Inleiding Astrofysica College 2 15 september Ignas Snellen

Transcriptie

1 Inleiding Astrofysica College 2 15 september Ignas Snellen

2 Samenvatting College 1 Behandelde onderwerpen: Sterrenbeelden; dierenriem; planeten; prehistorische sterrenkunde; geocentrische wereldbeeld; epicykels, retrograde beweging; heliocentrische wereldbeeld; eerste telescoopwaarnemingen; manen van Jupiter; schijngestalten van Venus; wetten van Kepler; zwaartekrachtswet van Newton; de komeet van Halley. Vraagstukken die je nu zou moeten kunnen bespreken: - Wat kan je zo al met het blote oog aan de sterrenhemel zien? - Wat is het verschil tussen het geo- en heliocentrische wereldbeeld? - Wat was het belang van Galilei s waarnemingen aan Jupiter en Venus? - Wat zijn de wetten van Kepler? - Hoe bereken je omloopstijden of afstanden van hemellichamen rond de zon, andere sterren, de Aarde, met behulp van de 3de wet van Kepler? - Wat was het belang van de komeet van Halley? Meer achtergrond Zeilik: Chapter 1 t/m 4 [Pag. 1 89]

3

4 Licht als electro-magnetische golf Basiseigenschappen Licht is electro-magnetische straling: Een electromagnetische golf is een combinatie van een oscilerend electrisch en magnetisch veld dat zich voortplant met de lichtsnelheid. Beschreven door de vergelijkingen van Maxwell

5 Licht als electro-magnetische golf Basiseigenschappen De lichtsnelheid (~300,000 km/sec) is altijd constant en onafhankelijk van de relatieve snelheid van de verzender en ontvanger In tegenstelling tot golven in water en lucht (geluid) is er geen ether nodig Michelson & Morley Experiment (1887) basis van speciale relativiteitstheorie van Einstein

6 Licht als electro-magnetische golf Basiseigenschappen Golflengte (λ) = Afstand tussen twee opeenvolgende intensiteitsmaxima Frequentie (ν) = Aantal golven per seconde ν = c / λ

7

8 Licht als electro-magnetische golf Diffractie, interferentie, refractie en Dopper effect Diffractie is een gevolg van golfvoortplanting. Principe van Huygens: Elk punt dat door een golf in trilling wordt gebracht, wordt zelf een trillingsbron. Gevolgen: licht kan om een rand heen buigen.

9 Licht als electro-magnetische golf Diffractie, interferentie, refractie en Dopper effect Interferentie: Golven kunnen constructief of destructief opgeteld worden elkaar verzwakken of versterken.

10 Licht als electro-magnetische golf Diffractie, interferentie, refractie en Dopper effect Recht vooruit tellen de golven op, onder een hoek verzwakken ze elkaar.

11 Licht als electro-magnetische golf Diffractie, interferentie, refractie en Dopper effect Hoe groter de opening, hoe kleiner de hoek waaronder de golven constructief optellen Belangrijk: dit bepaalt hoe scherp een telescoop kan zien Resolutie (Rayleigh Criterion): θ = λ / D

12 Licht als electro-magnetische golf Diffractie, interferentie, refractie en Dopper effect Refractie: de snelheid van licht vertraagt in een medium (lucht, water, glas) en zorgt voor breking. Dit is afhankelijk van de golflengte.

13 Licht als electro-magnetische golf Diffractie, interferentie, refractie en Dopper effect Doppler effect: verandering van golflengte door snelheidsverschil tussen zender en ontvanger. λ obs = λ emit (1+ v c ) Roodverschuiving Blauwverschuiving

14 Licht als foton - een energiepakketje Quantumfysica, atomen en spectraallijnen Electromagnetische straling kan ook als een stroom van deeltjes (quanta) worden waargenomen. Dit zijn fotonen Energie van een foton E foton = hν = h c λ h = Js o Licht wordt als een golf, of als deeltjes waargenomen o Hoe korter de golflengte, hoe hoger de foton-energie o Basis van de quantumfysica

15 Licht als foton - een energiepakketje Quantumfysica, atomen en spectraallijnen Een atoom bestaat uit een kern van protonen en neutronen, met daar omheen electron(en). Electronen zijn deeltjes met een golfkarakter met specifieke energieniveaus in het atoom. Een electron dat naar een lager energie-niveau terugvalt zendt een foton uit met een specifieke energie (golflengte). ΔE = hν Waterstofatoom spectraallijnen

16 Licht als foton - een energiepakketje Quantumfysica, atomen en spectraallijnen Het waterstofspectrum

17 Elk atoom heeft zo zijn eigen vingerafdruk

18 Moleculen vibreren en roteren, en hebben absorptiebanden. Op hoge resolutie lossen deze banden op in individuele lijnen.

19 Spectraallijnen in absorptie of emissie?

20 Zwartlichaamstralers (black body) Stralingswetten 1. Vrije atomen geven lijnstraling 2. Moleculen geven banden (bestaande uit vele lijnen) 3. Een object van hoge dichtheid geeft een continu-spectrum. Een object dat alle straling uit de omgeving absorbeert (zwart dus reflecteert niks), zendt energie uit volgens de stralingswet van Planck, en is een Zwartlichaamstraler of Black Body

21 Zwartlichaamstralers (black body) Stralingswetten Specifieke eigenschappen!

22 Zwartlichaamstralers (black body) Stralingswetten Specifieke eigenschappen zwartlichaamstraler Wet van Stefan-Boltzmann: totale uitgestraalde energie I tot = σt 4 σ = Wm 2 K 4 Wet van Wien Piek van het spectrum: λ max = /T eff [m] Bij lange golflengte is de oppervlaktehelderheid van een zwartlichaamstraler evenredig met de temperatuur! Rayleigh-Jeans fomule B λ (T) = 2ckT λ 4

23 Sterren zijn bijna zwartlichaamstralers! Kleur! temperatuur van ster (wet van Wien) Helderheid+afstand! grootte van ster (wet van Stefan-Boltzmann)

24 Intensiteit, lichtkracht, flux en magnitude Begrippen en grootheden: Lichtkracht L: Totale uitgezonden straling door een object. Flux: Ontvangen hoeveelheid straling (per oppervlakte eenheid) van een object, per interval van tijd Flux dichtheid (flux density) F: flux per interval van frequentie/ golflengte. Hangt af van de afstand (d). In het geval van een sferische object, bijv. een ster: L = F 4πd 2 F = L 4πd 2

25 Astrofysica: licht, atomen en energie Intensiteit, lichtkracht, flux en magnitude Begrippen en grootheden: Intensiteit I: Intrinsieke eigenschap van een object Uitgestraalde energie per interval van tijd (sec), frequentie (Hz) of golflengte (m), oppervlakte (m2) en ruimtehoek (sr = steradiaal) Oppervlaktehelderheid: Ontvangen hoeveelheid straling (per oppervlakte-eenheid) per interval van tijd, frequentie/ golflengte, ruimtehoek. Zon gezien vanaf de aarde Oppervlaktehelderheid is het zelfde Vanaf mercurius Oppervlaktehelderheid is onafhankelijk van de afstand!

26 Afstanden en eenheden Het is ontzettend belangrijk voor sterrenkundigen om werkbare eenheden van afstand te hebben. Binnen ons zonnestelsel: Gemiddelde afstand zon-aarde = 1 Aardse eenheid (AE) = 1 Astronomical Unit (AU) = 149,6 miljoen km Tussen de sterren: 1 lichtjaar = x86400x km = 9.5x10 12 km 1 parsec = afstand waarop een ster een parallax (π) heeft van 1 boogseconde. d= 1/π 1radian = boogseconde 1 parsec = 149.6x10 6 x = 3.08x10 13 km

27 Flux en lichtkracht versus Schijnbare magnitude en absolute magnitude " Voor sterrenkundigen is het van groot belang om een praktische eenheid van flux te hebben: " Gemeten flux (in W/m2) afhankelijk van waargenomen golflengtegebied! nietszeggende eenheden [van ster X hebben we tussen 610 en 735 nm een flux gemeten van 3.5x10-11 W/m 2 ] " Schijnbare magnitude (m): - onafhankelijk van het golflengtebereik heeft ster Wega een schijnbare magnitude van NUL (0.0) - de magnitude heeft een negatief logaritmische schaal m a m b = 2.5 log 10 (F a /F b )

28 Flux en lichtkracht versus Schijnbare magnitude en absolute magnitude m a m b = 2.5 log 10 (F a /F b ) " Hoe lager de magnitude, hoe helderder het object. " Een ster met m=6 is nog net met het blote oog te zien " Elke 2.5 magnitude komt overeen met een factor 10 in flux " Objecten helderder dan Wega hebben een negatieve mag. (Zon = -26.7, Venus =-3.3 tot -4.4 volle maan = -12.5) Intrinsieke lichtkracht wordt ook uitgedrukt magnitude! de absolute magnitude (M) = schijnbare magnitude op 10 parsec afstand. M = m + 5 5log 10 (d[pc]) M-m = afstandsmodulus

29 Samenvatting College 2 Behandelde onderwerpen: Licht, golf, foton, lichtsnelheid, golflengte, frequentie, spectrum, gammastraling, Rontgen, ultraviolet, optisch, infrarood, radio straling, diffractie, interferentie, refractie, Doppler effect, lijnspectrum, Balmer-reeks, moleculaire absorptiebanden, absorptie en emissielijnen, zwarlichaamstraling, stralingswetten, intensiteit, oppervlakte-helderheid, parallax, parsec, lichtkracht, flux, magnitude, absolute magnitude. Vraagstukken die je nu zou moeten kunnen behandelen: - Berekening van het Doppler effect - Hoe ontstaat lijn-emissie? - Wanneer zie je een lijn in absorptie of in emissie? - Berekening van de Energie-output van een zwartlichaamstraler - Berekening afstand van parallax - Berekening van relatieve magnitudes - Berekening van absolute magnitude uit schijnbare magnitude en afstand - Converteren van flux en afstand naar lichtkracht en terug.