Spectroscopie. ... de kunst van het lichtlezen... Karolien Lefever. u gebracht door. Instituut voor Sterrenkunde, K.U. Leuven

Transcriptie

1 Spectroscopie... de kunst van het lichtlezen... u gebracht door Instituut voor Sterrenkunde, K.U. Leuven

2 Spectroscopie en kunst... Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum... Het fingerspitzengefühl van het reductieproces... Het aflezen van karakter eigenschappen via het spectrum... 2/40

3 Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum... Zonnespectrum - horizontale banden - kleuren van de regenboog - vertikale streepjes (soms donkerder/breder)

4 Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum... Zonnespectrum - horizontale banden - kleuren van de regenboog - vertikale streepjes (soms donkerder/breder) 4000 Å 8000 Å

5 Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum... Zonnespectrum - horizontale banden - kleuren van de regenboog - vertikale streepjes (soms donkerder/breder)

6 De kleuren van de regenboog... 6/40

7 De kleuren van de regenboog... (vervolg) Dualiteit van het licht Licht kan men op twee verschillende manieren interpreteren. Afhankelijk van wat men wil uitleggen gebruikt men de ene of de andere interpretatie... Fotonen of lichtdeeltjes (emissie en absorptie) Golven (beweging) Karakteristieke grootheden: - amplitude, - frequentie ν, - golflengte λ. Atoom (kern + elektronen) die een foton uitstuurt 7/40

8 De kleuren van de regenboog... (vervolg) De golflengte λ (in Å of μm, resp en 10-6 m) wordt o.a. gebruikt om de soort straling die we observeren in categorieën onder te verdelen: categorie UV visueel licht IR ~ ~ ~ golflengterange energie kort (< 4000 Å) middellang ( Å) lang (> 7800 Å) hoog middelmatig laag Straling bij een welbepaalde golflengte wordt gezien als kleur => kleuren van de regenboog... 8/40

9 Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum... Zonnespectrum - horizontale banden - kleuren van de regenboog - vertikale streepjes (soms donkerder/breder)

10 De vertikale streepjes... Fysica-uitstapje... de wetten van Kirchhoff (Duits natuurkundige ) WET 1: een dicht heet gas brengt een continue spectrum voort WET 2: een dun heet gas veroorzaakt een helder lijnenspectrum (emissielijnen) WET 3: een koud gas absorbeert licht van een lichtbron met een continue spectrum (absorptielijnen) 10/40

11 De vertikale streepjes... (vervolg) Chemie-uitstapje... Moleculen kunnen uit één of meerdere atomen bestaan. Atomen kunnen zich in verschillende energietoestanden bevinden. Als atoom kunnen ze aanleiding geven tot absorptie- en emissielijnen. HOE? Excitatie atoom Deëxcitatie Ionisatie Recombinatie Ook: geïnduceerd (cfr; laser) atoom Atoom -> ion + elektron Ion + elektron -> atoom/ion => continuumstraling 11/40

12 De vertikale streepjes... (vervolg) Chemie-uitstapje... (vervolg) Dus... Als een elektron van een hoger energieniveau naar een lager springt, zendt het atoom een foton uit met een energie gelijk aan het verschil in energie tussen de 2 energieniveau's. Analoog kan een atoom enkel een elektron van een lager naar een hoger energieniveau brengen als het een foton met de juiste energie kan absorberen (één met een andere energie kan dit niet) Alleen welbepaalde golflengtes van fotonen kunnen door atomen geabsorbeerd en geëmitteerd worden... 12/40

13 De vertikale streepjes... (vervolg) Terug thuis: de spectraallijnen... Definitie spectraallijn : Emissie of absorptie op een welbepaalde golflengte, veroorzaakt door een welbepaalde elektronenovergang binnen een atoom, molecule of ion. De donkere lijnen in een absorptiespectrum en de heldere lijnen in een emissiespectrum worden veroorzaakt door een overgang van een elektron van het ene energieniveau naar het andere... Het energieverschil tussen de niveau's bepaalt de energie van het uitgestraalde foton en bepaalt dus of het in het visueel, IR, UV, X-stralen of γ-stralen wordt waargenomen. 13/40

14 De vertikale streepjes... (vervolg) Voorbeeld: het waterstofatoom H energieniveau Stijgende golflengte Herinner: hoger energieverschil = straling bij kleinere golflengte 14/40

15 De vertikale streepjes... (vervolg) BESLUIT: Elk element absorbeert licht bij een bepaalde golflengte: Als dat element in de koele atmosfeer van de ster zit, dan zullen die atomen het licht op die welbepaalde golflengte absorberen en de lijn produceren. Elk element heeft dus een specifieke signatuur (een specifieke set van lijnen) 15/40

16 De vertikale streepjes... (vervolg) Klein kwisje... Welke elementen zitten in de steratmosfeer die het volgend spectrum oplevert? 16/40

17 De vertikale streepjes... (vervolg) Of in het volgende? 17/40

18 Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum... Solar spectrum zonnespectrum - horizontale banden - kleuren van de regenboog - vertikale streepjes (soms donkerder/breder) Hoe zien andere spectra er dan wel uit?

19 Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum... Hoe zien andere spectra er dan wel uit? Waarneming met het blote oog... Rigel Sirius Deneb Zon Aldebaran Betelgeuse spectraal type blauw B8 Iab blauw-wit A1 V wit A2 Iae geel G2 V oranje-rood K5 III rood M2 Iab Vanwaar dat verschil in kleur? 19/40

20 Hoe zien andere spectra er dan wel uit? (vervolg) verschuivingswet van Wien: λmaxt = constant 20/40

21 Hoe zien andere spectra er dan wel uit? (vervolg) 21/40

22 Hoe zien andere spectra er dan wel uit? (vervolg) Indeling sterren volgens hun spectrum: spectraaltypes Afhankelijk van de oorspronkelijke massa en leeftijd van de ster is de temperatuur verschillend => verschillende spectra van licht: 22/40

23 Hoe zien andere spectra er dan wel uit? (vervolg) Spectraaltypes: O Oh, Bv: B A Be A Rigel Sirius Deneb (B8 Iab) (A1 V) (A2 Iae) F G K M Fine Guy Kiss Me! Zon (G2 V) Aldebaran Betelgeuse (K5 III) (M2 Iab) 23/40

24 Hoe zien andere spectra er dan wel uit? (vervolg) Spectraaltype... OBAFGKM onderverdeeld... bv; O9.5 Helderheidsklasse... Ia Ib II III IV V VI VII B0 A1 heldere superreuzen superreuzen heldere reuzen reuzen subreuzen dwergen subdwergen witte dwergen F0 G3 K5 Rigel, Deneb, Betelgeuse Aldebaran Zon, Sirius 24/40

25 Spectroscopie en kunst... Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum... Het fingerspitzengefühl van het reductieproces... Het aflezen van karakter eigenschappen via het spectrum... 25/40

26 Van sterlicht tot spectrum...? 26/40

27 Van sterlicht tot spectrum... (vervolg) foto: Euler telescoop met CORALIE spectrograaf 27/40

28 Van sterlicht tot spectrum... (vervolg) Ruwe CCD-beeldjes Echelle spectra: stellair beeldje 28/40

29 Van sterlicht tot spectrum... (vervolg)!!! NIET ZO VANZELFSPREKEND!!! De verschillende stappen van het reductieproces: Correctie voor het nulniveau van de CCD Correctie voor achtergrondstraling Correctie voor de hemelbijdrage Correctie voor de variatie in pixelgevoeligheid Golflengtecalibratie Ordes 'aaneenplakken' Normering 29/40

30 Van sterlicht tot spectrum... (vervolg) 30/40

31 Van sterlicht tot spectrum... (vervolg) 31/40

32 Spectroscopie en kunst... Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum... Het fingerspitzengefühl van het reductieproces... Het aflezen van karakter eigenschappen via het spectrum... 32/44

33 Het aflezen van karakter eigenschappen uit het spectrum... Een spectrum vertelt heel veel over de ster waaruit het voortkomt... De uitdaging is er de informatie uithalen die je nodig hebt... WELKE INFORMATIE? Karakteristieken van de ster zelf Temperatuur Graviteit Straal Abondanties (He/Si) Karakteristieken van de sterrenwind Massaverlies Snelheidsverloop Snelheid oneindig ver weg van de ster 33/40

34 Effectieve temperatuur Sterstraal of Windkarakteristieken Effectieve graviteit

35 Het aflezen van karakter eigenschappen uit het spectrum... HOE in het algemeen? Theoretische modellen Bevatten alle tot nu toe gekende theorie (fysica/chemie) over het inwendige van de sterren... Voorspellen hoe het spectrum er zou moeten uitzien... 35/40

36 Het aflezen van karakter eigenschappen uit het spectrum... HOE doe ik het? Code FASTWIND Voorspelt spectra voor de heetste sterren (spectraal type O, B en A) Grid van theoretische modellen: +/ modellen koel heet temp. windstil briesje storm abondanties graviteit solair, metaalrijk, metaalarm Massaverlies en windsnelheid groot klein R* v trage snelle verandering in windsnelheid dwergen superreuzen hoge lage grav. 36/40

37 Voorbeeld 1: Effectieve Temperatuur Theoretische spectraallijnen Geobserveerde spectraallijnen Flux Si II Teff = K Teff = K Teff = K Teff = K Flux Si III Teff = K Teff = K Teff = K 37/40

38 Voorbeeld 2: Oppervlaktegraviteit log g Theoretische spectraallijnen flux flux Geobserveerde spectraallijnen log g = 3.3 log g = 3.1, 3.3, 3.5 log g = 3.1, 3.3, /40

39 Conclusie 39/40

40 Bedankt voor uw aandacht!