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Puisque l'espace est en grande partie vide, on pourrait d'abord penser que la majorité des photons, par ex. les émissions des étoiles depuis le début de l'univers, sont toujours en vol et non absorbées par quoi que ce soit.
Est-ce vrai?
Existe-t-il des estimations selon lesquelles la proportion est relative à la quantité totale de photons jamais créés ?
(Considérons d'abord les photons qui ont atteint l'espace, par exemple excluons les photons qui sont absorbés et réémis à l'intérieur des étoiles pour le moment).
L'excellent "L'inventaire de l'énergie cosmique" de Peebles et Fukugita estime qu'environ $10^{-4.3}$ de la masse-énergie totale est sous forme de rayonnement de fond cosmique, et $10^{-5.7}$ sous forme de rayonnement d'étoiles.
L'estimation que la perturbation due au plasma et à d'autres interactions du rayonnement de fond est d'environ $10^{-8.5}$, il est donc clair que la plupart des photons n'ont jamais été capturés par quoi que ce soit et sont toujours en vol.
Les photons déforment-ils l'espace-temps ou non ?
En fait, les photons eux-mêmes ne plient pas l'espace-temps. Intuitivement, c'est parce que les photons ne peuvent pas émettre de gravitons, car, comme toutes les particules sans masse ne connaissant pas le temps, les photons ne peuvent pas se désintégrer en émettant quoi que ce soit. Les derniers résultats théoriques montrent que le champ gravitationnel d'un photon n'est pas statique, mais une onde gravitationnelle émanant des événements d'émission et d'absorption du photon. Ainsi l'espace-temps est courbé par les particules chargées émettant ou absorbant des photons, mais pas par les photons eux-mêmes.
pour autant que je sache, il n'y a eu aucune preuve expérimentale que la lumière courbe l'espace-temps. Nous savons que si GR est correct, il doit le faire, et toutes les expériences que nous avons faites ont (jusqu'à présent) confirmé les prédictions faites par GR, il semble donc très probable que la lumière courbe effectivement l'espace-temps.
Maintenant, cela ne peut pas être juste. L'un d'eux dit que les photons courbent l'espace-temps, car ils ont une énergie de stress, mais il est difficile de la mesurer car l'énergie qu'ils transportent est faible par rapport à l'énergie de stress du corps astronomique. Donc, ils plient l'espace-temps, c'est juste qu'il est difficile de le mesurer avec nos appareils actuellement disponibles.
Maintenant, l'autre dit que les photons ne courbent pas du tout l'espace-temps. C'est seulement la charge émettrice (fermion) qui courbe l'espace-temps.
Lequel a raison ? Les photons plient-ils eux-mêmes l'espace-temps parce qu'ils ont une énergie de stress ou non ?
La nouvelle technologie laser de la NASA révèle comment la glace se mesure
Le lidar expérimental à faisceau altimétrique multiple de la NASA a survolé les glaciers et la banquise du sud-ouest du Groenland pour tester une nouvelle méthode de mesure de la hauteur de la Terre depuis l'espace. Crédit d'image : NASA/Tim WilliamsLorsqu'un avion à haute altitude a survolé l'océan Arctique glacé et le terrain enneigé du Groenland en avril 2012, il s'agissait du premier test polaire d'une nouvelle technologie laser pour mesurer la hauteur de la Terre depuis l'espace.
À bord de cet avion a volé le Lidar expérimental à faisceaux altimétriques multiples, ou MABEL, qui est un instrument de banc d'essai aéroporté pour la mission satellite ICESat-2 de la NASA dont le lancement est prévu en 2017. Les instruments MABEL et ICESat-2 ATLAS sont des compteurs de photons & ndash ils envoient des impulsions de lumière laser verte et chronométrent le temps qu'il faut aux photons lumineux individuels pour rebondir sur la surface de la Terre et revenir. Cette heure, ainsi que la position exacte d'ATLAS à partir d'un GPS embarqué, seront connectées à des programmes informatiques pour indiquer aux chercheurs que l'élévation de la surface de la Terre et la mesure du changement ne dépassent pas la largeur d'un crayon.
Ce type de technologie de comptage de photons est nouveau pour les satellites de 2003 à 2009, l'instrument ICESat-1&rsquos a examiné l'intensité d'un signal laser renvoyé, qui comprenait de nombreux photons. Ainsi, obtenir des données photoniques individuelles de MABEL aide les scientifiques à se préparer aux grandes quantités de données d'altitude qu'ils obtiendront d'ICESat-2.
MABEL, abréviation de "Multiple Altimeter Beam Experimental Lidar", sert de simulateur ICESat-2. Crédit d'image : NASA/Kelly BruntICESat-2 est chargé de mesurer l'altitude sur toute la surface de la Terre, y compris la végétation et les océans, mais en mettant l'accent sur le changement dans les zones gelées de la planète, où les scientifiques ont observé les impacts dramatiques du changement climatique. Là, deux types de glace et les calottes glaciaires et la glace de mer reflètent les photons lumineux selon des motifs différents. Les calottes glaciaires et les glaciers se trouvent sur terre, comme le Groenland et l'Antarctique, et se forment à mesure que la neige et la pluie gelées s'accumulent. La glace de mer, quant à elle, est de l'eau de mer gelée, trouvée flottant dans l'océan Arctique et au large de l'Antarctique.
La campagne 2012 de MABEL au Groenland a été conçue pour observer une gamme de caractéristiques glaciales intéressantes, a déclaré Bill Cook, scientifique principal de MABEL au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Avec le nombre de photons provenant de différentes surfaces, d'autres scientifiques pourraient commencer à analyser les données pour déterminer quelles méthodes d'analyse des données leur permettent de mesurer au mieux l'élévation de la surface de la Terre.
"Nous voulions obtenir une grande variété de types de cibles, afin que l'équipe scientifique dispose de beaucoup de données pour développer des algorithmes", a déclaré Cook. "Ce fut notre première véritable mission scientifique dédiée."
Les survols de l'océan près du Groenland, par exemple, ont permis aux chercheurs de démontrer qu'ils pouvaient mesurer la différence de hauteur entre l'eau libre et la banquise, ce qui est essentiel pour déterminer l'épaisseur de la glace. MABEL peut détecter suffisamment de photons de lumière laser qui rebondissent sur la surface de la Terre et retournent à l'instrument, et les programmes peuvent ensuite effectuer les calculs d'élévation nécessaires, a déclaré Cook.
"Une partie de ce que nous faisons avec MABEL est de démontrer que l'instrument ICESat-2 aura la bonne sensibilité pour effectuer les mesures", a déclaré Cook. "Vous pouvez effectuer ce comptage de photons si vous avez suffisamment de photons."
Dans un article récemment publié dans le Journal de la technologie atmosphérique et océanique, Kwok et ses collègues ont montré comment calculer l'altitude à partir des données MABEL, et le faire sur différents types de glace, de l'eau libre à la glace fine et vitreuse, en passant par la glace recouverte de neige.
"Nous étions assez satisfaits de la précision", a déclaré Kwok. "Les zones plates sont plates au niveau du centimètre et les zones rugueuses sont rugueuses." Et la densité de détection des photons pourrait également indiquer aux chercheurs sur quel type de glace l'instrument survolait.
Les contours de la surface glacée sont également importants lors de la surveillance des calottes glaciaires et des glaciers recouvrant les terres. La mission ICESat-1 originale utilisait un seul laser, ce qui rendait plus difficile de mesurer si la calotte glaciaire avait gagné ou perdu de l'altitude. Avec un seul faisceau, lorsque l'instrument survolait un endroit une deuxième fois, les chercheurs ne pouvaient pas dire si le manteau neigeux avait fondu ou si le laser était légèrement éteint et pointait vers le bas d'une colline. Pour cette raison, les scientifiques ont eu besoin de 10 passages sur une zone pour déterminer si la calotte glaciaire était en train de changer, a déclaré Kelly Brunt, chercheur à la NASA Goddard.
"ICESat-1 était fantastique, mais c'était un instrument à faisceau unique", a déclaré Brunt. "Nous sommes plus intéressés par la répétition des pistes pour surveiller les changements et c'est difficile à faire."
ICESat-2 résout ce problème en divisant le laser en six faisceaux. Ceux-ci sont disposés en trois paires, et les poutres d'une paire sont espacées de 295 pieds (90 mètres), soit un peu moins qu'un terrain de football. En comparant la hauteur d'un site à la hauteur de son voisin, les scientifiques peuvent déterminer la pente générale du terrain.
Brunt et ses collègues ont utilisé les données MABEL de la campagne 2012 du Groenland pour essayer de détecter des pentes aussi peu profondes que 4 pour cent d'inclinaison. Leurs résultats seront publiés dans le numéro de mai 2014 de la revue. Lettres de géosciences et de télédétection. Ils n'ont compté qu'une partie des photons, afin de simuler les faisceaux laser plus faibles que transportera ICESat-2. Avec des programmes informatiques pour déterminer la pente, les chercheurs l'ont vérifiée par rapport aux résultats de missions précédentes.
"La précision est excellente", a déclaré Brunt. "Nous sommes très confiants qu'avec la paire de faisceaux ICESat-2, nous pouvons voir la pente."
Et il y a encore plus de choses à mesurer pour MABEL. L'équipe des instruments prévoit une campagne d'été 2014 pour survoler les glaciers et les calottes glaciaires par temps plus chaud. "Nous voulons voir quels sont les effets de la fonte", a déclaré Cook. « À quoi ressemblent les glaciers s'ils sont plus chauds que froids ? »
Rocket Lab va livrer des charges utiles sur la Lune et au-delà avec Photon
Congrès international d'astronautique. Washington DC. 21 octobre 2019 – Rocket Lab, le leader mondial du lancement de petits satellites dédiés, a dévoilé aujourd'hui des plans pour prendre en charge des missions à portée étendue sur des orbites moyennes, géostationnaires et lunaires avec la plate-forme satellitaire Photon de la société.
Moins de deux ans après avoir ouvert l'accès à l'orbite terrestre basse (LEO) aux petits satellites avec le lanceur Electron, Rocket Lab met désormais à la portée des petits satellites les orbites moyennes, géostationnaires et lunaires. Rocket Lab combinera son lanceur Electron, sa plate-forme de petit vaisseau spatial Photon et une étape de manœuvre en vrac dédiée pour accomplir des missions à longue portée et livrer de petits vaisseaux spatiaux au survol lunaire, à l'orbite proche du halo rectiligne (NRHO), aux points L1/L2 ou à l'orbite lunaire. . Ces capacités peuvent ensuite être étendues pour fournir des charges utiles encore plus importantes dans tout l'espace cis-lunaire, y compris jusqu'à l'orbite géostationnaire (GEO).
Le fondateur et directeur général de Rocket Lab, Peter Beck, a déclaré qu'il existe un intérêt international croissant pour l'exploration lunaire et au-delà de LEO de la part du gouvernement et des secteurs privés.
« Les petits satellites joueront un rôle crucial dans la science et l'exploration, ainsi que dans la fourniture d'infrastructures de communication et de navigation pour soutenir le retour des humains sur la Lune. . « Tout comme les petits engins spatiaux LEO, de nombreux instruments d'exploration potentiels et des satellites complets sont sur des étagères en attente de lancement dans l'espace plus profond. De la même manière que nous avons ouvert l'accès à LEO pour les petits satellites, Rocket Lab est sur le point de devenir le trajet dédié vers la Lune et au-delà pour les petits satellites.
L'expérience acquise grâce à plusieurs lancements orbitaux d'électrons et les améliorations itératives des performances du système de propulsion Curie de Photon permettent à Rocket Lab d'entreprendre des missions à longue portée avec une technologie éprouvée et une expérience significative. Tous les systèmes pour les missions prolongées sont dérivés d'équipements éprouvés en vol de haut niveau, notamment le moteur Curie, le Kick Stage, les réservoirs composites Electron et une expertise démontrée dans le guidage, la navigation et le contrôle de lancement et d'engins spatiaux.
La mission la plus récente de Rocket Lab, "As The Crow Flies", était le 9ème lancement d'Electron de la société et elle a vu le Kick Stage d'Electron déployer une charge utile à une altitude de plus de 1 000 km. La mission a démontré avec succès les récentes mises à niveau du système de propulsion Curie imprimé en 3D pour Photon, y compris le passage à une conception à deux propulseurs pour des performances considérablement améliorées.
Photon en particulier a été conçu pour être utilisé à la fois dans les missions LEO et interplanétaires, avec une avionique tolérante aux radiations, une technologie de communication et de navigation capable de l'espace lointain et une propulsion haute performance stockable dans l'espace capable de multiples redémarrages en orbite. La combinaison de Photon et Electron a été conçue comme une solution complète pour les missions LEO, MEO et cis-lunaires réactives, dès le quatrième trimestre 2020.
À propos de Photon :
Le vaisseau spatial Photon est une évolution avancée du Kick Stage éprouvé en vol d'Electron. Avec Electron et Photon, Rocket Lab peut fournir la plate-forme pour une mission complète de petit satellite, y compris le lancement, le segment sol et le bus du vaisseau spatial.
Exploitant une intégration avancée du système de propulsion Curie imprimé en 3D, Photon intègre une génération de puissance élevée, une détermination et un contrôle d'attitude de haute précision et une avionique tolérante aux radiations pour fournir une offre de lancement plus satellite aux clients. Photon est une plate-forme de masse humide d'environ 50 kg, capable de transporter jusqu'à 170 kg de charge utile en orbite terrestre basse.
En tant que véhicule haute puissance et tolérant aux radiations qui prend en charge la communication et la navigation dans l'espace lointain, Photon a été conçu pour des missions au-delà de LEO. Parce que Photon est un vaisseau spatial complet, et pas simplement une étape d'injection, Photon peut déployer une charge utile autonome et toujours héberger des charges utiles supplémentaires plus petites, permettant plusieurs missions sur un seul lancement.
Photon prend en charge les missions qui nécessitent :
• Déploiement orbital précis,
• Déploiement de plusieurs charges utiles sur différents plans/inclinaisons (covoiturages et constellations),
• Survol lunaire, orbite proche du halo rectiligne (NRHO), points L1/L2 ou orbite lunaire basse,
• Des orbites plus hautes qui ne peuvent pas être atteintes avec des lanceurs seuls,
• Une plateforme hébergée pour les charges utiles nécessitant propulsion, puissance et liaison descendante,
• Désorbitation de la charge utile à la fin de la mission.
Le vol du photon intemporel
L'une de mes histoires préférées dans toute la physique est l'histoire de la lumière du soleil car elle touche à un si large éventail de concepts. Je m'excuse pour la longueur de ce message, mais je vous garantis que vous serez éclairé sur de nombreux termes que vous entendez probablement beaucoup parler, mais que peu de gens comprennent. De plus, nous avons appris dans mon article précédent certaines des utilisations importantes de la lumière, mais nous n'avons pas abordé l'utilisation la plus importante de toutes, la vie !
L'histoire de la lumière du soleil, avec presque tout dans l'univers (nous allons ignorer ce qu'on appelle la matière noire pour l'instant), commence avec un atome d'hydrogène. L'hydrogène est l'élément le plus élémentaire et le plus abondant de l'univers, d'où la raison pour laquelle il s'agit de l'élément un du tableau périodique. Aussi parce qu'il est composé d'une particule chargée positivement appelée proton, qui constitue son noyau, et d'une particule chargée négativement appelée électron, qui orbite autour de ce noyau à proton unique. Dans le soleil, ou n'importe quelle étoile, il existe un processus appelé fusion nucléaire qui transforme l'hydrogène en les 92 éléments présents dans la nature. Chaque grain de matière qui compose notre monde physique est forgé au cœur des étoiles et est libéré lorsqu'elles commencent à mourir. Cependant, toutes les étoiles ne produisent pas les 92 éléments, comme notre soleil ne deviendra jamais assez chaud pour fusionner suffisamment d'atomes pour produire des métaux lourds comme l'or. Quand je dis lourd, je fais référence à la masse de l'élément. Plus il y a de particules subatomiques poussées dans le noyau d'un élément, plus il est lourd. Des étoiles de tailles différentes produisent des éléments différents, mais toutes les étoiles commencent par fusionner l'hydrogène en hélium comme notre soleil le fait actuellement.
Dans le noyau du soleil, les atomes d'hydrogène sont accélérés à partir de grandes quantités d'énergie, ou de chaleur, créées par la force de la masse de l'étoile sur elle-même et entrent en collision à très grande vitesse, les fusionnant pour produire de l'hélium. Le soleil doit briser quatre atomes d'hydrogène pour former un atome d'hélium. Les éléments radioactifs créés dans les étapes intermédiaires sont appelés isotopes d'hydrogène. Deux atomes d'hydrogène forment l'isotope stable deutérium, trois l'isotope instable tritium et quatre un atome d'hélium. La différence entre un isotope stable et un isotope instable est l'appariement égal des protons et des neutrons (nous verrons bientôt ce qu'est un neutron) dans le noyau. Un appariement pair, comme un proton et un neutron (deutérium), est stable, mais un appariement inégal, comme un proton et deux neutrons (tritium) ne l'est pas et finit par se décomposer en isotopes stables car il est trop énergétique pour rester ensemble. Cet « effondrement » est connu sous le nom de désintégration radioactive.
Deux atomes d'hydrogène forment l'isotope stable deutérium, trois l'isotope instable tritium et quatre un atome d'hélium.
Si vous êtes un fan des Simpsons, vous vous souvenez peut-être que l'équipe de baseball de Springfield s'appelait The Isotopes. C'était en référence à la centrale nucléaire de la ville, dans laquelle se produit une version forcée et plus violente de ce processus appelée fission nucléaire. Typiquement, les noyaux d'uranium sont chargés de neutrons supplémentaires jusqu'à ce qu'ils atteignent ce qu'on appelle la masse critique. Une fois la masse critique atteinte, les noyaux se séparent et de grandes quantités d'énergie sont libérées car ils ne peuvent pas contenir ce nouvel afflux de neutrons. C'est un peu comme votre ami qui boit trop dans un bar puis vomit partout. Ce « cracher » de neutrons est ce qui nous fournit de l'énergie électrique. Bien que le processus libère de l'énergie, il laisse également diverses formes d'isotopes d'uranium instables qui se désintègrent naturellement en isotopes stables sur parfois des centaines d'années. En effet, l'uranium est un élément tellement plus lourd que l'hydrogène, dont ses isotopes se désintègrent assez rapidement. Ces restes radioactifs sont encore très énergétiques et émettent des ondes gamma et X dommageables (nous avons appris ce qu'elles étaient dans mon article précédent) et c'est pourquoi le confinement est si crucial. Mes excuses pour cette tangente à la fission nucléaire, mais il faut connaître la différence entre fusion et fission. La fusion rapproche les atomes, la fission les déchire.
Revenons donc à l'histoire de la lumière du soleil. Lorsque le soleil parvient enfin à briser quatre atomes d'hydrogène ensemble, deux des protons de l'hydrogène perdent de la masse au cours du processus et deviennent des particules chargées de manière neutre appelées neutrons, faisant un total de deux protons et deux neutrons dans le nouveau noyau d'hélium avec deux électrons en orbite, un pour chaque proton. La masse de protons expulsée, qui deviendra finalement notre lumière solaire bien-aimée, est émise sous forme d'énergie sous la forme d'un rayonnement électromagnétique hautement énergétique (alias lumière) connu sous le nom de rayons gamma. C'est un excellent exemple de la célèbre équation d'Einstein pour l'énergie, E=mc2, à l'œuvre. Cette équation dit que la masse (m) peut être convertie en énergie (E). Si vous avez déjà essayé de perdre du poids, le même concept s'applique. Vous essayez de convertir votre masse en énergie pour la perdre. Cependant, les choses au niveau quantique fonctionnent de manière amusante. Le neutron au lieu d'être moins massif devient en fait plus massif qu'il ne l'était lorsqu'il était un proton. Cela peut être imputé aux particules dans les protons et les neutrons appelés quarks et à la façon dont ils se comportent quelque chose que je laisserai pour un autre article. La partie « C » de l'équation représente la vitesse de la constante de la lumière, ce qui est juste quelque chose qui doit être ajouté selon une formule afin de recevoir un calcul correct et nous verrons pourquoi plus tard.
Nous avons appris dans mon article précédent que le rayonnement électromagnétique est constitué de particules appelées photons. Ces photons gamma nouvellement créés sont au début beaucoup trop dangereux pour la consommation terrestre. Cependant, après des dizaines de milliers d'années passées entre des atomes densément emballés dans le soleil, les photons se fatiguent un peu jusqu'à ce qu'ils deviennent des photons de lumière visible moins énergétiques, ou ce que nous appelons le soleil. Même en voyageant à la vitesse de la lumière, les photons peuvent mettre jusqu'à un million d'années pour échapper au soleil sur une distance de 432 000 milles du noyau à la surface. Bien que cela puisse sembler une longue distance, comparez-le aux 93 millions de kilomètres parcourus par les photons en seulement 8 minutes et il devient évident à quel point ces photons sont réduits en étant continuellement absorbés et émis par la soupe d'atomes dans le soleil. Cependant, une fois qu'ils ont atteint le vide vide de l'espace, ils ont un tir direct vers la Terre.
Lorsque les photons pénètrent enfin dans l'atmosphère terrestre, certains d'entre eux sont absorbés par de minuscules pores sur les feuilles des plantes, appelés stomates, qui convertissent ces photons en énergie chimique. Cela se fait par la synthèse d'atomes d'hydrogène à partir de l'eau dans la plante avec du dioxyde de carbone dans l'air pour créer des sucres. Ce processus, je suis sûr que vous le connaissez, s'appelle la photosynthèse. Puisque les plantes n'utilisent que l'hydrogène de l'eau, elles émettent l'oxygène restant comme déchet et nous respirons littéralement leur merde. Le sucre est stocké puis converti en énergie cinétique pour permettre à la plante de fonctionner. Ce sucre peut cependant être transféré à une créature qui mange la plante et à une créature qui mange cette créature et ainsi de suite. Les animaux (y compris nous) extraient de l'énergie de ces sucres en les faisant réagir avec l'oxygène qu'ils respirent et exhalent le dioxyde de carbone restant des sucres afin qu'une autre plante puisse l'utiliser pour créer plus de sucre et d'oxygène à consommer.
Alors la prochaine fois que vous regardez le soleil (pas directement !), pensez à ce qui se passe à l'intérieur. Pensez à tout ce que la fusion nucléaire vous donne de l'air, de la nourriture - la matière même dont vous êtes fait, et dites merci. Et comme la lumière du soleil réchauffe votre peau, pensez aux dizaines de milliers d'années qu'il a fallu à ces photons pour l'atteindre. Et voici un autre fait intéressant pour vous épater pour ces photons, vous êtes toute leur existence ! Du moins dans notre idée de l'existence. C'est là que le « C » (la constante de vitesse de la lumière) dans E=mc2 entre en jeu. Le photon, qui est l'énergie, voyage à la vitesse de la lumière et c'est pourquoi cette vitesse doit être prise en compte dans chaque calcul d'énergie. C'est "constant". Et selon la théorie de la relativité d'Einstein, le temps ralentit plus vous vous déplacez rapidement par rapport à un autre objet jusqu'à ce qu'il s'arrête complètement à la vitesse de la lumière. Le temps du photon, par rapport au nôtre, n'existe pas. Le photon est considéré comme intemporel. . . enfin au moins jusqu'à ce qu'il soit introduit dans notre réalité lorsque vous l'avez absorbé sous forme de chaleur. Je vais enchaîner sur mon prochain article qui portera sur la théorie de la relativité et la mécanique quantique. D'ici là, restez curieux mes amis !
La réponse est simple : oui, les étoiles produisent vraiment cette beaucoup de photons. Ce calcul est une approximation solide (bien que très approximative) qu'une étoile de la taille du soleil pourrait émettre environ 10^<45>$ de photons visibles par seconde (1 suivi de 45 zéros, un milliard de milliards de milliards de milliards de milliards de photons).
Vous pouvez faire le calcul : si vous êtes à 10 années-lumière de cette étoile, vous êtes néanmoins bombardé par 1 million de photons par centimètre carré à chaque seconde.
Bien que je sois d'accord avec les trois réponses ci-dessus, permettez-moi de présenter une perspective légèrement différente sur le problème.
Il est tentant de considérer la lumière de l'étoile comme un flot de photons qui se comportent comme de petites balles. Cependant, cela est simplifié à l'extrême car un photon est un objet localisé, c'est-à-dire que nous observons un photon lorsque quelque chose interagit avec la lumière et la localise.
La lumière de l'étoile n'est pas une grêle de photons, mais l'étoile transfère de l'énergie au champ quantique de photons et cette énergie se propage radialement et uniformément. Si vous deviez décrire la lumière comme des photons, vous devriez dire que les photons sont complètement délocalisés, c'est-à-dire qu'ils sont répartis sur tout le front d'onde sphérique et que vous ne pourriez pas dire dans quelle direction le photon se déplaçait.
Lorsque l'énergie vous atteint, elle peut interagir avec les molécules de rhodopsine dans votre œil et transférer la valeur d'un photon d'énergie. C'est à ce point, et seulement à ce point, que l'énergie est localisée dans un photon. Même si l'étoile était si faible qu'elle n'émettait que quelques photons d'énergie par seconde, il y aurait toujours une probabilité finie que votre œil puisse interagir avec elle et détecter un photon, bien que cette probabilité soit évidemment ridiculement petite.
Donc, s'écarter ferait peu de différence car tant que votre œil croiserait le front d'onde sphérique quelque part, il y aurait toujours une probabilité finie de détecter un photon et donc de voir l'étoile.
Jetez un œil à ma réponse à Quelques doutes sur les photons pour quelques arguments connexes.
Combien de photons sont encore en vol ? - Astronomie
L'article suivant est paru dans le numéro d'octobre 1992 du Central Arkansas Astronomical Society Observer
Imaginez une étoile lointaine dans la galaxie d'Andromède à deux millions d'années-lumière. Cette étoile brille de mille feux, tout comme d'innombrables autres dans cette roue d'épingle stellaire. L'étoile déverse une énergie énorme sous forme de lumière visible, de rayonnement infrarouge, d'ultraviolet et de nombreuses autres saveurs du spectre électromagnétique. Il émet également de la matière sous forme de particules diverses, dont le mystérieux neutrino. Une star typique.
Et pourtant, un photon de la lumière de cette étoile est sur le point d'effectuer un voyage très atypique.
L'histoire commence vraiment au centre de l'étoile où son moteur nucléaire brûle de l'hydrogène, créant de l'hélium. L'un des produits de ce processus est la lumière visible. Notre photon est créé ici dans cette région infernale et commence son voyage ardu vers la photosphère de l'étoile.
La particule de lumière rebondit constamment d'un atome à l'autre, étant absorbée et réémise un nombre incalculable de fois. Son chemin est sinueux à l'extrême car il se faufile jusqu'à la surface de l'étoile. La température ici se compte en millions de degrés.
Enfin, après ce que certains astronomes pensent être de nombreuses années de ce vol serpentin perpétuel, un point est atteint où la matière stellaire ou le plasma devient transparent et le photon s'envole, avec des milliards d'autres, laissant la photosphère relativement froide maintenant) loin derrière.
Notre intrépide voyageur parcourt l'espace interstellaire d'Andromède en à peine quelques centaines d'années. Pendant ce temps, il fait peu d'appels rapprochés aux étoiles (et planètes ?) voisines. Certains de ses compagnons de voyage sont cependant absorbés par le gaz nébulaire résidant ici. Le seul signe de ces quanta de lumière expirants est un léger échauffement de ce gaz.
Comme s'il passait un dernier panneau indiquant "Pas de gaz pour 100 miles", il passe devant un amas globulaire isolé. La masse de cet amas courbe légèrement le chemin du photon car même la lumière est affectée de cette façon. Il passe ce globe solitaire d'étoiles et pénètre dans le vide de l'espace intergalactique.
Alors que la particule accélère à travers ce vide, elle se déplace presque en ligne droite . Même ici, il est affecté par la gravité. La galaxie d'Andromède exerce toujours son influence, essayant de ramener notre tache de lumière vers son centre. Cependant, la lumière ne varie jamais de sa vitesse toujours constante, du moins dans le vide de l'espace. Même ainsi, la conservation de l'énergie doit être maintenue. Ainsi, au lieu de perdre de la vitesse, le photon change légèrement de couleur vers le rouge. Vous voyez, notre particule est aussi une onde. C'est une idée confuse. C'est comme de l'eau tantôt solide, tantôt liquide, un photon présente à la fois les propriétés d'une particule et d'une onde. Selon la relativité générale, sa longueur d'onde s'allonge au fur et à mesure qu'il gravit une colline de gravité, tandis que le chemin qu'il emprunte est affecté par l'attraction de la gravité comme il le ferait s'il s'agissait d'une particule.
Une autre chose étrange arrive à notre grain de lumière. Comme indiqué précédemment, il essaie de voyager en ligne droite, mais n'y parvient pas tout à fait. Les étoiles affectent sa trajectoire, les amas et même les galaxies le détournent de sa trajectoire. Ce qui est encore plus étrange, c'est que même une fois ces effets pris en compte, il se courbe encore légèrement ! La masse de l'univers entier affecte sa trajectoire. L'espace lui-même est courbe et notre particule suit cette courbe. Dans les deux millions d'années-lumière qu'il parcourt dans sa vie, cette courbe est une influence subtile, mais elle est réelle ! Les astronomes aimeraient beaucoup connaître la forme exacte de cette courbe : positive comme sur une sphère ou négative comme sur une surface en forme de selle. Le photon le sait, mais ne le dit pas.
Pendant le temps de ce passage dans les profondeurs intergalactiques, beaucoup de choses se passent sur notre propre petit monde. Plusieurs périodes glaciaires vont et viennent. Les montagnes rocheuses grandissent. Des animaux étranges s'épanouissent et disparaissent. Pourtant, après tout cela, notre particule n'a toujours pas atteint sa destination. Enfin, la civilisation de l'homme commence à remodeler la planète. Cette période de temps notre période de temps est la dernière moitié d'un pour cent de l'ensemble du voyage. Notre histoire est comme un éclair de graisse dans un feu qui brûle depuis des heures.
Enfin, le photon pénètre dans les confins de notre galaxie de la voie lactée. La gravité de notre maison galactique déplace légèrement la couleur du photon vers le bleu. Son chemin vire encore une fois vers le centre galactique, mais il ne le fait pas si loin même pas près. Il pénètre dans un bras obscur de la spirale étoilée, tombe dedans et est à nouveau entouré d'étoiles. Des points de feu passent, mais aucun n'est assez proche pour l'affecter grandement. Il fait presque un voyage sans incident de l'autre côté de la galaxie. Au lieu de cela, cependant, il rencontre un petit corps sombre de relativité. Au cours des cinq dernières secondes, s'il pouvait voir, il apercevrait un petit point bleu exploser dans un globe remplissant le ciel.
Le photon pénètre dans l'atmosphère terrestre et sa trajectoire est déformée de façon alarmante. Ce n'est pas dû à la gravité, mais à la réfraction lorsque la lentille de notre air s'incline avant sa chute finale vers la campagne nocturne en dessous. Il pénètre dans l'enveloppe de gaz terrestre en un millième de seconde. Beaucoup de ses compagnons de voyage qui ont jusqu'à présent survécu au voyage finissent leur existence en heurtant le sol, des branches d'arbres et même la veste d'un observateur télescopique solitaire. Cependant, notre photon et une poignée d'autres tombent directement dans le canon d'un télescope en attente.
En heurtant le revêtement métallique recouvrant la parabole de verre qui est le miroir primaire, il est absorbé par un atome d'aluminium. Cet atome à la surface de cette très fine couche métallique éjecte ensuite la particule et la renvoie dans le tube. Il rebondit sur le miroir secondaire et pénètre dans l'oculaire. La réfraction s'installe à nouveau et se courbe à nouveau lorsqu'elle traverse le premier élément de lentille. Il vole à travers plusieurs de ces éléments et traverse un petit espace d'air, entrant finalement dans le cristallin vivant de l'œil de l'observateur.
En un temps trop court pour être mesuré, il pénètre dans la cornée et le cristallin de l'œil. Cette lentille est très soigneusement façonnée par un petit muscle afin que le photon et ses compagnons de voyage soient dirigés par réfraction vers un point commun sur la rétine en attente. Ici, notre photon met fin à son existence. Il a un impact sur un capteur de lumière appelé "rod". Le photon dépense son énergie et provoque une réaction photochimique complexe. Les signaux sont envoyés au cerveau via les nerfs situés derrière la rétine. Même lorsque cette information visuelle est envoyée au cerveau de l'observateur, elle est traitée. Ce qui est finalement reçu par le cortex visuel n'est pas un signal qui dit "light" mais un signal qui dit grossièrement "dim pin-point". Cette incroyable chaîne d'événements est plutôt étonnante car le signal n'a même pas encore atteint le cerveau lui-même. Ce qui s'y passe est encore plus étonnant. Tous les points d'épingle sont rassemblés dans le cortex visuel et une image est formée d'une roue d'épingle lointaine doucement brillante. La Galaxie d'Andromède est reconstituée dans l'esprit de l'observateur à partir de fragments de lumière nés dans le ventre des étoiles il y a deux millions d'années !
C'est à cause de photons comme celui-ci que l'astronomie amateur est un passe-temps amusant. Ce sont nos esprits et notre compréhension qui en font un merveilleux. Jour et nuit, un photon ou un autre arrive. Attrapez-en quelques-uns !
Qu'est-il arrivé aux fusées à photons ?
Le concept de fusée à photons a été conçu par Eugen Sänger (1905-1964) dont on se souvient mieux aujourd'hui pour le soi-disant Silbervogel, un concept de bombardier spatial brièvement étudié par la Luftwaffe pendant la Seconde Guerre mondiale. 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. Il a également détecté des photons avec des énergies supérieures à 1 péta-électron-volt (quadrillion d'électron-volt ou PeV), dont un à 1,4 PeV. Ce dernier est le photon le plus énergétique jamais observé.
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 Nature 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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