HL 204 HL 207 HL 214 HL 226/228

Transcriptie

1 HL 204 HL 207 HL 214 HL 226/228

2 Inleiding Astrofysica College 3 28 september Ignas Snellen

3 Astrofysica: licht, atomen en energie 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

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

5 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

6

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

8 Astrofysica: licht, atomen 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

9 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!

10 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 1radiaal = boogseconde 1 parsec = 149.6x10 6 x = 3.08x10 13 km

11 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 )

12 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

13 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, Balmerreeks, moleculaire absorptiebanden, absorptie en emissielijnen, zwarlichaamstraling, stralingswetten, intensiteit, oppervlaktehelderheid, 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 van relatieve magnitudes - Berekening van absolute magnitude uit schijnbare magnitude en afstand - Converteren van flux en afstand naar lichtkracht en terug.

14 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

15 Waarnemen Optische Telescopen Lenzentelescopen (refractors) en spiegeltelescopen (reflectors) Alle moderne telescopen zijn spiegeltelescopen

16 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,

17 Waarnemen Optische Telescopen Lenzentelescopen (refractors) en spiegeltelescopen (reflectors) Herinnering: licht als een golf! diffractie Resolutie (Rayleigh Criterion): θ = λ / D

18 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

19 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 0.5-1

20 Filmpje van seeing effect

21 Airmass Airmass ~ 1/cos(Zenit-afstand) Langere weg door atmosfeer

22

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

24

25 Waarnemen Telescopen op andere golflengtegebieden Rontgentelescopen en infraroodtelescopen vanuit de ruimte Rontgentelescoop Nested mirrors

26 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

27 Waarnemen Telescopen op andere golflengtegebieden Radiotelescopen - interferometrie Westerbork radiotelescoop

28 Atacama Large mm/submm Array ALMA

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

30 Ons Zonnestelsel De Aarde als een planeet De rotsachtige planeten dubbelplaneet systeem (Aarde-Maan). Vloeibaar water! oceanen Geologisch Actief! plaattektoniek en vulkanisme Magnetisch veld! beschermt tegen zonnewind Biologische activiteit heeft grote invloed op atmosfeer

31 Hoe oud is de aarde? Lord Kelvin (1862) mat afkoeling van klomp steen: schatting voor aarde = miljoen jaar Ontdekking van radioactiviteit (becquerel 1896)! warmteproductie vertraagt afkoeling van aarde! veel ouder Radiometrische datering (Rutherford 1905): - sommige zware atomen kunnen spontaan vervallen, met halfwaardetijden van miljoenen-miljarden jaren. - wanneer de begin-situatie in een mineraal bekent is, werkt de atoom-verhoudingen als ouderdoms-klok. Uranium 238! Lood 234

32 Hoe oud is de aarde? modernste schattingen: Men neme het kristal Zirkoon (ZrSiO 4 ): vormt bij hoge temperatuur, zonder lood, maar met Uranium. U(235)! Pb (207): halfwaardetijd 700 miljoen jaar U(236)! Pb (206): halfwaardetijd 4.5 miljard jaar Twee onafhankelijk klokken! Oudste gesteenten op Aarde: miljard jaar Meteorieten! zonnestelsel is miljard jaar oud

33 Ons Zonnestelsel Onze Maan De rotsachtige planeten Ontstaan uit een botsing van de aarde met ander object (?) Getijdewerking zorgt voor synchrone rotatie Vulkanische basaltvlaktes (maanzeeen) alleen aan voorkant Getijdewerking zorgt voor steeds langere omloopstijd. Draaiing aarde wordt afgeremd Aarde maan

34 Ons Zonnestelsel De rotsachtige planeten Wat bepaalt de temperatuur op Aarde? Equilibrium temperatuur: Verwachte evenwichtstemperatuur van een planeet door ontvangen energie van de Zon E ontvangen = E uitgezonden Albedo, A: fractie van sterlicht dat wordt gereflecteerd (en dus niet geabsorbeerd). Als zonnewarmte gelijk wordt verdeeld over hele Aarde: T eq = T z (1 A) 1/ 4 [ R z 2d ] 1/ 2 = 255 K! 255 K + broeikaseffect = oppervlaktetemperatuur

35 Ons Zonnestelsel De rotsachtige planeten Hoe warm is het op de maan? geen dampkring warmtegeleiding nihil Albedo van Maan is 0.07 Maximale temperatuur als zon hoog staat Temperatuur aan nachtkant wordt bepaald door afkoelingssnelheid van gesteente Maximale temperatuur: rond de evenaar, in de middag: T eq maan = T eq aarde K Aan het einde van de nacht (na aard-dagen)! -150 celsius

36 Ons Zonnestelsel Mercurius De rotsachtige planeten Iets groter dan onze Maan, hoge dichtheid! grote ijzerkern Elliptische baan! spin-rotatie periode = 58 dagen, jaar duurt 88 dagen. Zon staat stil aan de hemel tijden perihelium! 1 dag duurt 176 dagen! Nachtzijde een van koudste plekken in zonnestelsel Precessie van de baan verklaart met relativiteittheorie

37 Ons Zonnestelsel Venus Even groot als de Aarde Draait in 225 dagen om de zon De rotsachtige planeten Draait in 243 dagen om haar as, in de verkeerde richting! Atmosfeer van koolstofdioxide (96%) Dik wolkendek van zwavelzuur Atmosfeer circuleert in maar 4 dagen om de planeet. Geologisch aktief (vulkanen maar geen plaattektoniek) Enorm broeikaseffect! T eq = 230 K (-43 Celsius) T opp = 643 K (470 Celsius)

38 Aarde! +30 C Venus! +500 C Broeikaseffect Ondoorzichtig voor infraroodstraling! warmt op! straalt terug naar oppervlak Thermische straling zwartlichaam! infrarood!

39 Samenvatting College 3 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 De aarde, leeftijd, ontstaan van maan, getijdewerking, equilibrium temperatuur, albedo, temperatuur op maan, Mercurius, precessie, Venus, Venus-atmosfeer, Venus-rotatie, geologische activiteit, broeikaseffect Vraagstukken die je nu zou moeten kunnen behandelen: - Berekening van resolutie van een telescoop - Wat is seeing en adaptieve optiek? - Wat is Interferometrie? - Hoe weten we de leeftijd van de Aarde? - Berekening van evenwichtstemperatuur op planeet, onder verschillende omstandigheden. - Omschrijving broeikaseffect