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Da der Weltraum meist leer ist, könnte man zunächst meinen, dass die Mehrzahl der Photonen, z.B. Emissionen der Sterne seit Anbeginn des Universums, sind noch im Flug und werden von nichts absorbiert.
Ist das wahr?
Gibt es Schätzungen, dass der Anteil relativ zur Gesamtmenge der jemals erzeugten Photonen ist?
(Betrachten wir zuerst die Photonen, die es in den Weltraum geschafft haben, z. B. schließen wir die Photonen aus, die in Sternen absorbiert und wieder emittiert werden).
Peebles und Fukugitas exzellentes "The Cosmic Energy Inventory" schätzt das ungefähr $10^{-4.3}$ der gesamten Masse-Energie in Form von kosmischer Hintergrundstrahlung vorliegt, und $10^{-5.7}$ in Form von Strahlung von Sternen.
Die Schätzung, dass die Störung aufgrund von Plasma und anderen Wechselwirkungen der Hintergrundstrahlung etwa $10^{-8.5}$, also wurden die meisten Photonen offensichtlich noch nie von irgendetwas eingefangen und sind immer noch im Flug.
Verbiegen Photonen die Raumzeit oder nicht?
Tatsächlich verbiegen Photonen selbst die Raumzeit nicht. Intuitiv liegt dies daran, dass Photonen keine Gravitonen emittieren können, denn wie alle masselosen Teilchen, die keine Zeit erfahren, können Photonen nicht zerfallen, indem sie irgendetwas emittieren. Die neuesten theoretischen Ergebnisse zeigen, dass das Gravitationsfeld eines Photons nicht statisch ist, sondern eine Gravitationswelle ist, die von den Ereignissen der Emission und Absorption des Photons ausgeht. Die Raumzeit wird also durch die geladenen Teilchen, die Photonen emittieren oder absorbieren, verbogen, nicht aber durch die Photonen selbst.
Soweit ich weiß, gibt es keine experimentellen Beweise dafür, dass Licht die Raumzeit krümmt. Wir wissen, dass GR richtig ist, und alle Experimente, die wir durchgeführt haben, haben (bisher) die Vorhersagen von GR bestätigt, so dass es sehr wahrscheinlich ist, dass Licht die Raumzeit tatsächlich krümmt.
Das kann jetzt nicht richtig sein. Einer von ihnen sagt, Photonen verbiegen die Raumzeit, da sie Stressenergie haben, aber es ist schwer, sie zu messen, da die Energie, die sie tragen, im Vergleich zur Stressenergie des astronomischen Körpers gering ist. Sie verbiegen also die Raumzeit, aber es ist nur schwer, sie mit unseren derzeit verfügbaren Geräten zu messen.
Nun sagt der andere, dass Photonen die Raumzeit überhaupt nicht verbiegen. Nur die emittierende Ladung (Fermion) verbiegt die Raumzeit.
Welcher ist richtig? Verbiegen Photonen die Raumzeit selbst, weil sie Stressenergie haben oder nicht?
Neue NASA-Lasertechnologie zeigt, wie sich Eis misst
Als im April 2012 ein Höhenflugzeug über den eisigen Arktischen Ozean und das schneebedeckte Gelände Grönlands flog, war dies der erste Polartest einer neuen laserbasierten Technologie zur Messung der Höhe der Erde aus dem Weltraum.
An Bord dieses Flugzeugs flog das Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar oder MABEL, ein luftgestütztes Prüfstandsinstrument für die ICESat-2-Satellitenmission der NASA, die 2017 starten soll. Sowohl MABEL als auch ICESat-2s ATLAS-Instrument sind Photonenzähler Sie senden grüne Laserlichtpulse aus und geben an, wie lange einzelne Lichtphotonen brauchen, um von der Erdoberfläche abzuprallen und zurückzukehren. Diese Zeit wird zusammen mit der genauen ATLAS-Position von einem Bord-GPS in Computerprogramme eingesteckt, um den Forschern die Höhe der Erdoberfläche und die Messänderung auf nur die Breite eines Bleistifts mitzuteilen.
Diese Art der Photonenzähltechnologie ist für Satelliten von 2003 bis 2009 neu. Das Instrument von ICESat-1 untersuchte die Intensität eines zurückgesendeten Lasersignals, das viele Photonen enthielt. Das Abrufen einzelner Photonendaten von MABEL hilft Wissenschaftlern also, sich auf die riesigen Mengen an Höhendaten vorzubereiten, die sie von ICESat-2 erhalten.
ICESat-2 hat die Aufgabe, die Höhe der gesamten Erdoberfläche, einschließlich der Vegetation und der Ozeane, zu messen, wobei der Schwerpunkt auf den Veränderungen in den gefrorenen Gebieten des Planeten liegt, in denen Wissenschaftler dramatische Auswirkungen des Klimawandels beobachtet haben. Dort reflektieren zwei Arten von Eis- und Eisschilden und Meereis die Lichtphotonen in unterschiedlichen Mustern. Eisschilde und Gletscher kommen an Land, wie Grönland und der Antarktis, vor und entstehen, wenn sich gefrorener Schnee und Regen ansammeln. Meereis hingegen ist gefrorenes Meerwasser, das im Arktischen Ozean und vor der Antarktis schwimmt.
Die Grönland-Kampagne von MABEL 2012 wurde entwickelt, um eine Reihe interessanter eisiger Merkmale zu beobachten, sagte Bill Cook, leitender Wissenschaftler von MABEL am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. Mit den Photonenzahlen von verschiedenen Oberflächen könnten andere Wissenschaftler Beginnen Sie mit der Analyse der Daten, um zu bestimmen, mit welchen Methoden der Datenanalyse die Höhe der Erdoberfläche am besten gemessen werden kann.
"Wir wollten eine Vielzahl von Zieltypen erhalten, damit das Wissenschaftsteam viele Daten zur Entwicklung von Algorithmen hat", sagte Cook. "Dies war unsere erste wirklich engagierte Wissenschaftsmission."
Mit den Flügen über dem Ozean in der Nähe von Grönland konnten Forscher beispielsweise zeigen, dass sie den Höhenunterschied zwischen offenem Wasser und Meereis messen können, der für die Bestimmung der Eisdicke entscheidend ist. MABEL kann genügend Laserlichtphotonen erkennen, die von der Erdoberfläche abprallen und zum Instrument zurückkehren, und Programme können dann die erforderlichen Höhenberechnungen durchführen, sagte Cook.
"Ein Teil dessen, was wir mit MABEL tun, besteht darin, zu zeigen, dass das Instrument von ICESat-2 die richtige Empfindlichkeit hat, um die Messungen durchzuführen", sagte Cook. "Sie können diese Photonenzählung durchführen, wenn Sie genügend Photonen haben."
In einem kürzlich in der in veröffentlichten Artikel Zeitschrift für atmosphärische und ozeanische Technologie, Kwok und seine Kollegen zeigten, wie man die Höhe aus MABEL-Daten berechnet, und zwar über verschiedene Eisarten &ndash von offenem Wasser über dünnes, glasiges Eis bis hin zu schneebedecktem Eis.
"Wir waren mit der Präzision ziemlich zufrieden", sagte Kwok. "Die flachen Bereiche sind bis auf Zentimeter flach und die rauen Bereiche sind rau." Und die Dichte der Photonenerkennung könnte den Forschern auch sagen, über welche Art von Eis das Instrument flog.
Die Konturen der eisigen Oberfläche sind auch wichtig für die Überwachung von Eisschilden und Gletschern, die Land bedecken. Die ursprüngliche ICESat-1-Mission verwendete einen einzigen Laser, was es schwieriger machte zu messen, ob der Eisschild an Höhe gewonnen oder verloren hatte. Wenn das Instrument ein zweites Mal über einen Punkt flog, konnten die Forscher mit einem einzigen Strahl nicht feststellen, ob die Schneedecke geschmolzen war oder ob der Laser leicht daneben war und einen Hügel hinunter zeigte. Aus diesem Grund benötigten Wissenschaftler zehn Durchgänge über ein Gebiet, um festzustellen, ob sich der Eisschild verändert, sagte Kelly Brunt, Forscherin bei NASA Goddard.
"ICESat-1 war fantastisch, aber es war ein Einzelstrahlinstrument", sagte Brunt. "Wir sind mehr daran interessiert, Tracks zu wiederholen, um Veränderungen zu überwachen &ndash das ist schwer zu tun."
ICESat-2 löst dieses Problem, indem es den Laser in sechs Strahlen aufteilt. Diese sind in drei Paaren angeordnet, und die Balken innerhalb eines Paares haben einen Abstand von 295 Fuß (90 Meter) oder etwas weniger als ein Fußballfeld. Durch den Vergleich der Höhe eines Standorts mit der Höhe seines Nachbarn können Wissenschaftler die allgemeine Neigung des Geländes bestimmen.
Brunt und ihre Kollegen verwendeten MABEL-Daten aus der Grönland-Kampagne 2012, um zu versuchen, Gefälle mit einer Steigung von bis zu 4 Prozent zu erkennen. Ihre Ergebnisse werden in der Mai-Ausgabe 2014 der Zeitschrift veröffentlicht published Briefe zu Geowissenschaften und Fernerkundung. Sie zählten nur einen Teil der Photonen, um die schwächeren Laserstrahlen zu simulieren, die ICESat-2 tragen wird. Mit Computerprogrammen zur Bestimmung der Steigung verifizierten die Forscher diese mit Ergebnissen früherer Missionen.
»Die Präzision ist großartig«, sagte Brunt. "Wir sind sehr zuversichtlich, dass wir mit dem Strahlpaar von ICESat-2 die Neigung sehen können."
Und es gibt noch mehr Dinge für MABEL nach Maß. Das Instrumententeam plant eine Sommerkampagne 2014, um bei wärmerem Wetter Gletscher und Eisschilde zu überfliegen. »Wir wollen sehen, wie sich die Schmelze auswirkt«, sagte Cook. "Wie sehen Gletscher aus, wenn sie wärmer als kälter sind?"
Rocket Lab liefert mit Photon . Nutzlasten zum Mond und darüber hinaus
Internationaler Raumfahrtkongress. Washington, D.C. 21. Oktober 2019 – Rocket Lab, der weltweit führende Anbieter dedizierter Kleinsatellitenstarts, hat heute Pläne zur Unterstützung von Missionen mit erweiterter Reichweite in mittlere, geostationäre und Mondumlaufbahnen mit der Photon-Satellitenplattform des Unternehmens bekannt gegeben.
Weniger als zwei Jahre nach der Öffnung des Zugangs zur niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) für Kleinsatelliten mit der Trägerrakete Electron bringt Rocket Lab nun mittlere, geostationäre und Mondumlaufbahnen für Kleinsatelliten in Reichweite. Rocket Lab wird seine Electron-Trägerrakete, die kleine Raumfahrzeugplattform Photon und eine dedizierte Massenmanöverstufe kombinieren, um Missionen mit erweiterter Reichweite durchzuführen und kleine Raumschiffe zum Vorbeiflug des Mondes, zum Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO), zu L1/L2-Punkten oder zur Mondumlaufbahn zu bringen . Diese Fähigkeiten können dann erweitert werden, um noch größere Nutzlasten im gesamten cis-Mondraum zu liefern, einschließlich bis in die geostationäre Umlaufbahn (GEO).
Rocket Lab-Gründer und -Geschäftsführer Peter Beck sagt, dass das internationale Interesse an der Mond- und darüber hinaus LEO-Exploration seitens der Regierung und des privaten Sektors steigt.
„Kleine Satelliten werden eine entscheidende Rolle in der Wissenschaft und Erforschung spielen und auch eine Kommunikations- und Navigationsinfrastruktur bereitstellen, um die Rückkehr von Menschen zum Mond zu unterstützen – sie spielen eine entscheidende Rolle als Wegbereiter, um Risiken zu vermeiden und eine Infrastruktur für zukünftige Missionen zu schaffen“, sagt er,” . „Genau wie die kleinen LEO-Raumschiffe stehen viele potenzielle Explorationsinstrumente und volle Satelliten in Regalen und warten auf den Start in den tieferen Raum. Genauso wie wir den Zugang zu LEO für Kleinsatelliten geöffnet haben, ist Rocket Lab bereit, die dedizierte Fahrt zum Mond und darüber hinaus für Kleinsatelliten zu werden.“
Die Erfahrung aus mehreren orbitalen Elektronenstarts und iterativen Leistungsverbesserungen des Curie-Antriebssystems von Photon ermöglicht es Rocket Lab, Missionen mit erweiterter Reichweite mit bewährter Technologie und umfassender Erfahrung durchzuführen. Alle Systeme für erweiterte Missionen basieren auf langjähriger flugerprobter Ausrüstung, einschließlich des Curie-Triebwerks, der Kick-Stage, Elektronen-Verbundtanks und nachgewiesener Expertise in den Bereichen Start- und Raumfahrzeugführung, Navigation und Steuerung.
Die jüngste Mission von Rocket Lab, „As The Crow Flies“, war der neunte Start von Electron, bei dem die Kick Stage von Electron eine Nutzlast auf eine Höhe von mehr als 1.000 km ausbrachte. Die Mission demonstrierte erfolgreich die jüngsten Upgrades des 3D-gedruckten Curie-Antriebssystems für Photon, einschließlich der Umstellung auf ein Doppeltreibstoff-Design für eine stark verbesserte Leistung.
Insbesondere Photon wurde für den Einsatz in LEO- und interplanetaren Missionen mit strahlungstoleranter Avionik, weltraumtauglicher Kommunikations- und Navigationstechnologie und einem leistungsstarken, im Weltraum speicherbaren Antrieb mit mehreren Neustarts im Orbit konzipiert. Die Kombination von Photon und Electron wurde bereits im vierten Quartal 2020 als Komplettlösung für reaktionsschnelle LEO-, MEO- und Cis-Mond-Missionen konzipiert.
Über Photon:
Das Photon-Raumschiff ist eine Weiterentwicklung der flugerprobten Kick Stage des Electron. Mit Electron und Photon kann Rocket Lab die Plattform für eine komplette Kleinsatellitenmission bereitstellen, einschließlich Start, Bodensegment und Raumfahrzeugbus.
Photon betreibt eine fortschrittliche Integration des 3D-gedruckten Curie-Antriebssystems und integriert eine hohe Stromerzeugung, eine hochpräzise Lagebestimmung und -steuerung sowie strahlungstolerante Avionik, um den Kunden ein gebündeltes Angebot für Start und Satelliten zu bieten. Photon ist eine etwa 50 kg schwere Nassmasseplattform, die bis zu 170 kg Nutzlast in eine erdnahe Umlaufbahn befördern kann.
Als leistungsstarkes und strahlungstolerantes Fahrzeug, das die Kommunikation und Navigation im Weltraum unterstützt, wurde Photon für Missionen jenseits von LEO entwickelt. Da Photon ein voll ausgestattetes Raumfahrzeug ist und nicht nur eine Injektionsstufe, kann Photon eine eigenständige Nutzlast einsetzen und dennoch zusätzliche kleinere Nutzlasten aufnehmen, was mehrere Missionen bei einem Start ermöglicht.
Photon unterstützt Missionen, die Folgendes erfordern:
• Präzise orbitale Bereitstellung,
• Bereitstellung mehrerer Nutzlasten auf verschiedenen Ebenen/Neigungen (Mitfahrgelegenheiten und Konstellationen),
• Mondvorbeiflug, Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO), L1/L2-Punkte oder niedrige Mondumlaufbahn,
• Höhere Umlaufbahnen, die mit Trägerraketen allein nicht erreicht werden können,
• Eine gehostete Plattform für Nutzlasten, die Antrieb, Strom und Downlink erfordern,
• Deorbiting der Nutzlast nach Abschluss der Mission.
Flug des zeitlosen Photons
Eine meiner Lieblingsgeschichten in der gesamten Physik ist die Geschichte des Sonnenlichts, weil sie so viele Konzepte berührt. Ich entschuldige mich für die Länge dieses Beitrags, aber ich garantiere Ihnen, dass Sie über viele Begriffe aufgeklärt werden, die Sie wahrscheinlich oft hören, aber nicht viele Leute verstehen. Außerdem haben wir in meinem vorherigen Beitrag einige der wichtigsten Verwendungen von Licht kennengelernt, aber nicht die wichtigste Verwendung von allen, das Leben, angesprochen!
Die Geschichte von Sunlight, zusammen mit fast allem im Universum (wir ignorieren etwas, das vorerst dunkle Materie genannt wird), beginnt mit einem Wasserstoffatom. Wasserstoff ist das elementarste und am häufigsten vorkommende Element im Universum, daher ist es Element eins im Periodensystem. Auch weil es aus einem positiv geladenen Teilchen namens Proton besteht, das seinen Kern bildet, und einem negativ geladenen Teilchen namens Elektron, das um diesen einzelnen Protonenkern kreist. In der Sonne oder jedem Stern gibt es einen Prozess namens Kernfusion, der Wasserstoff in alle 92 in der Natur vorkommenden Elemente umwandelt. Jedes Materiekorn, aus dem unsere physische Welt besteht, wird im Herzen der Sterne geschmiedet und freigesetzt, wenn sie zu sterben beginnen. Nicht alle Sterne produzieren jedoch alle 92 Elemente, so wie unsere Sonne nie heiß genug wird, um genügend Atome miteinander zu verschmelzen, um Schwermetalle wie Gold zu produzieren. Wenn ich schwer sage, meine ich die Masse des Elements. Je mehr subatomare Teilchen in den Kern eines Elements geschoben werden, desto schwerer ist es. Sterne unterschiedlicher Größe produzieren unterschiedliche Elemente, aber alle Sterne beginnen damit, Wasserstoff zu Helium zu verschmelzen, wie es unsere Sonne derzeit tut.
Im Kern der Sonne werden Wasserstoffatome durch hohe Energiemengen oder Hitze beschleunigt, die durch die Kraft der Masse des Sterns auf sich selbst erzeugt werden, und kollidieren mit sehr hoher Geschwindigkeit und verschmelzen sie zu Helium. Die Sonne muss vier Wasserstoffatome zusammenschlagen, um ein Heliumatom zu bilden. Die in den Zwischenschritten entstehenden radioaktiven Elemente werden Wasserstoffisotope genannt. Zwei Wasserstoffatome bilden das stabile Isotop Deuterium, drei das instabile Isotop Tritium und vier ein Heliumatom. Der Unterschied zwischen einem stabilen und einem instabilen Isotop ist die gleichmäßige Paarung von Protonen und Neutronen (wir kommen gleich zu dem, was ein Neutron ist) im Kern. Eine gleichmäßige Paarung, wie ein Proton und ein Neutron (Deuterium), ist stabil, eine ungleichmäßige Paarung, wie ein Proton und zwei Neutronen (Tritium) nicht und zerfällt schließlich in stabile Isotope, weil sie zu energiereich sind, um zusammen zu bleiben. Dieses „Auseinanderfallen“ wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet.
Zwei Wasserstoffatome bilden das stabile Isotop Deuterium, drei das instabile Isotop Tritium und vier ein Heliumatom.
Wenn Sie ein Fan der Simpsons sind, erinnern Sie sich vielleicht noch daran, dass das Springfield-Baseballteam The Isotopes hieß. Dies bezog sich auf das Kernkraftwerk der Stadt, in dem eine erzwungene und gewaltsamere Version dieses Prozesses stattfindet, die als Kernspaltung bezeichnet wird. Typischerweise werden Urankerne mit zusätzlichen Neutronen beladen, bis sie die sogenannte kritische Masse erreichen. Sobald die kritische Masse erreicht ist, spalten sich die Kerne und es werden große Energiemengen freigesetzt, da sie diesen neuen Neutronenstrom nicht halten können. Es ist ein bisschen wie bei deinem Freund, der an einer Bar zu viel trinkt und dann überall ausspuckt. Dieses „Spucken“ von Neutronen versorgt uns mit elektrischer Energie. Während der Prozess Energie freisetzt, hinterlässt er auch verschiedene Formen instabiler Uranisotope, die über manchmal Hunderte von Jahren auf natürliche Weise in stabile Isotope zerfallen. Dies liegt daran, dass Uran im Vergleich zu Wasserstoff ein so schwereres Element ist, dessen Isotope ziemlich schnell zerfallen. Diese radioaktiven Überreste sind immer noch hochenergetisch und senden schädliche Gamma- und Röntgenwellen aus (wir haben in meinem vorherigen Beitrag erfahren, was das war) und deshalb ist die Eindämmung so wichtig. Ich entschuldige mich für diese Kernspaltungstangente, aber man sollte den Unterschied zwischen Fusion und Kernspaltung kennen. Fusion bringt Atome zusammen, Spaltung reißt sie auseinander.
Also zurück zur Geschichte des Sonnenlichts. Wenn es der Sonne schließlich gelingt, vier Wasserstoffatome zusammenzuschlagen, verlieren zwei der Protonen des Wasserstoffs dabei an Masse und werden zu neutral geladenen Teilchen, den Neutronen, so dass im neuen Heliumkern mit zwei umlaufenden Elektronen insgesamt zwei Protonen und zwei Neutronen entstehen. eine für jedes Proton. Die ausgestoßene Protonenmasse, die schließlich unser geliebtes Sonnenlicht wird, wird als Energie in Form von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (auch bekannt als Licht) abgegeben, die als Gammastrahlen bekannt ist. Dies ist ein hervorragendes Beispiel für Einsteins berühmte Energiegleichung E=mc2 bei der Arbeit. Was diese Gleichung sagt, ist Masse (m) kann in Energie (E) umgewandelt werden. Wenn Sie jemals versucht haben, Gewicht zu verlieren, gilt das gleiche Konzept. Sie versuchen, Ihre Masse in Energie umzuwandeln, um sie zu verlieren. Die Dinge auf der Quantenebene funktionieren jedoch auf komische Weise. Das Neutron ist, anstatt weniger massiv zu sein, tatsächlich massiver als es war, als es ein Proton war. Dies kann auf Teilchen innerhalb von Protonen und Neutronen, die Quarks genannt werden, und ihr Verhalten verantwortlich gemacht werden. Ich überlasse es einem anderen Beitrag. Der „C“-Teil der Gleichung steht für die Lichtgeschwindigkeitskonstante, die nur formelhaft addiert werden muss, um eine korrekte Berechnung zu erhalten, und wir werden später darauf eingehen.
In meinem vorherigen Beitrag haben wir erfahren, dass elektromagnetische Strahlung aus Teilchen besteht, die Photonen genannt werden. Diese neu entstandenen Gammastrahlenphotonen sind für den irdischen Verzehr zunächst viel zu gefährlich. Nachdem die Photonen jedoch Zehntausende von Jahren zwischen dicht gepackten Atomen innerhalb der Sonne herumgereicht wurden, ermüden die Photonen ein wenig, bis sie zu weniger energiereichen Photonen des sichtbaren Lichts oder dem, was wir Sonnenschein nennen, werden. Selbst mit Lichtgeschwindigkeit können Photonen bis zu einer Million Jahre brauchen, um der Sonne eine Entfernung von 432.000 Meilen vom Kern zur Oberfläche zu entkommen. Obwohl dies wie eine lange Distanz erscheinen mag, vergleichen Sie es mit den 93 Millionen Meilen, die Photonen in nur 8 Minuten zurücklegen, und es wird deutlich, wie stark diese Photonen durch die kontinuierliche Absorption und Emission durch die Atomsuppe in der Sonne verringert werden. Sobald sie jedoch das leere Vakuum des Weltraums treffen, haben sie einen direkten Schuss zur Erde.
Wenn Photonen schließlich in die Erdatmosphäre eintreten, werden einige von ihnen von winzigen Poren auf Pflanzenblättern, den Spaltöffnungen, absorbiert, die diese Photonen in chemische Energie umwandeln. Dies geschieht durch die Synthese von Wasserstoffatomen aus Wasser in der Pflanze mit Kohlendioxid in der Luft, um Zucker zu erzeugen. Dieser Vorgang, mit dem Sie sicher vertraut sind, wird Photosynthese genannt. Da Pflanzen nur den Wasserstoff aus Wasser nutzen, geben sie den restlichen Sauerstoff als Abfallprodukt ab und wir atmen ihre Scheiße förmlich ein. Der Zucker wird gespeichert und später in kinetische Energie umgewandelt, damit die Pflanze funktioniert. Dieser Zucker kann jedoch auf eine Kreatur übertragen werden, die die Pflanze frisst, und eine Kreatur, die diese Kreatur frisst usw. Tiere (einschließlich wir) gewinnen Energie aus diesen Zuckern, indem sie sie mit dem Sauerstoff, den sie einatmen, reagieren lassen und das verbleibende Kohlendioxid aus den Zuckern ausatmen, damit eine andere Pflanze daraus mehr Zucker und Sauerstoff für den Verzehr herstellen kann.
Wenn Sie also das nächste Mal zur Sonne aufblicken (nicht direkt!), denken Sie darüber nach, was dort drinnen vor sich geht. Denken Sie an alles, was die Kernfusion Ihnen Luft und Nahrung gibt – genau das, woraus Sie bestehen, und sagen Sie Danke. Und wenn das Sonnenlicht Ihre Haut erwärmt, denken Sie an die Zehntausende von Jahren, die diese Photonen brauchten, um sie zu erreichen. Und hier ist eine weitere interessante Tatsache, die Sie für diese Photonen begeistern wird: Sie sind ihre gesamte Existenz! Zumindest innerhalb unserer Vorstellung von Existenz. Hier kommt das ‚C‘ (die Lichtgeschwindigkeitskonstante) in E=mc2 ins Spiel. Das Photon, das Energie ist, bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit und deshalb muss diese Geschwindigkeit in jede Energieberechnung einfließen. Es ist „konstant“. Und nach Einsteins Relativitätstheorie verlangsamt sich die Zeit, je schneller Sie sich relativ zu einem anderen Objekt bewegen, bis sie bei Lichtgeschwindigkeit vollständig zum Stillstand kommt. Die Zeit des Photons, relativ zu unserer, existiert nicht. Das Photon gilt als zeitlos. . . Zumindest bis es in unsere Realität gebracht wird, wenn du es als Wärme absorbiert hast. Ich werde dies in meinen nächsten Beitrag überführen, der sich mit der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik befassen wird. Bis dahin bleibt neugierig meine Freunde!
Die Antwort ist einfach: Ja, Sterne produzieren wirklich Das viele Photonen. Diese Berechnung ist eine solide (wenn auch sehr grobe) Näherung, dass ein Stern von der Größe der Sonne etwa 10^<45>$ sichtbare Photonen pro Sekunde emittieren könnte (1 gefolgt von 45 Nullen, einer Milliarde Milliarden Milliarden Milliarden Photonen).
Sie können die Rechnung machen: Wenn Sie 10 Lichtjahre von diesem Stern entfernt sind, werden Sie dennoch in jeder Sekunde mit 1 Million Photonen pro Quadratzentimeter bombardiert.
Obwohl ich allen drei der obigen Antworten zustimme, möchte ich eine etwas andere Perspektive auf das Problem darstellen.
Es ist verlockend, sich das Licht des Sterns als eine Flut von Photonen vorzustellen, die sich wie kleine Kugeln verhalten. Dies ist jedoch stark vereinfacht, da ein Photon ein lokalisiertes Objekt ist, d.h. wir beobachten ein Photon, wenn etwas mit dem Licht interagiert und es lokalisiert.
Das Licht des Sterns ist kein Photonenhagel, sondern der Stern überträgt Energie auf das Photonenquantenfeld und diese Energie breitet sich radial und gleichmäßig aus. Würde man das Licht als Photonen beschreiben, müsste man sagen, dass die Photonen komplett delokalisiert sind, d.h. sie sind über die gesamte sphärische Wellenfront verteilt und man könnte nicht sagen, in welche Richtung sich das Photon bewegt hat.
Wenn die Energie Sie erreicht, kann sie mit den Rhodopsin-Molekülen in Ihrem Auge interagieren und den Energiewert eines Photons übertragen. An diesem Punkt, und nur an diesem Punkt, wird die Energie in einem Photon lokalisiert. Selbst wenn der Stern so schwach wäre, dass er nur wenige Photonen Energie pro Sekunde emittiert, bestünde immer noch eine endliche Wahrscheinlichkeit, dass Ihr Auge mit ihm interagieren und ein Photon erkennen könnte, obwohl diese Wahrscheinlichkeit offensichtlich lächerlich gering wäre.
Ein Schritt zur Seite würde also kaum einen Unterschied machen, denn solange Ihr Auge die sphärische Wellenfront irgendwo schneidet, besteht immer noch eine endliche Wahrscheinlichkeit, ein Photon zu entdecken und damit den Stern zu sehen.
Sehen Sie sich meine Antwort auf Einige Zweifel an Photonen für einige verwandte Argumente an.
Wie viel Photon ist noch im Flug? - Astronomie
Der folgende Artikel erschien in der Oktoberausgabe 1992 des Central Arkansas Astronomical Society Observer
Stellen Sie sich einen entfernten Stern in der Andromeda-Galaxie vor, der zwei Millionen Lichtjahre entfernt ist. Dieser Stern leuchtet hell, ebenso wie unzählige andere in diesem stellaren Windrad. Der Stern strahlt enorme Energie in Form von sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung, Ultraviolett und vielen anderen Aromen des elektromagnetischen Spektrums aus. Es emittiert auch Material in Form verschiedener Teilchen, darunter das mysteriöse Neutrino. Ein typischer Stern.
Und doch steht ein Photon des Lichts dieses Sterns kurz vor einer sehr untypischen Reise.
Die Geschichte beginnt wirklich im Zentrum des Sterns, wo sein Kernmotor Wasserstoff verbrennt und Helium erzeugt. Eines der Produkte dieses Prozesses ist sichtbares Licht. Unser Photon entsteht hier in dieser Höllenregion und beginnt seine beschwerliche Reise in Richtung der Photosphäre des Sterns.
Das Lichtteilchen springt ständig von einem Atom zum nächsten, wird absorbiert und unzählige Male wieder emittiert. Sein Weg ist extrem schlangenförmig, während er sich seinen Weg zur Oberfläche des Sterns schlängelt. Die Temperatur liegt hier im Millionenbereich.
Nach dem, was einige Astronomen glauben, sind viele Jahre dieses immerwährenden Serpentinenflugs, ein Punkt erreicht, an dem das Sternenmaterial oder Plasma transparent wird und das Photon zusammen mit Billionen anderer davonfliegt und die relativ kühle Photosphäre (nur Tausende von Grad) verlässt jetzt) weit hinten.
Unser unerschrockener Reisender flitzt in nur wenigen hundert Jahren durch den interstellaren Raum von Andromedan. Während dieser Zeit macht es nur wenige Nahrufe zu benachbarten Sternen (und Planeten?). Einige seiner Reisegefährten werden jedoch von Nebelgas absorbiert, das sich hier befindet. Das einzige Zeichen dieser auslaufenden Lichtquanten ist eine leichte Erwärmung dieses Gases.
Als würde man an einem letzten Wegweiser mit der Aufschrift "No Gas for 100 Miles" vorbeifahren, passiert er einen einsamen Kugelsternhaufen. Die Masse dieses Haufens verbiegt den Weg des Photons leicht, da sogar Licht auf diese Weise beeinflusst wird. Es passiert diese einsame Sternenkugel und dringt in die Leere des intergalaktischen Raums vor.
Während das Teilchen durch diese Leere rast, bewegt es sich in einer geraden Linie – fast. Auch hier wird es durch die Schwerkraft beeinflusst. Die Andromeda-Galaxie übt immer noch ihren Einfluss aus und versucht, unseren Lichtfleck zurück in ihr Zentrum zu ziehen. Licht ändert sich jedoch nie von seiner immer konstanten Geschwindigkeit, zumindest im Vakuum des Weltraums. Trotzdem muss der Energieerhaltungssatz eingehalten werden. Anstatt also an Geschwindigkeit zu verlieren, verschiebt das Photon die Farbe leicht in Richtung Rot. Sehen Sie, unser Teilchen ist auch eine Welle. Dies ist eine verwirrende Vorstellung. Wie Wasser, das manchmal fest, manchmal flüssig ist, weist ein Photon sowohl die Eigenschaften eines Teilchens als auch einer Welle auf. Laut der Allgemeinen Relativitätstheorie wird seine Wellenlänge länger, wenn es einen Gravitationshügel erklimmt, während der Weg, den es nimmt, von der Anziehungskraft beeinflusst wird, als ob es ein Teilchen wäre.
Noch etwas Seltsames passiert mit unserem Lichtteilchen. Wie bereits erwähnt, versucht es, in einer geraden Linie zu reisen, kann aber nicht ganz erfolgreich sein. Sterne beeinflussen seine Bahn, Haufen und sogar Galaxien ziehen ihn aus seiner Bahn. Noch seltsamer ist, dass es sich selbst nach Berücksichtigung dieser Auswirkungen immer noch leicht krümmt! Die Masse des gesamten Universums beeinflusst seine Flugbahn. Der Raum selbst ist gekrümmt und unser Teilchen folgt dieser Kurve. In den zwei Millionen Lichtjahren, die es in seinem Leben zurücklegt, ist diese Kurve ein subtiler Einfluss, aber er ist real! Den genauen Verlauf dieser Kurve möchten Astronomen sehr gerne kennen: positiv wie auf einer Kugel oder negativ wie auf einer sattelförmigen Oberfläche. Das Photon weiß es, sagt es aber nicht.
Während dieses Durchgangs durch die intergalaktische Tiefe passieren viele Dinge auf unserer eigenen kleinen Welt. Mehrere Eiszeiten kommen und gehen. Die felsigen Berge werden höher. Seltsame Tiere gedeihen und sterben aus. Doch nach all dem hat unser Teilchen sein Ziel immer noch nicht erreicht. Schließlich beginnt die Zivilisation des Menschen, den Planeten umzugestalten. Dieser Zeitraum – unser Zeitraum – ist die letzte Hälfte von einem Prozent der gesamten Reise. Unsere Geschichte ist wie ein Fettblitz in einem stundenlang brennenden Feuer.
Schließlich dringt das Photon in die Reichweite unserer Milchstraßengalaxie ein. Die Schwerkraft unserer galaktischen Heimat verschiebt die Farbe des Photons ein wenig in Richtung Blau. Sein Weg führt noch einmal in Richtung des galaktischen Zentrums, aber er kommt nicht so weit – nicht einmal nahe. Es tritt in einen dunklen Arm der Sternenspirale ein, fällt hinein und wird wieder von Sternen umgeben. Feurige Punkte ziehen vorbei, aber keiner ist nah genug, um ihn stark zu beeinflussen. Es macht fast eine ereignislose Reise direkt auf die andere Seite der Galaxie. Stattdessen trifft es jedoch auf einen kleinen relativistischen dunklen Körper. In den letzten fünf Sekunden würde es, wenn es sehen könnte, einen kleinen blauen Punkt erblicken, der zu einer himmelfüllenden Kugel explodierte.
Das Photon tritt in die Erdatmosphäre ein und seine Bahn ist alarmierend verbogen. Dies ist nicht auf die Schwerkraft zurückzuführen, sondern auf die Brechung, wenn die Linse unserer Luft ihren Weg neigt, bevor sie endgültig in die nächtliche Landschaft darunter fällt. Es durchdringt die Gashülle der Erde in einer Tausendstelsekunde. Viele seiner Mitreisenden, die die Reise bisher überlebt haben, beenden ihre Existenz, indem sie auf den Boden, Äste und sogar die Jacke eines einsamen Teleskopbeobachters stoßen. Unser Photon fällt jedoch zusammen mit einer Handvoll anderer direkt in den Lauf eines wartenden Teleskops.
Beim Auftreffen auf die Metallbeschichtung des Glasparaboliden, dem Hauptspiegel, wird es von einem Aluminiumatom absorbiert. Dieses Atom auf der Oberfläche dieser sehr dünnen Metallschicht wirft dann das Partikel aus und schickt es zurück in die Röhre. Es prallt vom Sekundärspiegel ab und tritt in das Okular ein. Die Brechung greift erneut und biegt ihren Weg noch einmal, wenn sie das erste Linsenelement passiert. Es fliegt durch mehrere solcher Elemente und durchquert einen kleinen Luftspalt, um schließlich in die lebendige Linse des Auges des Betrachters einzudringen.
In einer Zeit, die zu klein ist, um sie zu messen, dringt es in die Hornhaut und die Linse des Auges ein. Diese Linse wird durch einen kleinen Muskel sehr sorgfältig so geformt, dass das Photon mitsamt seinen Mitreisenden durch Brechung auf einen gemeinsamen Punkt auf der wartenden Netzhaut gelenkt wird. Hier beendet unser Photon seine Existenz. Es trifft auf einen Lichtsensor, der als "Stab" bezeichnet wird. Das Photon verbraucht seine Energie und verursacht eine komplexe photochemische Reaktion. Signale werden über Nerven hinter der Netzhaut an das Gehirn gesendet. Während diese visuellen Informationen an das Gehirn des Betrachters gesendet werden, werden sie verarbeitet. Was schließlich vom visuellen Kortex empfangen wird, ist kein Signal, das "Licht" sagt, sondern eines, das ungefähr "dim pin-point" sagt. Diese unglaubliche Kette von Ereignissen ist ziemlich erstaunlich, da das Signal noch nicht einmal das Gehirn selbst erreicht hat. Was dort passiert, ist noch erstaunlicher. Alle Pinpoints werden im visuellen Kortex zusammengefügt und es entsteht ein Bild von einem entfernten, sanft leuchtenden Windrad. Die Andromeda-Galaxie wird im Geist des Beobachters aus Lichtstücken rekonstruiert, die vor zwei Millionen Jahren im Bauch von Sternen getragen wurden!
Wegen solcher Photonen ist Amateurastronomie ein lustiges Hobby. Es ist unser Verstand und unser Verständnis, die es so wunderbar machen. Tag und Nacht trifft das eine oder andere Photon ein. Fang einige!
Was ist mit Photonenraketen passiert?
Das Konzept der Photonenrakete war die Idee von Eugen Sänger (1905-64), der heute besser für den sogenannten Silbervogel bekannt ist, ein Raumflugzeug-Bomberkonzept, das im 2. Weltkrieg kurz von der Luftwaffe untersucht wurde. Postwar Sänger continued to explore innovative aeronautical and astronautical ideas and was the first to propose the use of electron-positron annihilation for propulsion as a photon rocket. This was pure speculation, a thought-experiment assuming technology could be taken to the limits. It was never meant as near-future possibility. He revealed his ideas in 1957 and the idea was widely published.
Artists’ impressions of photon rocket starships were common in the sort of coffee table books promoting the wonders of space and astronomy I lapped up in the 1970s. One of these books was Patrick Moore and David A. Hardy’s New Challenge of the Stars (1977) I still remember the impact made on me by its painting by Hardy of an elegant “Photon Star-Ship” approaching a planet near the Trifid Nebula . The vehicle in Hardy’s artwork was a huge vehicle, perhaps kilometres in length. Visible components of the starship included the crew quarters at the tip of the craft’s spine, two plate structures intended as a radiation shield, two propellant tanks and a huge parabolic reflector. Little tubes spaced around the reflector were more conventional rocket devices for use maneuvering near habitable worlds. This would be a huge vessel which could never land on a planet, rather it would carry smaller spaceplanes to ferry down the crew.
Why was this speculation so exciting? Sänger’s fantastic concept seemed to suggested it was possible to build a rocket vehicle capable of reaching near-light speeds. Imagine that! A craft like this could conquer the unimaginably huge gulfs of space between the stars, perhaps carrying intrepid crew to explore the mysterious worlds around other stars. That is the least of the possibilities, a speeding photon rocket and its crew would be subject to the strange (to slow-moving folk) magic of Einstein’s Special Relativity. A journey to say, 51 Pegasi, 50 light years distant and with its own family of planets might take the ship a little over five decades to complete to outside observers, but less than a decade to the crew. A faster still photon rocket could span the 26 000 light years to the Galactic Core inside the crew’s life time while millenia passed outside the hull. Even intergalactic journeys would be possible, if we could build photon rockets it would really be time for the stars !
Sänger’s starting point was the familiar (to space geeks) rocket equation , a simply derived formula which predicts the maximum speed a rocket vehicle can attain. Any rocket, from the simplest leaking rubber balloon to the mightiest launch vehicle, pushes matter, reaction mass, out of an exhaust, thrusting the rocket forward. The rocket equation shows that maximum speed the rocket attains in its flight is directly proportional to the speed the reaction mass leaves the exhaust, the exhaust velocity. Note that it does not matter what the reaction mass is made of, just that its speed, and therefore momentum, be as high as possible. What would the highest possible speed be? Why, 300 000 km/s, the speed of light. Individual ‘particles’ of light are called photons, and Sänger reasoned that the highest performing rocket would push its way across the cosmos by spraying a stream of photons from its exhaust. Fantastic! Let’s go build one and see the Universe.
If only it were that simple. Sänger could only see one way to produce ‘pure’ photons and that was by bringing electrons and positrons (which are anti-electrons) together. These violently annihilate on contact, so just like any of the USS Enterprises a photon drive starship is powered by a matter-antimatter reaction. The dying electrons and positrons explode into gamma ray photons, which would be reflected rearward by a parabolic mirror to generate thrust. The rocket’s exhaust is essentially a gamma ray laser (or “graser”) beam!
Physics buffs will straight away see issues with this. There are no vast reserves of positrons ready to exploit anywhere near Earth. A photon rocket’s propellant would have to be manufactured somehow, a process which would demand unimaginable quantities of energy. Gamma rays are not easily reflected by normal matter, but instead absorbed, rapidly heating the ‘reflector’. To build a photon rocket that would not vaporise itself in flight we need a ‘perfect’ mirror, reflecting 100% of incident photons, no orthodox material known can do this (however hard science fiction fans will immediately recognise this as an ideal application for Larry Niven’s celebrated ‘ stasis field ’). Sänger suggested reflecting the gamma rays directly from a mirror of pure “electron gas”. Creating this would be an astonishing technological achievement in itself as electrons repel each other, forcing them together into a reflecting surface would require us to be able to exert and maintain pressures like we see at the centre of an exploding supernova. Apart from the difficulties it would cause to the ship itself, a photon rocket’s exhaust would be hideously destructive to any planets it was directed at, with disastrous effects similar to a nearby gamma ray burst.
Worst still are the photon rocket’s extraordinarily high power requirements and poor thrust. The photon rocket’s unparalleled exhaust velocity comes at a price, it is straight-forward to show that its every single newton of thrust requires 300 MWatts of power (a calculation based on fundamental physics, there is no way technological advances could improve this). This is ludicrously inefficient a small modern turbofan engine to power a modest jet aircraft might have a thrust of 27 000 newtons, while a respectable power station might be rated at 650 MWatts. A photon rocket would have to be huge, perhaps moon-sized, to accommodate its reserves of propellant. Its acceleration would be sluggish, perhaps needing decades to reach near-light speeds.
The Large Magellanic Cloud is one of the closest galaxies to our own. A photon rocket spacecraft could reach there in 160 000 years. Thanks to relativity, the crew could still see the star-forming region NGC 2035 there in their lifetimes. (Image credit:ESO)
Photon rockets show up occasionally in science fiction. The earliest reference I know of is in the 1959 novel The Land of Crimson Clouds by Boris and Arkady Strugatsky, I have yet to read this work so I cannot comment on its realism. A few years later Stanislaw Lem used a photon rocket to propel a human starship in his remarkably foresighted novel of conflict with alien nanotechnology The Invincible (1964). A decade later the human starships in Larry Niven and Jerry Pournelle’s famous first-contact epic The Mote in God’s Eye (1974) used photon drives for sublight travel. However Niven and Pournelle’s fictional creations were powered by nuclear fusion and capable of accelerating multi-thousand tonne craft at multiple gees of acceleration, so have little in common with “real” photon rockets. Niven’s solo work, The Warriors (1966) which is part of his popular Known Space sequence, features the Angel’s Pencil, a slightly more credible photon drive starship capable of attaining 80% of lightspeed. The story famously demonstrates just how dangerous a photon rocket might be to other ships in its vicinity. However Niven seems to have had second or even third thoughts on photon drives, in later works, the Angel’s Pencil is said to have been propelled by a light-pressure drive (boosted by a laser system) or even as a Bussard ramjet . Into Infinity (1975) was a one-off TV movie from Gerry Anderson, featuring BRIAN BLESSED! (an actor famed for his loud declarations of dialogue) as the patriarch of a space-faring family enduring an incident-packed voyage on a photon-drive starship, the oddly-named Altares . This was probably a terrible movie but it made a great impression on me back in the day: the Altares was represented by a stunning model and the movie introduced me to the mysteries of special relativity and the Doppler effect. I would not be sitting here in the Planetarium today without the childhood inspiration from stories like that.
When you closely examine the feasiblity of photon rockets the concept falls apart. They require materials and techniques that may never exist in the real Universe and need outrageous resources and time to attain their amazing performance. Sadly, photon rockets appear to be forever an intriguing fantasy.
(If you are interested in the physics of photon rockets, see the paper at this link .)
(Article by Colin Johnston, Science Communicator, you can learn more about exotic space propulsion concepts at the wonderful Atomic Rockets site)
All the light moves
During its mission, the NEA Scout will perform at least one slow, close flyby—reducing speed to less than 22 mph (10 meters per second) and passing about half a mile above the asteroid’s surface.
That highlights another advantage of solar sails: They’re very maneuverable, sometimes outperforming conventional methods of propulsion.
Animation: New NASA Rocket Will Bring Tiny Satellites Into Space
The key to steering a sail—whether it’s in the Atlantic Ocean or in space—is to create an asymmetric thrust. There are various ways do this, using the celestial equivalents of masts and rigging. IKAROS had an electro-optic coating that went dark when voltage was applied, absorbing light instead of reflecting it. That made it possible to “tune” one part of the sail so that it got half as much solar push than the other side, causing the spacecraft to tip and tilt.
The NEA Scout will take a different approach, using a sliding mechanism that moves the CubeSat back and forth relative to the booms where the sail is deployed.
“If you imagine a Coke can and that's our spacecraft, and you put a piece of paper on top of it, flat on top, that's the sail,” says Johnson. “Then, you can imagine just physically sliding the piece of paper to the left and the right. That's what we're going to be doing.” Tilting the sail also makes it possible to adjust the speed.
The agility of solar sail spacecraft—coupled with the constant thrust from an inexhaustible supply of fuel—opens the door to some intriguing possibilities.
Let’s say you want to send a probe above the ecliptic plane of the solar system to study the north pole of the sun. In order to achieve the drastic change in direction and velocity—without using precious propellant—engineers would rely on a slingshot maneuver. “Right now, we’d have to send a spacecraft out to Jupiter for a gravity assist to get it out of the ecliptic plane and have a higher angle of orbit around the sun,” says Johnson. “With a sail, you can just kind of crank it up.”
Another potential application, closer to home, is a “pole sitting” satellite. At present, if you want a satellite to remain in a fixed position relative to a certain location on the ground—which is highly desirable for communications technology—your only option is to send it into geostationary orbit, 22,236 miles above the Earth and directly above the equator.
But with a sail, “you can go above the Earth's North or South Pole and orbit the sun at the same rate the Earth is orbiting the sun,” says Johnson. “To keep the Earth’s gravity from pulling you in, you tip the sail so that it’s thrusting upward all the time. That way, you appear motionless above the North or South Pole.”
LHAASO discovers a dozen PeVatrons and photons exceeding 1 PeV and launches ultra-high-energy gamma
China's Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO)--one of the country's key national science and technology infrastructure facilities--has found a dozen ultra-high-energy (UHE) cosmic accelerators within the Milky Way. It has also detected photons with energies exceeding 1 peta-electron-volt (quadrillion electron-volts or PeV), including one at 1.4 PeV. The latter is the highest energy photon ever observed.
These findings overturn the traditional understanding of the Milky Way and open up an era of UHE gamma astronomy. These observations will prompt people to rethink the mechanism by which high-energy particles are generated and propagated in the Milky Way, and will encourage people to explore more deeply violent celestial phenomena and their physical processes as well as test basic physical laws under extreme conditions.
These discoveries are published in the journal Natur on May 17. The LHAASO International Collaboration, which is led by the Institute of High Energy Physics (IHEP) of the Chinese Academy of Sciences, completed this study.
The LHAASO Observatory is still under construction. The cosmic accelerators--known as PeVatrons since they accelerate particles to the PeV range--and PeV photons were discovered using the first half of the detection array, which was finished at the end of 2019 and operated for 11 months in 2020.
Photons with energies exceeding 1 PeV were detected in a very active star-forming region in the constellation Cygnus. LHAASO also detected 12 stable gamma ray sources with energies up to about 1 PeV and significances of the photon signals seven standard deviations greater than the surrounding background. These sources are located at positions in our galaxy that can be measured with an accuracy better than 0.3°. They are the brightest Milky Way gamma ray sources in LHAASO's field of view.
Although the accumulated data from the first 11 months of operation only allowed people to observe those sources, all of them emit so-called UHE photons, i.e., gamma rays above 0.1 PeV. The results show that the Milky Way is full of PeVatrons, while the largest accelerator on Earth (LHC at CERN) can only accelerate particles to 0.01 PeV. Scientists have already determined that cosmic ray accelerators in the Milky Way have an energy limit. Until now, the predicted limit was around 0.1 PeV, thus leading to a natural cut-off of the gamma-ray spectrum above that.
But LHAASO's discovery has increased this "limit," since the spectra of most sources are not truncated. These findings launch an era for UHE gamma astronomic observation. They show that non-thermal radiation celestials, such as young massive star clusters, supernova remnants, pulsar wind nebulas and so on--represented by Cygnus star-forming regions and the Crab nebula--are the best candidates for finding UHE cosmic rays in the Milky Way.
Through UHE gamma astronomy, a century-old mystery---the origin of cosmic rays--may soon be solved. LHAASO will prompt scientists to rethink the mechanisms of high energy cosmic ray acceleration and propagation in the Milky Way. It will also allow scientists to explore extreme astrophysical phenomena and their corresponding processes, thus enabling examination of the basic laws of physics under extreme conditions.
LHAASO and Its Core Scientific Goals
LHAASO is a major national scientific and technological infrastructure facility focusing on cosmic ray observation and research. It is located 4,410 meters above sea level on Mt. Haizi in Daocheng County, Sichuan Province. When construction is completed in 2021, LHAASO's particle detector arrays will comprise 5,195 electromagnetic particle detectors and 1,188 Muon detectors located in the square-kilometer complex array (KM2A), a 78,000 m2 water Cherenkov detector array (WCDA), and 18 wide-field-of-view Cherenkov telescopes (WFCTA). Using these four detection techniques, LHAASO will be able to measure cosmic rays omnidirectionally with multiple variables simultaneously. The arrays will cover an area of about 1.36 km2.
LHAASO's core scientific goal is to explore the origin of high-energy cosmic rays and study related physics such as the evolution of the universe, the motion and interaction of high-energy astronomical celestials, and the nature of dark matter. LHAASO will extensively survey the universe (especially the Milky Way) for gamma ray sources. It will precisely measure their energy spectra over a broad range--from less than 1 TeV (trillion electron-volts or tera-electron-volts) to more than 1 PeV. It will also measure the components of diffused cosmic rays and their spectra at even higher energies, thus revealing the laws of the generation, acceleration and propagation of cosmic rays, as part of the exploration of new physics frontiers.
PeVatrons and PeV Photons
The signal of UHE photons around PeVatrons is so weak that just one or two photons at PeV energy can be detected using 1 km2 of detectors per year even when focusing on the Crab Nebula, known as the "standard candle for gamma astronomy." What's worse, those one or two photons are submerged in tens of thousands of ordinary cosmic rays. The 1,188 muon detectors in LHAASO's KM2A are designed to select photon-like signals, making LHAASO the most sensitive UHE gamma ray detector in the world. With its unprecedented sensitivity, in just 11 months, the half-sized KM2A detected one photon around 1 PeV from the Crab Nebula. In addition, KM2A found 12 similar sources in the Milky Way, all of which emit UHE photons and extend their spectra continuously into the vicinity of 1 PeV. Even more important, KM2A has detected a photon with energy of 1.4 PeV--the highest ever recorded. It is clear that LHAASO's scientific discoveries represent a milestone in identifying the origin of cosmic rays. To be specific, LHAASO's scientific breakthroughs fall into the following three areas:
1) Revealing the ubiquity of cosmic accelerators capable of accelerating particles to energies exceeding 1 PeV in the Milky Way. All the gamma ray sources that LHAASO has effectively observed radiate photons in the UHE range above 0.1 PeV, indicating that the energy of the parent particles radiating these gamma rays must exceed 1 PeV. As a matter of convention, these sources must have significances of photon signals five standard deviations greater than the surrounding background. The observed energy spectrum of these gamma rays has not truncated above 0.1 peV, demonstrating that there is no acceleration limit below PeV in the galactic accelerators.
This observation violates the prevailing theoretical model. According to current theory, cosmic rays with energies in the PeV range can produce gamma rays of 0.1 PeV by interacting with surrounding gases in the accelerating region. Detecting gamma rays with energies greater than 0.1 PeV is an important way to find and verify PeV cosmic ray sources. Since previous international mainstream detectors work below this energy level, the existence of PeV cosmic ray accelerators had not been solidly confirmed before. But now LHAASO has revealed a large number of PeV cosmic acceleration sources in the Milky Way, all of which are candidates for being UHE cosmic ray generators. This is a crucial step toward determining the origin of cosmic rays.
2) Beginning an era of "UHE gamma astronomy." In 1989, an experimental group at the Whipple Observatory in Arizona successfully discovered the first object emitting gamma radiation above 0.1 TeV, marking the onset of the era of "very-high-energy" gamma astronomy. Over the next 30 years, more than 200 "very-high-energy" gamma ray sources were discovered. However, the first object emitting UHE gamma radiation was not detected until 2019. Surprisingly, by using a partly complete array for less than a year, LHAASO has already boosted the number of UHE gamma ray sources to 12.
With the completion of LHAASO and the continuous accumulation of data, we can anticipate to find an unexplored "UHE universe" full of surprising phenomena. It is well known that background radiation from the Big Bang is so pervasive it can absorb gamma rays with energies greater than 1 PeV. Even if gamma rays were produced beyond the Milky Way, we wouldn't be able to detect them. This makes LHAASO's observational window so special.
3) Photons with energies greater than 1 PeV were first detected from the Cygnus region and the Crab Nebula. The detection of PeV photons is a milestone in gamma astronomy. It fulfills the dream of the gamma astronomy community and has long been a strong driving force in the development of research instruments in the field. In fact, one of the main reasons for the explosion of gamma astronomy in the 1980s was the challenge of the PeV photon limit. The star-forming region in the direction of Cygnus is the brightest area in the northern territory of the Milky Way, with a large number of massive star clusters. Massive stars live only on the order of one million years, so the clusters contain enormous stars in the process of birth and death, with a complex strong shock environment. They are ideal "particle astrophysics laboratories," i.e., places for accelerating cosmic rays.
The first PeV photons found by LHAASO were from the star-forming region of the constellation Cygnus, making this area the best candidate for exploring the origin of UHE cosmic rays. Therefore, much attention has turned to LHAASO and multi-wavelength observation of this region, which could offer a potential breakthrough in solving the "mystery of the century."
Extensive observational studies of the Crab Nebula over the years have made the celestial body almost the only standard gamma ray source with a clear emission mechanism. Indeed, precise spectrum measurements across 22 orders of magnitude clearly reveal the signature of an electron accelerator. However, the UHE spectra measured by LHAASO, especially photons at PeV energy, seriously challenge this "standard model" of high-energy astrophysics and even the more fundamental theory of electron acceleration.
LHAASO has developed and/or improved: 1) clock synchronization technology over long distances that ensures timing synchronization accuracy to the sub-nanosecond level for each detector in the array 2) multiple parallel event trigger algorithms and their realization, with the help of high-speed front-end signal digitization, high-speed data transmission and large on-site computing clusters and advanced detection technologies include 3) silicon photo multipliers (SiPM) and 4) ultra-large photocathode micro-channel plate photomultiplier tubes (MCP-PMT). They are being employed at LHAASO on a large scale for the first time. They have greatly improved the spatial resolution of photon measurements and lowered the detection energy threshold. These features allow detectors to achieve unprecedented sensitivity in exploring the deep universe at a wide energy range. LHAASO provides an attractive experimental platform for conducting interdisciplinary research in frontier sciences such as atmosphere, high-altitude environment and space weather. It will also serve as a base for international cooperation on high-level scientific research projects.
History of Cosmic Ray Research in China
Cosmic ray research in China has experienced three stages. LHAASO represents the third generation of high-altitude cosmic ray observatories. High-altitude experiments are a means of making full use of the atmosphere as a detector medium. In this way, scientists can observe cosmic rays on the ground, where the size of the detector can be much larger than in a space-borne detector outside the atmosphere. This is the only way to observe cosmic rays at very high energy.
In 1954, China's first cosmic ray laboratory was built on Mt. Luoxue in Dongchuan, Yunnan Province, at 3,180 meters above sea level. In 1989, the Sino-Japanese cosmic ray experiment ASg was built at an altitude of 4,300 meters above sea level at Yangbajing, Tibet Autonomous Region.
In 2006, the joint Sino-Italian ARGO-YBJ experiment was built at the same site.
In 2009, at the Xiangshan Science Forum in Beijing, Professor CAO Zhen proposed to build a large-scale composite detection array (i.e., LHAASO) in a high-altitude area. The LHAASO project was approved in 2015 and construction began in 2017. By April 2019, construction was 25% complete and scientific operation had begun. By January 2020, an additional 25% had been completed and put into operation. In December of the same year, 75% of the facility had been completed. The entire facility will be completed in 2021. LHAASO has already become one of the world's leading UHE gamma detection facilities, and will operate for a long time. With it, scientists will be able to study the origin of cosmic rays from many aspects.
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