλος μιας περιόδου 100 περίπου ημερών

διοχετευόταν στη δεξαμενή ήλιο το οποίο συμπαρέσυρε το αργό Στη συνέχεια μετριόταν επί 8 μήνες η

αποσύνθεση του αργού που συνοδεύεται από εκπομπή ηλεκτρονίου ενέργειας 28 keV

Σχήμα 82 Η δεξαμενή υπερχλωρεθαίνιου του ανιχνευτή Homestake (αριστερά) και σχεδιάγραμμα της διάταξης

(δεξιά) από R DavisBrookhaven National Laboratory

Η όλη διαδικασία είναι τόσο αποτελεσματική ώστε μπορεί να ανιχνεύσει 003 αντιδράσεις νετρίνων

την ημέρα Τα αποτελέσματα δίνονται σε laquoμονάδες ηλιακών νετρίνωνraquo (solar neutrino units SNU) Μια

τέτοια μονάδα αντιστοιχεί σε μία αντίδραση ανά 1036

άτομα χλωρίου ανά δευτερόλεπτο Οι μετρήσεις (1967

- 1998) έδοσαν μέση ροή νετρίνων 20 plusmn 03 SNU τιμή κάπου τρείς φορές μικρότερη από την αναμενόμενη

που είναι 79 plusmn 03 SNU

Το πειραματικό αυτό αποτέλεσμα έβαλε σε πολλές σκέψεις όσους ασχολούνται με τη θεωρία της

εσωτερικής δομής των αστεριών Πειραματικό λάθος αποκλείστηκε μια και μετρήσεις του πειράματος

Kamiokande στο ορυχείο Kamioka (Σχήμα 83) της Ιαπωνίας (1986 - 1995) που βασιζόταν στην ακτινο-

βολία Cerenkov και είχε ενεργειακό κατώφλι 75 MeV έδοσε παρόμοια αποτελέσματα Διευκρινίζουμε ότι

η ακτινοβολία Cerenkov προέρχεται από ηλεκτρόνια που αποκτούν μεγάλη ενέργεια λόγω σκέδασης με τα

νετρίνα

eminus + ν minusrarr eminus + ν (814)

160 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 83 Το αναβαθμισμένο πείραμα Super Kamiokande Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος με τον

κώνο φωτός που προκαλεί η ακτινοβολία Cerenkov (αριστερά) Η δεξαμενή νερού (πριν από την πλήρωσή της) μαζί

με ανιχνευτές φωτονίων (κέντρο) Ανίχνευση νετρίνου (δεξιά) από ICRR The University of Tokyo

Παρόμοια ήταν και τα αποτελέσματα του πειράματος Gallex που πραγματοποιήθηκε (1991 - 1997) σε

σήραγγα κάτω από την κορυφή Gran Sasso στα Απέννινα όρη της Ιταλίας και του Σοβιετο-Αμερικανικού

πειράματος SAGE στον Καύκασο (1996 - 2006) Τα πειράματα αυτά χρησιμοποίησαν γάλλιο για την ανί-

χνευση των νετρίνων

71Ga + ν minusrarr71 Ge + eminus (815)

Το ενδιαφέρον σ΄ αυτή την αντίδραση έγκειται στο ότι έχει ενεργειακό κατώφλι 233 keV κατά συνέπεια

μπορεί να ανιχνεύσει νετρίνα από την κύρια αντίδραση (82) του κύκλου του πρωτονίου (Σχήμα 81)

Απέμεναν συνεπώς δύο κατευθύνσεις για την επίλυση του προβλήματος Η μια είναι ότι χρειάζεται

αναθεώρηση του laquoτυπικού μοντέλουraquo (standard model) του εσωτερικού του ήλιου που παρουσιάσαμε

παραπάνω και η άλλη είναι ότι δεν γνωρίζουμε αρκετά καλά τη συμπεριφορά των νετρίνων

΄Οσες προσπάθειες έγιναν στην κατεύθυνση ερμηνείας της έλλειψης των νετρίνων με αναθεώρηση του

τυπικού μοντέλου δημιούργησαν περισσότερα προβλήματα από αυτά που επεχείρησαν να λύσουν και τελικά

θεωρείται βέβαιο ότι το πρόβλημα βρίσκεται στις γνώσεις μας για τα νετρίνα παρά στο τυπικό μοντέλο

Πράγματι αν το νετρίνο έχει μάζα μπορεί να μεταπηδήσει ανάμεσα σε τρείς καταστάσεις ηλεκτρονικό

νετρίνο (σαν αυτά που παράγει οι αντιδράσεις στο εσωτερικό του ήλιου) νετρίνο τ και νετρίνο micro Το

φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως ταλαντώσεις των νετρίνων (neutrino oscillations) Τέτοιες ταλαντώσεις

μπορούν να γίνουν πιο εύκολα παρουσία άλλου υλικού πχ στη διάρκεια της διαδρομής των νετρίνων μέσα

στον ήλιο Ως αποτέλεσμα στη Γη φτάνει τελικά το ένα τρίτο των ηλεκτρονικών νετρίνων που παράγονται

στον ήλιο και τα υπόλοιπα έχουν μετατραπεί σε νετρίνα τ και micro

Τελικά από τα πειράματα ανίχνευσης νετρίνων μάθαμε περισσότερα για τη φυσική των νετρίνων παρά

για το εσωτερικό των αστεριών πέρα βέβαια από την πειραματική επιβεβαίωση της παραγωγής ενέργειας από

θερμοπυρηνικές αντιδράσεις Η σημασία αυτών που μάθαμε αναγνωρίστηκε με την απονομή του βραβείου

Nobel Φυσικής για το 2015 στους Takaaki Kajita (πείραμα Kamiokande) και Arthur B McDonald

(πείραμα Sudbury) για την ανακάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων Το ίδιο βραβείο είχε απονεμηθεί

στους Raymond Davis Jr (πείραμα Homestake) και Masatoshi Koshiba (πείραμα Super Kamiokande)

το 2002 για την ανίχνευση των νετρίνων

823 Νεότερα πειράματα

Η επιτυχία των πρώτων πειραμάτων ανίχνευσης νετρίνων είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη νέων συστη-

μάτων ανίχνευσης ενώ επιχειρείται η ανίχνευση νετρίνων που δεν προέρχονται από τον ήλιο Το πείραμα

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 161

Borexino που λειτουργεί από το 2007 και είναι εγκατεστημένο στο Gran Sasso (βλ παραπάνω) έχει

στόχο την ανίχνευση νετρίνων χαμηλής ενέργειας 863 keV που προέρχονται από τη μετατροπή του7Be

σε7Li (αντίδραση 88

7Be στο Σχήμα 81) Αποτελείται από σφαιρικό δοχείο που περιέχει υγρό σπιν-

θηριστή (Σχήμα 84 αριστερά) για την ανίχνευση χρησιμοποιείται η ελαστική σκέδαση των νετρίνων από

ηλεκτρόνια το φάσμα των οποίων μετά τη σκέδαση έχει μέγιστο στα 664 keV

Σχήμα 84 Η διάταξη του πειράματος Borexino (αριστερά) Ο ανιχνευτής DO2 του Αστεροσκοπείου νετρίνων

Sudbury (δεξιά) από Laboratori Nazionali del Gran Sasso

Ο ανιχνευτής του Αστεροσκοπείου νετρίνων Sudbury (SNO) το όποίο λειτούργησε από το 1999 έως

το 2006 απετελείτο από δοχείο διαμέτρου 12m που περιείχε 1000 τόνους DO2 (Σχήμα 84 δεξιά) ΄Ηταν

εγκατεστημένος σε βάθος 2000m στο ορυχείο Creighton κοντά στο Sudbury του Ontario (Καναδάς) Για

τη μέτρηση της ακτινοβολίας Cerenkov το SNO χρησιμοποιούσε 9600 φωτοπολλαπλασιαστές Υπάρχουν

σχέδια αναβάθμισής του (SNO+) με χρησιμοποίηση υγρού σπινθηριστή αντί για DO2

Η βασική αντίδραση νετρίνων με το δευτέριο του DO2 το διασπά αε δύο πρωτόνια

νe +2H minusrarr p + p + eminus (816)

και εμπλέκει αποκλειστικά νετρίνα ηλεκτρονίων Το σύνολο σχεδόν της ενέργειας του νετρίνου μεταφέρεται

στο ηλεκτρόνιο που παράγεται το οποίο δίνει ακτινοβολία Cerenkov

Μια άλλη αντίδραση διασπά το δευτέριο σε πρωτόνιο και νετρόνιο

ν +2H minusrarr p + n + ν (817)

η οποία δεν περιορίζεται στα νετρίνα ηλεκτρονίων αλλά μπορεί να γίνει και με τα άλλα δύο είδη (τ και

μ) εξ ού και το ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού μπορεί να ανιχνεύσει όλα τα νετρίνα και όχι μόνο τα νετρίνα

ηλεκτρονίων Η ανίχνευση γίνεται μέσα από την σύλληψη του νετρονίου που παράγεται από κάποιο πυρήνα

και την επακόλουθη εκπομπή ακτίνων γάμμα Μολονότι η σύλληψη του νετρίνου μπορεί να γίνει και από

το δευτέριο πολύ πιο αποτελεσματικά γίνεται από το Cl και για το σκοπό αυτό διαλύεται στο DO2 μια

ποσότητα ClNa

Τέλος υπάρχει και η λιγότερο συχνή αντίδραση σκέδασης του νετρίνου από ηλεκτρόνια (814) όπου

το ηλεκτρόνιο παίρνει ενέργεια από το νετρίνο και παράγει ακτινοβολία Cerenkov Μολονότι και αυτή

η αντίδραση δεν κάνει διάκριση του είδους των νετρίνων τα νετρίνα ηλεκτρονίων ευνοούνται κατά ένα

παράγοντα έξι

162 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Η δυνατότητα μέτρησης όλων των μορφών νετρίνων από το SNO καθώς και η δυνατότητα διάκρισης

ανάμεσα στην ακτινοβολία Cerenkov των νετρίνων ηλεκτρονίων και των νετρίνων μ που είχε το Super

Kamiokande επιβεβαίωσαν τους ρυθμούς παραγωγής νετρίνων που προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο

του εσωτερικού του ήλιου καθώς και τις ταλαντώσεις των νετρίνων

Σχήμα 85 Σχεδιάγραμμα (αριστερά) και αναπαράσταση (δεξιά) του πειράματος ANTARES (από Hoffman

K D 2009 και Francois MontanetWikimedia)

Κάποια σύγχρονα πειράματα χρησιμοποιούν το νερό της θάλασσας ή τους πολικούς πάγους Το

πείραμα ANTARES εγκατεστημένο σε απόσταση 40 km από την ακτή της Toulon (Γαλλία) ανιχνεύει

ακτινοβολία Cerenkov από το θαλασσινό νερό Αποτελείται από 12 συστοιχίες ανιχνευτών μήκους 350m

διεσπαρμένους σε έκταση 01 km2(Σχήμα 85) και επιχειρεί σε συνεργασία με το πείραμα IceCube την

ανίχνευση κοσμικών (μη ηλιακών) νετρίνων Το τελευταίο είναι εγκατεστημένο μέσα στους πάγους στο

Νότιο Πόλο και αποτελείται από 86 κάθετες διατάξεις από 60 ανιχνευτές η κάθε μία σε βάθος 1450 έως

2450m Η μέση απόσταση των συστοιχιών είναι 17m (Σχήμα 86) και ο όγκος πάγου που καλύπτουν είναι

ένα κυβικό χιλιόμετρο Πρόδρομος του IceCube υπήρξε το πείραμα AMANDA

Σχήμα 86 Σχεδιάγραμμα του IceCube (αριστερά) αεροφωτογραφία (κέντρο) και μία ανίχνευση νετρίνου

(δεξιά) από IceCube Science TeamFrancis Halzen

Αναφέρουμε τέλος την Ευρωπαϊκή συνεργασία Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT)

για την κατασκευή τηλεσκοπίου νετρίνων ενός κυβικού χιλιομέτρου στη Μεσόγειο στην οποία συμμετέχει

και η Ελληνική ομάδα NESTOR μαζί με την ομάδα του ANTARES και την Ιταλική ομάδα ΝΕΜΟ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 163

83 Ανίχνευση Βαρυτικής Ακτινοβολίας

΄Οταν η κατανομή μάζας ενός συστήματος αλλάζει με τον χρόνο τότε αυτό σύμφωνα με την Γενική Θεωρία

της Σχετικότητας προκαλεί μια διαταραχή του βαρυτικού πεδίου η οποία διαδίδεται ως βαρυτική ακτινοβολία

(gravitational radiation) Επειδή η βαρυτική δύναμη άρα και η καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω από

ένα αντικείμενο εξαρτάται από την μάζα του αντικείμενα με μεγάλες μάζες όπως πχ περιστρεφόμενοι

αστέρες διπλά συστήματα αστέρων μαύρες τρύπες κλπ αποτελούν πηγές βαρυτικών κυμάτων με δυνητικά

ανιχνεύσιμο εύρος Υπάρχουν περιοδικές (πχ διπλά αστέρια παλλόμενα αστέρια αστέρια νετρονίων κλπ)

και παροδικές (πχ εκρήξεις υπερκαινοφανών ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες κλπ) πηγές βαρυτικών κυμάτων

Τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός στο κενό και εξαιτίας της ασθενούς φύσης της

βαρυτικής δύναμης σε σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις δεν αλληλεπιδρούν με το υλικό

Συνεπώς το σύμπαν είναι πρακτικά διαφανές στα βαρυτικά κύματα και έτσι πιθανές παρατηρήσεις βαρυτικών

κυμάτων θα αποτελέσουν ένα σημαντικό νέο παράθυρο της αστροφυσικής σε απροσπέλαστες από άλλες

μεθόδους περιοχές

Μέχρι στιγμής δεν έχει πραγματοποιηθεί καμία άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων1

΄Εμμεσες

ενδείξεις για την παρουσία τους προέκυψαν από παρατηρήσεις της απόσβεσης της περιόδου ενός διπλού

συστήματος αστεριών νετρονίων από τους Taylor και Weisberg η οποία βρέθηκε συμβατή με απώλειες

ενέργειας λόγω εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας Η πόλωση των βαρυτικών κυμάτων είναι τέτοια που να

προκαλεί συστολή και διαστολή σωμάτων σε ελεύθερη πτώση σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους κατευθύνσεις

Εξαιτίας της ασθενούς φύσης της βαρυτικής δύναμης οι παραμορφώσεις που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα

είναι πολύ μικρές κάτι που καθιστά την ανίχνευση τους μια τρομερά απαιτητική και δύσκολή μέτρηση

Σχήμα 87 Περίγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού (αριστερά) και φωτογραφία μιας τέτοιας διάταξης Antenna

Ultracriogenica Risonante per lrsquoIndagine Gravitazionale Astronomica στην Πάδοβα της Ιταλίας (δεξιά)

Το εύρος των βαρυτικών κυμάτων μπορεί να ποσοτικοποιηθεί από την αδιάστατη παράμετρο h

h =δL

L (818)

που δίδει την σχετική παραμόρφωση ενός αντικειμένου ή ισοδύναμα την σχετική μεταβολή της απόστασης

δυο ελευθέρων μαζών υπό την επίδρασή τους Θεωρητικοί υπολογισμοί βασισμένοι σε διάφορες πηγές

βαρυτικών κυμάτων δίδουν ότι η h παίρνει τιμέςasymp [10minus26 10minus18] ενώ οι αντίστοιχες συχνότητες κυμαίνονται

asymp [10minus4 104]Hz Συνεπώς ένα βαρυτικό κύμα με h = 10minus22θα προκαλέσει σύμφωνα με την εξίσωση 818

1Τον Φεβρουάριο του 2016 η ομάδα του πειράματος LIGO ανακοίνωσε την ανίχνευση βαρυτικής ακτινοβολίας την οποία

απέδοσαν στη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών

164 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

μια αλλαγή της απόστασης ανάμεσα στην γη και την σελήνη (L 380 times 103km) κατά δL 410minus14m

που αντιστοιχεί στο asymp 12 του μεγέθους του πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου Συνεπώς μετρήσεις

βαρυτικών κυμάτων απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια και μεγάλους (συμβολομετρικούς) ανιχνευτές

Οι πρώτες απόπειρες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων άρχισαν την δεκαετία του ΄60 από τον Weber

και βασίζονταν στην χρήση βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού ΄Οπως είδαμε παραπάνω όταν ένα βαρυτικό

κύμα διέρχεται από ένα σώμα θα το συμπιέσει και αποσυμπιέσει αντίστοιχα σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους

κατευθύνσεις Αν η συχνότητα του προσπίπτοντος βαρυτικού κύματος συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα του

σώματος τότε διεγείρονται οι φυσικοί τρόποι ταλάντωσης του σώματος το οποίο ταλαντώνεται στην ιδιοσυ-

χνοτητά του με άλλα λόγια έχουμε συντονισμό ανάμεσα στο βαρυτικό κύμα και το σώμα Η ιδιοσυχνότητα

ενός σώματος εξαρτάται κυρίως από την μάζα του όπως και από το υλικό Προφανώς χρειαζόμαστε σώματα

μεγάλης μάζας άρα με χαμηλές ιδιοσυχνότητες για να έχουμε συντονισμό με τα βαρυτικά κύματα τα οποία

επίσης χαρακτηρίζονται από χαμηλές συχνότητες

Στο Σχήμα 87 δίδουμε το σχηματικό διάγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού όπως και μια φωτογρα-

φία του Ο ανιχνευτής έχει κυλινδρικό σχήμα και στην επιφάνεια του υπάρχουν πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι

οι οποίοι μετατρέπουν τις μικρές μηχανικές τάσεις που αναπτύσσονται λόγω φαινομένων συντονισμού σε

ηλεκτρικό δυναμικό το οποίο κατόπιν καταμετρείται Ο ανιχνευτής έχει μεγάλη μάζα πχ ο πρώτος τέτοιος

ανιχνευτής ήταν ένας αλουμινένιος κύλινδρος 15 τόνου Τέτοιοι ανιχνευτές έχουν δυνητικά ευαισθησία

σε μια στενή φασματική περιοχή γύρω από την συχνότητα συντονισμού τους που βρίσκεται στην περιο-

χή των asymp 103Hz Πρόσφατα άρχισε η ανάπτυξη σφαιρικών βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού όπως ο

MiniGrail στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας οι οποίο παρέχουν δυνατότητα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων

ανεξαρτήτου της διεύθυνσης που προέρχονται

Σχήμα 88 Αεροφωτογραφία του LIGO (αριστερή εικόνα) Σχεδιάγραμμα του LIGO (δεξιά εικόνα) Κάτοπτρο

(Κ) διαιρετής δέσμης (ΔΔ) φωτοανιχνευτής (ΦΑ) από CaltechLIGO

Μια άλλη βασική μέθοδος ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων βασίζεται στην συμβολομετρία ΄Ενα παρά-

δειγμα ενός συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων είναι το Laser Interferometer Gravitational-

Wave Observatory (LIGO) με έναν τέτοιο ανιχνευτή να βρίσκεται στην Washington και έναν δεύτερο

στην Louisiana των ΗΠΑ Το LIGO είναι βασικά ένα συμβολόμετρο Michelson και αποτελείται από δύο

κάθετους μεταξύ τους πανομοιότυπους βραχίονες σε σχήμα L (αριστερή εικόνα του Σχήματος 88) Ο

κάθε βραχίονας έχει μήκος 4 km και βρίσκεται εντός σήραγγας διαμέτρου 12 m που στο εσωτερικό της

επικρατεί κενό Σχηματικό διάγραμμα του LIGO δίδεται στην δεξιά εικόνα του Σχήματος 88 Κάθε

βραχίονας φέρει στα άκρα και στο μέσο του ελεύθερα να ταλαντωθούν κάτοπτρα (Κ) Μονοχρωματική

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 165

ακτινοβολία από πηγή laser διαμερίζεται στους δύο βραχίονες μέσω ενός διαιρέτη δέσμης (ΔΔ) Για περαι-

τέρω ενίσχυση της ευαισθησίας της μέτρησης το φως υφίσταται πολλαπλές ανακλάσεις ανάμεσα στα δύο

κάτοπτρα του κάθε βραχίονα για να συμβάλουν κατόπιν οι δύο δέσμες και να καταγραφεί το αποτέλεσμα

της συμβολής στην θέση του φωτοανιχνευτή (ΦΑ) Προφανώς η διαμόρφωση του προϊόντος της συμβολής

των δυο δεσμών (πχ ενισχυτική ή καταστρεπτική συμβολή) σχετίζεται με το μήκος των δύο βραχιόνων

το οποίο αλλάζει όταν προσπίπτει σε αυτούς κάποιο βαρυτικό κύμα ΄Αλλοι συμβολομετρικοί ανιχνευτές

βαρυτικών κυμάτων βρίσκοντανβρίσκονται σε λειτουργία στην Ιταλία (VIRGO) Γερμανία (GEO600) και

Ιαπωνία (TAMA300)

Σχήμα 89 Σκίτσο του διαστημικού συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων eLISA (από ESA)

Υπάρχουν τέλος σχέδια για ανάπτυξη συμβολομετρικών ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων στο διάστη-

μα Το σύστημα evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA Σχήμα 89) θα αποτελείται από

3 διαστημόπλοια σε διάταξη ισοπλεύρου τριγώνου με πλευρές μήκους ενός εκατομμυρίου χιλιομέτρων σε

τροχιά που θα ακολουθεί αυτήν της γης γύρω από τον ήλιο σε μια απόσταση 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων

΄Ενα από τα 3 διαστημόπλοια θα στέλνει δέσμες laser στα δύο άλλα Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης

ανάμεσα στα διαστημόπλοια αυτά δεν θα φέρουν κάτοπτρα για να ανακλαστεί το φως από την δέσμη laser

αφού το φως από το laquoμητρικόraquo διαστημόπλοιο θα φθάνει στα δύο laquoθυγατρικάraquo πολύ εξασθενημένο Σε

κάθε διαστημόπλοιο θα υπάρχουν σημειακές μάζες σε ελεύθερη πτώση οι οποίες θα χρησιμοποιούνται για

να μετρηθούν οι σχετικές μετατοπίσεις τους ανά δύο Το παραπάνω βασίζεται στον συνδυασμό συμβολο-

μετρικής μέτρησης των μετατοπίσεων πρώτα ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια και κατόπιν ανάμεσα σε κάθε

διαστημόπλοιο και στην ελεύθερη μάζα που φέρει Με αυτόν τον τρόπο απαλείφεται η σχετικά μεγάλη

αβεβαιότητα στον καθορισμό της σχετικής θέσης ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια Ο eLISA προβλέπεται

να μπορεί να μετρήσει μετατοπίσεις με ακρίβεια της τάξης των 10minus12m και προβλέπεται να εκτοξευθεί μετά

το 2030 Μια αποστολή προπομπός της eLISA η οποία θα επιτρέψει τον έλεγχο βασικών τεχνολογιών της

προβλέπεται να εκτοξεύθηκε το 2015

Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι για μια καταφατική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που βασίζεται στην

μέτρηση απειροελάχιστων μετατοπίσεωνπαραμορφώσεων χρειάζεται να laquoμονωθούνraquo οι ελεύθερες μάζες

που χρησιμοποιούνται από οποιαδήποτε άλλη εξωτερική διαταραχή Αυτές περιλαμβάνουν σεισμική δρα-

στηριότητα θερμικό θόρυβο θόρυβο φωτονίων όπως επίσης και την πίεση ακτινοβολίας και του ηλιακού

ανέμου για την περίπτωση διαστημικών ανιχνευτών

166 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

84 Επιτόπιες μετρήσεις

Η απαρχή της διαστημικής εποχής το 1957 σηματοδότησε μια νέα εποχή στην αστροφυσική παρατήρηση

αφού μια σειρά από δορυφόρους και διαστημόπλοια εφοδιασμένα με κατάλληλα όργανα εκτελούσαν ή

εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις των διαφόρων παραμέτρων του πλάσματος (πχ ταχύτητα θερμοκρασία

και πυκνότητα ιόντων) όπως επίσης και του μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης και άλλων

πλανητών (πχ Δίας Κρόνος) όπως επίσης και του ηλιακού ανέμου (βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος 2016) ΄Ετσι έχουμε λεπτομερείς μετρήσεις πλάσματος και πεδίων στο σημείο στο

οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος ή το διαστημόπλοιο χωρίς όμως να έχουμε μια σύνοψη σε μεγάλη κλίμακα

της δομής στην οποία βρίσκεται το σημείο λήψης των επιτόπιων μετρήσεων ΄Ετσι απαραίτητο συμπλήρωμα

στην περαιτέρω ανάλυση των επιτόπιων μετρήσεων αποτελούν παρατηρήσεις από τηλεσκόπια ή προβλέψεις

από μοντέλα

841 Μετρητές Ιόντων

Ο συνηθέστερος μετρητής ιόντων που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το κύπελλο Faraday (Faraday

cup) Το κύπελλο Faraday πχ σχήμα 810 είναι ουσιαστικά μια παγίδα ιόντων και αποτελείται από μια

κοίλη μεταλλική (αγώγιμη) επιφάνεια η οποία φορτίζεται θετικά από την πρόσπτωση των ιόντων σε αυτήν

Ανάλογα με τα ηλεκτρονικά του συστήματος γίνεται μέτρηση του φορτίου ή του ρεύματος ή της διαφοράς

δυναμικού που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στα ιόντα και στο αγώγιμο υλικό του κυπέλλου

Το μετρούμενο σήμα είναι ανάλογο του αριθμού των ιόντων που εισήλθαν στο κύπελλο

Σχήμα 810 Φωτογραφία του κυπέλλου Faraday που βρίσκεται πάνω στο διαστημόπλοιο WIND (από MIT)

΄Ενα κύπελλο Faraday περιλαμβάνει και μια σειρά από μεταλλικά πλέγματα διαμόρφωσης στα οποία

εφαρμόζονται μεταβαλλόμενες διαφορές δυναμικού Για δοθείσα διαφορά δυναμικού V ιόντα με λόγο

ενέργειαςφορτίου Eq θα μπορέσουν να διασχίσουν το πλέγμα και να ανιχνευθούν αν ισχύει Eq gt V

Μεταβάλλοντας το V με μια συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz εντός μιας περιοχής διαφορών δυναμικού

[Vmin Vmax] επιλέγουμε ιόντα που καλύπτουν ένα εύρος τιμών του Eq Κατασκευάζονται με άλλα λόγια

ενεργειακά φάσματα για ένα πλήθος τιμών Eq

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

160 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 83 Το αναβαθμισμένο πείραμα Super Kamiokande Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος με τον

κώνο φωτός που προκαλεί η ακτινοβολία Cerenkov (αριστερά) Η δεξαμενή νερού (πριν από την πλήρωσή της) μαζί

με ανιχνευτές φωτονίων (κέντρο) Ανίχνευση νετρίνου (δεξιά) από ICRR The University of Tokyo

Παρόμοια ήταν και τα αποτελέσματα του πειράματος Gallex που πραγματοποιήθηκε (1991 - 1997) σε

σήραγγα κάτω από την κορυφή Gran Sasso στα Απέννινα όρη της Ιταλίας και του Σοβιετο-Αμερικανικού

πειράματος SAGE στον Καύκασο (1996 - 2006) Τα πειράματα αυτά χρησιμοποίησαν γάλλιο για την ανί-

χνευση των νετρίνων

71Ga + ν minusrarr71 Ge + eminus (815)

Το ενδιαφέρον σ΄ αυτή την αντίδραση έγκειται στο ότι έχει ενεργειακό κατώφλι 233 keV κατά συνέπεια

μπορεί να ανιχνεύσει νετρίνα από την κύρια αντίδραση (82) του κύκλου του πρωτονίου (Σχήμα 81)

Απέμεναν συνεπώς δύο κατευθύνσεις για την επίλυση του προβλήματος Η μια είναι ότι χρειάζεται

αναθεώρηση του laquoτυπικού μοντέλουraquo (standard model) του εσωτερικού του ήλιου που παρουσιάσαμε

παραπάνω και η άλλη είναι ότι δεν γνωρίζουμε αρκετά καλά τη συμπεριφορά των νετρίνων

΄Οσες προσπάθειες έγιναν στην κατεύθυνση ερμηνείας της έλλειψης των νετρίνων με αναθεώρηση του

τυπικού μοντέλου δημιούργησαν περισσότερα προβλήματα από αυτά που επεχείρησαν να λύσουν και τελικά

θεωρείται βέβαιο ότι το πρόβλημα βρίσκεται στις γνώσεις μας για τα νετρίνα παρά στο τυπικό μοντέλο

Πράγματι αν το νετρίνο έχει μάζα μπορεί να μεταπηδήσει ανάμεσα σε τρείς καταστάσεις ηλεκτρονικό

νετρίνο (σαν αυτά που παράγει οι αντιδράσεις στο εσωτερικό του ήλιου) νετρίνο τ και νετρίνο micro Το

φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως ταλαντώσεις των νετρίνων (neutrino oscillations) Τέτοιες ταλαντώσεις

μπορούν να γίνουν πιο εύκολα παρουσία άλλου υλικού πχ στη διάρκεια της διαδρομής των νετρίνων μέσα

στον ήλιο Ως αποτέλεσμα στη Γη φτάνει τελικά το ένα τρίτο των ηλεκτρονικών νετρίνων που παράγονται

στον ήλιο και τα υπόλοιπα έχουν μετατραπεί σε νετρίνα τ και micro

Τελικά από τα πειράματα ανίχνευσης νετρίνων μάθαμε περισσότερα για τη φυσική των νετρίνων παρά

για το εσωτερικό των αστεριών πέρα βέβαια από την πειραματική επιβεβαίωση της παραγωγής ενέργειας από

θερμοπυρηνικές αντιδράσεις Η σημασία αυτών που μάθαμε αναγνωρίστηκε με την απονομή του βραβείου

Nobel Φυσικής για το 2015 στους Takaaki Kajita (πείραμα Kamiokande) και Arthur B McDonald

(πείραμα Sudbury) για την ανακάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων Το ίδιο βραβείο είχε απονεμηθεί

στους Raymond Davis Jr (πείραμα Homestake) και Masatoshi Koshiba (πείραμα Super Kamiokande)

το 2002 για την ανίχνευση των νετρίνων

823 Νεότερα πειράματα

Η επιτυχία των πρώτων πειραμάτων ανίχνευσης νετρίνων είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη νέων συστη-

μάτων ανίχνευσης ενώ επιχειρείται η ανίχνευση νετρίνων που δεν προέρχονται από τον ήλιο Το πείραμα

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 161

Borexino που λειτουργεί από το 2007 και είναι εγκατεστημένο στο Gran Sasso (βλ παραπάνω) έχει

στόχο την ανίχνευση νετρίνων χαμηλής ενέργειας 863 keV που προέρχονται από τη μετατροπή του7Be

σε7Li (αντίδραση 88

7Be στο Σχήμα 81) Αποτελείται από σφαιρικό δοχείο που περιέχει υγρό σπιν-

θηριστή (Σχήμα 84 αριστερά) για την ανίχνευση χρησιμοποιείται η ελαστική σκέδαση των νετρίνων από

ηλεκτρόνια το φάσμα των οποίων μετά τη σκέδαση έχει μέγιστο στα 664 keV

Σχήμα 84 Η διάταξη του πειράματος Borexino (αριστερά) Ο ανιχνευτής DO2 του Αστεροσκοπείου νετρίνων

Sudbury (δεξιά) από Laboratori Nazionali del Gran Sasso

Ο ανιχνευτής του Αστεροσκοπείου νετρίνων Sudbury (SNO) το όποίο λειτούργησε από το 1999 έως

το 2006 απετελείτο από δοχείο διαμέτρου 12m που περιείχε 1000 τόνους DO2 (Σχήμα 84 δεξιά) ΄Ηταν

εγκατεστημένος σε βάθος 2000m στο ορυχείο Creighton κοντά στο Sudbury του Ontario (Καναδάς) Για

τη μέτρηση της ακτινοβολίας Cerenkov το SNO χρησιμοποιούσε 9600 φωτοπολλαπλασιαστές Υπάρχουν

σχέδια αναβάθμισής του (SNO+) με χρησιμοποίηση υγρού σπινθηριστή αντί για DO2

Η βασική αντίδραση νετρίνων με το δευτέριο του DO2 το διασπά αε δύο πρωτόνια

νe +2H minusrarr p + p + eminus (816)

και εμπλέκει αποκλειστικά νετρίνα ηλεκτρονίων Το σύνολο σχεδόν της ενέργειας του νετρίνου μεταφέρεται

στο ηλεκτρόνιο που παράγεται το οποίο δίνει ακτινοβολία Cerenkov

Μια άλλη αντίδραση διασπά το δευτέριο σε πρωτόνιο και νετρόνιο

ν +2H minusrarr p + n + ν (817)

η οποία δεν περιορίζεται στα νετρίνα ηλεκτρονίων αλλά μπορεί να γίνει και με τα άλλα δύο είδη (τ και

μ) εξ ού και το ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού μπορεί να ανιχνεύσει όλα τα νετρίνα και όχι μόνο τα νετρίνα

ηλεκτρονίων Η ανίχνευση γίνεται μέσα από την σύλληψη του νετρονίου που παράγεται από κάποιο πυρήνα

και την επακόλουθη εκπομπή ακτίνων γάμμα Μολονότι η σύλληψη του νετρίνου μπορεί να γίνει και από

το δευτέριο πολύ πιο αποτελεσματικά γίνεται από το Cl και για το σκοπό αυτό διαλύεται στο DO2 μια

ποσότητα ClNa

Τέλος υπάρχει και η λιγότερο συχνή αντίδραση σκέδασης του νετρίνου από ηλεκτρόνια (814) όπου

το ηλεκτρόνιο παίρνει ενέργεια από το νετρίνο και παράγει ακτινοβολία Cerenkov Μολονότι και αυτή

η αντίδραση δεν κάνει διάκριση του είδους των νετρίνων τα νετρίνα ηλεκτρονίων ευνοούνται κατά ένα

παράγοντα έξι

162 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Η δυνατότητα μέτρησης όλων των μορφών νετρίνων από το SNO καθώς και η δυνατότητα διάκρισης

ανάμεσα στην ακτινοβολία Cerenkov των νετρίνων ηλεκτρονίων και των νετρίνων μ που είχε το Super

Kamiokande επιβεβαίωσαν τους ρυθμούς παραγωγής νετρίνων που προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο

του εσωτερικού του ήλιου καθώς και τις ταλαντώσεις των νετρίνων

Σχήμα 85 Σχεδιάγραμμα (αριστερά) και αναπαράσταση (δεξιά) του πειράματος ANTARES (από Hoffman

K D 2009 και Francois MontanetWikimedia)

Κάποια σύγχρονα πειράματα χρησιμοποιούν το νερό της θάλασσας ή τους πολικούς πάγους Το

πείραμα ANTARES εγκατεστημένο σε απόσταση 40 km από την ακτή της Toulon (Γαλλία) ανιχνεύει

ακτινοβολία Cerenkov από το θαλασσινό νερό Αποτελείται από 12 συστοιχίες ανιχνευτών μήκους 350m

διεσπαρμένους σε έκταση 01 km2(Σχήμα 85) και επιχειρεί σε συνεργασία με το πείραμα IceCube την

ανίχνευση κοσμικών (μη ηλιακών) νετρίνων Το τελευταίο είναι εγκατεστημένο μέσα στους πάγους στο

Νότιο Πόλο και αποτελείται από 86 κάθετες διατάξεις από 60 ανιχνευτές η κάθε μία σε βάθος 1450 έως

2450m Η μέση απόσταση των συστοιχιών είναι 17m (Σχήμα 86) και ο όγκος πάγου που καλύπτουν είναι

ένα κυβικό χιλιόμετρο Πρόδρομος του IceCube υπήρξε το πείραμα AMANDA

Σχήμα 86 Σχεδιάγραμμα του IceCube (αριστερά) αεροφωτογραφία (κέντρο) και μία ανίχνευση νετρίνου

(δεξιά) από IceCube Science TeamFrancis Halzen

Αναφέρουμε τέλος την Ευρωπαϊκή συνεργασία Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT)

για την κατασκευή τηλεσκοπίου νετρίνων ενός κυβικού χιλιομέτρου στη Μεσόγειο στην οποία συμμετέχει

και η Ελληνική ομάδα NESTOR μαζί με την ομάδα του ANTARES και την Ιταλική ομάδα ΝΕΜΟ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 163

83 Ανίχνευση Βαρυτικής Ακτινοβολίας

΄Οταν η κατανομή μάζας ενός συστήματος αλλάζει με τον χρόνο τότε αυτό σύμφωνα με την Γενική Θεωρία

της Σχετικότητας προκαλεί μια διαταραχή του βαρυτικού πεδίου η οποία διαδίδεται ως βαρυτική ακτινοβολία

(gravitational radiation) Επειδή η βαρυτική δύναμη άρα και η καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω από

ένα αντικείμενο εξαρτάται από την μάζα του αντικείμενα με μεγάλες μάζες όπως πχ περιστρεφόμενοι

αστέρες διπλά συστήματα αστέρων μαύρες τρύπες κλπ αποτελούν πηγές βαρυτικών κυμάτων με δυνητικά

ανιχνεύσιμο εύρος Υπάρχουν περιοδικές (πχ διπλά αστέρια παλλόμενα αστέρια αστέρια νετρονίων κλπ)

και παροδικές (πχ εκρήξεις υπερκαινοφανών ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες κλπ) πηγές βαρυτικών κυμάτων

Τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός στο κενό και εξαιτίας της ασθενούς φύσης της

βαρυτικής δύναμης σε σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις δεν αλληλεπιδρούν με το υλικό

Συνεπώς το σύμπαν είναι πρακτικά διαφανές στα βαρυτικά κύματα και έτσι πιθανές παρατηρήσεις βαρυτικών

κυμάτων θα αποτελέσουν ένα σημαντικό νέο παράθυρο της αστροφυσικής σε απροσπέλαστες από άλλες

μεθόδους περιοχές

Μέχρι στιγμής δεν έχει πραγματοποιηθεί καμία άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων1

΄Εμμεσες

ενδείξεις για την παρουσία τους προέκυψαν από παρατηρήσεις της απόσβεσης της περιόδου ενός διπλού

συστήματος αστεριών νετρονίων από τους Taylor και Weisberg η οποία βρέθηκε συμβατή με απώλειες

ενέργειας λόγω εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας Η πόλωση των βαρυτικών κυμάτων είναι τέτοια που να

προκαλεί συστολή και διαστολή σωμάτων σε ελεύθερη πτώση σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους κατευθύνσεις

Εξαιτίας της ασθενούς φύσης της βαρυτικής δύναμης οι παραμορφώσεις που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα

είναι πολύ μικρές κάτι που καθιστά την ανίχνευση τους μια τρομερά απαιτητική και δύσκολή μέτρηση

Σχήμα 87 Περίγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού (αριστερά) και φωτογραφία μιας τέτοιας διάταξης Antenna

Ultracriogenica Risonante per lrsquoIndagine Gravitazionale Astronomica στην Πάδοβα της Ιταλίας (δεξιά)

Το εύρος των βαρυτικών κυμάτων μπορεί να ποσοτικοποιηθεί από την αδιάστατη παράμετρο h

h =δL

L (818)

που δίδει την σχετική παραμόρφωση ενός αντικειμένου ή ισοδύναμα την σχετική μεταβολή της απόστασης

δυο ελευθέρων μαζών υπό την επίδρασή τους Θεωρητικοί υπολογισμοί βασισμένοι σε διάφορες πηγές

βαρυτικών κυμάτων δίδουν ότι η h παίρνει τιμέςasymp [10minus26 10minus18] ενώ οι αντίστοιχες συχνότητες κυμαίνονται

asymp [10minus4 104]Hz Συνεπώς ένα βαρυτικό κύμα με h = 10minus22θα προκαλέσει σύμφωνα με την εξίσωση 818

1Τον Φεβρουάριο του 2016 η ομάδα του πειράματος LIGO ανακοίνωσε την ανίχνευση βαρυτικής ακτινοβολίας την οποία

απέδοσαν στη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών

164 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

μια αλλαγή της απόστασης ανάμεσα στην γη και την σελήνη (L 380 times 103km) κατά δL 410minus14m

που αντιστοιχεί στο asymp 12 του μεγέθους του πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου Συνεπώς μετρήσεις

βαρυτικών κυμάτων απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια και μεγάλους (συμβολομετρικούς) ανιχνευτές

Οι πρώτες απόπειρες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων άρχισαν την δεκαετία του ΄60 από τον Weber

και βασίζονταν στην χρήση βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού ΄Οπως είδαμε παραπάνω όταν ένα βαρυτικό

κύμα διέρχεται από ένα σώμα θα το συμπιέσει και αποσυμπιέσει αντίστοιχα σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους

κατευθύνσεις Αν η συχνότητα του προσπίπτοντος βαρυτικού κύματος συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα του

σώματος τότε διεγείρονται οι φυσικοί τρόποι ταλάντωσης του σώματος το οποίο ταλαντώνεται στην ιδιοσυ-

χνοτητά του με άλλα λόγια έχουμε συντονισμό ανάμεσα στο βαρυτικό κύμα και το σώμα Η ιδιοσυχνότητα

ενός σώματος εξαρτάται κυρίως από την μάζα του όπως και από το υλικό Προφανώς χρειαζόμαστε σώματα

μεγάλης μάζας άρα με χαμηλές ιδιοσυχνότητες για να έχουμε συντονισμό με τα βαρυτικά κύματα τα οποία

επίσης χαρακτηρίζονται από χαμηλές συχνότητες

Στο Σχήμα 87 δίδουμε το σχηματικό διάγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού όπως και μια φωτογρα-

φία του Ο ανιχνευτής έχει κυλινδρικό σχήμα και στην επιφάνεια του υπάρχουν πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι

οι οποίοι μετατρέπουν τις μικρές μηχανικές τάσεις που αναπτύσσονται λόγω φαινομένων συντονισμού σε

ηλεκτρικό δυναμικό το οποίο κατόπιν καταμετρείται Ο ανιχνευτής έχει μεγάλη μάζα πχ ο πρώτος τέτοιος

ανιχνευτής ήταν ένας αλουμινένιος κύλινδρος 15 τόνου Τέτοιοι ανιχνευτές έχουν δυνητικά ευαισθησία

σε μια στενή φασματική περιοχή γύρω από την συχνότητα συντονισμού τους που βρίσκεται στην περιο-

χή των asymp 103Hz Πρόσφατα άρχισε η ανάπτυξη σφαιρικών βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού όπως ο

MiniGrail στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας οι οποίο παρέχουν δυνατότητα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων

ανεξαρτήτου της διεύθυνσης που προέρχονται

Σχήμα 88 Αεροφωτογραφία του LIGO (αριστερή εικόνα) Σχεδιάγραμμα του LIGO (δεξιά εικόνα) Κάτοπτρο

(Κ) διαιρετής δέσμης (ΔΔ) φωτοανιχνευτής (ΦΑ) από CaltechLIGO

Μια άλλη βασική μέθοδος ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων βασίζεται στην συμβολομετρία ΄Ενα παρά-

δειγμα ενός συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων είναι το Laser Interferometer Gravitational-

Wave Observatory (LIGO) με έναν τέτοιο ανιχνευτή να βρίσκεται στην Washington και έναν δεύτερο

στην Louisiana των ΗΠΑ Το LIGO είναι βασικά ένα συμβολόμετρο Michelson και αποτελείται από δύο

κάθετους μεταξύ τους πανομοιότυπους βραχίονες σε σχήμα L (αριστερή εικόνα του Σχήματος 88) Ο

κάθε βραχίονας έχει μήκος 4 km και βρίσκεται εντός σήραγγας διαμέτρου 12 m που στο εσωτερικό της

επικρατεί κενό Σχηματικό διάγραμμα του LIGO δίδεται στην δεξιά εικόνα του Σχήματος 88 Κάθε

βραχίονας φέρει στα άκρα και στο μέσο του ελεύθερα να ταλαντωθούν κάτοπτρα (Κ) Μονοχρωματική

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 165

ακτινοβολία από πηγή laser διαμερίζεται στους δύο βραχίονες μέσω ενός διαιρέτη δέσμης (ΔΔ) Για περαι-

τέρω ενίσχυση της ευαισθησίας της μέτρησης το φως υφίσταται πολλαπλές ανακλάσεις ανάμεσα στα δύο

κάτοπτρα του κάθε βραχίονα για να συμβάλουν κατόπιν οι δύο δέσμες και να καταγραφεί το αποτέλεσμα

της συμβολής στην θέση του φωτοανιχνευτή (ΦΑ) Προφανώς η διαμόρφωση του προϊόντος της συμβολής

των δυο δεσμών (πχ ενισχυτική ή καταστρεπτική συμβολή) σχετίζεται με το μήκος των δύο βραχιόνων

το οποίο αλλάζει όταν προσπίπτει σε αυτούς κάποιο βαρυτικό κύμα ΄Αλλοι συμβολομετρικοί ανιχνευτές

βαρυτικών κυμάτων βρίσκοντανβρίσκονται σε λειτουργία στην Ιταλία (VIRGO) Γερμανία (GEO600) και

Ιαπωνία (TAMA300)

Σχήμα 89 Σκίτσο του διαστημικού συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων eLISA (από ESA)

Υπάρχουν τέλος σχέδια για ανάπτυξη συμβολομετρικών ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων στο διάστη-

μα Το σύστημα evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA Σχήμα 89) θα αποτελείται από

3 διαστημόπλοια σε διάταξη ισοπλεύρου τριγώνου με πλευρές μήκους ενός εκατομμυρίου χιλιομέτρων σε

τροχιά που θα ακολουθεί αυτήν της γης γύρω από τον ήλιο σε μια απόσταση 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων

΄Ενα από τα 3 διαστημόπλοια θα στέλνει δέσμες laser στα δύο άλλα Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης

ανάμεσα στα διαστημόπλοια αυτά δεν θα φέρουν κάτοπτρα για να ανακλαστεί το φως από την δέσμη laser

αφού το φως από το laquoμητρικόraquo διαστημόπλοιο θα φθάνει στα δύο laquoθυγατρικάraquo πολύ εξασθενημένο Σε

κάθε διαστημόπλοιο θα υπάρχουν σημειακές μάζες σε ελεύθερη πτώση οι οποίες θα χρησιμοποιούνται για

να μετρηθούν οι σχετικές μετατοπίσεις τους ανά δύο Το παραπάνω βασίζεται στον συνδυασμό συμβολο-

μετρικής μέτρησης των μετατοπίσεων πρώτα ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια και κατόπιν ανάμεσα σε κάθε

διαστημόπλοιο και στην ελεύθερη μάζα που φέρει Με αυτόν τον τρόπο απαλείφεται η σχετικά μεγάλη

αβεβαιότητα στον καθορισμό της σχετικής θέσης ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια Ο eLISA προβλέπεται

να μπορεί να μετρήσει μετατοπίσεις με ακρίβεια της τάξης των 10minus12m και προβλέπεται να εκτοξευθεί μετά

το 2030 Μια αποστολή προπομπός της eLISA η οποία θα επιτρέψει τον έλεγχο βασικών τεχνολογιών της

προβλέπεται να εκτοξεύθηκε το 2015

Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι για μια καταφατική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που βασίζεται στην

μέτρηση απειροελάχιστων μετατοπίσεωνπαραμορφώσεων χρειάζεται να laquoμονωθούνraquo οι ελεύθερες μάζες

που χρησιμοποιούνται από οποιαδήποτε άλλη εξωτερική διαταραχή Αυτές περιλαμβάνουν σεισμική δρα-

στηριότητα θερμικό θόρυβο θόρυβο φωτονίων όπως επίσης και την πίεση ακτινοβολίας και του ηλιακού

ανέμου για την περίπτωση διαστημικών ανιχνευτών

166 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

84 Επιτόπιες μετρήσεις

Η απαρχή της διαστημικής εποχής το 1957 σηματοδότησε μια νέα εποχή στην αστροφυσική παρατήρηση

αφού μια σειρά από δορυφόρους και διαστημόπλοια εφοδιασμένα με κατάλληλα όργανα εκτελούσαν ή

εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις των διαφόρων παραμέτρων του πλάσματος (πχ ταχύτητα θερμοκρασία

και πυκνότητα ιόντων) όπως επίσης και του μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης και άλλων

πλανητών (πχ Δίας Κρόνος) όπως επίσης και του ηλιακού ανέμου (βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος 2016) ΄Ετσι έχουμε λεπτομερείς μετρήσεις πλάσματος και πεδίων στο σημείο στο

οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος ή το διαστημόπλοιο χωρίς όμως να έχουμε μια σύνοψη σε μεγάλη κλίμακα

της δομής στην οποία βρίσκεται το σημείο λήψης των επιτόπιων μετρήσεων ΄Ετσι απαραίτητο συμπλήρωμα

στην περαιτέρω ανάλυση των επιτόπιων μετρήσεων αποτελούν παρατηρήσεις από τηλεσκόπια ή προβλέψεις

από μοντέλα

841 Μετρητές Ιόντων

Ο συνηθέστερος μετρητής ιόντων που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το κύπελλο Faraday (Faraday

cup) Το κύπελλο Faraday πχ σχήμα 810 είναι ουσιαστικά μια παγίδα ιόντων και αποτελείται από μια

κοίλη μεταλλική (αγώγιμη) επιφάνεια η οποία φορτίζεται θετικά από την πρόσπτωση των ιόντων σε αυτήν

Ανάλογα με τα ηλεκτρονικά του συστήματος γίνεται μέτρηση του φορτίου ή του ρεύματος ή της διαφοράς

δυναμικού που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στα ιόντα και στο αγώγιμο υλικό του κυπέλλου

Το μετρούμενο σήμα είναι ανάλογο του αριθμού των ιόντων που εισήλθαν στο κύπελλο

Σχήμα 810 Φωτογραφία του κυπέλλου Faraday που βρίσκεται πάνω στο διαστημόπλοιο WIND (από MIT)

΄Ενα κύπελλο Faraday περιλαμβάνει και μια σειρά από μεταλλικά πλέγματα διαμόρφωσης στα οποία

εφαρμόζονται μεταβαλλόμενες διαφορές δυναμικού Για δοθείσα διαφορά δυναμικού V ιόντα με λόγο

ενέργειαςφορτίου Eq θα μπορέσουν να διασχίσουν το πλέγμα και να ανιχνευθούν αν ισχύει Eq gt V

Μεταβάλλοντας το V με μια συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz εντός μιας περιοχής διαφορών δυναμικού

[Vmin Vmax] επιλέγουμε ιόντα που καλύπτουν ένα εύρος τιμών του Eq Κατασκευάζονται με άλλα λόγια

ενεργειακά φάσματα για ένα πλήθος τιμών Eq

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 161

Borexino που λειτουργεί από το 2007 και είναι εγκατεστημένο στο Gran Sasso (βλ παραπάνω) έχει

στόχο την ανίχνευση νετρίνων χαμηλής ενέργειας 863 keV που προέρχονται από τη μετατροπή του7Be

σε7Li (αντίδραση 88

7Be στο Σχήμα 81) Αποτελείται από σφαιρικό δοχείο που περιέχει υγρό σπιν-

θηριστή (Σχήμα 84 αριστερά) για την ανίχνευση χρησιμοποιείται η ελαστική σκέδαση των νετρίνων από

ηλεκτρόνια το φάσμα των οποίων μετά τη σκέδαση έχει μέγιστο στα 664 keV

Σχήμα 84 Η διάταξη του πειράματος Borexino (αριστερά) Ο ανιχνευτής DO2 του Αστεροσκοπείου νετρίνων

Sudbury (δεξιά) από Laboratori Nazionali del Gran Sasso

Ο ανιχνευτής του Αστεροσκοπείου νετρίνων Sudbury (SNO) το όποίο λειτούργησε από το 1999 έως

το 2006 απετελείτο από δοχείο διαμέτρου 12m που περιείχε 1000 τόνους DO2 (Σχήμα 84 δεξιά) ΄Ηταν

εγκατεστημένος σε βάθος 2000m στο ορυχείο Creighton κοντά στο Sudbury του Ontario (Καναδάς) Για

τη μέτρηση της ακτινοβολίας Cerenkov το SNO χρησιμοποιούσε 9600 φωτοπολλαπλασιαστές Υπάρχουν

σχέδια αναβάθμισής του (SNO+) με χρησιμοποίηση υγρού σπινθηριστή αντί για DO2

Η βασική αντίδραση νετρίνων με το δευτέριο του DO2 το διασπά αε δύο πρωτόνια

νe +2H minusrarr p + p + eminus (816)

και εμπλέκει αποκλειστικά νετρίνα ηλεκτρονίων Το σύνολο σχεδόν της ενέργειας του νετρίνου μεταφέρεται

στο ηλεκτρόνιο που παράγεται το οποίο δίνει ακτινοβολία Cerenkov

Μια άλλη αντίδραση διασπά το δευτέριο σε πρωτόνιο και νετρόνιο

ν +2H minusrarr p + n + ν (817)

η οποία δεν περιορίζεται στα νετρίνα ηλεκτρονίων αλλά μπορεί να γίνει και με τα άλλα δύο είδη (τ και

μ) εξ ού και το ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού μπορεί να ανιχνεύσει όλα τα νετρίνα και όχι μόνο τα νετρίνα

ηλεκτρονίων Η ανίχνευση γίνεται μέσα από την σύλληψη του νετρονίου που παράγεται από κάποιο πυρήνα

και την επακόλουθη εκπομπή ακτίνων γάμμα Μολονότι η σύλληψη του νετρίνου μπορεί να γίνει και από

το δευτέριο πολύ πιο αποτελεσματικά γίνεται από το Cl και για το σκοπό αυτό διαλύεται στο DO2 μια

ποσότητα ClNa

Τέλος υπάρχει και η λιγότερο συχνή αντίδραση σκέδασης του νετρίνου από ηλεκτρόνια (814) όπου

το ηλεκτρόνιο παίρνει ενέργεια από το νετρίνο και παράγει ακτινοβολία Cerenkov Μολονότι και αυτή

η αντίδραση δεν κάνει διάκριση του είδους των νετρίνων τα νετρίνα ηλεκτρονίων ευνοούνται κατά ένα

παράγοντα έξι

162 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Η δυνατότητα μέτρησης όλων των μορφών νετρίνων από το SNO καθώς και η δυνατότητα διάκρισης

ανάμεσα στην ακτινοβολία Cerenkov των νετρίνων ηλεκτρονίων και των νετρίνων μ που είχε το Super

Kamiokande επιβεβαίωσαν τους ρυθμούς παραγωγής νετρίνων που προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο

του εσωτερικού του ήλιου καθώς και τις ταλαντώσεις των νετρίνων

Σχήμα 85 Σχεδιάγραμμα (αριστερά) και αναπαράσταση (δεξιά) του πειράματος ANTARES (από Hoffman

K D 2009 και Francois MontanetWikimedia)

Κάποια σύγχρονα πειράματα χρησιμοποιούν το νερό της θάλασσας ή τους πολικούς πάγους Το

πείραμα ANTARES εγκατεστημένο σε απόσταση 40 km από την ακτή της Toulon (Γαλλία) ανιχνεύει

ακτινοβολία Cerenkov από το θαλασσινό νερό Αποτελείται από 12 συστοιχίες ανιχνευτών μήκους 350m

διεσπαρμένους σε έκταση 01 km2(Σχήμα 85) και επιχειρεί σε συνεργασία με το πείραμα IceCube την

ανίχνευση κοσμικών (μη ηλιακών) νετρίνων Το τελευταίο είναι εγκατεστημένο μέσα στους πάγους στο

Νότιο Πόλο και αποτελείται από 86 κάθετες διατάξεις από 60 ανιχνευτές η κάθε μία σε βάθος 1450 έως

2450m Η μέση απόσταση των συστοιχιών είναι 17m (Σχήμα 86) και ο όγκος πάγου που καλύπτουν είναι

ένα κυβικό χιλιόμετρο Πρόδρομος του IceCube υπήρξε το πείραμα AMANDA

Σχήμα 86 Σχεδιάγραμμα του IceCube (αριστερά) αεροφωτογραφία (κέντρο) και μία ανίχνευση νετρίνου

(δεξιά) από IceCube Science TeamFrancis Halzen

Αναφέρουμε τέλος την Ευρωπαϊκή συνεργασία Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT)

για την κατασκευή τηλεσκοπίου νετρίνων ενός κυβικού χιλιομέτρου στη Μεσόγειο στην οποία συμμετέχει

και η Ελληνική ομάδα NESTOR μαζί με την ομάδα του ANTARES και την Ιταλική ομάδα ΝΕΜΟ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 163

83 Ανίχνευση Βαρυτικής Ακτινοβολίας

΄Οταν η κατανομή μάζας ενός συστήματος αλλάζει με τον χρόνο τότε αυτό σύμφωνα με την Γενική Θεωρία

της Σχετικότητας προκαλεί μια διαταραχή του βαρυτικού πεδίου η οποία διαδίδεται ως βαρυτική ακτινοβολία

(gravitational radiation) Επειδή η βαρυτική δύναμη άρα και η καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω από

ένα αντικείμενο εξαρτάται από την μάζα του αντικείμενα με μεγάλες μάζες όπως πχ περιστρεφόμενοι

αστέρες διπλά συστήματα αστέρων μαύρες τρύπες κλπ αποτελούν πηγές βαρυτικών κυμάτων με δυνητικά

ανιχνεύσιμο εύρος Υπάρχουν περιοδικές (πχ διπλά αστέρια παλλόμενα αστέρια αστέρια νετρονίων κλπ)

και παροδικές (πχ εκρήξεις υπερκαινοφανών ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες κλπ) πηγές βαρυτικών κυμάτων

Τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός στο κενό και εξαιτίας της ασθενούς φύσης της

βαρυτικής δύναμης σε σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις δεν αλληλεπιδρούν με το υλικό

Συνεπώς το σύμπαν είναι πρακτικά διαφανές στα βαρυτικά κύματα και έτσι πιθανές παρατηρήσεις βαρυτικών

κυμάτων θα αποτελέσουν ένα σημαντικό νέο παράθυρο της αστροφυσικής σε απροσπέλαστες από άλλες

μεθόδους περιοχές

Μέχρι στιγμής δεν έχει πραγματοποιηθεί καμία άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων1

΄Εμμεσες

ενδείξεις για την παρουσία τους προέκυψαν από παρατηρήσεις της απόσβεσης της περιόδου ενός διπλού

συστήματος αστεριών νετρονίων από τους Taylor και Weisberg η οποία βρέθηκε συμβατή με απώλειες

ενέργειας λόγω εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας Η πόλωση των βαρυτικών κυμάτων είναι τέτοια που να

προκαλεί συστολή και διαστολή σωμάτων σε ελεύθερη πτώση σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους κατευθύνσεις

Εξαιτίας της ασθενούς φύσης της βαρυτικής δύναμης οι παραμορφώσεις που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα

είναι πολύ μικρές κάτι που καθιστά την ανίχνευση τους μια τρομερά απαιτητική και δύσκολή μέτρηση

Σχήμα 87 Περίγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού (αριστερά) και φωτογραφία μιας τέτοιας διάταξης Antenna

Ultracriogenica Risonante per lrsquoIndagine Gravitazionale Astronomica στην Πάδοβα της Ιταλίας (δεξιά)

Το εύρος των βαρυτικών κυμάτων μπορεί να ποσοτικοποιηθεί από την αδιάστατη παράμετρο h

h =δL

L (818)

που δίδει την σχετική παραμόρφωση ενός αντικειμένου ή ισοδύναμα την σχετική μεταβολή της απόστασης

δυο ελευθέρων μαζών υπό την επίδρασή τους Θεωρητικοί υπολογισμοί βασισμένοι σε διάφορες πηγές

βαρυτικών κυμάτων δίδουν ότι η h παίρνει τιμέςasymp [10minus26 10minus18] ενώ οι αντίστοιχες συχνότητες κυμαίνονται

asymp [10minus4 104]Hz Συνεπώς ένα βαρυτικό κύμα με h = 10minus22θα προκαλέσει σύμφωνα με την εξίσωση 818

1Τον Φεβρουάριο του 2016 η ομάδα του πειράματος LIGO ανακοίνωσε την ανίχνευση βαρυτικής ακτινοβολίας την οποία

απέδοσαν στη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών

164 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

μια αλλαγή της απόστασης ανάμεσα στην γη και την σελήνη (L 380 times 103km) κατά δL 410minus14m

που αντιστοιχεί στο asymp 12 του μεγέθους του πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου Συνεπώς μετρήσεις

βαρυτικών κυμάτων απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια και μεγάλους (συμβολομετρικούς) ανιχνευτές

Οι πρώτες απόπειρες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων άρχισαν την δεκαετία του ΄60 από τον Weber

και βασίζονταν στην χρήση βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού ΄Οπως είδαμε παραπάνω όταν ένα βαρυτικό

κύμα διέρχεται από ένα σώμα θα το συμπιέσει και αποσυμπιέσει αντίστοιχα σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους

κατευθύνσεις Αν η συχνότητα του προσπίπτοντος βαρυτικού κύματος συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα του

σώματος τότε διεγείρονται οι φυσικοί τρόποι ταλάντωσης του σώματος το οποίο ταλαντώνεται στην ιδιοσυ-

χνοτητά του με άλλα λόγια έχουμε συντονισμό ανάμεσα στο βαρυτικό κύμα και το σώμα Η ιδιοσυχνότητα

ενός σώματος εξαρτάται κυρίως από την μάζα του όπως και από το υλικό Προφανώς χρειαζόμαστε σώματα

μεγάλης μάζας άρα με χαμηλές ιδιοσυχνότητες για να έχουμε συντονισμό με τα βαρυτικά κύματα τα οποία

επίσης χαρακτηρίζονται από χαμηλές συχνότητες

Στο Σχήμα 87 δίδουμε το σχηματικό διάγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού όπως και μια φωτογρα-

φία του Ο ανιχνευτής έχει κυλινδρικό σχήμα και στην επιφάνεια του υπάρχουν πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι

οι οποίοι μετατρέπουν τις μικρές μηχανικές τάσεις που αναπτύσσονται λόγω φαινομένων συντονισμού σε

ηλεκτρικό δυναμικό το οποίο κατόπιν καταμετρείται Ο ανιχνευτής έχει μεγάλη μάζα πχ ο πρώτος τέτοιος

ανιχνευτής ήταν ένας αλουμινένιος κύλινδρος 15 τόνου Τέτοιοι ανιχνευτές έχουν δυνητικά ευαισθησία

σε μια στενή φασματική περιοχή γύρω από την συχνότητα συντονισμού τους που βρίσκεται στην περιο-

χή των asymp 103Hz Πρόσφατα άρχισε η ανάπτυξη σφαιρικών βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού όπως ο

MiniGrail στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας οι οποίο παρέχουν δυνατότητα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων

ανεξαρτήτου της διεύθυνσης που προέρχονται

Σχήμα 88 Αεροφωτογραφία του LIGO (αριστερή εικόνα) Σχεδιάγραμμα του LIGO (δεξιά εικόνα) Κάτοπτρο

(Κ) διαιρετής δέσμης (ΔΔ) φωτοανιχνευτής (ΦΑ) από CaltechLIGO

Μια άλλη βασική μέθοδος ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων βασίζεται στην συμβολομετρία ΄Ενα παρά-

δειγμα ενός συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων είναι το Laser Interferometer Gravitational-

Wave Observatory (LIGO) με έναν τέτοιο ανιχνευτή να βρίσκεται στην Washington και έναν δεύτερο

στην Louisiana των ΗΠΑ Το LIGO είναι βασικά ένα συμβολόμετρο Michelson και αποτελείται από δύο

κάθετους μεταξύ τους πανομοιότυπους βραχίονες σε σχήμα L (αριστερή εικόνα του Σχήματος 88) Ο

κάθε βραχίονας έχει μήκος 4 km και βρίσκεται εντός σήραγγας διαμέτρου 12 m που στο εσωτερικό της

επικρατεί κενό Σχηματικό διάγραμμα του LIGO δίδεται στην δεξιά εικόνα του Σχήματος 88 Κάθε

βραχίονας φέρει στα άκρα και στο μέσο του ελεύθερα να ταλαντωθούν κάτοπτρα (Κ) Μονοχρωματική

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 165

ακτινοβολία από πηγή laser διαμερίζεται στους δύο βραχίονες μέσω ενός διαιρέτη δέσμης (ΔΔ) Για περαι-

τέρω ενίσχυση της ευαισθησίας της μέτρησης το φως υφίσταται πολλαπλές ανακλάσεις ανάμεσα στα δύο

κάτοπτρα του κάθε βραχίονα για να συμβάλουν κατόπιν οι δύο δέσμες και να καταγραφεί το αποτέλεσμα

της συμβολής στην θέση του φωτοανιχνευτή (ΦΑ) Προφανώς η διαμόρφωση του προϊόντος της συμβολής

των δυο δεσμών (πχ ενισχυτική ή καταστρεπτική συμβολή) σχετίζεται με το μήκος των δύο βραχιόνων

το οποίο αλλάζει όταν προσπίπτει σε αυτούς κάποιο βαρυτικό κύμα ΄Αλλοι συμβολομετρικοί ανιχνευτές

βαρυτικών κυμάτων βρίσκοντανβρίσκονται σε λειτουργία στην Ιταλία (VIRGO) Γερμανία (GEO600) και

Ιαπωνία (TAMA300)

Σχήμα 89 Σκίτσο του διαστημικού συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων eLISA (από ESA)

Υπάρχουν τέλος σχέδια για ανάπτυξη συμβολομετρικών ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων στο διάστη-

μα Το σύστημα evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA Σχήμα 89) θα αποτελείται από

3 διαστημόπλοια σε διάταξη ισοπλεύρου τριγώνου με πλευρές μήκους ενός εκατομμυρίου χιλιομέτρων σε

τροχιά που θα ακολουθεί αυτήν της γης γύρω από τον ήλιο σε μια απόσταση 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων

΄Ενα από τα 3 διαστημόπλοια θα στέλνει δέσμες laser στα δύο άλλα Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης

ανάμεσα στα διαστημόπλοια αυτά δεν θα φέρουν κάτοπτρα για να ανακλαστεί το φως από την δέσμη laser

αφού το φως από το laquoμητρικόraquo διαστημόπλοιο θα φθάνει στα δύο laquoθυγατρικάraquo πολύ εξασθενημένο Σε

κάθε διαστημόπλοιο θα υπάρχουν σημειακές μάζες σε ελεύθερη πτώση οι οποίες θα χρησιμοποιούνται για

να μετρηθούν οι σχετικές μετατοπίσεις τους ανά δύο Το παραπάνω βασίζεται στον συνδυασμό συμβολο-

μετρικής μέτρησης των μετατοπίσεων πρώτα ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια και κατόπιν ανάμεσα σε κάθε

διαστημόπλοιο και στην ελεύθερη μάζα που φέρει Με αυτόν τον τρόπο απαλείφεται η σχετικά μεγάλη

αβεβαιότητα στον καθορισμό της σχετικής θέσης ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια Ο eLISA προβλέπεται

να μπορεί να μετρήσει μετατοπίσεις με ακρίβεια της τάξης των 10minus12m και προβλέπεται να εκτοξευθεί μετά

το 2030 Μια αποστολή προπομπός της eLISA η οποία θα επιτρέψει τον έλεγχο βασικών τεχνολογιών της

προβλέπεται να εκτοξεύθηκε το 2015

Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι για μια καταφατική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που βασίζεται στην

μέτρηση απειροελάχιστων μετατοπίσεωνπαραμορφώσεων χρειάζεται να laquoμονωθούνraquo οι ελεύθερες μάζες

που χρησιμοποιούνται από οποιαδήποτε άλλη εξωτερική διαταραχή Αυτές περιλαμβάνουν σεισμική δρα-

στηριότητα θερμικό θόρυβο θόρυβο φωτονίων όπως επίσης και την πίεση ακτινοβολίας και του ηλιακού

ανέμου για την περίπτωση διαστημικών ανιχνευτών

166 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

84 Επιτόπιες μετρήσεις

Η απαρχή της διαστημικής εποχής το 1957 σηματοδότησε μια νέα εποχή στην αστροφυσική παρατήρηση

αφού μια σειρά από δορυφόρους και διαστημόπλοια εφοδιασμένα με κατάλληλα όργανα εκτελούσαν ή

εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις των διαφόρων παραμέτρων του πλάσματος (πχ ταχύτητα θερμοκρασία

και πυκνότητα ιόντων) όπως επίσης και του μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης και άλλων

πλανητών (πχ Δίας Κρόνος) όπως επίσης και του ηλιακού ανέμου (βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος 2016) ΄Ετσι έχουμε λεπτομερείς μετρήσεις πλάσματος και πεδίων στο σημείο στο

οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος ή το διαστημόπλοιο χωρίς όμως να έχουμε μια σύνοψη σε μεγάλη κλίμακα

της δομής στην οποία βρίσκεται το σημείο λήψης των επιτόπιων μετρήσεων ΄Ετσι απαραίτητο συμπλήρωμα

στην περαιτέρω ανάλυση των επιτόπιων μετρήσεων αποτελούν παρατηρήσεις από τηλεσκόπια ή προβλέψεις

από μοντέλα

841 Μετρητές Ιόντων

Ο συνηθέστερος μετρητής ιόντων που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το κύπελλο Faraday (Faraday

cup) Το κύπελλο Faraday πχ σχήμα 810 είναι ουσιαστικά μια παγίδα ιόντων και αποτελείται από μια

κοίλη μεταλλική (αγώγιμη) επιφάνεια η οποία φορτίζεται θετικά από την πρόσπτωση των ιόντων σε αυτήν

Ανάλογα με τα ηλεκτρονικά του συστήματος γίνεται μέτρηση του φορτίου ή του ρεύματος ή της διαφοράς

δυναμικού που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στα ιόντα και στο αγώγιμο υλικό του κυπέλλου

Το μετρούμενο σήμα είναι ανάλογο του αριθμού των ιόντων που εισήλθαν στο κύπελλο

Σχήμα 810 Φωτογραφία του κυπέλλου Faraday που βρίσκεται πάνω στο διαστημόπλοιο WIND (από MIT)

΄Ενα κύπελλο Faraday περιλαμβάνει και μια σειρά από μεταλλικά πλέγματα διαμόρφωσης στα οποία

εφαρμόζονται μεταβαλλόμενες διαφορές δυναμικού Για δοθείσα διαφορά δυναμικού V ιόντα με λόγο

ενέργειαςφορτίου Eq θα μπορέσουν να διασχίσουν το πλέγμα και να ανιχνευθούν αν ισχύει Eq gt V

Μεταβάλλοντας το V με μια συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz εντός μιας περιοχής διαφορών δυναμικού

[Vmin Vmax] επιλέγουμε ιόντα που καλύπτουν ένα εύρος τιμών του Eq Κατασκευάζονται με άλλα λόγια

ενεργειακά φάσματα για ένα πλήθος τιμών Eq

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

162 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Η δυνατότητα μέτρησης όλων των μορφών νετρίνων από το SNO καθώς και η δυνατότητα διάκρισης

ανάμεσα στην ακτινοβολία Cerenkov των νετρίνων ηλεκτρονίων και των νετρίνων μ που είχε το Super

Kamiokande επιβεβαίωσαν τους ρυθμούς παραγωγής νετρίνων που προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο

του εσωτερικού του ήλιου καθώς και τις ταλαντώσεις των νετρίνων

Σχήμα 85 Σχεδιάγραμμα (αριστερά) και αναπαράσταση (δεξιά) του πειράματος ANTARES (από Hoffman

K D 2009 και Francois MontanetWikimedia)

Κάποια σύγχρονα πειράματα χρησιμοποιούν το νερό της θάλασσας ή τους πολικούς πάγους Το

πείραμα ANTARES εγκατεστημένο σε απόσταση 40 km από την ακτή της Toulon (Γαλλία) ανιχνεύει

ακτινοβολία Cerenkov από το θαλασσινό νερό Αποτελείται από 12 συστοιχίες ανιχνευτών μήκους 350m

διεσπαρμένους σε έκταση 01 km2(Σχήμα 85) και επιχειρεί σε συνεργασία με το πείραμα IceCube την

ανίχνευση κοσμικών (μη ηλιακών) νετρίνων Το τελευταίο είναι εγκατεστημένο μέσα στους πάγους στο

Νότιο Πόλο και αποτελείται από 86 κάθετες διατάξεις από 60 ανιχνευτές η κάθε μία σε βάθος 1450 έως

2450m Η μέση απόσταση των συστοιχιών είναι 17m (Σχήμα 86) και ο όγκος πάγου που καλύπτουν είναι

ένα κυβικό χιλιόμετρο Πρόδρομος του IceCube υπήρξε το πείραμα AMANDA

Σχήμα 86 Σχεδιάγραμμα του IceCube (αριστερά) αεροφωτογραφία (κέντρο) και μία ανίχνευση νετρίνου

(δεξιά) από IceCube Science TeamFrancis Halzen

Αναφέρουμε τέλος την Ευρωπαϊκή συνεργασία Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT)

για την κατασκευή τηλεσκοπίου νετρίνων ενός κυβικού χιλιομέτρου στη Μεσόγειο στην οποία συμμετέχει

και η Ελληνική ομάδα NESTOR μαζί με την ομάδα του ANTARES και την Ιταλική ομάδα ΝΕΜΟ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 163

83 Ανίχνευση Βαρυτικής Ακτινοβολίας

΄Οταν η κατανομή μάζας ενός συστήματος αλλάζει με τον χρόνο τότε αυτό σύμφωνα με την Γενική Θεωρία

της Σχετικότητας προκαλεί μια διαταραχή του βαρυτικού πεδίου η οποία διαδίδεται ως βαρυτική ακτινοβολία

(gravitational radiation) Επειδή η βαρυτική δύναμη άρα και η καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω από

ένα αντικείμενο εξαρτάται από την μάζα του αντικείμενα με μεγάλες μάζες όπως πχ περιστρεφόμενοι

αστέρες διπλά συστήματα αστέρων μαύρες τρύπες κλπ αποτελούν πηγές βαρυτικών κυμάτων με δυνητικά

ανιχνεύσιμο εύρος Υπάρχουν περιοδικές (πχ διπλά αστέρια παλλόμενα αστέρια αστέρια νετρονίων κλπ)

και παροδικές (πχ εκρήξεις υπερκαινοφανών ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες κλπ) πηγές βαρυτικών κυμάτων

Τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός στο κενό και εξαιτίας της ασθενούς φύσης της

βαρυτικής δύναμης σε σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις δεν αλληλεπιδρούν με το υλικό

Συνεπώς το σύμπαν είναι πρακτικά διαφανές στα βαρυτικά κύματα και έτσι πιθανές παρατηρήσεις βαρυτικών

κυμάτων θα αποτελέσουν ένα σημαντικό νέο παράθυρο της αστροφυσικής σε απροσπέλαστες από άλλες

μεθόδους περιοχές

Μέχρι στιγμής δεν έχει πραγματοποιηθεί καμία άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων1

΄Εμμεσες

ενδείξεις για την παρουσία τους προέκυψαν από παρατηρήσεις της απόσβεσης της περιόδου ενός διπλού

συστήματος αστεριών νετρονίων από τους Taylor και Weisberg η οποία βρέθηκε συμβατή με απώλειες

ενέργειας λόγω εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας Η πόλωση των βαρυτικών κυμάτων είναι τέτοια που να

προκαλεί συστολή και διαστολή σωμάτων σε ελεύθερη πτώση σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους κατευθύνσεις

Εξαιτίας της ασθενούς φύσης της βαρυτικής δύναμης οι παραμορφώσεις που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα

είναι πολύ μικρές κάτι που καθιστά την ανίχνευση τους μια τρομερά απαιτητική και δύσκολή μέτρηση

Σχήμα 87 Περίγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού (αριστερά) και φωτογραφία μιας τέτοιας διάταξης Antenna

Ultracriogenica Risonante per lrsquoIndagine Gravitazionale Astronomica στην Πάδοβα της Ιταλίας (δεξιά)

Το εύρος των βαρυτικών κυμάτων μπορεί να ποσοτικοποιηθεί από την αδιάστατη παράμετρο h

h =δL

L (818)

που δίδει την σχετική παραμόρφωση ενός αντικειμένου ή ισοδύναμα την σχετική μεταβολή της απόστασης

δυο ελευθέρων μαζών υπό την επίδρασή τους Θεωρητικοί υπολογισμοί βασισμένοι σε διάφορες πηγές

βαρυτικών κυμάτων δίδουν ότι η h παίρνει τιμέςasymp [10minus26 10minus18] ενώ οι αντίστοιχες συχνότητες κυμαίνονται

asymp [10minus4 104]Hz Συνεπώς ένα βαρυτικό κύμα με h = 10minus22θα προκαλέσει σύμφωνα με την εξίσωση 818

1Τον Φεβρουάριο του 2016 η ομάδα του πειράματος LIGO ανακοίνωσε την ανίχνευση βαρυτικής ακτινοβολίας την οποία

απέδοσαν στη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών

164 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

μια αλλαγή της απόστασης ανάμεσα στην γη και την σελήνη (L 380 times 103km) κατά δL 410minus14m

που αντιστοιχεί στο asymp 12 του μεγέθους του πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου Συνεπώς μετρήσεις

βαρυτικών κυμάτων απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια και μεγάλους (συμβολομετρικούς) ανιχνευτές

Οι πρώτες απόπειρες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων άρχισαν την δεκαετία του ΄60 από τον Weber

και βασίζονταν στην χρήση βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού ΄Οπως είδαμε παραπάνω όταν ένα βαρυτικό

κύμα διέρχεται από ένα σώμα θα το συμπιέσει και αποσυμπιέσει αντίστοιχα σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους

κατευθύνσεις Αν η συχνότητα του προσπίπτοντος βαρυτικού κύματος συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα του

σώματος τότε διεγείρονται οι φυσικοί τρόποι ταλάντωσης του σώματος το οποίο ταλαντώνεται στην ιδιοσυ-

χνοτητά του με άλλα λόγια έχουμε συντονισμό ανάμεσα στο βαρυτικό κύμα και το σώμα Η ιδιοσυχνότητα

ενός σώματος εξαρτάται κυρίως από την μάζα του όπως και από το υλικό Προφανώς χρειαζόμαστε σώματα

μεγάλης μάζας άρα με χαμηλές ιδιοσυχνότητες για να έχουμε συντονισμό με τα βαρυτικά κύματα τα οποία

επίσης χαρακτηρίζονται από χαμηλές συχνότητες

Στο Σχήμα 87 δίδουμε το σχηματικό διάγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού όπως και μια φωτογρα-

φία του Ο ανιχνευτής έχει κυλινδρικό σχήμα και στην επιφάνεια του υπάρχουν πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι

οι οποίοι μετατρέπουν τις μικρές μηχανικές τάσεις που αναπτύσσονται λόγω φαινομένων συντονισμού σε

ηλεκτρικό δυναμικό το οποίο κατόπιν καταμετρείται Ο ανιχνευτής έχει μεγάλη μάζα πχ ο πρώτος τέτοιος

ανιχνευτής ήταν ένας αλουμινένιος κύλινδρος 15 τόνου Τέτοιοι ανιχνευτές έχουν δυνητικά ευαισθησία

σε μια στενή φασματική περιοχή γύρω από την συχνότητα συντονισμού τους που βρίσκεται στην περιο-

χή των asymp 103Hz Πρόσφατα άρχισε η ανάπτυξη σφαιρικών βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού όπως ο

MiniGrail στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας οι οποίο παρέχουν δυνατότητα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων

ανεξαρτήτου της διεύθυνσης που προέρχονται

Σχήμα 88 Αεροφωτογραφία του LIGO (αριστερή εικόνα) Σχεδιάγραμμα του LIGO (δεξιά εικόνα) Κάτοπτρο

(Κ) διαιρετής δέσμης (ΔΔ) φωτοανιχνευτής (ΦΑ) από CaltechLIGO

Μια άλλη βασική μέθοδος ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων βασίζεται στην συμβολομετρία ΄Ενα παρά-

δειγμα ενός συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων είναι το Laser Interferometer Gravitational-

Wave Observatory (LIGO) με έναν τέτοιο ανιχνευτή να βρίσκεται στην Washington και έναν δεύτερο

στην Louisiana των ΗΠΑ Το LIGO είναι βασικά ένα συμβολόμετρο Michelson και αποτελείται από δύο

κάθετους μεταξύ τους πανομοιότυπους βραχίονες σε σχήμα L (αριστερή εικόνα του Σχήματος 88) Ο

κάθε βραχίονας έχει μήκος 4 km και βρίσκεται εντός σήραγγας διαμέτρου 12 m που στο εσωτερικό της

επικρατεί κενό Σχηματικό διάγραμμα του LIGO δίδεται στην δεξιά εικόνα του Σχήματος 88 Κάθε

βραχίονας φέρει στα άκρα και στο μέσο του ελεύθερα να ταλαντωθούν κάτοπτρα (Κ) Μονοχρωματική

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 165

ακτινοβολία από πηγή laser διαμερίζεται στους δύο βραχίονες μέσω ενός διαιρέτη δέσμης (ΔΔ) Για περαι-

τέρω ενίσχυση της ευαισθησίας της μέτρησης το φως υφίσταται πολλαπλές ανακλάσεις ανάμεσα στα δύο

κάτοπτρα του κάθε βραχίονα για να συμβάλουν κατόπιν οι δύο δέσμες και να καταγραφεί το αποτέλεσμα

της συμβολής στην θέση του φωτοανιχνευτή (ΦΑ) Προφανώς η διαμόρφωση του προϊόντος της συμβολής

των δυο δεσμών (πχ ενισχυτική ή καταστρεπτική συμβολή) σχετίζεται με το μήκος των δύο βραχιόνων

το οποίο αλλάζει όταν προσπίπτει σε αυτούς κάποιο βαρυτικό κύμα ΄Αλλοι συμβολομετρικοί ανιχνευτές

βαρυτικών κυμάτων βρίσκοντανβρίσκονται σε λειτουργία στην Ιταλία (VIRGO) Γερμανία (GEO600) και

Ιαπωνία (TAMA300)

Σχήμα 89 Σκίτσο του διαστημικού συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων eLISA (από ESA)

Υπάρχουν τέλος σχέδια για ανάπτυξη συμβολομετρικών ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων στο διάστη-

μα Το σύστημα evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA Σχήμα 89) θα αποτελείται από

3 διαστημόπλοια σε διάταξη ισοπλεύρου τριγώνου με πλευρές μήκους ενός εκατομμυρίου χιλιομέτρων σε

τροχιά που θα ακολουθεί αυτήν της γης γύρω από τον ήλιο σε μια απόσταση 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων

΄Ενα από τα 3 διαστημόπλοια θα στέλνει δέσμες laser στα δύο άλλα Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης

ανάμεσα στα διαστημόπλοια αυτά δεν θα φέρουν κάτοπτρα για να ανακλαστεί το φως από την δέσμη laser

αφού το φως από το laquoμητρικόraquo διαστημόπλοιο θα φθάνει στα δύο laquoθυγατρικάraquo πολύ εξασθενημένο Σε

κάθε διαστημόπλοιο θα υπάρχουν σημειακές μάζες σε ελεύθερη πτώση οι οποίες θα χρησιμοποιούνται για

να μετρηθούν οι σχετικές μετατοπίσεις τους ανά δύο Το παραπάνω βασίζεται στον συνδυασμό συμβολο-

μετρικής μέτρησης των μετατοπίσεων πρώτα ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια και κατόπιν ανάμεσα σε κάθε

διαστημόπλοιο και στην ελεύθερη μάζα που φέρει Με αυτόν τον τρόπο απαλείφεται η σχετικά μεγάλη

αβεβαιότητα στον καθορισμό της σχετικής θέσης ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια Ο eLISA προβλέπεται

να μπορεί να μετρήσει μετατοπίσεις με ακρίβεια της τάξης των 10minus12m και προβλέπεται να εκτοξευθεί μετά

το 2030 Μια αποστολή προπομπός της eLISA η οποία θα επιτρέψει τον έλεγχο βασικών τεχνολογιών της

προβλέπεται να εκτοξεύθηκε το 2015

Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι για μια καταφατική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που βασίζεται στην

μέτρηση απειροελάχιστων μετατοπίσεωνπαραμορφώσεων χρειάζεται να laquoμονωθούνraquo οι ελεύθερες μάζες

που χρησιμοποιούνται από οποιαδήποτε άλλη εξωτερική διαταραχή Αυτές περιλαμβάνουν σεισμική δρα-

στηριότητα θερμικό θόρυβο θόρυβο φωτονίων όπως επίσης και την πίεση ακτινοβολίας και του ηλιακού

ανέμου για την περίπτωση διαστημικών ανιχνευτών

166 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

84 Επιτόπιες μετρήσεις

Η απαρχή της διαστημικής εποχής το 1957 σηματοδότησε μια νέα εποχή στην αστροφυσική παρατήρηση

αφού μια σειρά από δορυφόρους και διαστημόπλοια εφοδιασμένα με κατάλληλα όργανα εκτελούσαν ή

εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις των διαφόρων παραμέτρων του πλάσματος (πχ ταχύτητα θερμοκρασία

και πυκνότητα ιόντων) όπως επίσης και του μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης και άλλων

πλανητών (πχ Δίας Κρόνος) όπως επίσης και του ηλιακού ανέμου (βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος 2016) ΄Ετσι έχουμε λεπτομερείς μετρήσεις πλάσματος και πεδίων στο σημείο στο

οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος ή το διαστημόπλοιο χωρίς όμως να έχουμε μια σύνοψη σε μεγάλη κλίμακα

της δομής στην οποία βρίσκεται το σημείο λήψης των επιτόπιων μετρήσεων ΄Ετσι απαραίτητο συμπλήρωμα

στην περαιτέρω ανάλυση των επιτόπιων μετρήσεων αποτελούν παρατηρήσεις από τηλεσκόπια ή προβλέψεις

από μοντέλα

841 Μετρητές Ιόντων

Ο συνηθέστερος μετρητής ιόντων που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το κύπελλο Faraday (Faraday

cup) Το κύπελλο Faraday πχ σχήμα 810 είναι ουσιαστικά μια παγίδα ιόντων και αποτελείται από μια

κοίλη μεταλλική (αγώγιμη) επιφάνεια η οποία φορτίζεται θετικά από την πρόσπτωση των ιόντων σε αυτήν

Ανάλογα με τα ηλεκτρονικά του συστήματος γίνεται μέτρηση του φορτίου ή του ρεύματος ή της διαφοράς

δυναμικού που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στα ιόντα και στο αγώγιμο υλικό του κυπέλλου

Το μετρούμενο σήμα είναι ανάλογο του αριθμού των ιόντων που εισήλθαν στο κύπελλο

Σχήμα 810 Φωτογραφία του κυπέλλου Faraday που βρίσκεται πάνω στο διαστημόπλοιο WIND (από MIT)

΄Ενα κύπελλο Faraday περιλαμβάνει και μια σειρά από μεταλλικά πλέγματα διαμόρφωσης στα οποία

εφαρμόζονται μεταβαλλόμενες διαφορές δυναμικού Για δοθείσα διαφορά δυναμικού V ιόντα με λόγο

ενέργειαςφορτίου Eq θα μπορέσουν να διασχίσουν το πλέγμα και να ανιχνευθούν αν ισχύει Eq gt V

Μεταβάλλοντας το V με μια συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz εντός μιας περιοχής διαφορών δυναμικού

[Vmin Vmax] επιλέγουμε ιόντα που καλύπτουν ένα εύρος τιμών του Eq Κατασκευάζονται με άλλα λόγια

ενεργειακά φάσματα για ένα πλήθος τιμών Eq

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 163

83 Ανίχνευση Βαρυτικής Ακτινοβολίας

΄Οταν η κατανομή μάζας ενός συστήματος αλλάζει με τον χρόνο τότε αυτό σύμφωνα με την Γενική Θεωρία

της Σχετικότητας προκαλεί μια διαταραχή του βαρυτικού πεδίου η οποία διαδίδεται ως βαρυτική ακτινοβολία

(gravitational radiation) Επειδή η βαρυτική δύναμη άρα και η καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω από

ένα αντικείμενο εξαρτάται από την μάζα του αντικείμενα με μεγάλες μάζες όπως πχ περιστρεφόμενοι

αστέρες διπλά συστήματα αστέρων μαύρες τρύπες κλπ αποτελούν πηγές βαρυτικών κυμάτων με δυνητικά

ανιχνεύσιμο εύρος Υπάρχουν περιοδικές (πχ διπλά αστέρια παλλόμενα αστέρια αστέρια νετρονίων κλπ)

και παροδικές (πχ εκρήξεις υπερκαινοφανών ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες κλπ) πηγές βαρυτικών κυμάτων

Τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός στο κενό και εξαιτίας της ασθενούς φύσης της

βαρυτικής δύναμης σε σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις δεν αλληλεπιδρούν με το υλικό

Συνεπώς το σύμπαν είναι πρακτικά διαφανές στα βαρυτικά κύματα και έτσι πιθανές παρατηρήσεις βαρυτικών

κυμάτων θα αποτελέσουν ένα σημαντικό νέο παράθυρο της αστροφυσικής σε απροσπέλαστες από άλλες

μεθόδους περιοχές

Μέχρι στιγμής δεν έχει πραγματοποιηθεί καμία άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων1

΄Εμμεσες

ενδείξεις για την παρουσία τους προέκυψαν από παρατηρήσεις της απόσβεσης της περιόδου ενός διπλού

συστήματος αστεριών νετρονίων από τους Taylor και Weisberg η οποία βρέθηκε συμβατή με απώλειες

ενέργειας λόγω εκπομπής βαρυτικής ακτινοβολίας Η πόλωση των βαρυτικών κυμάτων είναι τέτοια που να

προκαλεί συστολή και διαστολή σωμάτων σε ελεύθερη πτώση σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους κατευθύνσεις

Εξαιτίας της ασθενούς φύσης της βαρυτικής δύναμης οι παραμορφώσεις που προκαλούν τα βαρυτικά κύματα

είναι πολύ μικρές κάτι που καθιστά την ανίχνευση τους μια τρομερά απαιτητική και δύσκολή μέτρηση

Σχήμα 87 Περίγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού (αριστερά) και φωτογραφία μιας τέτοιας διάταξης Antenna

Ultracriogenica Risonante per lrsquoIndagine Gravitazionale Astronomica στην Πάδοβα της Ιταλίας (δεξιά)

Το εύρος των βαρυτικών κυμάτων μπορεί να ποσοτικοποιηθεί από την αδιάστατη παράμετρο h

h =δL

L (818)

που δίδει την σχετική παραμόρφωση ενός αντικειμένου ή ισοδύναμα την σχετική μεταβολή της απόστασης

δυο ελευθέρων μαζών υπό την επίδρασή τους Θεωρητικοί υπολογισμοί βασισμένοι σε διάφορες πηγές

βαρυτικών κυμάτων δίδουν ότι η h παίρνει τιμέςasymp [10minus26 10minus18] ενώ οι αντίστοιχες συχνότητες κυμαίνονται

asymp [10minus4 104]Hz Συνεπώς ένα βαρυτικό κύμα με h = 10minus22θα προκαλέσει σύμφωνα με την εξίσωση 818

1Τον Φεβρουάριο του 2016 η ομάδα του πειράματος LIGO ανακοίνωσε την ανίχνευση βαρυτικής ακτινοβολίας την οποία

απέδοσαν στη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών

164 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

μια αλλαγή της απόστασης ανάμεσα στην γη και την σελήνη (L 380 times 103km) κατά δL 410minus14m

που αντιστοιχεί στο asymp 12 του μεγέθους του πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου Συνεπώς μετρήσεις

βαρυτικών κυμάτων απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια και μεγάλους (συμβολομετρικούς) ανιχνευτές

Οι πρώτες απόπειρες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων άρχισαν την δεκαετία του ΄60 από τον Weber

και βασίζονταν στην χρήση βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού ΄Οπως είδαμε παραπάνω όταν ένα βαρυτικό

κύμα διέρχεται από ένα σώμα θα το συμπιέσει και αποσυμπιέσει αντίστοιχα σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους

κατευθύνσεις Αν η συχνότητα του προσπίπτοντος βαρυτικού κύματος συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα του

σώματος τότε διεγείρονται οι φυσικοί τρόποι ταλάντωσης του σώματος το οποίο ταλαντώνεται στην ιδιοσυ-

χνοτητά του με άλλα λόγια έχουμε συντονισμό ανάμεσα στο βαρυτικό κύμα και το σώμα Η ιδιοσυχνότητα

ενός σώματος εξαρτάται κυρίως από την μάζα του όπως και από το υλικό Προφανώς χρειαζόμαστε σώματα

μεγάλης μάζας άρα με χαμηλές ιδιοσυχνότητες για να έχουμε συντονισμό με τα βαρυτικά κύματα τα οποία

επίσης χαρακτηρίζονται από χαμηλές συχνότητες

Στο Σχήμα 87 δίδουμε το σχηματικό διάγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού όπως και μια φωτογρα-

φία του Ο ανιχνευτής έχει κυλινδρικό σχήμα και στην επιφάνεια του υπάρχουν πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι

οι οποίοι μετατρέπουν τις μικρές μηχανικές τάσεις που αναπτύσσονται λόγω φαινομένων συντονισμού σε

ηλεκτρικό δυναμικό το οποίο κατόπιν καταμετρείται Ο ανιχνευτής έχει μεγάλη μάζα πχ ο πρώτος τέτοιος

ανιχνευτής ήταν ένας αλουμινένιος κύλινδρος 15 τόνου Τέτοιοι ανιχνευτές έχουν δυνητικά ευαισθησία

σε μια στενή φασματική περιοχή γύρω από την συχνότητα συντονισμού τους που βρίσκεται στην περιο-

χή των asymp 103Hz Πρόσφατα άρχισε η ανάπτυξη σφαιρικών βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού όπως ο

MiniGrail στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας οι οποίο παρέχουν δυνατότητα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων

ανεξαρτήτου της διεύθυνσης που προέρχονται

Σχήμα 88 Αεροφωτογραφία του LIGO (αριστερή εικόνα) Σχεδιάγραμμα του LIGO (δεξιά εικόνα) Κάτοπτρο

(Κ) διαιρετής δέσμης (ΔΔ) φωτοανιχνευτής (ΦΑ) από CaltechLIGO

Μια άλλη βασική μέθοδος ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων βασίζεται στην συμβολομετρία ΄Ενα παρά-

δειγμα ενός συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων είναι το Laser Interferometer Gravitational-

Wave Observatory (LIGO) με έναν τέτοιο ανιχνευτή να βρίσκεται στην Washington και έναν δεύτερο

στην Louisiana των ΗΠΑ Το LIGO είναι βασικά ένα συμβολόμετρο Michelson και αποτελείται από δύο

κάθετους μεταξύ τους πανομοιότυπους βραχίονες σε σχήμα L (αριστερή εικόνα του Σχήματος 88) Ο

κάθε βραχίονας έχει μήκος 4 km και βρίσκεται εντός σήραγγας διαμέτρου 12 m που στο εσωτερικό της

επικρατεί κενό Σχηματικό διάγραμμα του LIGO δίδεται στην δεξιά εικόνα του Σχήματος 88 Κάθε

βραχίονας φέρει στα άκρα και στο μέσο του ελεύθερα να ταλαντωθούν κάτοπτρα (Κ) Μονοχρωματική

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 165

ακτινοβολία από πηγή laser διαμερίζεται στους δύο βραχίονες μέσω ενός διαιρέτη δέσμης (ΔΔ) Για περαι-

τέρω ενίσχυση της ευαισθησίας της μέτρησης το φως υφίσταται πολλαπλές ανακλάσεις ανάμεσα στα δύο

κάτοπτρα του κάθε βραχίονα για να συμβάλουν κατόπιν οι δύο δέσμες και να καταγραφεί το αποτέλεσμα

της συμβολής στην θέση του φωτοανιχνευτή (ΦΑ) Προφανώς η διαμόρφωση του προϊόντος της συμβολής

των δυο δεσμών (πχ ενισχυτική ή καταστρεπτική συμβολή) σχετίζεται με το μήκος των δύο βραχιόνων

το οποίο αλλάζει όταν προσπίπτει σε αυτούς κάποιο βαρυτικό κύμα ΄Αλλοι συμβολομετρικοί ανιχνευτές

βαρυτικών κυμάτων βρίσκοντανβρίσκονται σε λειτουργία στην Ιταλία (VIRGO) Γερμανία (GEO600) και

Ιαπωνία (TAMA300)

Σχήμα 89 Σκίτσο του διαστημικού συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων eLISA (από ESA)

Υπάρχουν τέλος σχέδια για ανάπτυξη συμβολομετρικών ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων στο διάστη-

μα Το σύστημα evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA Σχήμα 89) θα αποτελείται από

3 διαστημόπλοια σε διάταξη ισοπλεύρου τριγώνου με πλευρές μήκους ενός εκατομμυρίου χιλιομέτρων σε

τροχιά που θα ακολουθεί αυτήν της γης γύρω από τον ήλιο σε μια απόσταση 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων

΄Ενα από τα 3 διαστημόπλοια θα στέλνει δέσμες laser στα δύο άλλα Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης

ανάμεσα στα διαστημόπλοια αυτά δεν θα φέρουν κάτοπτρα για να ανακλαστεί το φως από την δέσμη laser

αφού το φως από το laquoμητρικόraquo διαστημόπλοιο θα φθάνει στα δύο laquoθυγατρικάraquo πολύ εξασθενημένο Σε

κάθε διαστημόπλοιο θα υπάρχουν σημειακές μάζες σε ελεύθερη πτώση οι οποίες θα χρησιμοποιούνται για

να μετρηθούν οι σχετικές μετατοπίσεις τους ανά δύο Το παραπάνω βασίζεται στον συνδυασμό συμβολο-

μετρικής μέτρησης των μετατοπίσεων πρώτα ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια και κατόπιν ανάμεσα σε κάθε

διαστημόπλοιο και στην ελεύθερη μάζα που φέρει Με αυτόν τον τρόπο απαλείφεται η σχετικά μεγάλη

αβεβαιότητα στον καθορισμό της σχετικής θέσης ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια Ο eLISA προβλέπεται

να μπορεί να μετρήσει μετατοπίσεις με ακρίβεια της τάξης των 10minus12m και προβλέπεται να εκτοξευθεί μετά

το 2030 Μια αποστολή προπομπός της eLISA η οποία θα επιτρέψει τον έλεγχο βασικών τεχνολογιών της

προβλέπεται να εκτοξεύθηκε το 2015

Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι για μια καταφατική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που βασίζεται στην

μέτρηση απειροελάχιστων μετατοπίσεωνπαραμορφώσεων χρειάζεται να laquoμονωθούνraquo οι ελεύθερες μάζες

που χρησιμοποιούνται από οποιαδήποτε άλλη εξωτερική διαταραχή Αυτές περιλαμβάνουν σεισμική δρα-

στηριότητα θερμικό θόρυβο θόρυβο φωτονίων όπως επίσης και την πίεση ακτινοβολίας και του ηλιακού

ανέμου για την περίπτωση διαστημικών ανιχνευτών

166 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

84 Επιτόπιες μετρήσεις

Η απαρχή της διαστημικής εποχής το 1957 σηματοδότησε μια νέα εποχή στην αστροφυσική παρατήρηση

αφού μια σειρά από δορυφόρους και διαστημόπλοια εφοδιασμένα με κατάλληλα όργανα εκτελούσαν ή

εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις των διαφόρων παραμέτρων του πλάσματος (πχ ταχύτητα θερμοκρασία

και πυκνότητα ιόντων) όπως επίσης και του μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης και άλλων

πλανητών (πχ Δίας Κρόνος) όπως επίσης και του ηλιακού ανέμου (βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος 2016) ΄Ετσι έχουμε λεπτομερείς μετρήσεις πλάσματος και πεδίων στο σημείο στο

οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος ή το διαστημόπλοιο χωρίς όμως να έχουμε μια σύνοψη σε μεγάλη κλίμακα

της δομής στην οποία βρίσκεται το σημείο λήψης των επιτόπιων μετρήσεων ΄Ετσι απαραίτητο συμπλήρωμα

στην περαιτέρω ανάλυση των επιτόπιων μετρήσεων αποτελούν παρατηρήσεις από τηλεσκόπια ή προβλέψεις

από μοντέλα

841 Μετρητές Ιόντων

Ο συνηθέστερος μετρητής ιόντων που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το κύπελλο Faraday (Faraday

cup) Το κύπελλο Faraday πχ σχήμα 810 είναι ουσιαστικά μια παγίδα ιόντων και αποτελείται από μια

κοίλη μεταλλική (αγώγιμη) επιφάνεια η οποία φορτίζεται θετικά από την πρόσπτωση των ιόντων σε αυτήν

Ανάλογα με τα ηλεκτρονικά του συστήματος γίνεται μέτρηση του φορτίου ή του ρεύματος ή της διαφοράς

δυναμικού που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στα ιόντα και στο αγώγιμο υλικό του κυπέλλου

Το μετρούμενο σήμα είναι ανάλογο του αριθμού των ιόντων που εισήλθαν στο κύπελλο

Σχήμα 810 Φωτογραφία του κυπέλλου Faraday που βρίσκεται πάνω στο διαστημόπλοιο WIND (από MIT)

΄Ενα κύπελλο Faraday περιλαμβάνει και μια σειρά από μεταλλικά πλέγματα διαμόρφωσης στα οποία

εφαρμόζονται μεταβαλλόμενες διαφορές δυναμικού Για δοθείσα διαφορά δυναμικού V ιόντα με λόγο

ενέργειαςφορτίου Eq θα μπορέσουν να διασχίσουν το πλέγμα και να ανιχνευθούν αν ισχύει Eq gt V

Μεταβάλλοντας το V με μια συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz εντός μιας περιοχής διαφορών δυναμικού

[Vmin Vmax] επιλέγουμε ιόντα που καλύπτουν ένα εύρος τιμών του Eq Κατασκευάζονται με άλλα λόγια

ενεργειακά φάσματα για ένα πλήθος τιμών Eq

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

164 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

μια αλλαγή της απόστασης ανάμεσα στην γη και την σελήνη (L 380 times 103km) κατά δL 410minus14m

που αντιστοιχεί στο asymp 12 του μεγέθους του πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου Συνεπώς μετρήσεις

βαρυτικών κυμάτων απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια και μεγάλους (συμβολομετρικούς) ανιχνευτές

Οι πρώτες απόπειρες ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων άρχισαν την δεκαετία του ΄60 από τον Weber

και βασίζονταν στην χρήση βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού ΄Οπως είδαμε παραπάνω όταν ένα βαρυτικό

κύμα διέρχεται από ένα σώμα θα το συμπιέσει και αποσυμπιέσει αντίστοιχα σε δύο ορθογώνιες μεταξύ τους

κατευθύνσεις Αν η συχνότητα του προσπίπτοντος βαρυτικού κύματος συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα του

σώματος τότε διεγείρονται οι φυσικοί τρόποι ταλάντωσης του σώματος το οποίο ταλαντώνεται στην ιδιοσυ-

χνοτητά του με άλλα λόγια έχουμε συντονισμό ανάμεσα στο βαρυτικό κύμα και το σώμα Η ιδιοσυχνότητα

ενός σώματος εξαρτάται κυρίως από την μάζα του όπως και από το υλικό Προφανώς χρειαζόμαστε σώματα

μεγάλης μάζας άρα με χαμηλές ιδιοσυχνότητες για να έχουμε συντονισμό με τα βαρυτικά κύματα τα οποία

επίσης χαρακτηρίζονται από χαμηλές συχνότητες

Στο Σχήμα 87 δίδουμε το σχηματικό διάγραμμα ενός ανιχνευτή συντονισμού όπως και μια φωτογρα-

φία του Ο ανιχνευτής έχει κυλινδρικό σχήμα και στην επιφάνεια του υπάρχουν πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι

οι οποίοι μετατρέπουν τις μικρές μηχανικές τάσεις που αναπτύσσονται λόγω φαινομένων συντονισμού σε

ηλεκτρικό δυναμικό το οποίο κατόπιν καταμετρείται Ο ανιχνευτής έχει μεγάλη μάζα πχ ο πρώτος τέτοιος

ανιχνευτής ήταν ένας αλουμινένιος κύλινδρος 15 τόνου Τέτοιοι ανιχνευτές έχουν δυνητικά ευαισθησία

σε μια στενή φασματική περιοχή γύρω από την συχνότητα συντονισμού τους που βρίσκεται στην περιο-

χή των asymp 103Hz Πρόσφατα άρχισε η ανάπτυξη σφαιρικών βαρυτικών ανιχνευτών συντονισμού όπως ο

MiniGrail στην Ουτρέχτη της Ολλανδίας οι οποίο παρέχουν δυνατότητα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων

ανεξαρτήτου της διεύθυνσης που προέρχονται

Σχήμα 88 Αεροφωτογραφία του LIGO (αριστερή εικόνα) Σχεδιάγραμμα του LIGO (δεξιά εικόνα) Κάτοπτρο

(Κ) διαιρετής δέσμης (ΔΔ) φωτοανιχνευτής (ΦΑ) από CaltechLIGO

Μια άλλη βασική μέθοδος ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων βασίζεται στην συμβολομετρία ΄Ενα παρά-

δειγμα ενός συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων είναι το Laser Interferometer Gravitational-

Wave Observatory (LIGO) με έναν τέτοιο ανιχνευτή να βρίσκεται στην Washington και έναν δεύτερο

στην Louisiana των ΗΠΑ Το LIGO είναι βασικά ένα συμβολόμετρο Michelson και αποτελείται από δύο

κάθετους μεταξύ τους πανομοιότυπους βραχίονες σε σχήμα L (αριστερή εικόνα του Σχήματος 88) Ο

κάθε βραχίονας έχει μήκος 4 km και βρίσκεται εντός σήραγγας διαμέτρου 12 m που στο εσωτερικό της

επικρατεί κενό Σχηματικό διάγραμμα του LIGO δίδεται στην δεξιά εικόνα του Σχήματος 88 Κάθε

βραχίονας φέρει στα άκρα και στο μέσο του ελεύθερα να ταλαντωθούν κάτοπτρα (Κ) Μονοχρωματική

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 165

ακτινοβολία από πηγή laser διαμερίζεται στους δύο βραχίονες μέσω ενός διαιρέτη δέσμης (ΔΔ) Για περαι-

τέρω ενίσχυση της ευαισθησίας της μέτρησης το φως υφίσταται πολλαπλές ανακλάσεις ανάμεσα στα δύο

κάτοπτρα του κάθε βραχίονα για να συμβάλουν κατόπιν οι δύο δέσμες και να καταγραφεί το αποτέλεσμα

της συμβολής στην θέση του φωτοανιχνευτή (ΦΑ) Προφανώς η διαμόρφωση του προϊόντος της συμβολής

των δυο δεσμών (πχ ενισχυτική ή καταστρεπτική συμβολή) σχετίζεται με το μήκος των δύο βραχιόνων

το οποίο αλλάζει όταν προσπίπτει σε αυτούς κάποιο βαρυτικό κύμα ΄Αλλοι συμβολομετρικοί ανιχνευτές

βαρυτικών κυμάτων βρίσκοντανβρίσκονται σε λειτουργία στην Ιταλία (VIRGO) Γερμανία (GEO600) και

Ιαπωνία (TAMA300)

Σχήμα 89 Σκίτσο του διαστημικού συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων eLISA (από ESA)

Υπάρχουν τέλος σχέδια για ανάπτυξη συμβολομετρικών ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων στο διάστη-

μα Το σύστημα evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA Σχήμα 89) θα αποτελείται από

3 διαστημόπλοια σε διάταξη ισοπλεύρου τριγώνου με πλευρές μήκους ενός εκατομμυρίου χιλιομέτρων σε

τροχιά που θα ακολουθεί αυτήν της γης γύρω από τον ήλιο σε μια απόσταση 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων

΄Ενα από τα 3 διαστημόπλοια θα στέλνει δέσμες laser στα δύο άλλα Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης

ανάμεσα στα διαστημόπλοια αυτά δεν θα φέρουν κάτοπτρα για να ανακλαστεί το φως από την δέσμη laser

αφού το φως από το laquoμητρικόraquo διαστημόπλοιο θα φθάνει στα δύο laquoθυγατρικάraquo πολύ εξασθενημένο Σε

κάθε διαστημόπλοιο θα υπάρχουν σημειακές μάζες σε ελεύθερη πτώση οι οποίες θα χρησιμοποιούνται για

να μετρηθούν οι σχετικές μετατοπίσεις τους ανά δύο Το παραπάνω βασίζεται στον συνδυασμό συμβολο-

μετρικής μέτρησης των μετατοπίσεων πρώτα ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια και κατόπιν ανάμεσα σε κάθε

διαστημόπλοιο και στην ελεύθερη μάζα που φέρει Με αυτόν τον τρόπο απαλείφεται η σχετικά μεγάλη

αβεβαιότητα στον καθορισμό της σχετικής θέσης ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια Ο eLISA προβλέπεται

να μπορεί να μετρήσει μετατοπίσεις με ακρίβεια της τάξης των 10minus12m και προβλέπεται να εκτοξευθεί μετά

το 2030 Μια αποστολή προπομπός της eLISA η οποία θα επιτρέψει τον έλεγχο βασικών τεχνολογιών της

προβλέπεται να εκτοξεύθηκε το 2015

Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι για μια καταφατική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που βασίζεται στην

μέτρηση απειροελάχιστων μετατοπίσεωνπαραμορφώσεων χρειάζεται να laquoμονωθούνraquo οι ελεύθερες μάζες

που χρησιμοποιούνται από οποιαδήποτε άλλη εξωτερική διαταραχή Αυτές περιλαμβάνουν σεισμική δρα-

στηριότητα θερμικό θόρυβο θόρυβο φωτονίων όπως επίσης και την πίεση ακτινοβολίας και του ηλιακού

ανέμου για την περίπτωση διαστημικών ανιχνευτών

166 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

84 Επιτόπιες μετρήσεις

Η απαρχή της διαστημικής εποχής το 1957 σηματοδότησε μια νέα εποχή στην αστροφυσική παρατήρηση

αφού μια σειρά από δορυφόρους και διαστημόπλοια εφοδιασμένα με κατάλληλα όργανα εκτελούσαν ή

εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις των διαφόρων παραμέτρων του πλάσματος (πχ ταχύτητα θερμοκρασία

και πυκνότητα ιόντων) όπως επίσης και του μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης και άλλων

πλανητών (πχ Δίας Κρόνος) όπως επίσης και του ηλιακού ανέμου (βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος 2016) ΄Ετσι έχουμε λεπτομερείς μετρήσεις πλάσματος και πεδίων στο σημείο στο

οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος ή το διαστημόπλοιο χωρίς όμως να έχουμε μια σύνοψη σε μεγάλη κλίμακα

της δομής στην οποία βρίσκεται το σημείο λήψης των επιτόπιων μετρήσεων ΄Ετσι απαραίτητο συμπλήρωμα

στην περαιτέρω ανάλυση των επιτόπιων μετρήσεων αποτελούν παρατηρήσεις από τηλεσκόπια ή προβλέψεις

από μοντέλα

841 Μετρητές Ιόντων

Ο συνηθέστερος μετρητής ιόντων που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το κύπελλο Faraday (Faraday

cup) Το κύπελλο Faraday πχ σχήμα 810 είναι ουσιαστικά μια παγίδα ιόντων και αποτελείται από μια

κοίλη μεταλλική (αγώγιμη) επιφάνεια η οποία φορτίζεται θετικά από την πρόσπτωση των ιόντων σε αυτήν

Ανάλογα με τα ηλεκτρονικά του συστήματος γίνεται μέτρηση του φορτίου ή του ρεύματος ή της διαφοράς

δυναμικού που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στα ιόντα και στο αγώγιμο υλικό του κυπέλλου

Το μετρούμενο σήμα είναι ανάλογο του αριθμού των ιόντων που εισήλθαν στο κύπελλο

Σχήμα 810 Φωτογραφία του κυπέλλου Faraday που βρίσκεται πάνω στο διαστημόπλοιο WIND (από MIT)

΄Ενα κύπελλο Faraday περιλαμβάνει και μια σειρά από μεταλλικά πλέγματα διαμόρφωσης στα οποία

εφαρμόζονται μεταβαλλόμενες διαφορές δυναμικού Για δοθείσα διαφορά δυναμικού V ιόντα με λόγο

ενέργειαςφορτίου Eq θα μπορέσουν να διασχίσουν το πλέγμα και να ανιχνευθούν αν ισχύει Eq gt V

Μεταβάλλοντας το V με μια συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz εντός μιας περιοχής διαφορών δυναμικού

[Vmin Vmax] επιλέγουμε ιόντα που καλύπτουν ένα εύρος τιμών του Eq Κατασκευάζονται με άλλα λόγια

ενεργειακά φάσματα για ένα πλήθος τιμών Eq

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 165

ακτινοβολία από πηγή laser διαμερίζεται στους δύο βραχίονες μέσω ενός διαιρέτη δέσμης (ΔΔ) Για περαι-

τέρω ενίσχυση της ευαισθησίας της μέτρησης το φως υφίσταται πολλαπλές ανακλάσεις ανάμεσα στα δύο

κάτοπτρα του κάθε βραχίονα για να συμβάλουν κατόπιν οι δύο δέσμες και να καταγραφεί το αποτέλεσμα

της συμβολής στην θέση του φωτοανιχνευτή (ΦΑ) Προφανώς η διαμόρφωση του προϊόντος της συμβολής

των δυο δεσμών (πχ ενισχυτική ή καταστρεπτική συμβολή) σχετίζεται με το μήκος των δύο βραχιόνων

το οποίο αλλάζει όταν προσπίπτει σε αυτούς κάποιο βαρυτικό κύμα ΄Αλλοι συμβολομετρικοί ανιχνευτές

βαρυτικών κυμάτων βρίσκοντανβρίσκονται σε λειτουργία στην Ιταλία (VIRGO) Γερμανία (GEO600) και

Ιαπωνία (TAMA300)

Σχήμα 89 Σκίτσο του διαστημικού συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων eLISA (από ESA)

Υπάρχουν τέλος σχέδια για ανάπτυξη συμβολομετρικών ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων στο διάστη-

μα Το σύστημα evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA Σχήμα 89) θα αποτελείται από

3 διαστημόπλοια σε διάταξη ισοπλεύρου τριγώνου με πλευρές μήκους ενός εκατομμυρίου χιλιομέτρων σε

τροχιά που θα ακολουθεί αυτήν της γης γύρω από τον ήλιο σε μια απόσταση 50 εκατομμυρίων χιλιομέτρων

΄Ενα από τα 3 διαστημόπλοια θα στέλνει δέσμες laser στα δύο άλλα Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης

ανάμεσα στα διαστημόπλοια αυτά δεν θα φέρουν κάτοπτρα για να ανακλαστεί το φως από την δέσμη laser

αφού το φως από το laquoμητρικόraquo διαστημόπλοιο θα φθάνει στα δύο laquoθυγατρικάraquo πολύ εξασθενημένο Σε

κάθε διαστημόπλοιο θα υπάρχουν σημειακές μάζες σε ελεύθερη πτώση οι οποίες θα χρησιμοποιούνται για

να μετρηθούν οι σχετικές μετατοπίσεις τους ανά δύο Το παραπάνω βασίζεται στον συνδυασμό συμβολο-

μετρικής μέτρησης των μετατοπίσεων πρώτα ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια και κατόπιν ανάμεσα σε κάθε

διαστημόπλοιο και στην ελεύθερη μάζα που φέρει Με αυτόν τον τρόπο απαλείφεται η σχετικά μεγάλη

αβεβαιότητα στον καθορισμό της σχετικής θέσης ανάμεσα στα δύο διαστημόπλοια Ο eLISA προβλέπεται

να μπορεί να μετρήσει μετατοπίσεις με ακρίβεια της τάξης των 10minus12m και προβλέπεται να εκτοξευθεί μετά

το 2030 Μια αποστολή προπομπός της eLISA η οποία θα επιτρέψει τον έλεγχο βασικών τεχνολογιών της

προβλέπεται να εκτοξεύθηκε το 2015

Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι για μια καταφατική ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που βασίζεται στην

μέτρηση απειροελάχιστων μετατοπίσεωνπαραμορφώσεων χρειάζεται να laquoμονωθούνraquo οι ελεύθερες μάζες

που χρησιμοποιούνται από οποιαδήποτε άλλη εξωτερική διαταραχή Αυτές περιλαμβάνουν σεισμική δρα-

στηριότητα θερμικό θόρυβο θόρυβο φωτονίων όπως επίσης και την πίεση ακτινοβολίας και του ηλιακού

ανέμου για την περίπτωση διαστημικών ανιχνευτών

166 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

84 Επιτόπιες μετρήσεις

Η απαρχή της διαστημικής εποχής το 1957 σηματοδότησε μια νέα εποχή στην αστροφυσική παρατήρηση

αφού μια σειρά από δορυφόρους και διαστημόπλοια εφοδιασμένα με κατάλληλα όργανα εκτελούσαν ή

εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις των διαφόρων παραμέτρων του πλάσματος (πχ ταχύτητα θερμοκρασία

και πυκνότητα ιόντων) όπως επίσης και του μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης και άλλων

πλανητών (πχ Δίας Κρόνος) όπως επίσης και του ηλιακού ανέμου (βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος 2016) ΄Ετσι έχουμε λεπτομερείς μετρήσεις πλάσματος και πεδίων στο σημείο στο

οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος ή το διαστημόπλοιο χωρίς όμως να έχουμε μια σύνοψη σε μεγάλη κλίμακα

της δομής στην οποία βρίσκεται το σημείο λήψης των επιτόπιων μετρήσεων ΄Ετσι απαραίτητο συμπλήρωμα

στην περαιτέρω ανάλυση των επιτόπιων μετρήσεων αποτελούν παρατηρήσεις από τηλεσκόπια ή προβλέψεις

από μοντέλα

841 Μετρητές Ιόντων

Ο συνηθέστερος μετρητής ιόντων που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το κύπελλο Faraday (Faraday

cup) Το κύπελλο Faraday πχ σχήμα 810 είναι ουσιαστικά μια παγίδα ιόντων και αποτελείται από μια

κοίλη μεταλλική (αγώγιμη) επιφάνεια η οποία φορτίζεται θετικά από την πρόσπτωση των ιόντων σε αυτήν

Ανάλογα με τα ηλεκτρονικά του συστήματος γίνεται μέτρηση του φορτίου ή του ρεύματος ή της διαφοράς

δυναμικού που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στα ιόντα και στο αγώγιμο υλικό του κυπέλλου

Το μετρούμενο σήμα είναι ανάλογο του αριθμού των ιόντων που εισήλθαν στο κύπελλο

Σχήμα 810 Φωτογραφία του κυπέλλου Faraday που βρίσκεται πάνω στο διαστημόπλοιο WIND (από MIT)

΄Ενα κύπελλο Faraday περιλαμβάνει και μια σειρά από μεταλλικά πλέγματα διαμόρφωσης στα οποία

εφαρμόζονται μεταβαλλόμενες διαφορές δυναμικού Για δοθείσα διαφορά δυναμικού V ιόντα με λόγο

ενέργειαςφορτίου Eq θα μπορέσουν να διασχίσουν το πλέγμα και να ανιχνευθούν αν ισχύει Eq gt V

Μεταβάλλοντας το V με μια συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz εντός μιας περιοχής διαφορών δυναμικού

[Vmin Vmax] επιλέγουμε ιόντα που καλύπτουν ένα εύρος τιμών του Eq Κατασκευάζονται με άλλα λόγια

ενεργειακά φάσματα για ένα πλήθος τιμών Eq

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

166 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

84 Επιτόπιες μετρήσεις

Η απαρχή της διαστημικής εποχής το 1957 σηματοδότησε μια νέα εποχή στην αστροφυσική παρατήρηση

αφού μια σειρά από δορυφόρους και διαστημόπλοια εφοδιασμένα με κατάλληλα όργανα εκτελούσαν ή

εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις των διαφόρων παραμέτρων του πλάσματος (πχ ταχύτητα θερμοκρασία

και πυκνότητα ιόντων) όπως επίσης και του μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης και άλλων

πλανητών (πχ Δίας Κρόνος) όπως επίσης και του ηλιακού ανέμου (βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος 2016) ΄Ετσι έχουμε λεπτομερείς μετρήσεις πλάσματος και πεδίων στο σημείο στο

οποίο βρίσκεται ο δορυφόρος ή το διαστημόπλοιο χωρίς όμως να έχουμε μια σύνοψη σε μεγάλη κλίμακα

της δομής στην οποία βρίσκεται το σημείο λήψης των επιτόπιων μετρήσεων ΄Ετσι απαραίτητο συμπλήρωμα

στην περαιτέρω ανάλυση των επιτόπιων μετρήσεων αποτελούν παρατηρήσεις από τηλεσκόπια ή προβλέψεις

από μοντέλα

841 Μετρητές Ιόντων

Ο συνηθέστερος μετρητής ιόντων που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το κύπελλο Faraday (Faraday

cup) Το κύπελλο Faraday πχ σχήμα 810 είναι ουσιαστικά μια παγίδα ιόντων και αποτελείται από μια

κοίλη μεταλλική (αγώγιμη) επιφάνεια η οποία φορτίζεται θετικά από την πρόσπτωση των ιόντων σε αυτήν

Ανάλογα με τα ηλεκτρονικά του συστήματος γίνεται μέτρηση του φορτίου ή του ρεύματος ή της διαφοράς

δυναμικού που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στα ιόντα και στο αγώγιμο υλικό του κυπέλλου

Το μετρούμενο σήμα είναι ανάλογο του αριθμού των ιόντων που εισήλθαν στο κύπελλο

Σχήμα 810 Φωτογραφία του κυπέλλου Faraday που βρίσκεται πάνω στο διαστημόπλοιο WIND (από MIT)

΄Ενα κύπελλο Faraday περιλαμβάνει και μια σειρά από μεταλλικά πλέγματα διαμόρφωσης στα οποία

εφαρμόζονται μεταβαλλόμενες διαφορές δυναμικού Για δοθείσα διαφορά δυναμικού V ιόντα με λόγο

ενέργειαςφορτίου Eq θα μπορέσουν να διασχίσουν το πλέγμα και να ανιχνευθούν αν ισχύει Eq gt V

Μεταβάλλοντας το V με μια συχνότητα μερικών εκατοντάδων Hz εντός μιας περιοχής διαφορών δυναμικού

[Vmin Vmax] επιλέγουμε ιόντα που καλύπτουν ένα εύρος τιμών του Eq Κατασκευάζονται με άλλα λόγια

ενεργειακά φάσματα για ένα πλήθος τιμών Eq

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 167

Σχήμα 811 Ενεργειακά φάσματα των ιόντων του ηλιακού ανέμου από το κύπελλο Faraday που βρίσκεται

στο διαστημόπλοιο WIND Κάθε διάγραμμα δίνει το μετρούμενο ρεύμα συναρτήσει του Eq για 9 διαφορετικές

αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο (από MIT)

Παραδείγματα ενεργειακών φασμάτων ιόντων του ηλιακού ανέμου που ελήφθησαν από το κύπελλο

Faraday του διαστημοπλοίου WIND δίδονται στο σχήμα 811 Κάθε διάγραμμα δίνει την γραφική πα-

ράσταση του μετρούμενου ρεύματος που σχετίζεται με τα προσπίπτοντα ιόντα συναρτήσει της τιμής του

Eq για 9 διαφορετικές διαφορετικές αζιμουθιακές γωνίες του διαστημοπλοίου ως προς την γραμμή που

ενώνει τον ήλιο με το διαστημόπλοιο ΄Ολα τα φάσματα χαρακτηρίζονται από δύο κορυφές με την πρώτη

(μικρότερο Eq) και υψηλότερη να αντιστοιχεί στα πρωτόνια και την δεύτερη στα σωματίδια α2

Από

την προσαρμογή (fit) τέτοιων φασμάτων σε δύο γκαουσιανές καμπύλες μία για τα πρωτόνια και μία για τα

σωματίδια α μπορούν να προσδιοριστούν η ταχύτητα η θερμοκρασία και η πυκνότητα των πρωτονίων και

σωματιδίων α από την θέση του μεγίστου το ημιεύρος και το ολοκλήρωμα ως προς Eq αντίστοιχα για

κάθε γκαουσιανή

Η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων μπορεί να υπερβαίνει το έργο εξόδου του μετάλλου από το

οποίο είναι κατασκευασμένο το κύπελλο Faraday κάτι που μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια

Αν αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορέσουν να διαφύγουν από το κύπελλο τότε το κύπελλο θα φαίνεται ότι

έχει αποκτήσει επιπλέον θετικό φορτίο κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντικά σφάλματα στις μετρήσεις

των ιόντων Η αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος γίνεται με παθητικές και ενεργητικές μεθόδους

Στην πρώτη περίπτωση γίνεται κατάλληλη επιλογή του υλικού και του σχήματος του κυπέλλου έτσι ώστε

2Ο ηλιακός άνεμος αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από πρωτόνια και σωματίδια α βλ Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος

Α και Πατσουράκος (2016)

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

168 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 812 Σχηματικό διάγραμμα του φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra Low Energy Isotope

Spectrometer (ULEIS) της διαστημικής αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE) (αριστερά από Ma-

son et al 1998) Σχηματικό διάγραμμα του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων High Energy Telescope (HET) της

διαστημικής αποστολής Voyager (δεξιά από Stone et al 1977)

να ελαχιστοποιείται η παραγωγή των ελεύθερων ηλεκτρονίων Στην δεύτερη περίπτωση τα παραγόμενα

ελεύθερα ηλεκτρόνια είτε περιορίζονται εντός του κυπέλλου από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο είτε εκτρέ-

πονται προς το εξωτερικό του από πλάκα με αρνητικό δυναμικό που είναι τοποθετημένη μπροστά από την

είσοδο του κυπέλλου

842 Μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων

Για μετρήσεις ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων χρησιμοποιούνται φασματόμετρα μάζας - χρόνου πτήσης

Στο αριστερό πλαίσιο του σχήματος 812 απεικονίζεται το φασματόμετρου μάζας - χρόνου πτήσης Ultra

Low Energy Isotope Spectrometer (ULEIS) της αποστολής Advanced Composition Explorer (ACE)

Το ULEIS καταγράφει ροές ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων από το He μέχρι το Ni καλύπτοντας την

περιοχή 20 keVνουκλεόνιο - 10 MeVνουκλεόνιο Τέτοια όργανα προσδιορίζουν την ενέργεια και μάζα

των προσπιπτόντων ιόντων από την μέτρηση του χρόνου πτήσης τ διαμέσου της αντίστοιχης πειραματικής

διάταξης όπως επίσης και του υπόλοιπου της αρχικής κινητικής ενέργειας των σωματιδίων E όταν αυτά

ακινητοποιηθούν από κάποιον από τους 7 ανιχνευτές στερεάς κατάστασης (Solid State Detector Array)

που βρίσκονται στο πίσω μέρος του ULEIS

Ο χρόνος τ προσδιορίζεται από την σύγκριση των ηλεκτρικών παλμών σε διάφορα σημεία της διάταξης

(START 1 START2 STOP) Οι παλμοί αυτοί προκύπτουν από την ανίχνευση δευτερογενών ηλεκτρόνιων

που δημιουργούνται από την διάβαση των ενεργητικών σωματιδίων από λεπτό μεταλλικό φύλλο (thin foil)

που βρίσκεται στην είσοδο του ULEIS και κατόπιν επιταχύνονται από ηλεκτρικό πεδίο προς τα σημεία

ανίχνευσης Από τις σχέσεις

E =1

2mv2

και v =L

τ

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 169

όπου m και v αντιστοιχούν στην μάζα και ταχύτητα του ιόντος και L το μήκος της διαδρομής των ηλε-

κτρονίων εντός της διάταξης προκύπτει ότι η μάζα των ιόντων είναι

m = 2E

(τ

L

)2

Τέλος η ενέργεια των προσπιπτόντων ιόντων προσδιορίζεται από την E λαμβάνοντας υπόψιν τις

απώλειες ενέργειας από το μεταλλικό φύλλο και από τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης

843 Μετρήσεις κοσμικών ακτίνων

΄Ενας συνήθης τύπος τηλεσκοπίου κοσμικών ακτίνων είναι το High Energy Telescope (HET) που βρίσκεται

πάνω στα διαστημόπλοια Voyager Το HET (Σχήμα 812 δεξιά) αποτελείται από μια στοίβα ανιχνευτών

στερεάς κατάστασης (πχ δίοδοι πυριτίου) και βασίζεται στην ταυτόχρονη μέτρηση της χωρικής βαθμίδας

των απωλειών ενέργειας dEdx των κοσμικών ακτίνων λόγω του ιονισμού του υλικού των ανιχνευτών που

προκαλούν και της κινητικής ενέργειας των κοσμικών ακτίνων E

Στην απλούστερη του μορφή ένα τηλεσκόπιο κοσμικών ακτίνων αποτελείται από δύο ανιχνευτές

στερεάς κατάστασης Ο πρώτος ανιχνευτής που παρεμβάλλεται στην πορεία των κοσμικών ακτίνων μετρά

την ποσότητα dEdx που είναι ίση κατά προσέγγιση με dE(dL sec θ) όπου dL το πάχος του πρώτου

ανιχνευτή και θ η γωνία ανάμεσα στο διάνυσμα της ταχύτητας του σωματιδίου κοσμικής ακτινοβολίας και

τον άξονα του τηλεσκοπίου Η τροχιά των σωματιδίων κοσμικής ακτινοβολίας δηλαδή η θ μπορεί να

καθοριστεί με σύστημα οπτικών ινών Το μέγεθος dL καθορίζει το κατώτερο ενεργειακό κατώφλι των

κοσμικών ακτίνων που μπορούν να ανιχνευτούν από την διάταξη και έτσι είναι σχετικά μικρό

Ο δεύτερος ανιχνευτής πρέπει να έχει κατάλληλο πάχος έτσι ώστε να σταματάει κοσμικές ακτίνες

με ενέργειες εντός της επιθυμητής περιοχής ενεργειών ΄Ετσι η κινητική ενέργεια E είναι κατά προσέγγιση

ίση με την ενέργεια που ανιχνεύεται από τον δεύτερο ανιχνευτή Τέλος το γινόμενο

dE

dxtimes E sim z2m

όπου z και m το φορτίο και η μάζα του σωματιδίου επιτρέπει τον προσδιορισμό και της μάζας και του

φορτίου των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας

844 Μετρήσεις Μαγνητικού Πεδίου

΄Ενας διαδεδομένος τύπος μαγνητομέτρου που χρησιμοποιείται στο διάστημα είναι το μαγνητόμετρο πύλης

ροής (flux gate magnetometer) Η λειτουργία τέτοιων μαγνητομέτρων βασίζεται στο φαινόμενο της ηλε-

κτρομαγνητικής επαγωγής Το μαγνητόμετρο (Σχήμα 813) αποτελείται από ένα δακτύλιο (πυρήνα) από

υλικό μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας (αριστερά στο σχήμα) ο οποίος μπορεί να μαγνητιστεί και να

απομαγνητιστεί γρήγορα όταν αλλάζει το μαγνητικό πεδίο Γύρω από τον δακτύλιο έχει τυλιχθεί το πηνίο

διέγερσης (drive winding αριστερά στο Σχήμα 813) και όλη η παραπάνω διάταξη περιβάλλεται από ένα

δεύτερο πηνίο το πηνίο λήψης (sense winding δεξιά στο σχήμα) Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πηνίο

διέγερσης αποτελείται από δύο ίσα τμήματα (μπλε και κόκκινο στο Σχήμα 813 αριστερά) τα οποία όταν

διαρρέονται από ρεύμα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετης φοράς Αλλαγές του μαγνητικού πεδίου

στο εσωτερικό της παραπάνω διάταξης προκαλούν επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο ανίχνευσης

Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (Σχήμα 814a) επάγει μαγνητικό πεδίο ίσου

μέτρου και αντίθετης φοράς στο κάθε μισό του δακτυλίου (κόκκινο και μπλε) Αν δεν υπάρχει κάποιο

εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Σχήμα 814b αριστερά) τότε το συνολικό μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

170 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

Σχήμα 813 Σκαρήφημα μαγνητόμετρου πύλης ροής Δακτύλιος πηνίο διέγερσης (αριστερά) και δακτύλιος

πηνίο διέγερσης πηνίο ανίχνευσης (δεξιά)

Σχήμα 814 Εναλλασσόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο διέγερσης (a) μαγνητικό πεδίο στα δύο μισά του

δακτυλίου (μπλε κόκκινο b) συνολικό μαγνητικό πεδίο (c) διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανίχνευσης (d) από

CARISMA

διάταξης είναι μηδέν (Σχήμα 814c αριστερά) και συνεπώς η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο ανί-

χνευσης είναι μηδέν (Σχήμα 814d αριστερά) ΄Οταν όμως υπάρχει κάποιο μη-μηδενικό εξωτερικό μαγνητικό

πεδίο Hext πχ με φορά προς τα πάνω όπως στο Σχήμα 813 τότε τα αντίθετης φοράς μαγνητικά πεδία

που αντιστοιχούν στα δύο μισά του δακτυλίου δεν έχουν το ίδιο μέτρο (Σχήμα 814 b δεξιά) και συνεπώς

το συνολικό (εξωτερικό και επαγόμενο από το πηνίο διέγερσης) μαγνητικό πεδίο δεν θα μηδενίζεται και

θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814 c δεξιά) ΄Ετσι η επαγόμενη διαφορά δυναμικού στο πηνίο

ανίχνευσης δεν θα είναι μηδέν και θα μεταβάλλεται με τον χρόνο (Σχήμα 814d δεξιά) με πλάτος ανάλογο

προς το μέτρο του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιοριστεί η συνιστώσα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στην

διεύθυνση του πηνίου ανίχνευσης Αν τοποθετηθούν τώρα 3 πηνία ανίχνευσης σε ορθογώνιες μεταξύ

τους διευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο και το πηνίο διέγερσης τότε μπορεί να προσδιοριστεί το πλήρες

Κεφάλαιο 8 Ανίχνευση άλλων φορέων πληροφορίας 171

διάνυσμα του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Τα μαγνητόμετρα πύλης ροής μπορούν να παρατηρήσουν μαγνητικά πεδία από 10minus10minus10minus4 T (10minus6minus

1 G) Για την αποφυγή των παράσιτων μαγνητικών πεδίων από τα διάφορα ηλεκτρονικά συστήματα και τα

διάφορα μεταλλικά στοιχεία του διαστημοπλοίουδορυφόρου τα μαγνητόμετρα τοποθετούνται μακριά από

το διαστημόπλοιοδορυφόρο πάνω σε ένα βραχίονα σε απόσταση αρκετών μέτρων

Τέλος ταυτόχρονες μετρήσεις του μαγνητικού πεδίου από τα 4 πανομοιότυπα διαστημόπλοια της

μαγνητοσφαιρικής αποστολής CLUSTER που πετούν σε μια συστοιχία σχήματος τετραέδρου με απο-

στάσεις μεταξύ τους από 100 μέχρι 18000 Km μπορούν να μετρήσουν την τοπική πυκνότητα ρεύματος

΄Ενας τέτοιος προσδιορισμός γίνεται με εφαρμογή του νόμου του Ampere αφού πρώτα έχουν υπολογιστεί

αριθμητικά οι διάφορες μερικές χωρικές παράγωγοι του μαγνητικού πεδίου από τις μετρήσεις των 4 δια-

στημοπλοίων Με αυτή τη μέθοδο προσδιορίζεται η πυκνότητα ρεύματος του δακτυλιοειδούς ρεύματος της

μαγνητόσφαιρας

845 Μετρήσεις ηλεκτρικού πεδίου

Μετρήσεις των τοπικών διακυμάνσεων του ηλεκτρικού πεδίου στον μεσοπλανητικό χώρο γίνονται από

αναλυτές ηλεκτρικών κυματομορφών Οι διακυμάνσεις αυτές σχετίζονται με διάφορα κυματικά φαινόμενα

πλάσματος Με έναν τέτοιο αναλυτή είναι εφοδιασμένο το όργανο WAVES της διαστημικής αποστολής

WIND και αποτελείται από 2 ορθογώνιες μεταξύ τους διπολικές κεραίες μήκους 50 και 75 m Μετρήσεις

της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες της κάθε κεραίας σε συνδυασμό με τα μήκη τους

δίδουν το αντίστοιχο ηλεκτρικό πεδίο ΄Οταν το πλάτος της διακύμανσης του μετρούμενου ηλεκτρικού

πεδίου ξεπεράσει κάποιο κατώφλι θορύβου τότε γίνεται σκανδαλισμός της διαδικασίας καταγραφής του

αντιστοίχου συμβάντος Γίνεται χρήση μιας σειράς από διαφορετικούς ρυθμούς δειγματοληψίας 7500

30000 και 120000 σημείων ανά δευτερόλεπτο οι οποίοι αντιστοιχούν σε χρονικές διάρκειες των αντιστοίχων

συμβάντων 17 68 και 273 ms αντίστοιχα Οι κυματομορφές υφίστανται επεξεργασία με φίλτρο διέλευσης

χαμηλής συχνότητας για να αντιμετωπιστεί η παραποίηση του σήματος και κατόπιν ψηφιοποιούνται

Σχήμα 815 Εικόνα της μαγνητόσφαιρας του Δία σε ενεργητικά ουδέτερα άτομα του υδρογόνου με ενέργειες

50-80 keV από το Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) της αποστολής Cassini (από Mitchell et al 2004)

846 Μετρήσεις ενεργητικών ουδετέρων ατόμων

Επιτόπιες παρατηρήσεις ενεργητικών ουδετέρων ατόμων (Energetic Neutral Atom ENA) αποτελούν μια

έμμεση μέθοδο απεικόνισης φορτισμένων ενεργητικών σωματιδίων που κινούνται εντός πλανητικών μα-

172 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

γνητοσφαιρών και εκτελούν γενικά ελικοειδείς τροχιές γύρω από τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου

Ενεργητικά ουδέτερα άτομα δημιουργούνται κατά την διάρκεια αντιδράσεων ανταλλαγής φορτίου ανάμεσα

σε φορτισμένα ενεργητικά σωμάτια και σε ουδέτερα άτομα ή μόρια Ως αποτέλεσμα δημιουργούνται ενερ-

γητικά ουδέτερα άτομα τα οποία δεν επηρεάζονται από τα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία και κινούνται σε

ευθείες γραμμές Επίσης ενεργητικά ουδέτερα άτομα με αρκούσες μεγάλες ενέργειες δεν επηρεάζονται από

βαρυτικά πεδία Τα παραγόμενα με τον παραπάνω τρόπο ενεργητικά ουδέτερα άτομα φθάνοντας στην θέση

του διαστημοπλοίου που κάνει τις αντίστοιχες παρατηρήσεις ανιχνεύονται από σύστημα πολυκαναλικών μι-

κροπλακιδίων (Microchannel Plates MCP) Κατασκευάζονται έτσι εικόνες πλανητικών μαγνητοσφαιρών

σε ενεργητικά ουδέτερα άτομα (πχ Σχήμα 815) Η ροή jENA(E) των ενεργητικών ουδετέρων ατόμων

ενέργειας E που αντιστοιχεί σε τυχαίο σημείο μιας εικόνας ενεργητικών ουδετέρων ατόμων δίνεται από

τη σχέση

jENA(E) =

int infin0

Ji(E l)n(l)σ(E)dl (819)

Στο παραπάνω ολοκλήρωμα Ji(E l) είναι η ροή των ενεργητικών ιόντων ενέργειας E στην θέση l της

αντίστοιχης διεύθυνσης παρατήρησης n(l) είναι η αριθμητική πυκνότητα των ουδετέρων ατόμων και μορίων

στην θέση l και σ(E) η ενεργός διατομή ανταλλαγής φορτίου ανάμεσα σε ενεργητικά ιόντα ενέργειας E

και τα ουδέτερα άτομα και μόρια Η ολοκλήρωση γίνεται κατά μήκος της διεύθυνσης παρατήρησης με την

υπόθεση ότι τα παραγόμενα ενεργητικά ουδέτερα άτομα δεν υφίστανται καμία σύγκρουση από το σημείο

παραγωγής τους μέχρι το σημείο ανίχνευσής τους Για να προσδιοριστεί η Ji(E l) γίνεται αριθμητική

αντιστροφή του παραπάνω ολοκληρώματος

85 Ασκήσεις

1 Με βάση τη λαμπρότητα του ήλιου (Πίνακας Γ1) υπολογίστε πόσα νετρίνα παράγονται ανά δευτερό-

λεπτο και πόσα από αυτά φτάνουν στη Γη

86 Βιβλιογραφία

Αλυσσανδράκης Κ Ε 2014 Εισαγωγή στην Αστροφυσική Αθήνα Εκδόσεις Παπαζήση ISBN

978-960-02-3058-1 κεφάλαιο 4

Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος Α και Πατσουράκος 2015 Φυσική του ήλιου και του

διαστήματος Αθήνα Ελληνικά Ακαδημαϊκά Ηλεκτρονικά Συγγράμματα και Βοηθήματα ISBN978-960-

603-430-5

Lena P Rouan D Lebrun F Mignard F amp Pelat D 2012 Observational Astrophysics

(3rd edition) Springer ISBN 978-3-642-21814-9 κεφάλαια 11 77 78

Kallenrode M-B 2004 An Introduction to Plasmas and Particles in the Heliosphere and Magne-

tospheres Springer ISBN 978-3540206170 κεφάλαια 11 12

Αναφορές που γίνονται στο κείμενο

Bahcall J N amp Ulrich R K 1988 Reviews of Modern Physics 60 297

Mason G M Gold R E Krimigis S M et al 1998 Space Sience Review 86 409

Hoffman K D 2009 New Journal of Physics 11 055006

172 Παρατηρησιακή Αστροφυσική

γνητοσφαιρών και εκτελούν γενικά ελικοειδείς τροχιές γύρω από τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου

Ενεργητικά ουδέτερα άτομα δημιουργούνται κατά την διάρκεια αντιδράσεων ανταλλαγής φορτίου ανάμεσα

σε φορτισμένα ενεργητικά σωμάτια και σε ουδέτερα άτομα ή μόρια Ως αποτέλεσμα δημιουργούνται ενερ-

γητικά ουδέτερα άτομα τα οποία δεν επηρεάζονται από τα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία και κινούνται σε

ευθείες γραμμές Επίσης ενεργητικά ουδέτερα άτομα με αρκούσες μεγάλες ενέργειες δεν επηρεάζονται από

βαρυτικά πεδία Τα παραγόμενα με τον παραπάνω τρόπο ενεργητικά ουδέτερα άτομα φθάνοντας στην θέση

του διαστημοπλοίου που κάνει τις αντίστοιχες παρατηρήσεις ανιχνεύονται από σύστημα πολυκαναλικών μι-

κροπλακιδίων (Microchannel Plates MCP) Κατασκευάζονται έτσι εικόνες πλανητικών μαγνητοσφαιρών

σε ενεργητικά ουδέτερα άτομα (πχ Σχήμα 815) Η ροή jENA(E) των ενεργητικών ουδετέρων ατόμων

ενέργειας E που αντιστοιχεί σε τυχαίο σημείο μιας εικόνας ενεργητικών ουδετέρων ατόμων δίνεται από

τη σχέση

jENA(E) =

int infin0

Ji(E l)n(l)σ(E)dl (819)

Στο παραπάνω ολοκλήρωμα Ji(E l) είναι η ροή των ενεργητικών ιόντων ενέργειας E στην θέση l της

αντίστοιχης διεύθυνσης παρατήρησης n(l) είναι η αριθμητική πυκνότητα των ουδετέρων ατόμων και μορίων

στην θέση l και σ(E) η ενεργός διατομή ανταλλαγής φορτίου ανάμεσα σε ενεργητικά ιόντα ενέργειας E

και τα ουδέτερα άτομα και μόρια Η ολοκλήρωση γίνεται κατά μήκος της διεύθυνσης παρατήρησης με την

υπόθεση ότι τα παραγόμενα ενεργητικά ουδέτερα άτομα δεν υφίστανται καμία σύγκρουση από το σημείο

παραγωγής τους μέχρι το σημείο ανίχνευσής τους Για να προσδιοριστεί η Ji(E l) γίνεται αριθμητική

αντιστροφή του παραπάνω ολοκληρώματος

85 Ασκήσεις

1 Με βάση τη λαμπρότητα του ήλιου (Πίνακας Γ1) υπολογίστε πόσα νετρίνα παράγονται ανά δευτερό-

λεπτο και πόσα από αυτά φτάνουν στη Γη

86 Βιβλιογραφία

Αλυσσανδράκης Κ Ε 2014 Εισαγωγή στην Αστροφυσική Αθήνα Εκδόσεις Παπαζήση ISBN

978-960-02-3058-1 κεφάλαιο 4

Αλυσσανδράκης Κ Ε Νίντος Α και Πατσουράκος 2015 Φυσική του ήλιου και του

διαστήματος Αθήνα Ελληνικά Ακαδημαϊκά Ηλεκτρονικά Συγγράμματα και Βοηθήματα ISBN978-960-

603-430-5

Lena P Rouan D Lebrun F Mignard F amp Pelat D 2012 Observational Astrophysics

(3rd edition) Springer ISBN 978-3-642-21814-9 κεφάλαια 11 77 78

Kallenrode M-B 2004 An Introduction to Plasmas and Particles in the Heliosphere and Magne-

tospheres Springer ISBN 978-3540206170 κεφάλαια 11 12

Αναφορές που γίνονται στο κείμενο

Bahcall J N amp Ulrich R K 1988 Reviews of Modern Physics 60 297

Mason G M Gold R E Krimigis S M et al 1998 Space Sience Review 86 409

Hoffman K D 2009 New Journal of Physics 11 055006