Laseri u potrazi za planetima drugih zvijezda

1. Laseri u potrazi za planetima drugih zvijezda Silvije Vdović, Institut za fiziku, Zagreb

2. Primjena lasera u astronomiji/astrofizici Koncentrirati ćemo se na dva vrlo zanimljiva i aktualna područja primjene: • Laserom inducirane umjetne zvijezde za primjenu adaptivne optike na zemaljskim teleskopima • Korištenje frekventnog češlja za pronalaženje novih planeta, određivanje ubrzanja širenja svemira, promjene osnovnih prirodnih konstanti

3. LASER=Light amplification by stimulated emission of radiation • Nastaje kao rezultat niza povezanih otkrića: • Albert Einstein 1917. predstavlja koncept stimulirane emisije, kasnije i eksperimentalno potvrđen • maser, prethodnik lasera, razvija Charles Townes 1954. • Townes i Arthur Schawlow objavljuju važan članak o teoriji lasera 1958., koji rezultira prvim patentom vezanim uz laser 1960. te, 2 mjeseca kasnije, Theodore Maiman prezentira prvi laser. Ove godine 50-ta godišnjica otkrića lasera!

5. Kronološki slijed orbitalnih astronomskih laboratorija (1962.-danas) • Ariel 1, 2, 3, 4, 5, and 6 (UK) • Orbiting Astronomical Observatory (OAO) 1, 2, B, 3(=C, Copernicus) (Nasa) • Radio Astronomy Explorer (RAE) 1 (Explorer 38) and 2 (Explorer 49) (Nasa) • Small Astronomy Satellite (SAS) A (=1, Explorer 42, Uhuru), B (=2, Explorer 48), C (=3, Explorer 53) (Nasa) • TD-1A (ESA) • ANS-1 (Netherlands) • Aryabhata (India) • COS-B (ESA) • High Energy Astronomical Observatory 1, 2 (Einstein), 3 (Nasa) • IUE (ESA, Nasa, UK) • Hakucho (Japan) • P78-1 (Nasa) • Bhaskara-I (India) • Tenma (Japan) • IRAS (Nasa, Netherlands) • Astron-1 (USSR) • Exosat (ESA) • Ginga (Japan) • Hipparcos • COsmic Background Explorer (COBE) • Granat (USSR) • Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) (NASA) • Hubble Space Telescope (HST) (Nasa, ESA) • Rosat • Gamma (USSR) • SARA • EUVE • Eureca (ESA) • ASCA, Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics, Asuka (Japan) • Alexis (DoE, USA; operated by LANL) • GGS-Wind • Alexis (DoE, USA; operated by LANL) • GGS-Wind • IRTS/SFU (Japan) • Surfsat • ISO, Infrared Space Observatory (ESA) • Rossi X-rays Timing Explorer • MSX • SAX (Italy) • HALCA, VSOP, Muses-B (Japan) • Minisat 1 (Spain) • SWAS • ARGOS • WIRE • FUSE • Chandra X-ray Observatory (CXO) • XMM Newton (ESA) • HETE-2 • MAP • Integral (ESA, Russia, Nasa) • CHIPSat (GSFC/Nasa/U Berkeley) • GALEX (JPL/Nasa) • MOST (Canada) • Spitzer Space Telescope (SST) (JPL/Nasa) • Swift (GSFC/Nasa) • Suzaku, Astro-E2 (Japan) • AKARI, Astro-F, IRIS (Japan) • CoRoT (ESA) • Agile (ASI, Italy). • Fermi Gamma-ray Space Telescope, GLAST (GSFC/Nasa) • Kepler (Nasa) • Herschel, FIRST (Esa) • Planck, COBRAS/SAMBA (ESA) • WISE (Nasa)

6. Umjetne zvijezde 4,2 metarski William Herschel teleskop, Las Palmas, Španjolska “GLAS”-Ground-layer LaserAdaptiveoptics System Pulsni laser snage 25W fokusira se na visinu od 15 km. Tako nastala Laserska “zvijezda” koristi se za podešavanje fleksibilnog zrcala teleskopa (adaptivna optika) Korištenjem lasera područje neba koje se može promatrati adaptivnom optikom uvelike je povećano jer nema potrebe za korištenjem prirodnih zvijezda vodilja

7. Umjetne zvijezde mogu se inducirati u raznim slojevima Zemljine atmosfere: • natrijeva zvijezda vodilja (h=95 km) • Rayleighijeva zvijezda vodilja (h≈10-30 km) Snimke Urana snimljene bez (lijevo) i sa (desno) GLAS tehnikom adaptivne optike Uran i 3 njegova mjeseca snimljeni pomoću GLAS tehnike

8. Nepun snimljen u infracrvenom području (Keckteleskop) Središte galaksije (GC) snimljeno sa laserskom i prirodnom zvijezdom vodiljom (Keck teleskop)

9. Moguće korištenje više laserskih zvijezda zajedno (5). Korekcije se vrše 400 puta u sekundi (6,5 m MMT teleskop, Arizona, SAD)

11. Moguće korištenje više laserskih zvijezda zajedno (5). Korekcije se vrše 400 puta u sekundi (6,5 m MMT teleskop, Arizona, SAD)

12. Poboljšana rezolucija omogućava i otkrivanje dosad nerazlučenih pratioca oko sjajnih zvijezda kao što su smeđi patuljci I sada priču možemo nastaviti predstavljanjem druge astronomske metode koja također koristi lasere... ali malo drugačije lasere, između ostaloga i za otkrivanje zvjezdanih prikrivenih pratioca:

13. Najnovije: prvo direktno opažanje spektra egzoplaneta u sustavu zvijezde HR 8799 pomoću VLT (objavljeno 13.1.2010.)

14. Femtosekundni frekventni češalj

15. Što je to femtosekunda ??? 1 fs (femtosekunda) = 0.000000000000001 s fs : 1 s = 5 min : starost Zemlje

16. Matematički opis

17. Stvaranje fs pulseva LASER rezonator aktivni medij optička pumpa

18. Sprezanje rezonatorskih modova Svi longitudinalni modovi titraju u fazi Femtosekundni pulsevi!

19. Vremenska domena-vlak femtosekundnih pulseva Frekventna domena-frekventni češalj

20. Visoko razlučiva laserska spektoskopija i precizna mjerenja

21. primjena u astrofizici • Sandage-Loeb test: vremenske varijacije crvenog pomaka ekstragalaksijskih izvora. Te varijacije su direktno povezane sa brzinom odmicanja izvora. Predložena eksperimentalna provjera varijacija Lyman-α linija kvazara. • Za mjerenja je potrebna velika točnost kako bi se što više smanjilo vrijeme mjerenja potrebno za dobivanje pouzdanih rezultata (u pitanju su godine)femtosekundni frekventni češalj Lyman-α “šuma” kvazara

22. Preciznost mjerenja frekvencije i stabilnost te kalibracije su najbitniji: • Mjerenje pomaka u brzini od 1 cm/s što odgovara pomaku u frekvenciji od 25 kHz u optičkom dijelu spektra • Ova preciznost mora biti održiva u periodu mjerenja od 20 godina • Slični zahtjevi vrijede i za druge eksperimente: • za nalaženje Zemlji sličnih planeta u drugim, Suncu sličnim, zvjezdanim sustavima: 5 cm/s u periodu od nekoliko godina • za provjeru promjene vrijednosti osnovnih prirodnih konstanti kroz mjerenje pomaka apsorpcijskih linija kvazara: < 20 m/s

23. Uobičajene metode kalibracije pomoću emisijskih linija iz torij - argonskih svjetiljki ili apsorpcijskih linija iz jodnih kiveta daju spomenutu mogućnost opažanja promjene brzine do minimalno 60 cm/s

25. Astro-češalj! preciznost mjerenja frekvencije iznosi Δf/f = 10-12!! Fabry-Perot interferometar izbacuje neželjene zupce češlja:

26. Detekcija ekstrasolarnih planeta na kojima je mogući život Metoda mjerenja tranzijenta moguća samo u nekim slučajevima

27. Metoda određivanja promjene radijalne brzine je uvijek moguća ali zahtijeva veliku preciznost

28. Gliese 581e – jedan od poslijednjih i do danas najmanji otkriveni ekstrasolarni planet mase 1.9 masa Zemlje nalazi se u sazviježđu Vage na udaljenosti od 20 svj. godina. Nažalost, oko svoje zvijezde kruži na udaljenosti od samo 0.03 AU što je puno bliže od zone koja bi eventualno podržavala razvoj života na planetu HVALA NA PAŽNJI!

29. sa interneta... • http://www.physik.uni-wuerzburg.de/femto-welt/ • http://www.mpq.mpg.de/~haensch/comb/Astrocomb/english.html • http://www.ing.iac.es/PR/press/tres3b.html • http://cfao.ucolick.org/