Inleiding Astrofysica College 2 19 september

Transcriptie

1 Inleiding Astrofysica College 2 19 september Ignas Snellen Wanneer is een ster optimaal zichtbaar? UT = Universal Time = Zonnetijd in Greenwich 21 maart! zon in Lentepunt! UT=12:00! α = 0! GST = 0h GST = (UT-12)+Nx24/365 [N = aantal dagen na 21 maart] LST = GST + L/15 [L = Oosterlengte] GST = Greenwich Sidereal Time 1

2 Rechte Klimming Equinox 0 h 6 h 21 december 21 september 21 maart 21 juni 18 h 12 h Equatoriaal vlak De aardbaan is een ellips Baansnelheid is niet constant! lengte van de dag is niet constant! Analemma van de zon Een jaar is geen 365 dagen, maar dagen! schrikkeljaren 2

3 Andere coordinaten-systemen Voor zonnestelsel: ecliptisch referentie-vlak: aardbaan coordinaten: lengte en breedte nulpunt: lentepunt belang in astrologie! dierenriem Voor Melkwegstelsel: Galactisch referentie-vlak: vlak van de melkweg coordinaten: lengte, breedte nul-punt: centrum van de melkweg Was het maar zo simpel! Precessie: Lentepunt verschuift, maakt een cirkel in 26,000 jaar! specificeer voor equatoriale coordinaten het moment van equinox: Eq=J2000 erg populair Nutatie: massa-middelpunt ligt niet precies op rotatieas. Obliquiteit verandert, vooral door Jupiter Positie van sterren verandert door aardbeweging (parallax) en eigenbeweging 3

4 Astronomische Waarnemingen en Telescopen Waarnemen Optische Telescopen Lenzentelescopen (refractors) en spiegeltelescopen (reflectors) Een telescoop is een waarneeminstrument waarbij licht van een object over een zo groot mogelijk kan worden verzameld. Het licht kan gefocust worden in het brandpunt van een lens, of een parabolische spiegel. In het brandpunt meet een detector het licht op oog Extra lens (oculair) voor Waarnemen met oog Brandpunt voor detector 4

5 Waarnemen Optische Telescopen Lenzentelescopen (refractors) en spiegeltelescopen (reflectors) Alle moderne telescopen zijn spiegeltelescopen Waarnemen Optische Telescopen Lenzentelescopen (refractors) en spiegeltelescopen (reflectors) Waarom willen we een zo n groot mogelijke telescoop? 1. Hoe groter de telescoop, hoe zwakker de objecten die waargenomen kunnen worden. (~D 2, D=spiegeldiameter) 2. Hoe groter de telescoop, hoe scherper het beeld (θ~λ/d) vergroting is van ondergeschikt belang, 5

6 Astrofysica: licht, atomen en energie Licht als electro-magnetische golf Diffractie 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 Waarnemen Optische Telescopen Lenzentelescopen (refractors) en spiegeltelescopen (reflectors) Herinnering: licht als een golf! diffractie Resolutie (Rayleigh Criterion): θ = λ / D 6

7 CCD Detector De CCD maakt gebruik van halfgeleider technologie. het zelfde principe als (CMOS) digitale camera. CCD bestaat uit een grote array van pixels die fotonen omzetten in vrije elektronen. Gedurende de belichting worden de elektronen opgespaard en vastgehouden in de elektrische potentiaalput van de pixel. uitlezen dmv charge-shuffle Negatieve invloed van de dampkring Onze atmosfeer verstrooit licht (Rayleigh en Mie verstrooiing). De luchtmoleculen absorberen licht Turbulentie verpest het golffront! seeing beste locaties: beelden nooit scherper dan

8 Filmpje van seeing effect Airmass Airmass ~ 1/cos(Zenit-afstand) Langere weg door atmosfeer 8

9 Adaptieve Optiek De verpeste golffronten kunnen gedeeltelijk gecorrigeerd worden met vervormbare spiegels 9

10 Telescopen op andere golflengtegebieden o Licht wordt als een golf, of als deeltjes waargenomen o Hoe korter de golflengte, hoe hoger de foton-energie E foton = hν = h c λ h = Js 10

11 Waarnemen Telescopen op andere golflengtegebieden Rontgentelescopen en infraroodtelescopen vanuit de ruimte Rontgentelescoop Nested mirrors Waarnemen Telescopen op andere golflengtegebieden Radiotelescopen moeite om scherp te zien θ = λ / D Golflengte is groot genoeg om signaal als electrische stroom te meten, manipuleren op te slaan Op veel golflengtes kunnen waarnemingen overdag. Wolken geen probleem. Dwingeloo Radiotelescoop 11

12 Waarnemen Telescopen op andere golflengtegebieden Radiotelescopen - interferometrie Westerbork radiotelescoop Atacama Large mm/submm Array ALMA 12

13 Waarnemen Telescopen op andere golflengtegebieden Radiotelescopen Very Long Baseline Interferometrie Telescopen over de hele wereld nemen tegelijkertijd dezelfde radiobron waar, welke (later) gecorreleerd worden. Straling, energie en flux 13

14 Astrofysica: licht, atomen en energie Zwartlichaamstralers (black body) Stralingswetten 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 Astrofysica: licht, atomen en energie Zwartlichaamstralers (black body) Stralingswetten Specifieke eigenschappen! 14

15 Astrofysica: licht, atomen en energie 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 15

16 Sterren zijn bijna zwartlichaamstralers! Kleur! temperatuur van ster (wet van Wien) Helderheid+afstand! grootte van ster (wet van Stefan-Boltzmann) Astrofysica: licht en energie 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 16

17 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! 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 = 9.5x1012 km 1 parsec = afstand waarop een ster een parallax (π) heeft van 1 boogseconde. d= 1/π 1radian = boogseconde 1 parsec = 149.6x106x = 3.08x1013 km 17

18 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 ) 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 18

19 Samenvatting College 2 Behandelde onderwerpen: Telescoop, lens, spiegel, brandpuntsafstand, focus, Rayleigh criterion, resolutie, CCD detector, pixel, dampkring, absorptie, seeing, airmass, adaptieve optiek, Rontgen Telescoop, Infrarood Telescoop, radio telescoop, interferometrie, ALMA, VLBI zwartlichaamstraling, stralingswetten, intensiteit, oppervlaktehelderheid, parallax, parsec, lichtkracht, flux, magnitude, absolute magnitude. Vraagstukken die je nu zou moeten kunnen behandelen: - Berekening van resolutie van een telescoop - Wat is seeing en adaptieve optiek? - Wat is Interferometrie? - 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. 19