Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, kevät 2008 Luento 2, 24.1.2007: Ilmakehän vaikutus havaintoihin Luennoitsija: Jyri Näränen 1
2. Ilmakehän vaikutus havaintoihin Optinen ikkuna Radioikkuna Ilmakehän transmissio (läpäisevyys) eri sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla 2
2. Ilmakehän vaikutus havaintoihin (jatk.)! Sää! Ekstinktio! Diffuusi valo! Seeing! Refraktio NOT tammikuussa 2005 (J.Näränen) 3
2.1 Sää! Havaintoihin vaikuttaa: " Pilvet, sumu, kosteus, pienhiukkaset! Sääilmiöt lähinnä troposfäärissä (< 10 km)! Täysin selkeitä (fotometrisiä) öitä: " Suomessa ~ 30/vuosi " ESO:ssa n. 250/vuosi 4
2.1 Sää (jatkoa) 5
Sääolosuhteet ESO:ssa 6
Sääolosuhteet La Palmalla 7
Downtime sääolosuhteiden takia La Palmalla (WHT, 1989-2006) 8
2.2 Ekstinktio! Ilmakehän molekyylit: " Absorptio " Sironta! Ekstinktio riippuu aallonpituudesta: " Esim. Rayleigh sironta: (riippuu myös ilmanpaineesta jne.)! Myös ilmakehän pienhiukkaset aiheuttavat ekstinktiota 9
2.2 Ekstinktio (jatk.) Mustan kappaleen säteily Auringon säteily ilmakehän ulkopuolella Auringon säteily merenpinnalla Eli ero punaisen ja sinisen välillä = ilmakehän absorptio 10
2.3 Ilmamassa! Ekstinktio riippuu kohteen ja havaitsijan välisestä ilmamassasta X: z $ 60 X o " 60 < o z sec # < 85 " 1/ cos z # 0.002857 (sec! Havaittu magnitudi on X o = z! 1) 2 sec z! 0.0018167 (sec m m + = 0 z z! 1)!! 0.0008083 (sec kx 1 z z! 1) 2 1.002432 cos z + 0.148386 cos z + 0.0096467 Vielä tarkempi : X =, z = " todellinen" z 3 2 cos z + 0.149864 cos z + 0.0102963cos z + 0.000303978 3 1/ cos z 11
Ekstinktion vaikutus valkoiseen valoon (esimerkki) 12
2.4 Diffuusi valo! Muodostaa suuren osan havaintojen taustasta (toinen osa mittalaitteesta)! Ilmakehästä sironnut (lähinnä tähtien ja kuun) valo (Rayleigh + pienhiukkaset)! Ilmahehku (ilmakehän molekyylien rekombinaatiosäteilyä, erittäin tärkeää NIR ja IR alueella)! Revontulet (lähellä magneettisia napoja)! Eläinratavalo (ei johdu ilmakehästä vaan aurinkokunnan pölyhiukkasista)! Valosaaste 13
2.4 Diffuusi valo (jatk.) Taustataivas Lickin ja Keckin observatorioissa (D.L. Burke, 2006, LSST tutorial) 14
2.5 Seeing! Ilman turbulenssi skintillaatio! ilmakehän refraktion muutokset seeing! Tähden kuva: piste seeing-kiekko! Muutokset 1-500 Hz! Merenpinnalla seeing ~ 2-4! NOT:lla (La Palma) seeing ~ 0.5-1! Seeingin kannalta kriittistä: " Lämpötilaerot " Ilmanvirtaukset " aallonpituus 15
2.5 Seeing (jatk.), huom.: animaatio (ei toimi pdf-versiossa)! 1 seeingillä (ylempi kuva) ja 2 seeingillä otetuttuja lyhyitä 10 ms valotuksia tähdistä (D.L. Burke, 2006, LSST tutorial) 16
2.5 Seeing (jatk.)! kaksi tähteä kuvattu hyvin lyhyillä valotuksilla (ylemmät kuvat) ja pitkällä valotusajalla (alemmat kuvat). R.N. Tubbs, 2003, PhD dissertation, Cambridge 17
2.5 Seeing ESO:ssa J.A.Fogel, Image quality at selected astronomical observaervatories, 2002 18
2.5. Seeingin optimointi! Havaintopaikan valinta " Lähiympäristön ilmanvirtaukset " Lämpötilaerot " Tarvittaessa muutetaan olosuhteita! Tornin suunnittelu " Tornin ja kuvun muoto " Kuvun ulkopinta " Sisätilojen ilmastointi " Ei turhia lämmönlähteitä! Havaintotekniikka, esim. " Adaptiivinen optiikka " Lucky imaging NOT, La Palma (M. Gålfalk) 19
2.6 Refraktio! Valonsäde taipuu ilmakehässä " Snellin laki:! Taitekerroin riippuu: " Tiheydestä " Aallonpituudesta! Differentiaalirefraktio matalan kohteen kuva hajoaa spektriksi n sin! = n sin! 1 1 2 2 Venus (D.L. Burke, 2006, LSST tutorial) 20
2.6 Refraktio (jatk.)! Esim.: Kuu nähtynä avaruusasemalta maan ilmakehän läpi: D.L. Burke, 2006, LSST tutorial 21
2.6 Refraktio (jatk.)! Refraktiokulma: Miten paljon todellista korkeammalla kohde näkyy " korkeus > 15 o : P o o R " 0.00452 tan(90! a), T " korkeus < 15 o : R! P T 2 0.00002a + 0.0196a + 2 0.0854a + 0.505a 0.1594 + 1, jossa a on korkeus (asteina), T lämpötila (K) ja P ilmanpaine (millibaareina) 22
2.6 Refraktio (jatk.)! Differentiaalirefraktio: $ R pt0!) # ( nst (!) " nst (! ) tan z) p T ( 0 0! Differentiaalirefraktio Keckin teleskoopeilla: H.G. Roe, 2002, Effect of Differential Refraction on Observing with Adaptive Optics at Keck 23
2.6 Refraktio (jatkoa) 24
2.6 Refraktion korjaaminen! Teleskoopin suuntausohjelma korjaa suuntausvirheen (yleensä)! Aallonpituussuotimella tarkempi kuva ( kavennetaan refraktiota)! Vältetään havaitsemista matalilla korkeuksilla " nyrkkisääntönä voi pitää, että kuvata ei kannata paljoa alle 30 päässä horisontista, spektroskopiaa voi tehdä alempana.! ADC (atmospheric dispersion corrector) ilmekehän dispersion korjaaja 25
2.7 Tehtävä! Mitkä ilmakehän häiriöt vaikuttavat eniten kohteen " kirkkauteen? " spektriin? " polarisaatioon? " paikkaan? " kuvaamiseen? 26