1 / 46

Přístroje pro astronomii 1

Přístroje pro astronomii 1. Úvod kursu. Sylabus. Historie astronomických pozorování, antické objevy a pozorovací metody, středověká astronomie, první dalekohledy a spektrometry. Spektrum elektromagnetického záření. Obloha v různých spektrálních oborech. Radiometrie a fotometrie.

jaimin
Download Presentation

Přístroje pro astronomii 1

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Přístroje pro astronomii 1 Úvod kursu

  2. Sylabus • Historie astronomických pozorování, antické objevy a pozorovací metody, středověká astronomie, první dalekohledy a spektrometry. • Spektrum elektromagnetického záření. Obloha v různých spektrálních oborech. Radiometrie a fotometrie. • Úvod do geometrické a vlnové optiky. Paraxiální prostor, lámavé a odrazné plochy, Fermatův princip, Huyghens-Fresnelův princip, disperze, difrakční jevy, zobrazovací soustavy, zvětšení, zorné pole, rozlišovací schopnost, vinětace, světelnost, vady zobrazení. • Čočkové dalekohledy. Achromáty, apochromáty, ED-optika. Korekce barevné vady. Korekce sklenutí pole. Reduktory a korektory. Prodloužení ohniska. Vady. Výhody a nevýhody. • Zrcadlové dalekohledy. Newtonův dalekohled. Tří- a vícezrcadlové systémy. Vady. Výhody a nevýhody. • Katadioptrické systémy. Maksutov, Cassegrain, Schmidtova komora, Schmidt-Cassegrain, Schmidt-Newton, Ritchey-Chrétien, Dall-Kirkham. Vady. Výhody a nevýhody. • Montáže pro astronomické dalekohledy. Dobsonova montáž, vidlicová montáž, německá paralaktická montáž, speciální systémy. • Některé velké profesionální systémy (např. Hale, Keck, VLT aj.) a jejich budoucnost. Aktivní optika. Adaptivní optika.

  3. Co lze na obloze pozorovat okem • cca 6000 hvězd (celkem z obou polokoulí) • 5 planet (6?), Měsíc, Slunce • nejjasnější galaxie a mlhoviny (M31, M42) • komety, meteory, supernovy, proměnné hvězdy • rytmické a pravidelné pohyby – základ kalendářů

  4. Cykly • Chaldejský cyklus (7. stol. př.n.l., SAROS) – 41 zatmění Slunce (posunutých o třetinu obvodu Země) během cca 18 let • Metonův cyklus (432 př.n.l.) – 19 tropických roků = 235 synodických měsíců [– 2 hodiny] • Platónský rok (Hipparchos, 2. stol. př.n.l.) – precesní pohyb Zeměcca 25700 roků

  5. Starověké observatoře • Goseck, Německo (4900 př.n.l.) • Stonehenge, Velká Británie (~2-3 tis. př.n.l.) • Kokino, Makedonie (1800 př.n.l.) • Chankillo, Peru (4. stol. př.n.l.) • El Caracol, Mexiko (906 n.l.)

  6. Řecká astronomie (~600 př.n.l. - ~400 n.l.) • vycházeli z babylonských zdrojů • Aristoteles – • sféričnost Země, • Slunce je větší než Země a hvězdy jsou podstatně dál než Slunce • Aristarchus ze Samu – • velikosti a vzdálenosti Slunce a Měsíce z pozorování zatmění • heliocentrický model jako alternativa ke geocentrickému • Hipparchos – • první katalog hvězd • zavedl hvězdné velikosti • pokusil se potvrdit heliocentrický model změřením paralaxy, ale neuspěl • sonda Hipparcos - High Precision Parallax Collecting Satellite • Ptolemaios – • geocentrický model - epicykly • Almagest

  7. Příklad Sluneční světlo dopadá na dno hluboké studny ve městě Syena (dnes Aswan, jižní Egypt) v pravé poledne v den letního slunovratu. Téhož dne pozoruje Slunce Eratosthenes v Alexandrii mírně jižně od zenitu (cca 1/50 kruhu = 7.2°). Velbloudí karavana putuje ze Syeny do Alexandrie 50 dní průměrnou rychlostí 100 stadií denně. Spočtěte poloměr Země ve stádiích. Jak velké chyby se Eratosthenes dopustil? (atický stadion = 185 m, egyptský stadion = 157,5 m).

  8. Orientální astronomie • Aryabhata (Indie, 576-550) – výpočty poloh planet, zatmění, konjunkcí • Supernova v souhvězdí Býka (1054) – zaznamenána čínskými a japonskými astronomy (mnoho dalších záznamů supernov a komet) • Islámská astronomie • Albumasar (9. stol.) – heliocentrický systém • al-Sufi (10. stol) – katalog hvězd včetně barev, pozorování mlhovin v Andromedě a LMC • Alhazen (11. stol.) – vysvětlil svit Měsíce • …mnoho dalších

  9. Antické astronomické pomůcky • Gnómon • ukazatel slunečních hodin • místní poledník • určení rovnodennosti a zeměpisné šířky • Astroláb (planisféra) • otáčivá mapa hvězdné oblohy • Armilární aféra • prostorový model oblohy • Mechanismus z Antikythéry • úhloměr, sextant

  10. Mechanismus z Antikythéry • 150-100 př.n.l., řeckého původu (Hipparchos???) • Objeven 1900 • předpovědi pohybu Slunce a Měsíce (včetně excentricity měsíční dráhy), zatmění • Mechanika na úrovni 18. stol. v Evropě

  11. Renesance • Mikoláš Koperník (1473-1543) – navrhl heliocentrický systém (De revolutionibus orbium coelestium) • Tycho de Brahe (1546-1601) – velmi přesná měření ~ 1’ Slunce, Měsíce a planet (mnohaletá), také supernovu v roce 1572 • Johannes Kepler (1571-1630) – vysvětlil pohyby planet (Keplerovy zákony, Astronomia nova, Harmonices Mundi) • Galileo Galilei (1564-1642) – propagoval koperníkovský heliocentrismus (Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo), využíval hojně dalekohled, objevil čtyři Jupiterovy měsíce a sluneční skvrny, fáze Venuše, hvězdy v Mléčné dráze • Isaac Newton (1643-1727) – teorie gravitace (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), vynalezl první dalekohled s odrazným zrcadlem, rozložil bílé světlo hranolem

  12. Proč potřebujeme dalekohledy a CCD detektory? • zvýšenísběrnéplochy pro světlo • okomásběrnouplochu 12-200 mm2 • dalekohledyjizvětšují 102-107 -krát • integracesběrufotonů v čase • oko 100 ms (skotopicky), 10 ms (fotopicky) • zvýšenírozlišovacíschopnosti • okoasi 1' fotopicky • asi 5' skotopicky

  13. Technologická revoluce • velké dalekohledy • fotografie • fotonásobiče, intenzifikátory obrazu • CCD kamery • počítače

  14. Neoptická astronomie • Radioastronomie (Jansky, 1931) – kvazary, pulzary • Sekundární projevy dopadu vysokoenergetických částic do atmosféry Kosmická astronomie • Rentgenová – neutronové hvězdy, rázové vlny při výbuchu supernov • UV a IR – vznik hvězd • Gama – pulzary, aktivní jádra galaxií • Planetární průzkum – sondy a roboti • Částicová astronomie – protony, neutrina • Gravitační vlny

  15. Stručná historie objevů • 1802 Fraunhofer identifikoval absorpční čáry ve slunečním spektru a zjistil že odpovídají prvkům známým na Zemi • Model nukleární pece ve hvězdách (jaderná fyzika 1. pol. 20. století) velmi dobře předpovídá chování a velikosti hvězd, nedávno potvrzen i měřením toku slunečních neutrin • 1862 – pozorován první bílý trpaslík (Sirius B) – velikost Země, ale hmotnost Slunce – degenerovaný elektronový plyn (vysvětlen kvantovou teorií ve 20. letech 20. století)

  16. Stručná historie objevů • 1939 – existují ještě kompaktnější objekty – neutronové hvězdy: hmotnost Slunce, ale 1000x menší než bílý trpaslík (objeveny 1967 jako pulzary a později jako rentgenové hvězdy) • život hvězd – zárodečné mlhoviny protohvězdy – otevřené hvězdokupy – obři a trpaslíci - novy – supernovy – planetární mlhoviny – kulové hvězdokupy

  17. Stručná historie objevů • 1917 Shapley – velikost naší Galaxie • 1924 Hubble – vzdálenost galaxie v Andromedě • 1929 Hubble – galaxie se vzdalují – vesmír se rozpíná • Kosmologie velkého třesku

  18. Bible • Genesis 1:1Na počátkustvořilBůhnebe a zemi. • Jób 38:4 Kdejsibyl, kdyžjsemzakládalzemi? Pověz, víš-li něcorozumného o tom.

  19. Současné výzvy • gravitační vlny (pozorování binárních pulzarů) • oscilace neutrin • inflační vesmír • temná hmota a temná energie • rozpínání se zrychluje (NC2011) • fluktuace CMB • 2011 - neutrina rychlejší než světlo?

  20. Informace o vesmírných objektech • světlo (fotony) • vlnově-částicová povaha • interferometrie • šíří se po přímých drahách (kromě nízkofrekvenčních rádiových vln a ohybu na gravitačních čočkách) • kosmické záření (nabité částice) • zejména protony, ale i těžší jádra • působí na ně mezihvězdná a mezigalaktická magnetická pole • meteority – informace o sluneční soustavě • neutrina • gravitační vlny

  21. Jednotky „energie“ • vln. délka, frekvence, energie, vlnočet,  = c • Foton λ = 1μm má ν = 3 x 1014 HzE = hν = 2 x 10-19J • elektronvolt: 1,24 eV (1 eV = 1,602 x 10-19 J) • převrácený centimetr: 104 cm-1 • μm, nm, angström • GHz, THz, PHz, EHz • Pro plyn v termodynamické rovnováze (černé těleso) hν = kTν [Hz] ≈ 2 x 1010T [K]

  22. Spektrum el.-mag. záření

  23. Propustnost atmosféry

  24. Propustnost atmosféry

  25. Mezihvězdný prach

  26. Turbulence atmosféry • Obraz v dalekohledu se při krátké expoziční době (<10-100 ms) rychle mění • Při dlouhé expoziční době je rozmazaný diffraction--limited „tip/tilt“ 21 min

  27. Charakterizace míry turbulencí v atmosféře • Prostorové vlastnosti: • Friedův parametr r0 - velikost apertury, jejíž difrakčně omezená rozlišovací schopnost by byla stejná jako rozlišovací schopnost nekonečně velké apertury daná turbulencemi atmosféry • „seeing“ε - velikost difrakčního obrazce daného turbulencemi • Časové vlastnosti: • Na krátkých časových škálách [10-2 – 10-3 s] – speklový dekoherenční čas τ0 • Na delších časových škálách [sekundy až hodiny] - časový interval t0, po který je možné považovat obraz za translačně stabilní • Izoplanatický úhel • Maximální úhlová vzdálenost objektů θ0, které jsou deformovány velmi podobnými distorzemi vlnoplochy (definice je vágní...)

  28. Závislost na nadmořské výšce

  29. Závislost na vlnové délce

  30. Závislost na zenitovém úhlu

  31. 1,2x10-5 nm, >100 MeV 0,37 nm, 6 keV 73,5 cm, 1,7x10-6 eV 240 μm, 5,2x10-3 eV 3,5 μm, 0,36 eV 500 nm, 2,5 eV Obloha v různých spektrálních oborech • http://www.chromoscope.net/

  32. Obloha v různých spektrálních oborech

  33. Galaxie (M31)

  34. Aktivní galaxie (M51)

  35. Krabí mlhovina (M1)

  36. Slunce

  37. Úvod do radiometrie • spektrální hustota záře (spectral radiance, specific intensity)Lν [W m-2 sr-1 Hz-1], Lλ [W m-3 sr-1] • zář (radiance, luminance) – celé spektrumL [W m-2 sr-1] • kosinový (Lambertovský) zdroj • intenzita vyzařování (dopoloprostoru)[W m-2](radiant exitance, flux)F =∫L cos(θ)dΩ=πL • Fν(flux density)[W.m-2.Hz-1, Jy=10-26 W.m-2.Hz-1] • zářivost (radiant intensity)I [W sr-1] • zářivý tok (total flux, luminosity), Φ [W] = FA • zářivá energie Q [J]

  38. Záření černého tělesa

  39. Ω=a/r2=4πsin2(θ/2) Intenzita ozáření (irradiance)E=FA/(4πr2)=AL/(4r2)[W m-2] Ozáření H = ∫E(t)dt [J m-2] - expozice propustnost, filtrace T PD≈AaTLλ(λ0)Δλ/r2[W] Ozáření

  40. Fotometrie • Zářivá energie, jak jevnímána lidským okem • Světelný tok [lm] místo zářivého toku [W]

  41. Typické hodnoty

  42. Zdánlivé magnitudy • nelinearita odezvy lidského oka (1:10:100) • Hipparchos, N.R.Pogson (1856) – intenzita vyzařování hvězdy 1. velikosti je asi 100-násobek hvězdy 6. velikosti, neboli mezi sousedními hvězdnými velikostmi je podíl • m = -2,5 log10(F/F0) (F0 závisí na konkrétním fotometrickém systému) • m1 - m2 = -2,5 log10(F1/F2) • mv vizuální magnituda • mpg fotografická magnituda • mbol = mv – BC bolometrická magnituda

  43. Fotometrické systémy • UBV systém • UBVRI systém • uvby systém • …mnoho dalších

  44. Absolutní magnitudy • absolutní magnituda M je číselně stejná jako zdánlivá magnituda m ze vzdálenosti 10 pc • m -M = -2,5 log10[F (r)/F (10)] = = -2,5 log10[10 pc/r]2 = 5 log10[r/10 pc] • vztah k zářivému toku:Mbol = -2.5 log10[Φ/Φ0], Φ0 = 3,0x1028 W

  45. Zdánlivá magnituda dvojhvězdy Jakou celkovou zdánlivou magnitudu má dvojhvězda, která se skládá ze složek se zdánlivými magnitudami 1m a 2m ? 1 = -2.5 log10(F1/F0), 2 = -2.5 log10(F2/F0)F1 = F0 x 10-0,4, F2 = F0 x 10-0,8F = F1 +F2 = F0 (10-0,4 + 10-0,8)m = -2,5 log100,5566 = 0,64

  46. Studijní materiál http://jointlab.upol.cz/haderka/pa1

More Related