Inleiding Astrofysica

Transcriptie

1 Inleiding Astrofysica Hoorcollege I 11 september 2017

2 Welkom n Doel: het college Inleiding Astrofysica vormt de basis voor de studie sterrenkunde en fungeert als inleiding voor alle andere sterrenkunde colleges. Maar omdat alle aspecten van de moderne sterrenkunde revue passeren is het ook een interessant keuzevak voor natuurkunde studenten. n Gerelateerde vakken: n n PrakCsche Sterrenkunde (met excursie naar ArCs op 25 september) Planetenstelsels

3 PrakCsche informace n Docent: Henk Hoekstra n Assistenten: Bas Zoutendijk, Julia Wasala, Gerben Jolink, Amy Louca, Sanna Heesakkers, Rosalie Hoogenboom n 11 hoorcolleges; 6 werkcolleges n Alle informace op de website: hvp://strw.leidenuniv.nl/~hoekstra/teaching/iaf/iaf.html

4 Website Op de website vind je: n Schema van colleges volgende college is volgende week woensdag in G03 n Slides hoorcolleges n Filmpjes van colleges in voorgaande jaren n Opgaves werkcolleges n Oude tentamens (het college is wel iets veranderd!)

5 FoundaCons of Astrophysics Het college is gebaseerd op Foundations of Astrophysics. Lees de stof voor het college door zodat je al enige kennis van het onderwerp hebt. Eventueel is Astronomy: a physical perspective (Kutner) te gebruiken als alternatief.

6 Toetsing n Schriaelijk tentamen: 19 december n Indien het gemiddelde huiswerkcijfer hoger is dan het tentamencijfer dan telt het tentamen voor 85% en het huiswerk voor 15%. Als het huiswerkcijfer lager is dan het tentamencijfer dan telt het tentamencijfer voor 100%. n Als je het vak niet hebt gehaald, is er een schriaelijk hertentamen op 10 januari 2018; dit telt voor 100%.

7 Werkcolleges n Er zijn 6 werkcolleges; onderverdeling in 5 werkgroepen. n Registreer jezelf via blackboard! Geen registra+e, geen indeling in werkgroep. n Opgaves zijn twee weken van tevoren beschikbaar op de website. n Elke opgave bevat één of meer inleveropgaves die voor aanvang van het desbetreffende werkcollege moet worden ingeleverd om in aanmerking te komen voor de huiswerkbonus. n Uitwerkingen worden niet elektronisch beschikbaar gesteld.

8 Onderwerpen hoorcolleges n Inleiding, coördinaten, geschiedenis n Hemelmechanica, zwaartekracht n InteracCe van straling en materie n DetecCe van licht n Zon en het zonnestelsel n Het zonnestelsel in perspeccef n Sterren (2x) n SterevoluCe n Melkweg en andere sterrenstelsels n Kosmologie

9 Excursie naar het ArCs Planetarium Dit speciale college voor alle studenten IAF wordt verzorgd door Michiel Hogerheijde op maandag 25 september in het Artis planetarium. Verkenning van de sterrenhemel Demonstratie hemel-coördinaten en tijd Planetarium show: reis door het heelal Vanaf 17:00 verzamelen bij de hoofdingang van Artis (Plantage Kerklaan 38) 17:30: samen naar binnen 19:00: einde

10 Vragen?

11 Sterrenkunde is empirisch Binnen de exacte wetenschappen is sterrenkunde een buitenbeentje: we kunnen alleen maar kijken! Vooruitgang wordt (deels) bepaald door ons vermogen om steeds beter naar het Heelal te kijken. Daarom willen we steeds dieper en scherper kijken, maar ook het bestuderen van verschillende delen van het elektromagnetisch spectrum, omdat deze andere processen bloot kunnen leggen.

12 Wat bestuderen we? Astronomie (ἀστρονοµία) is een combinatie van de Griekse woorden ἀστρον (ster) en νοµoσ (wet): Objecten aan de hemel zijn niet willekeurig, maar kunnen wetmatig worden beschreven. Tegenwoordig is sterrenkunde niet beperkt tot sterren maar bestuderen we alle objecten in het Heelal. astrofysica: the relatie tussen hemelobjecten en de onderliggende natuurkunde. kosmologie: de studie van de structuur en evolutie van het Heelal als geheel.

13 Technologie is belangrijk

14 De sterrenhemel Wanneer we naar de sterrenhemel kijken, hebben we geen informatie over de afstanden tot hemellichamen: we zien een projectie van de hemel. Wel kunnen door langer waar te nemen opmerken dat de maan, de Zon en planeten zich voor de sterren langs bewegen. Bovendien kan de Maan voor de Zon langs gaan!

15 De sterrenhemel Sterren zien er allemaal hetzelfde uit. Hoe leg je uit naar welke ster je kijkt?

16 Coördinaten-systemen Om een positie op een hemelbol weer te geven heb je twee coördinaten nodig, met één nulpunt en één referentievlak.

17 Coördinaten-systemen Voor een waarnemer is er een simpel coördinaten-systeem: neem de horizon als referentievlak (loodrecht op het zenit) en het noorden als nulpunt. Coördinaten: hoogte en azimut (eenheden: graden, boogminuten, boogseconden, of uren, minuten, seconden)

18 Hoogte-azimut systeem Het hoogte-azimut systeem lijkt handig, maar het is verschillend voor waarnemers op verschillende plekken op Aarde: het zenit voor iemand in Buenos Aires is het nadir voor iemand in Shanghai.

19 Wie beweegt er? Bovendien staan we niet stil: De aarde draait om haar as. De aarde draait om de zon. De moderne mens heeft er duizenden jaren over gedaan om de beweging van de sterren aan de hemel te begrijpen, en te koppelen aan de beweging van de aarde.

20 Draaiing van de Aarde om haar as

21 Draaiing van de Aarde om haar as De sterren volgen een cirkelbaan parallel aan de hemelequator: in 23 uur en 56 minuten verandert de uurhoek met 360 o.

22 Draaiing van de Aarde om haar as Z Meridiaan uurhoek hoogte O W

23 Dagelijkse gang van sterren =circumpolair =hemelequator Op een gegeven CjdsCp kunnen we de hela van de hemel zien namelijk het deel boven de horizon; door de draaiing van de Aarde verandert ons gezichtsveld.

24 Dagelijkse gang van sterren Aoankelijk van de posice op Aarde: - is een gedeelte van de sterren alcjd zichtbaar - is een gedeelte van de sterren nooit te zien - is de rest van de sterrenhemel soms te zien: belangrijk wanneer!

25 Een beter system De uurhoek verandert omdat de meridiaan gekoppeld is aan de meridiaan van de waarnemer. We hebben een systeem nodig dat de positie definieert ten opzichte van een meridiaan op de hemelbol*: we meten de lengte oostwaarts van het lentepunt. Deze hoek noemen we de rechte klimming α. De hoogte ten opzichte van de hemelequator noemen we de declinatie δ. * Greenwich definieert zo de nul-meridiaan op aarde.

26 Equatoriaal coördinaat-systeem =Lentepunt

27 Dagelijkse gang van sterren Voor een waarnemer op het noordelijk halfrond met breedtegraad b staan sterren met declinace δ>90 o -b alcjd boven de horizon: dit zijn circumpolaire sterren.

28 Beweging van hemellichamen De rechte klimming en declinatie (equatoriale coördinaten) van sterren veranderen niet noemenswaardig over een periode van een paar jaar. De Zon beweegt (t.o.v. de sterren) bijna 1 o per dag oostwaarts, vanwege de baan van de Aarde rond de Zon. Daarom is een sterrendag 4 minuten korter dan een zonnedag. De Maan beweegt ongeveer 13 o per dag oostwaarts (t.o.v. de sterren), omdat deze in 27.3 dagen om de Aarde draait; en 12 o per dag oostwaarts t.o.v. de Zon: pas na 30 dagen staat de Maan op dezelfde plek t.o.v. de Zon! Een maandag is 50 minuten langer dan een zonnedag.

29 Beweging van hemellichamen De schijnbare beweging van Mars t.o.v. de sterren: deze retrograde beweging is het gevolg van het verschil in omloopsnelheid van de Aarde en andere planeten.

30 SterrenCjd en zonnecjd De lengte van een dag is het interval tussen opeenvolgende culmina8es van een hemellichaam. Sterren culmineren elke 23 h 56 m omdat dit overeen komt met de rotaceperiode van de Aarde: dit is een siderische dag. De periode tussen twee culminaces van de Zon is een zonnedag of dag. Dit is 24 h 00 m en is wat we als klok gebruiken. Waarom is er een verschil?

31 RotaCeperiode van de Aarde De rotaceperiode van de Aarde is 23 h 56 m : de Aarde moet per dag 4 minuten extra draaien om de zon op dezelfde plaats te krijgen: 23 h 56 m + 00 h 04 m = 24 h 00 m.

32 Baan van de Aarde rond de Zon De Zon heeft een schijnbare beweging ten opzichte van de sterren. De baan die zij volgt noemen we de ecliptica. Het stuk sterrenhemel wat op een bepaald moment van het jaar in de richting van zon staat kunnen we niet zien: Alleen overdag zichtbaar! De oriëntatie van de aarde t.o.v. de sterrenhemel bepaalt de siderische tijd of sterrentijd : Belangrijk voor waarnemen!

33 EclipCca De Zon kruist de hemelevenaar twee maal per jaar: het lente- en herfstpunt. Dit zijn de equinoxen.

34 De seizoenen De hoek van 23.5 o tussen de ecliptica en de equator is de obliquiteit: dit is de oorsprong van de seizoenen

35 De seizoenen Rond de zomersolstice ontvangt het noordelijk halfrond meer zonlicht per vierkante meter.

36 De dierenriem en de seizoenen De sterrenbeelden in de ecliptica (de zodiak of dierenriem) geven de seizoenen aan: belangrijk voor landbouw!

37 De dierenriem als kalender Stonehenge, Engeland Veel prehistorische objecten hebben een astronomische link: het was essentieel om te overleven!

38 PrakCsch waarnemen Voor het equatoriaal coördinatensysteem nemen we het lentepunt als nulpunt. Nu kunnen we uitrekenen waar we onze telescoop moeten richten. Benodigdheden: Lokale siderische tijd (sterrentijd) = rechte klimming van de sterren die op dat moment precies door het zuiden gaan. Breedtegraad: geeft aan hoe hoog de sterren door het zuiden gaan Hiermee kunnen de hoogte en azimut van een ster berekend worden.

39 PrakCsch waarnemen Siderische tijd in Greenwich + lengtegraad Lokale SterrenTijd = Local Siderial Time (LST) Tijd + positie op aarde à positie van ster Positie van ster + tijd à positie op aarde (navigatie!)

40 PrakCsch waarnemen tijdens culminatie: RA = LST Alt = 90 - b δ HA = RA LST Z Meridiaan Uurhoek hoogte O W

41 Wanneer culmineert een ster? UT = Universal Time = Zonnetijd in Greenwich 21 maart à Zon in lentepunt à UT=12:00 à α = 0 à GST = 0h GST = (UT-12)+Nx24/365 [N = aantal dagen na 21 maart] LST = GST + L/15 [L = Oosterlengte] GST = Greenwich Sidereal Time

42 De Zon als klok? elliptische aardbaan obliquiteit De baansnelheid is niet constant: de lengte van de dag varieert! De tijdsvereffening is het verschil tussen de ware tijd en de middelbare tijd.

43 Analemma van de Zon De positie van de Zon op een bepaald tijdstip varieert: het resulterende patroon noemen we het analemma.

44 Andere coördinaatsystemen De meeste objecten in het Zonnestelsel bevinden zich in het vlak van de ecliptica. Voor dergelijk werk zijn een Ecliptische coördinaten handig: referentie-vlak: aardbaan nulpunt: lentepunt Voor studies waar positie en oriëntatie van de Melkweg van belang is zijn Galactische coördinaten handig: referentie-vlak: vlak van de melkweg nulpunt: centrum van de melkweg

45 ComplicaCes Precessie: het lentepunt maakt een cirkel in 25,800 jaar. Het verschuift met 50.3 per jaar*. Voor equatoriale coördinaten moet het moment van de equinox worden gespecificeerd: J nu standaard. *Hipparchus ( v. Chr.) bepaalde een waarde van 48 /jaar!

46 ComplicaCes Nutatie: het massa-middelpunt ligt niet precies op de rotatie as. De belangrijkste schommeling heeft een periode van 18.6 jaar en een amplitude van 10. Obliquiteit en baaneccentriciteit: veranderen, vooral door Jupiter. Obliquiteit varieert tussen 22.1 o en 24.5 o met een periode van ongeveer 41,000 jaar. variatie in obliquiteit

47 Een oude wetenschap Sterrenkunde was belangrijk voor de Babyloniërs (die een sexagesimaal stelsel hadden) en de oude Grieken. In de middeleeuwen ook veel Arabische bijdragen: veel namen van sterren zijn Arabisch, net als woorden als nadir en azimut (zenit is door schrijffouten verbasterd). Azteekse kalender

48 Afstanden in het Zonnestelsel De Grieken realiseerden zich dat de ruimte 3d is, waardoor ze een aantal fenomenen konden verklaren, zoals de fasen van de Maan en zonsverduisteringen. Aristoteles ( v. Chr.): de Aarde is rond: - zwaartekracht trekt dingen naar het centrum. - de schaduw van de Aarde op de maan tijdens een eclips. - welke sterren zichtbaar zijn als functie van breedte. - er zijn olifanten in Marokko en India!? Maar hoe groot is de Aarde? En hoe ver weg staan de Maan en de Zon?

49 Hoe groot is de Aarde? α=360 /50 =7 12 omtrek=50 D = stadiën Eratostenes: de omtrek van de Aarde is 46,000km (werkelijke omtrek is 15% kleiner: 40,000km).

50 Afstanden in het Zonnestelsel Aristarchus ( v. Chr.): de Aarde draait om de Zon! Met dit heliocentrische model kon hij de relatieve afstanden tot de Zon en de Maan bepalen! Hij bepaalde C 19A (in werkelijkheid C 390A)

51 Diameter van Zon, Maan & Aarde verhouding diameters Maan:Aarde:Zon Aristarchus: 1:3:19 Werkelijk: 1:4:390

52 Model van Ptolemaeus Ptolemaeus (ca n. Chr.): Grieks geocentrisch model beschreven in de Almagest (=het beste): het model is geometrisch en harmonieus. De sterren bewegen op cirkels rond de pool met een periode van een siderische dag. De Zon beweegt oostwaarts (t.o.v. de sterren) langs de ecliptica met een hoeksnelheid van 1 /dag. De Maan beweegt oostwaarts (t.o.v. de sterren) dichtbij de ecliptica met een hoeksnelheid van 13 /dag. De planeten Mercurius, Venus, Mars, Jupiter en Saturnus bewegen meestel oostwaarts (t.o.v. de sterren), maar niet altijd. Het model is gebaseerd op uniforme cirkelbanen met de Aarde in het centrum (=geocentrisch)

53 Model van Ptolemaeus

54 Model van Ptolemaeus De Aarde staat iets verwijderd van het middelpunt van de baan van de Zon (om de variabele beweging van de Zon langs de ecliptica te verklaren) Om de retrograde banen van de planeten te beschrijven introduceerde hij epicycles.

55 Geen waarneembare parallax Astronomen konden geen variatie (parallax) in de posities van sterren waarnemen. Dit komt omdat de afstand tot de meest nabije ster 270,000x groter is dan de afstand Aarde-Zon. Dit was niet te bevatten voor de middeleeuwse wetenschappers

56 Renaissance: heliocentrisch model Copernicus ( ): nog steeds cirkelbanen en epicycles, maar wel een stuk eenvoudiger met de Zon in het middelpunt.

57 Renaissance: heliocentrisch model Galilei ( ): waarnemingen met een telescoop die het heliocentrisch model direct ondersteunden (i.p.v. een model waarmee het eenvoudiger rekenen was). Manen van Jupiter Kraters op de maan

58 Renaissance: heliocentrisch model Waarneming van de fase en schijnbare grootte van Venus

59 Renaissance: heliocentrisch model De relatie tussen de fase en schijnbare grootte van Venus kan eenvoudig worden verklaard in het heliocentrisch model!

60 Renaissance: nauwkeurige data Tycho Brahe ( ): een Deense edelman met goede contacten met de koning. Nam in 1572 een nieuwe ster (nova stella) waar. Deed zeer nauwkeurige metingen (zonder telescoop!), die later door Kepler werden gebruikt. geo-heliocentrisch systeem

61 Het moderne model Johannes Kepler ( ) was aanvankelijk de assistent van Brahe en kreeg toegang tot zijn data na de dood van Brahe. Deze gebruikte hij om zijn beroemde drie wetten van de beweging van de planeten op te stellen. 1. Planeten bewegen zich in elliptische banen rond de zon, waarbij de zon in een van de brandpunten staat. 2. Perkenwet: De baan-snelheid van een planeet verandert zodanig dat in gelijke tijdsintervallen de oppervlakte, bestreken door de voerstraal tussen zon en planeet, gelijk is. 3. Het kwadraat van de omlooptijd P van een planeet is evenredig met de derde macht van haar halve lange as a.