JOHDATUS TÄHTITIETEESEEN

Transkriptio

1 JOHDATUS TÄHTITIETEESEEN P, 2OP HEIKKI SALO, SYKSY 2015 Kurssin sisältö/aikataulu: 7 x 2h luentokertaa, perjantaisin salissa L10 (ensimmäinen luento IT115) Historiaa/Tähtitaivaan liikkeet Tähtititeelliset havaintomenetelmät Solar System Solar System Stars and stellar evolution Milky Way Galaxies + Kurssin yhteenveto Loppukoe: ti klo (yleiset tenttipäivät) Kirjallisuutta: Maailmankaikkeus (Palviainen, Oja, Ursa) (opinto-oppaassa mainittu kurssikirja) Vanhin tiede (Karttunen, Ursa) - tähtitieteen historiaa Tähtititeen perusteet (Karttunen ym., Ursa) - Tähtitieteen perusteiden oppikirja HUOM: Tähtititeen historia kurssi (3op) Tähtitieteellinen yhdistys URSA ( Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

2 TÄHTITIETEEN HISTORIAA Tähtitaivaan ilmiöiähavaittu jo varhain (n v vanhoja kaiverroksia) Kiintotähdet ja kiertotähdet, kuun vaiheet, vuodenajat, pimennykset Babylonia: Ensimmäiset kalenterit n v eaa. Ensimmäiset tähtiluettelot, matemaattiset menetelmät mm. kuun vaiheiden ennustamiseen Ajanlasku maanviljelyn tarpeisiin (vrt. Egypti Niilin tulvat) Astrologia (Babylonia) : 7 vaeltajaa -> viikonpäivien nimet (katkeamaton jakso?) Horoskoopit: alunperin lähes tieteellistä? (teoria, testaus, johtopäätökset) mutta latistui taikauskoksi planeettojen/auringon paikka eläinradassa vaikuttaa inhimillisiin tapahtumiin (Mutta: kevättasauspisteen kiertyminen...) Tieteellisen ajattelyn synty Jooniassa 600 eaa (Miletos, Efesos) Thales: selitettävä mahdollisimman suuri määrä ilmiöitä pienellä joukolla oletuksia, luottamus järkiperäisen tiedon mahdollisuuteen (Aristoteles) Pythagoras: maailmassa tasapaino ja järjestys Antiikin tähtitiede korkeatasoista Aristarkhos, Eratosthenes (maan koko, Kuun ja Auringon suhteelliset etäisyydet) Hipparkos: episyklit, tähtiluettelo Ptolemaios (n. 140 jaa): Almagest Maakeskisen planeettamallin synteesi Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

3 Esimerkki: 30,000 v. vanhoja luukaiverruksia: Kuun vaiheet? Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

4 Tähtitieteen osaston katto Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

5 Osittainen auringonpimennys keräsi parisataa katsojaa! Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

6 Miksi planeettojen liikkeiden selittäminen oli haasteellinen probleema? 40 Aurinkokunta Mars Sisaosat 20 1 Y (AU) vuotta Jupiter Saturnus Pluto Uranus Neptunus X (AU) Y (AU) Planeettojen sijainti + radat (Huom: eivät täysin samassa tasossa) Koordinaatiston origo Auringossa (Laskukaavat johdetaan Taivaanmekaniikka-kurssissa) 0-1 Venus Maa Merkurius -2 2 kuukautta X (AU) Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

7 Liikkeet havaitaan suhteessa liikkuvaan Maahan Planeettojen radat Maan suhteen (ylärivi), sekä projisoituna taivaanpallolle (alarivi) 2 Merkurius 2 Venus 4 Mars Y (AU) 0 Y (AU) 0 Y (AU) X (AU) X (AU) X (AU) 10 5 Merkurius 10 5 Venus 10 5 Mars 0-6 kk 6-12kk latitude 0 latitude 0 latitude longitude longitude longitude Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

8 Antiikin episykliteoria = elegentti matemaattinen malli Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

9 Kopernikaaninen vallankumous 1600-luvulla Kopernikus, Tycho Brahe, Kepler, Galilei, Newton Planeettojen liike johdettavissa mekaniikan laeista matematiikan avulla Kaukoputken käyttöönotto Galilei 1609 (Saturnuksen arvoitus ) Tähtitieteen päätehtävä luvuilla: navigaatio merellä > Pariisin ja Greenwichin observatoriot (kirja Longitude Dava Sobel) Modernin tähtitieteen synty 1800 luvulla: Taivaankappaleet fysikaalisen tutkimuksen kohteiksi Astrofysiikka, tähtivalokuvaus, spektroskopia Linnunradan mittasuhteet 1900 luvun alussa vaati tähtienvälisen pölyn absorption ymmärtäminen Maailmankaikkeuden laajeneminen 1920luvulla (Lemaitre, Hubble) kaukoputkien kehitys Aallonpituuskaistan laajeneminen: Radiotähtitiede 1940lla Kosmisen mikroaalto-taustasäteilyn löytyminen 1960lla Satelliiteistä tehtävä avaruustähtitiede Hubble (optinen), Spitzer (IR), Compton, Fermi (gamma), Chandra (röntgen), mikroaaltotausta (COBE, WMAP, PLANCK) jne jne Planeettaluotaimet (esim. Cassini/Huygens) Jättiläisteleskoopit: ALMA (toiminnassa),eso-elt (2020), JWST (2018) Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

10 Science-lehti v. 2012: current Mysteries of Astronomy Mitä on pimeä energia (Dark Energy)? Miten kuumaa on pimeä aine (Dark Matter)? Missä ovat puuttuvat baryonit (Missing Baryons)? Miten tähdet räjähtävät supernovina? Mikä aiheutti maailmankaikkeuden re-ionisaation? Mistä ovat peräisin kaikkein suurienergisimmät kosmiset säteet? Miksi Aurinkokuntamme on niin merkillinen? Kurssi toivottavasti auttaa ymmärtämään mitä kysymykset tarkoittavat, vaikkei voikaan antaa vastauksia! Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

11 Tähtitaivaan liikkeet - Tähtitaivaan vuorokautinen liike - Vuodenaikojen synty - Kuun vaiheet - Pimennykset Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

12 φ = 45 Taivaankappaleiden vuorokautinen liike Maa pyörii vastapäivään akselinsa ympäri tähdet nousevat idästä, laskevat länteen Taivaannavan korkeus = havaintopaikan leveysaste φ = 10 MILLAINEN ON TÄHTIEN LIIKE POHJOISNAVALLA?, ENTÄ PÄIVÄNTASAAJAN ETELÄPUOLELLA? Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

13 Millä leveysasteella kuvattuja? Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

14 Osa tähdistä aina horisontin yläpuolella, Osa aina horisontin alapuolella: Tähden paikka taivaanpallolla: - deklinaatio δ - leveysaste taivaanpallolla navalla δ = 90 - rektaskensio α pituusaste taivaanpallolla Havaintopaikan leveysaste φ = 65 Oulussa tähdet joiden deklinaatio δ > 90 0 φ = 25 sirkumpolaarisia tähdet joiden deklinaatio δ < φ 90 = 25 aina piilossa Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

15 Tähtivuorokausi = Maan todellinen kiertoaika 23h 56min 4s Normaaliajan vuorokausi (24h) = Aurinko näkyy samassa suunnassa = n. 4 minuuttia pidempi kuin tähtivuorokausi johtuu Maan rataliikkeestä (samaan suuntaan kuin pyöriminen) kahden keskipäivän välisenä aika pidempi kuin pyörähdysaika Vastaavasti: havaitaan tähteä tietyssä suunnassa (esim peittyy rakennuksen taakse) tähti samassa kohdassa seuraavana iltana n. 4 minuuttia aikaisemmin (kellon mukaan) Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

16 Prekessio Kuun ja Auringon vaikutus litistyneeseen maapalloon (vrt. Hyrrä) Maan akselin ja Maan ratatason (ekliptika) normaalin välinen kulma ɛ Tällä hetkellä Maan akseli osoittaa kohti Pohjantähteä Maan akseli tekee täyden kierroksen vuodessa Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

17 Tähdistöt Pohjoinen+eteläinen taivaanpuolisko: yhteensä n paljain silmin näkyvää tähteä Nimistö: kreikkalaista+arabialaista alkuperää Johannes Bayer: Uranometria 1603 nimeäminen α, β,... kirkkausjärjestyksessä esim. Betelgeuse = α Orionis (α Ori) aakkosten jälkeen numerot jne. IAU 1928: virallisesti vahvistetut tähdistöjen nimet/rajat Alkuperäinen Suomalainen tähtitaivaan nimistö? Pohjantähti Otava, Pieni Otava Seulaset (Plejadit) Väinämöisen viikate, Väinämöisen vyö (Orion) Kalevan tähti (Sirius) Pohjan Kruunu Kointähti, aamutähti, iltatähti (Venus) Linnunrata Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

18 Stellarium-ohjelma: Tänään klo 21 Kesäkolmio : Vega, Deneb, Altair Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

19 Stellarium-ohjelma: Näkymä 5 kuukautta myöhemmin klo 21 Sirius, Orion etelässä Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

20 Stellarium-ohjelma: Näkymä 5 kuukautta myöhemmin klo 21 Sirius, Orion etelässä Mihin kellonaikaan Orion näkyy etelässä Syyskuun alussa? Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

21 Stellarium-ohjelma: klo 21 Sirius, Orion etelässä Mihin kellonaikaan Orion näkyy etelässä Syyskuun alussa? Muista: tähdet edistää 4 min/vrk = 2 tuntia/kuukausi Syyskuussa odotettava 5*2 tuntia ennen kuin tähdet samassa asemassa kuin Helmikuussa Eli Orion etelässä klo = 7 aamulla (liian valoisaa) Lokakuun: klo 5 Marraskuun: klo 3 Joulukuu: klo 1 Tammikuu: klo 23 Helmikuu: klo 01 Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

22 Tietystä paikasta katsoen näkyvät ja näkymättömät tähdistöt vaihtuvat prekession vaikutuksesta Voidaan käyttää avuksi Arkeoastronomiassa Taivaan etelänavan ympärillä näkymättömissä olevassa alueessa ei Antiikin aikana nimettyjä tähdistöjä Tähdistöjen mainintaa kirjallisuudessa/kartoissa voidaan käytää sijainnin/ajoituksen määrittämiseen! Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

23 Vuodenajat Maan pyörimisakseli ja ratatason normaali muodostavat 23.5 asteen kulman Talvipäivän seisaus Pyörimisakseli poispäin Auringon suunnasta Kevätpäivän tasaus Auringon suunta kohtisuorassa pyörimisakselia vasten Kesäpäivän seisaus 21.6 Syyspäivän tasaus 21.9 Auringon korkeuskulma korkeimmillaan 90 φ = 58.5 Oulussa matalimmillaan 90 φ 23.5 = 1.5 Oulussa Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

24 Auringon näennäinen rata taivaalla päivän kuluessa eri vuodenaikoina Mikäli leveysaste φ > = 66.5 Aurinko ei nouse talvipäivän seisauksen aikana (vastaavasti ei laske kesäpäivän seisauksen aikana ) Pohjoinen napapiiri Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

25 Auringon liike tähtien suhteen vuoden kuluessa ( Eläinrata, kuva: Karttusen kirja) Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

26 Graafiset almanakat URSA:n sivulta (Hannu Karttunen) Musta alue: Pimeä asun < 18 tumman sininen: Astronominen hämärä 18 < asun < 12 sininen: Nauttinen hämärä 6 < asun < 12 vaalea sininen: Porvarillinen hämärä 6 < asun < 0 Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

27 Kuun vaiheet Kiertää Maan ympäri vastapäivään kerran kuukaudessa : Siderinen kiertoaika vuorokautta (tähtien suhteen) Synodinen kiertoaika vuorokautta (täysikuusta seuraavaan) KUUN VAIHEET: uusikuu ensimmäinen neljännes (valaistu puoli aurinkoon päin eli oikealle) täysikuu viimeinen neljännes (Kysymys: Mihin vuodenaikaan esim. ensimmäinen neljännes näkyy parhaiten?) Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

28 Kuun pyörähdysaika sama kuin kiertoaika Maan ympäri eli sama puoli aina maata kohti = synkroninen pyöriminen (Kuun asento Maan suhteen ei täysin vakio nähdään 59% kuun pinnasta HUOM: Kuun pimeä puoli ei ole pimeä! (esim. uusikuun aikana täysin valaistu) Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

29 Pimennykset ja tähdenpeitot Pimennys: kappale joutuu toisen varjoon Kuunpimennys: Kuu joutuu Maan varjoon Jupiterin kuitten keskinäiset pimennykset Tähdenpeitto (okkultaatio): kappale peittyy toisen taakse Esim. planeetta tai tähti peityy Kuun taakse Auringonpimennys: Kuu peittää Auringon Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

30 Auringonpimennys: maksimikesto n. 7 minuuttia Kuunpimennys: täydellinen pimennys 1h40 minuuttia penumbra-umbra-penumbra yhtä pitkiä Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

31 Miksi pimennyksiä ei ole kerran kuukaudessa? (kaikkiaan 2 viikon välein) Kuun ratataso vinossa maan ratatasoon nähden, ratatasot leikkaavat ns. solmuviivaa pitkin Auringonpimennys vain jos ollaan alle 10 asteen päässä solmuviivasta uudenkuun aikana Kuunpimennys vain jos ollaan alle 5 asteen päässä solmuviivasta täydenkuun aikana Kuunpimennyksiä keskimäärin alle yksi vuodessa (n. 2*5/180*12 =2/3) (näkyy kaikkialla missä Kuu horisontin yläpuolella) Auringonpimennyksiä keskimäärin yli yksi vuodessa (n. 2*10/180*12 =4/3) (näkyy vain pienessä osassa Maapalloa täydellisenä) Saros-jakso: pimennykset toistuvat samankaltaisina n. 18v välein (tunnettu n vuotta, meneillään 150 numeroitu Saros-jakso) Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

32 Vuorovesi-ilmiö Kuun painovoima Maahan: suurempi lähempänä olevaan puoliskoon heikompi kauempana olevaan puoliskoon pyrkii aiheuttamaan Maan venymisen (Samoin Aurinko) Huom: symmetrinen Maan keskipisteen suhteen Fnear F center = F far F center = Gm (x R) 2 Gm x 2 Gm (x+r) 2 Gm x 2 = Gm x 2 = Gm x 2 «1 (1 R/x) 2 1 «1 (1+R/x) 2 1 Gm x 2 Gm x 2 (1 + 2R/x 1) = 2GmR x 3 (1 2R/x 1) = 2GmR x 3 HUOM: varo verkon vääriä selityksiä! Helsingin yliopiston soveltavan kasvatustieteen laitos Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,

33 Jatkossa käsitellään tähtitieteen kohteita kasvavilla etäisyyksiltä Maan etäisyys Auringosta: 150 miljoonaa km = 8 valominuuttia Aurinkokunnan koko: n. valovuorokausi Lähimmät tähdet: muutamia valovuosia Linnunrata: halkaisija n valovuotta Lähin naapurigalaksi: Andromeda n. 2 miljoonaa valovuotta Virgon galaksijoukko: n. 50 miljoonaa valovuotta Galaksijoukkojen kuplamaiset tihentymät: n. miljardi valovuotta Havaittava maailmankaikkeus... Mielenkiintoinen animaatio kokoskaaloista: kts. Johdatus tähtitieteeseen, Luento 1,