WELKOM! Inleiding Astrofysica College 1 12 september 2016 15.45 17.30 Ignas Snellen Docent: Ignas Snellen Assistenten: Charlotte Brand, Mieke Paalvast, Alex Pietrow, Erik Osinga, Dominique Petit, Jessamy Mol Doel, Inleiding Astrofysica: Basis van studie Sterrenkunde, en inleiding voor alle volgende sterrenkunde colleges. 10 Hoorcolleges, en 6 werkcolleges Website: http://www.strw.leidenuniv.nl/~snellen/iaf2016.html 1
Werkcolleges onderverdeling in 5 groepen Registreer jezelf op blackboard (Inleiding Astrofysica 2016). Geen registratie! geen indeling in werkgroep. Opgaven zijn 2 weken van te voren beschikbaar op website Elk bevat 1 inleveropgave: deadline is begin werkcollege Bonusregeling: 0.1 bonuspunt kan per inleveropgave worden verdiend. Bonusregeling geldt alleen voor tentamen, niet hertentamen. Uitwerkingen worden niet elektronisch beschikbaar gesteld. Wat vindt je op de Website: http:www.strw.leidenuniv.nl/~snellen/iaf2016.html Schema Kopieen van slides hoorcollege Oude tentamens (let op, IAF is veranderd!!) Onderdelen van colleges vorig jaar op youtube Boek naslagwerk: - The cosmos: astronomy in the new millennium Jay M. Pasachoff & Alex Filippenko 2
13-09-2016 Overzicht hoorcolleges: I II III IV V VI VII VIII IX X Geschiedenis van de Sterrenkunde Hemelmechanika Telescopen & detectoren, en ons zonnestelsel (I) Ons zonnestelsel (II) en extrasolaire planeten Onze zon en de sterren het interstellaire medium en stervorming Sterevolutie, witte dwergen, pulsars en zwarte gaten Onze melkweg en andere sterrenstelsels Aktieve melkwegstelsels, quasars en gravitatielenzen Kosmologie, het heelal als geheel. College Excursiehemelmechanika naar Artis Planetariumin planetarium in Artis! 21 september, eind van de middag. Inschrijven, volgende college. Maandag 26 september vanaf 17:00 verzamelen bij de hoofdingang van Artis (Plantage Kerklaan 38) 17:30: samen naar binnen rond 19:00: einde Voor alle studenten IAF Verkenning van de sterrenhemel Demonstratie hemel-coördinaten en tijd Planetarium show: reis door het heelal Artis Planetarium, Amsterdam Vervoer is eigen verantwoordelijkheid bijv. tramlijn 9 vanaf Amsterdam CS, halte Artis op Plantage Middellaan als je een overvolle tram wilt vermijden, kies dan een andere route of een tram eerder 3
13-09-2016 Wat kunnen we zien aan de hemel? Wat kunnen we zien aan de hemel? 4
Wat kunnen we zien aan de hemel? Prehistorische interesse in de sterrenhemel: Goden-verering en tijdrekening Stonehenge, Engeland 5
Het griekse geocentrische model van Ptolemaeus Geometrisch en harmonieus P&F Hoofdstuk 5. Het griekse geocentrische model van Ptolemaeus Geometrisch en harmonieus www.physics.uc.edu 6
De eerste afstanden: Hoe groot is de Aarde? Erathostenes (276-175 BC) www.uh.edu People.hsc.edu De eerste afstanden: Hoe ver staat de maan? Aristarchus (310-230 BC) 7
De eerste afstanden: Hoe ver staat de maan? Aristarchus (310-230 BC) Maansverduistering De renaissance: het heliocentrische model Copernicus, Brahe, Galileo, en Kepler Nicolas Copernicus (1473-1543) 8
De renaissance: het heliocentrische model Copernicus, Brahe, Galileo, en Kepler Tycho Brahe (1546-1601) De renaissance: het heliocentrische model Copernicus, Brahe, Galileo, en Kepler Eerste telescoopwaarnemingen Galileo Galilei (1564-1642) 9
13-09-2016 De renaissance: het heliocentrische model Copernicus, Brahe, Galileo, en Kepler Eerste telescoopwaarnemingen Galileo Galilei (1564-1642) De renaissance: het heliocentrische model Copernicus, Brahe, Galileo, en Kepler Johannes Kepler (1571-1630) 10
De moderne sterrenkunde De wetten van Kepler Eerste wet van Kepler: Planeten bewegen zich in elliptische banen rond de zon, waarbij de zon in een van de brandpunten staat. De moderne sterrenkunde De wetten van Kepler Tweede wet van Kepler (perkenwet): De baansnelheid van een planeet verandert zodanig dat in gelijke tijdsintervallen de oppervlakte, bestreken door de verbindingslijn tussen zon en planeet, gelijk is. 11
De moderne sterrenkunde Newton en zijn zwaartekrachtswet Isaac Newton (1643-1727) F = M * a De moderne sterrenkunde Newton en zijn zwaartekrachtswet Kepler s 3 de wet + Newton Snelheid voor cirkelbaan a v Diepgang: Klassieke Mechanika a 12
De wetten van Newton + Kepler leveren veel oplossingen voor vraagstukken (VWO): 1. De maan draait in 27.3 dagen om de Aarde op een afstand van 384 duizend km. Hoe hoog boven het aardoppervlak draaien geostationaire satellieten? 2. Er wordt een nieuwe planeet in ons zonnestelsel ontdekt, op een afstand van 300 AU (1 AU = aardse eenheid (AE) = afstand aarde-zon). Wat is haar omloopstijd? 3. Een planeet in een ander planetenstelsel draait op een afstand van 2 AU om haar moederster met een omloopstijd van 2 jaar. Wat is de massa van de ster? De Komeet van Halley Edmond Halley (1656-1742) liet zien dat de komeetverschijningen van 1531, 1607 en 1682, van het zelfde object waren door hun banen met de wetten van Newton te berekenen en te vergelijken. Halley voorspelde een volgende verschijning van de komeet in 1758. 13
Samenvatting Geschiedenis Behandelde onderwerpen: Sterrenbeelden; dierenriem; planeten; prehistorische sterrenkunde; geocentrische wereldbeeld; epicykels, retrograde beweging; heliocentrische wereldbeeld; eerste telescoopwaarnemingen; manen van Jupiter; schijngestalten van Venus; wetten van Kepler; zwaartekrachtswet van Newton; de komeet van Halley. Vraagstukken die je nu zou moeten kunnen bespreken: - Wat kan je zo al met het blote oog aan de sterrenhemel zien? - Wat is het verschil tussen het geo- en heliocentrische wereldbeeld? - Wat was het belang van Galilei s waarnemingen aan Jupiter en Venus? - Wat zijn de wetten van Kepler? - Hoe bereken je omloopstijden of afstanden van hemellichamen rond de zon, andere sterren, de Aarde, met behulp van de 3de wet van Kepler? - Wat was het belang van de komeet van Halley? Meer achtergrond P&F Hoofdstukken 4 en 5. Eerste introductie over waarnemen: Hemelmechanika Uitdaging: Wij als waarnemers bevinden ons op het aardoppervlak we staan niet stil! 1) De aarde draait om haar as 2) 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. 14
Coordinaten-systemen Om een positie op een hemelbol weer te geven heb je 2 coordinaten nodig, met 1 nulpunt, en 1 referentievlak Eenheden: graden, min., sec., of uren, min, sec. Coordinaten systeem voor de waarnemer: Altitude Azimuth (Alt-Az) Referentie-vlak: horizon/grond! loodrecht op het zenit Coordinaten: Hoogte, azimut Nulpunt: noorden Draaiing van de Aarde om haar as Op 1 tijdstip kunnen we de helft van het heelal zien boven de horizon Door de draaiing van de Aarde verandert ons gezichtsveld Afhankelijk van de positie op Aarde:! is een gedeelte van de sterren altijd zichtbaar! is een gedeelte van de sterren nooit te zien! is de rest van de sterrenhemel soms te zien: belangrijk wanneer! 15
16
Hoe lang duurt 1 rotatie van de Aarde? 23h56m! De aarde moet per dag ~4 minuten extra draaien om de zon op dezelfde plaats te krijgen: 23h56m + 00h04m = 24h00m Draaiing van de Aarde om de zon Richting van de aarde ten opzichte van de sterrenhemel bepaald de siderische tijd of sterrentijd. Belangrijk voor waarnemen! Het stuk sterrenhemel wat op een bepaald moment van het jaar in de richting van zon staat kunnen we niet zien! Alleen overdag zichtbaar Seizoenen: door de hoek tussen rotatie en baan om de zon: obliquiteit Op twee momenten Kruist de zon de evenaar Lentepunt en herfstpunt equinox 17
Coordinatensysteem voor de sterrenhemel Equatoriaal coordinatensysteem. referentie-vlak: equatorvlak van de aarde loodrecht op de pool coordinaten: Rechte klimming (right ascension) en declinatie, α en δ nulpunt: snijlijn van aardbaan Met Evenaar in de richting van Het lentepunt. Praktisch waarnemen Hoe linken we de equatoriale coordinaten van een ster, met het horizontaal (alt-az) coordinaten-systeem van de waarnemer? Benodigheden: Locale 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 Hieruit kan de hoogte en azimut van ster berekend worden Siderische tijd in Greenwich + lengtegraad! locale sterrentijd Tijd + positie op aarde! positie van ster Positie van ster + tijd! positie op aarde (NAVIGATIE!) 18
RA = LST Alt = 90 - b δ LST = RA + HA Hour Angle Z Meridiaan O W 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 19
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 365.242199 dagen! schrikkeljaren 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 20
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 21