Sterrenstelses Søren S. Larsen. Kamer: HG

Transcriptie

1 Sterrenstelses 2016 Søren S. Larsen Kamer: HG

2 Rooster Hoorcollege Søren Larsen Wo 08:45-10:30 LIN 7 Werkcollege Svea Hernandez Wo 10:45-12:30 HG

3 Tentaminering Schriftelijk tentamen Max. 100 punten Computer opdracht Max. 25 punten Huiswerk opdrachten (optioneel maar zeer aan te bevelen) 5 goedgekeurde huiswerk opdrachten tellen als 20 punten (een opdracht) op het tentamen. In plaats van 5 opdrachten moet je dan maar 4 doen! 3

4 Literatuur Sparke & Gallagher, Galaxies in the Universe Hoorcollege slides en diverse informatie: 4

5 Computer opdracht Kleur-magnitude diagrammen, Leeftijden van sterhopen, Geschiedenis van stervorming in (dwerg) sterrenstelsels. Wij maken gebruik van de Python programmeertaal Schriftelijk verslag - max. 25 punten 5

6 Typen van sterrenstelsels Veel verschillende - Vormen/morfologiën (spiraal/elliptisch/onregelmatig) - Massa (~10 5 M M ) - Geschiedenissen van stervorming - etc. etc. 6

7 De Hubble reeks Twee hoofdtypen: Elliptische (E) en spiraal (S) stelsels Vroeg Laat type Sa..Sc = reeks van losheid van spiraalarmen grootte van centrale verdikking (t.o.v. schijf) Hoeveelheid structuur SBa-SBc = Spiralen met een balk Tussenvorm: lensvormige (S0) stelsels. Ook onregelmatige stelsels. Stemvork diagram (Hubble 1930) 7

8 Onregelmatig stelsel: Grote Magelhaense Wolk APOD

9 Sterrenstelsels zijn complexe systemen. Wij hebben geen volledige theorie over hun vorming, evolutie, structuur, etc. Doel van dit cursus: Een overzicht over wat wij weten, en hoe wij dat weten, te geven. 9

10 Overzicht Introductie, historisch overzicht Onze sterrenstelsel - De Melkweg - Structuur - Verdeling van sterren, gas, stof - Kinematica (banen van sterren) - Chemische evolutie De Lokale Groep Spiraalstelsels Elliptische stelsels Onregelmatige stelsels, samensmeltende stelsels, etc 10

11 Dust clouds Galactic centre SMC LMC Optische panorama van de Melkweg 11

12 12

13 NGC 891: Zijaanzicht spiraalstelsel De Melkweg is een spiraalstelsel zoals vele anderen en we wonen erin. Maar hoe weten we dat eigenlijk? 13

14 Wat is de Melkweg? Democritus (~460 BC): de Melkweg bestaat uit het licht van vele verre sterren. Slechts een hypothese! Bewezen door Galileo Galileo rond 1610 door telescopische waarnemingen 14

15 Wat is de Melkweg? Kant, 1755 ( Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels ): Sterren in de Melkweg draaien rond een gemeenschappelijk middelpunt, in een vlak (analoog aan het zonnestelsel). De Zon zit nabij het symmetrievlak. De zwakke nevels kunnen mogelijk andere Melkwegstelsels zijn! Humboldt (1845): Weltinseln - Island Universes 15

16 Nevels Een paar van de helderste zijn met het blote oog zichtbaar. Met zelfs een kleine telescoop zijn vele nevels zichtbaar. Eerste catalogi: - G. B. Hodierna: ~20 objecten (ca. 1650) - Edmond Halley: 6 objecten (1715) - Charles Messier: 103 objecten (~1780), M-nummers (e.g. M31 = Andromedastelsel) - William Herschel (~1800; 2500 objecten) - John Herschel (1864, 5000 objecten) General Catalogue - J. L. E. Dreyer ( , objecten): New General Catalogue en Index Catalogue (NGC and IC nummers) 16 C. Messier W. Herschel J. Herschel J. L. E. Dreyer

17 Herschel s waarnemingen Visuele waarnemingen, tekeningen M51 M64 17

18 Moderne surveys Sloan Digital Sky Survey: 120 megapixel CCD camera 600 spectra gelijktijdig Catalogus van rond de 230 miljoen objekten, spectra van 930,000 sterrenstelsels 18

19 Grootte en vorm van de Melkweg Stertellingen door W. Herschel (1785): Aannames: Alle sterren hebben dezelfde lichtkracht Dichtheid is constant Geen absorptie van licht Sterren kunnen tot de rand gezien worden. Dan d µ N (1/3) stars d=afstand, Nstars= Aantal sterren 19

20 Herschel s kaart van de Melkweg (1785, Phil. Trans. RAS 75, 213) De Zon Absolute afstanden onbekend! 20

21 Kapteyn s Heelal Kapteyn, J.C. 1922, ApJ 55, 302 Stertellingen, eigenbewegingen, radiale snelheden, parallaxes Kalibrering van lichtkrachten van sterren absolute afstanden Eerste schatting van de dimensies van de Melkweg De Zon is dichtbij het centrum (~650 pc), diameter ~15 kpc 21

22 Bolvormige sterhopen Waarnemingen door Harlow Shapley rond sterren in elke bolhoop, waarneembaar op grote afstand 22 Messier 3

23 Shapley s Heelal Verdeling van bolvormige sterhopen is asymmetrisch Als de bolhopen om het centrum van de Melkweg verdeeld zijn, dan moet de Zon ver weg van het centrum zijn. Maar hoe ver weg? Shapley 1930, Star Clusters 23

24 Cepheiden Periode - Veranderlijke sterren - Goed gedefinieerde relatie tussen lichtkracht en periode 24

25 Cepheid period-luminosity relation in the SMC Magnitude Maximum Minimum Period (days) Log Period Leavitt & Pickering, 1912, Harvard Coll. Obs. Circ. 173, 1 25

26 The Cepheid periodluminosity relation Shapley 1918, ApJ 48, 89 26

27 Afstanden van Bolhopen Waarnemingen van (o.a.) veranderlijke sterren in bolhopen afstanden Afstand / 100 pc De Zon staat op een afstand van 15 kpc vanaf het centrum van de Melkweg Melkweg VEEL groter dan in model van Kapteyn! Zon 27 Shapley 1918, ApJ 48, 154

28 Spiraalnevels Rond 1850 observeerde William Parsons, de 3de Graaf van Rosse, een aantal nevels van Herschel s catalogus. Parsons vond spiraalstructuur in 14 van de nevels. De 72 inch (1.5m) telescoop op Birr Castle, Ireland 28

29 Messier 51 W. Parsons, 3rd Earl of Rosse, April APOD, , July 24

30 Messier 99 W. Parsons, 3rd Earl of Rosse, March 1848 KPNO 0.9 m telescope 30

31 Hemelfotografie James Keeler, Director Lick Observatory (1899):..so many other nebulae also proved to be spirals that the classification of Lord Rosse s nebulae in a special list soon lost its significance The number of [..] spiral nebulae in the sky must therefore be immense (>120000) Lick 36-inch Crossley telescoop 31

32 Spiraalstelsels NGC zijaanzicht spiral M74 - Bovenaanzicht spiraal 32 Leo triplet: M65, M66, NGC 3628

33 Elliptische stelsels Messier 87 NGC

34 Radiale snelheden Eerst gemeten door Slipher (voor M31) in 1913 Doel was om de beweging van nevels t.o.v. de Zon te bepalen. Het was al snel duidelijk dat de meeste nevels positieve radiale snelheden hebben. Bovendien zijn deze vaak veel groter dan typische snelheden voor sterren in de Melkweg Slipher 1915: Gemiddeld vr ~ +400 km/s! NGC 4594 draait met vrot ~100 km/s! 34

35 The Great Debate Georganiseerd in 1920 door de National Academy of Sciences (initiatief van George Ellery Hale) Discussie van 14 vragen over afstandsschaal en grotte van de Melkweg Zijn de spiraalnevels extra-galactische objecten, of onderdelen van de Melkweg? 35

36 Harlow Shapley (Mt Wilson): - Spiraalnevels zijn onderdelen van de Melkweg - De Melkweg is zeer groot Heber Curtis (Lick): - Spiraalnevels zijn extragalactisch, vergelijkbaar met de Melkweg - De Melkweg is kleiner dan gesuggereerd door Shapley 36

37 Argumenten van Shapley Volgens de afstanden van bolhopen moet de Melkweg enorm zijn De centrale ligging van de Zon in Kapteyn s model is raar Novae in spiraalnevels moeten belachelijk helder zijn als de spiraalnevels vergelijkbaar met de Melkweg zijn. De positieve radiale snelheden van spiraalnevels kunnen mogelijk door stralingsdruk van de Melkweg veroorzaakt zijn Sommige spiraalnevels hebben rotatieperioden van ~10 5 jaren (gemeten door A. van Maanen, Shapley s vriend) - onmogelijk als spiraalnevels zo groot als de Melkweg zijn. 37

38 Argumenten van Curtis Spiraalnevels hebben grote radiale snelheden. Als zij tot de Melkweg behoren, dan moeten zij ook grote eigenbewegingen hebben. Dit is niet zo. De spectra van spiraalnevels lijken aan die van sterrenhopen - zij bestaan uit sterren! Shapley s afstanden naar bolhopen zijn te groot (Cepheids onbetrouwbaar) Een band van stof is zichtbaar in zijaanzicht spiraalnevels. Een stofring in de Melkweg zou afwezigheid van spiraalnevels (en bolhopen) bij lage galactische breedten kunnen verklaren. Een divisie van novae in twee typen is niet onmogelijk (een SN verscheen in M31 in 1885, bijna zo helder als M31 zelf) Roodverschuivingen kunnen intrinsiek aan spiraalnevels zijn. Rotatie: Geen vertrouwen in de metingen van van Maanen 38

39 Further reading Virginia Trimble 1995, PASP 107, 1133 Virginia Trimble 1996, PASP 108,

40 Resolutie Ontdekking van Cepheiden in M31, M33, NGC 6822 in 1925 door Edwin Hubble. 100-inch telescoop op Mount Wilson sterrenwacht 40

41 Messier Hubble (1926): ApJ 63, 236

42 Cepheiden in M33 Cepheiden in M33 zijn 4.55 mag zwakker t.o.v. die in de Kleine Magelhaense Wolk. M33 is dan 8.1 keer verder weg dan de SMC (D=32 kpc, volgens Shapley), dwz 263 kpc -- M33 is extragalactisch 42

43 Rotatie van spiraalnevels? van Maanen s metingen werden herhaald door Hubble 1935 (ApJ 81, 334). Hij kon ze niet reproduceren. Onduidelijk wat van Maanen verkeerd heeft gedaan. van Maanen 1923, ApJ 57,

44 Moderne waarden Afstand Zon - Het Galactische centrum: 8.5 kpc (Shapley: 15 kpc) Afstand naar M33: 805 kpc (Hubble: 263 kpc) Diverse reden van de verschillen: Cepheid P-L relatie was onzeker in de jaren 1920 De veranderlijke sterren in bolhopen zijn in feit niet Cepheiden naar RR Lyrae sterren 44

45 Afstandsbepaling en structuur van de Melkweg 45

46 Image from: cosmic_distance_ladder.html 46

47 Key Point: methods must overlap in order for more distant ones to be calibrated... Image from: 47

48 Trigonometrische parallax Nabije objecten verschuiven t.o.v., objecten op groter afstand als de waarnemer zich bewegt. A p A De hoek van verschuiving, p, is van afstand afhankelijk 48

49 Parsec (pc) Handige meeteenheid voor (astronomische) afstanden. 1 parsec = 1 parallax second Afstand van een ster die een verschuiving ( parallax ) van een boogseconde heeft. 1 pc = AU = m 49

50 Trigonometrische parallax Nauwkeurigheid van waarnemingen vanaf de grond: δp ~ 1/50 δp ~ 10% als p = 1/5 of d = 5 pc Hipparcos satelliet ( ): δp ~0.001 voor sterren. δp ~10% als p = 1/100 of d = 100 pc GAIA (gelanceerd op 19 Dec 2013): δp ~10-5 boogseconde voor 10 9 sterren. δp ~10% als d = 10 4 pc - Galactic centre! 50

51 Flux-gebaseerde methoden Vergelijking van gemeten (schijnbaar) helderheid (of flux, F) en de werkelijke (absolute) lichtkracht, L. Inverse-square wet: F = L 4 D 2 Als L bekend is en F gemeten wordt, dan volgt de afstand, D 51

52 Schijnbare magnituden De fluxes (F1 en F2) en schijnbare magnituden (m1 en m2) van twee objecten zijn gerelateerd als: m 1 m 2 = 2.5 log 10 ( F1 F 2 Als het nulpunt (zp) van de schaal bekend is, dan is ) m = 2.5 log 10 F + zp De ster Vega wordt vaak als referentie gebruikt: m(vega) 0 52

53 Zon: mv = Volle Maan: mv = Venus: mv = -4.7 Helderste ster (Sirius): mv = Zwakste sterren zichtbaar met het blote oog: mv=6 Zwakste objecten gedetecteerd in Hubble Ultra Deep Field: mv ~

54 Absolute magnituden Ingevoerd door Kapteyn in 1902 Absolute magnitude: M = schijnbare magnitude van een ster als deze vanaf een afstand van 10 pc geobserveerd wordt. Afstandsmodulus: Verschil tussen schijnbare en absolute magnitude, m-m (dus 0 als de afstand 10 pc is) 54