SPEKTROGRAFIT. Mitataan valon aallonpituusjakauma



Samankaltaiset tiedostot
1 Perussuureiden kertausta ja esimerkkejä

4 Fotometriset käsitteet ja magnitudit

Radioastronomian käsitteitä

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Havaitsevan tähtitieteen pk1 luento 11, Muut aaltoalueet. Kalvot: Jyri Näränen, Mikael Granvik & Veli-Matti Pelkonen

XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II

Sähkömagneettinen säteily ja sen vuorovaikutusmekanismit

Neutriinofysiikka. Tvärminne Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto

Tähtitieteelliset havainnot -sähkömagneettisen säteilyn vastaanottoa ja analysointia. Fotonin energia (E=hc/λ) vaikuttaa detektiotapaan

Planck satelliitti. Mika Juvela, Helsingin yliopiston Observatorio

Gravitaatioaallot - uusi ikkuna maailmankaikkeuteen

Havaitsevan tähtitieteen pk I, 2012

Mustan kappaleen säteily

11. Astrometria, ultravioletti, lähiinfrapuna

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, kevät Luento 2, : Ilmakehän vaikutus havaintoihin Luennoitsija: Jyri Näränen

Aurinko. Tähtitieteen peruskurssi

Kosmos = maailmankaikkeus

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

MIKKELIN LUKIO SPEKTROMETRIA. NOT-tiedekoulu La Palma

Tähtitieteen Peruskurssi, Salon Kansalaisopisto, syksy 2010: HAVAINTOLAITTEET

Valo ja muu sähkömagneettinen säteily

Kokeellisen tiedonhankinnan menetelmät

Tähtitieteessä SI-yksiköissä ilmaistut luvut ovat usein hyvin isoja ja epähavainnollisia. Esimerkiksi

Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet IHY

16. Tähtijoukot Tähtiassosiaatiot. Avoimet tähtijoukot tähteä esim Seulaset, Hyadit, Praesape (M44-kuva)

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Spektroskopia. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Havaitsevan tähtitieteen pk1 luento 7, Astrometria, ultravioletti ja lähi-infrapuna. Kalvot: Jyri Näränen, Mikael Granvik & Veli-Matti Pelkonen

Radioastronomia harjoitustyö; vedyn 21cm spektriviiva

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Ilmakehän vaikutus havaintoihin. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, yhteenveto

Tarinaa tähtitieteen tiimoilta FYSIIKAN JA KEMIAN PERUSTEET JA PEDAGOGIIKKA 2014 KARI SORMUNEN

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mustan kappaleen säteily

Tähtitieteen Peruskurssi, Salon Kansalaisopisto, syksy 2010: Valo ja muu säteily

- ultraviolettisäteilyn (UV) - näkyvän alueen (visible) - infrapuna-alueen (IR)

Fysiikka 8. Aine ja säteily

YHDEN RAON DIFFRAKTIO. Laskuharjoitustehtävä harjoituksessa 11.

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, kevät 2008

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

7.4 Fotometria CCD kameralla

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 HILA JA PRISMA

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, kevät 2007

Supernova. Joona ja Camilla

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, kevät 2012

Tähtitiede Tutkimusta maailmankaikkeuden laidoilta Aurinkokuntaan

2. MITÄ FOTOMETRIA ON?

12. Aurinko. Ainoa tähti, jota voidaan tutkia yksityiskohtaisesti esim. pyöriminen, tähdenpilkut pinnalla, ytimestä tulevat neutrinot

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

Referenssit ja näytteenotto VLBI -interferometriassa

MAA (4 OP) JOHDANTO VALOKUVAUKSEEN,FOTOGRAM- METRIAAN JA KAUKOKARTOITUKSEEN Kevät 2006

Friedmannin yhtälöt. Einsteinin yhtälöt isotrooppisessa, homogeenisessa FRW-universumissa 8 G 3. yleisin mahdollinen metriikka. Friedmannin yhtälö

Radioastronomian perusteita

Fysiikan maanalaisen tutkimuksen nykytila Suomessa

Albedot ja magnitudit

VALAISTUSTA VALOSTA. Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka. Kari Sormunen Kevät 2014

3 Havaintolaitteet. 3.1 Ilmakehän vaikutus havaintoihin

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

MAAILMANKAIKKEUDEN PIENET JA SUURET RAKENTEET

XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II

Harjoitukset (20h): Laskuharjoitukset: 6x2h = 12h Muut harjoitukset (ryhmätyöskentely): 8h Luentomateriaali ja demot:

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

Kvanttifysiikan perusteet 2017

13.3 Supernovat. Maailmankaikkeuden suurienergisimpiä ilmiöitä: L max 10 9 L. Raskaiden alkuaineiden synteesi (useimmat > Fe )

Kosmologia: Miten maailmankaikkeudesta tuli tällainen? Tapio Hansson

Hydrologia. Säteilyn jako aallonpituuden avulla

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, Havaintoaikahakemuksen valmistelu. Luento , V-M Pelkonen

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

RADIOMETRIAN PERUSTEET

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

Linnunradan rakenne 53925, 5 op, syksy 2016 D116 Physicum

Valo ja muu sähkömagneettinen säteily

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

CERN ja Hiukkasfysiikan kokeet Mikä se on? Mitä siellä tehdään? Miksi? Mitä siellä vielä aiotaan tehdä, ja miten? Tapio Lampén

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

Maan ja avaruuden välillä ei ole selkeää rajaa

Havaitsevan tähtitieteen pk 1 Luento 11: (kalvot: Jyri Näränen ja Mikael Granvik)

UrSalo. Laajaa paikallista yhteistyötä

NOT-tutkielma. ~Janakkalan lukio 2013~ Jenita Lahti, Jenna Leppänen, Hilla Mäkinen ja Joni Palin

5. Kaukoputket ja observatoriot. Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, luento Thomas Hackman

Kosmologian yleiskatsaus. Syksy Räsänen Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

Radiokontinuumi. Centaurus A -radiogalaksi. Cassiopeia A -supernovajäänne

VALAISTUSTA VALOSTA. Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet. Kari Sormunen Syksy 2014

15. Tähtienvälinen aine

Tähtitieteen pikakurssi

CCD-kamerat ja kuvankäsittely

Refraktorit Ensimmäisenä käytetty teleskooppi-tyyppi

Työ 2324B 4h. VALON KULKU AINEESSA

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I Johdanto

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

Säteily ja suojautuminen Joel Nikkola

SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

9. Polarimetria. tähtitieteessä. 1. Polarisaatio. 2. Stokesin parametrit. 3. Polarisaattorit. 4. CCD polarimetria

Transkriptio:

SPEKTROGRAFIT Mitataan valon aallonpituusjakauma Objektiivi-prisma: Objektiivin edessä oleva prisma levitää valon spektriksi tallennetaan CCD-kennolla Rakospektrografi: Teleskoopista kapean raon kautta tuleva valokimppu hajotetaan prismalla tai hilalla Dispersio = aallonpituusväli/pituusväli tyypillisesti 0.01-1 nm/mm (objektiivi-prisma 50 nm/mm) Spektri-erotuskyky R = λ/ λ miten lähekkäiset sp-viivat erotetaaan galaksien spektrit R 1000 Aurinko jopa R = 1000 000 Heijastus- ja läpäisyhilat suuri dispersio, heijastus ei absorbtiota Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 67

INTERFEROMETRIT Alunperin radiotähtititeessä käytetty menetelmä: yhdistetään kahdesta tai useammasta teleskoopista tuleva valo erotuskyky vastaa teleskooppien välimatkan kokoisen teleskoopin erotuskykyä (mutta ei valonkeräyskyvyltään) Haastavaa: valorintamien oltava samassa vaiheessa! ESO VLT 2001 voidaan mitata tähtien halkaisijoita Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 68

3.4 Radioteleskoopit Radioikkuna 1mm - 100m (300GHz - 3MHz) Karl Jansky 1932: Linnunradan keskustan säteily (dipoli-antenni; 14.6 metrin taajuus) Paraboloidi-antennit (Grote Reber 1937-10m antenni) Esim. 76 metrin Jodrell Bank (Englanti 1955) neutraali vety HI 21 cm säteily CO-molekyyli 2.6mm Huom: radioteleskoopit eivät muodosta kuvaa, kaikki säteily kerätään vahvistimeen Tärkeitä löytöjä: Linnunradan pyöriminen, kvasaarit, pulsarit Erotuskyky huono vrt. optisiin teleskooppeihin θ = λ/d Esim. Maailman suurin radioteleskooppi Arecibo (Puerto Rico) D=305 m, λ = 21 cm θ 2.5 mm-alueella päästään jopa 5 (tällöin parabolin muodon oltava oikea 0.1mm tarkkuudella) Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 69

Radio-interferometria Yhdistetään samassa useiden radioteleskooppien signaali erotuskyky vastaa antennien välimatkan suuruista antennia Apertuuri-synteesi: Antennit liikuteltavia, muuttuvasta inteferenssikuviosta saadaan konstruoitua kohteen kirkkausjakauma VLA (Very Large Array) 27 * 25 metrin antennia, New Mexico) VLBI (Very Long Baseline interferometry) eri mantereilla olevat teleskoopit ALMA = ESO:n mm-alueen teleskooppikenttä Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 70

3.5. Muuta aallonpituusalueet Täysin erilainen Linnunrata aallonpituudesta riippuen: optinen: (550 nm) tähtien säteily, pölyn absorbtio radio: (HI atomäärinen vety 21 cm) kaasupilvet keskittyneet kiekon tasoon infrapuna: (IRAS-satelliitti 12-100 µm) tähtien säteilyn kuumentama pöly röntgen: (ROSAT-satelliitti 0.8-5 nm) kuuma kaasu, supernova-jäännökset gamma: (Compton-satelliitti 1e-5 nm) suurienergiset partikkelit törmäävät tähtienväliseen kaasuun Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 71

Röntgen-havainnot Aallonpituus 0.01-10 nm (photonien energia 1e2-1e5 ev) Ilmapallot Rakettilento 1962: Ensimmäiset röntgen-havainnot (6 min!) 1970:lta lähtien satelliitit UHURU, Einstein, Chandra, XMM-Newton Chandra Ilmaisimet perustuvat hipaisevaan heijastukseen Detektorina esim. tuikelaskuri Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 72

Gamma-säteily Aallonpituus alle 0.01 nm Energia 1e5-1 e14 Fermi 1960:lla Linnunrata, Gamma-purkaukset (vakoilusatelliitit julkaistiin vasta 1973!) Voidaan havaita myös maanpinnalta: suurienerginen fotoni hiukkas-antihiukkaspari voi liikkua ilmakehän (ei tyhjön) valonnopeutta nopeammin Tserenkov-säteily näkyvän valon alueella Esim. MAGIC-teleskooppi La Palmalla: Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 73

Ultravioletti-säteily Aallonpituus 10-400nm tähtienvälisen aineen absorbtio rajoittaa näkyvyyttä Linnunradan tasossa alle 100 pc Satelliitteja esim. IEU (1978) GALEX : tärkeä tulos. galaksien kiekot ulottuvat UV:ssä optisia laajemmalle alueelle Infrapunasäteily Aallonpituusalue 5-1000 µm Teleskoopin periaate sama kuin optisella alueella (käytettävä vain peilejä!) Taivas erittäin kirkas IR-alueella (ilmakehän vesihöyry) havaittava sekä kohdetta että taustaa reduktiot työläämpiä Observatoriot korkealla vuoristossa Lentokoneeseen sijoitetut observatoriot (Kuiper Airborne observatory) Satelliitit: IRAS, Spitzer, Herchel COBE, WMAP = kosminen taustasäteily Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 74

3.6 Muita energiamuotoja Kosmiset säteet energeettisiä partikkeleita: 10 8 10 20 ev (vertaa suurimmat kiihdyttimet 10 12 ev = T ev ) (yläraja vastaa pesäpalloa!) ionisoituneita atomiytimiä (protoneja 90%, heliumytimiä 10%) suuntajakaumaa ei voida päätellä (varatut hiukkaset muuttavat suuntaa Linnunradan magneettikentässä) syntyneet supernovaräjähdyksissä? Maan päällä havaittavat kosmiset säteet ovat ilmakehässä syntynyttä sekundaari-säteilyä Neutriinot Varauksettomia, hyvin pienimassaisia hiukkasia Syntyvät tähtien sisällä ydinreaktioissa (tärkeitä!) Reagoivat vain heikon vuorovaikutuksen kautta (ei vahvaa ydinvoimaa, sähkömag. voimaa havaitseminen erittäin vaikeaa gravitaatio kyllä muttta sillä ei merkitystä) Radiokemialliset menetelmät: tetrakloorieteeni, neutriino muuttaa klooriatomin Neutriinot väliaineessa Ilmaisimet syvissä kaivoksissa radioaktiiviseksi argoniksi, joka havaitaan Tserenkov säteily (esim. Kamiokande) eliminoidaan kosmisen säteilyn vaikutus Laguna-hanke Pyhäsalmen kaivokseen - valitettavasti ei näytä toteutuvan Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 75

V. 2011 väite: energeettiset neutrinot liikkuvat valoa nopeammin? Osoittautui vääräksi! ( löysä kaapeli... ) Myös Suuressa Magellanin pilvessä havaittu supernova 1987: neutriinot havaittiin samanaikaiseti valon kanssa Gravitaatiosäteily syntyy kiihtyvässä liikkeessä olevista massoista (supernovaräjähdys, musta-aukko kaksoistähti...) toistaiseksi ei varmoja havaintoja Detektoreja: Weber in sylinteri alumiinisylinteri, alkaa värähdellä g-aaltojen osuessa siihen mitataan jännitykset LIGO (Laser interferometric Gravitational Wave observatory): mittaa 25 km päässä olevien peilien välimatkan (=avaruuden geometrian) muutoksia Suunniteltu: LISA satelliitti (ei lennä) Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 76

4. FOTOMETRISET PERUSKÄSITTEET JA MAGNITUDIT 4.1. Peruskäsitteitä Intensiteetti I ν = pinnan lapi kulkeva sateilyenergia pinta ala avaruuskulma taajuusvali aikavali de ν = I ν cos θ da dν dω t intensiteetin yksikkö = W/m 2 /Hz/sterad (W = J/s) Kokonaisintensiteetti I = R 0 I ν dν Energiavuo L = säteilyenergia/aikayksikkö (=teho W) Vuontiheys F = säteilyenergia/aikayksikkö/pinta-ala ( W/m 2 ) Eo on kokonaisvuo; tietyllä taajuusvälillä: L ν, F ν 1 Jansky (Jy) = 10 26 W/m 2 Hz 1 Mitä detektorit mittaavat? Energiamäärää = vuontiheys integrointuna mittausajan ja detektorin pinta-alan yli Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 77

Vuontiheyden ja intensiteetin yhteys: R 1 F ν = da dν dt S de ν = R S I ν cos θ dω integrointi yli kaikkien suuntien Tärkeä erikoistapaus: Säteily isotrooppista (I suunnasta riippumaton) Kokonaisvuontiheys F = R S I cos θ dω = I R s cos θ dω sijoitetaan pallokoordinaattien avulla lausuttu avaruuskulma dω F = I R π θ=0 R 2π cos θ sin θ dθ dφ = 0 φ=0 integraali häviää koska (cos θ sin θ) pariton funktio välillä 0, π Eli ei säteilyn nettovirtausta (integraali yli kaikkien suuntien) Lasketaan pinnan läpi kulkevan säteilyvuon tiheys (integraali yli puolipallon) F = I R π/2 θ=0 = 2π I R 2π φ=0 cos θ sin θ dθ dφ = 2π I R π/2 cos θ sin θ dθ θ=0 π/2 1 θ=0 2 sin2 θ = πi (Isotrooppinen säteily) Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 78

Säteilyn intensiteetti ei riipu etäisyydestä Havaittava intensiteetti: I = de cos θ da dω dt sijoitetaan de = Icosθ da dωdt da = dω = I = dω r2 cosθ da cos θ r 2 Icosθ da dωdt cos θ dω r 2 cosθ da cos θ r 2 dt I Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 79

Tähden avaruuskulmaan ω säteilemä energiavuo L ω = ωr 2 F jossa F etäisyydellä r havaittu vuontiheys Kokonaisvuo L= säteilylähdettä ympäröivän suljetun pinnan läpi kulkeva vuo = Luminositeetti (luminosity) yksikkö W Säteilylähteen ulkopuolella: säteilyä ei synny eikä häviä Luminositeetti riippumaton etäisyydestä, Jos kappale (esim tähti) säteilee isotrooppisesti etäisyydellä r jakaantunut pinta-alalle 4πr 2 L = 4πr 2 F Vuontiheys heikkenee 1/r 2 F = L 4πr 2 Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 80

Pintakirkkaus Havaittaessa pintakohteita: Pintakirkkaus B = F/ω hav = vuontiheys/(havaitsijan näkemä avaruuskulmayksikkö) Pintakirkkaus ei riipu etäisyydestä: Edellä: vuontiheys F 1/r 2 lähteen avaruuskulma ω hav = A/r 2 B vakio Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 81

Tähtitieteen perusteet esimerkki 4.2 Havaittu pintakirkkaus on yhtäsuuri kuin säteilyn intensiteetti Aurinkovakio = Auringon vuontiheys Maassa = 1370 W/m 2 Auringon pintakirkkaus Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 82

Säteilyn energiatiheys u = säteilyenergian määrä/tilavuusykikkö R u = 1 c S Idω Merkitään pintaa da vastaan kohtisuorasta avaruuskulmasta dω tulevan säteilyn intensiteettiä I. Ajassa dt säteily etenee matkan cdt täyttää tilavuuden dv = c dt da Säteilyn energia de = I da dω dt = c 1 I dω dv energiatiheys du = de/dv = 1 c I dω Integroidaan yli kaikkien suuntien. Isotrooppisen säteilyn energiatiheys: u = 4π c I Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 83

4.2 Näennäiset magnitudit Ihmissilmä reagoi valoon logaritmisesti valonmäärä 2x, 4x 8x,... aistitaan tasavälisinä muutoksina (sama koskee muitakin aisteja) Hipparkhos 150 eaa: jakoi tähdet 6 luokkaan kirkkauden perusteella kirkkaimmat 1, himmeimmät paljain silmin näkyvät 6 Pogson 1856 täsmällisempi formulointi: 5 kirkkausluokkaa vastaa 100 kertaista muutosta, 1 kirkkausluokka vastaa : 100 1/5 2.512 Magnitudin määritelmä vuontiheyden F avulla: Vuontiheys F 0 vastaa m = 0 m = 2.5 log 10 F F 0 Sopusoinnussa Pogson n kanssa: oletetaan magnitudit m 1, m 2, vastaavat vuontiheydet F 1, F 2 F eo. kaavasta m 1 m 2 = 2.5 log 1 F 10 + 2.5 log 2 F F 10 = 2.5 log 1 0 F 10 0 F 2 Eli jos F 2 = 100F 1 m 2 m 1 = 2.5 log 1 10 100 = 2.5 2 = 5 kuten pitääkin Käänteinen relaatio. F/F 0 = 10 0.4m Kirkkaimmat tähdet: Sirius m=-1.5 Täysikuu -12.5, Aurinko -26.8 Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 84

Magnitudeja ei voi laskea yhteen, käytettävä vuontiheyksiä: F tot = P i F i m tot = 2.5 log 10 `P i 10 0.4m i Tähtitieteen perusteet, Luento 5, 22.02.2013 85