Översiktskurs i astronomi Lektion 3: Ljus och teleskop Upplägg Ljus och spektra Elektromagnetisk strålning Våglängd vid frekvens Teleskop och detektorer Seeing Reflektor- och refraktorteleskop CCD-chip riska fönsterf Extinktion Optiska teleskop Teleskop vid andra våglv glängder Rymdteleskop Neutrinoteleskop Budbärare i universum Universum ger sig främst till känna k genom: Elektromagnetisk strålning samt: Gravitation Den elektromagnetiska strålningen, som färdas f med ljusets hastighet (300 000 km s - 1 ), har stort omfång i våglv glängd (frekvens). Elektromagnetisk strålning Relationen mellan ljushastigheten c (mäts i meter per sekund), frekvensen f (mäts i svängningar per sekund alt. Hertz) och våglv glängden λ (mäts i meter) kan skrivas: c = f λ Relationen mellan energi (mäts i Joule), våglv glängd och frekvens kan skrivas: hc E = och E = hf (h = Plancks konstant) λ D.v.s. gammastrålning, synligt ljus, radiovågor etc. är samma typ av strålning lning,, endast energin (alt. f eller λ) ) skiljer dem åt. En användbar ndbar enhet för f ngder i synligt ljus är Ångström m (1Å= = 10 10 meter). Optiskt astronomi utnyttjar vanligtvis våglv glängd medan radioastronomi använder nder frekvens. Olika sorters ljus Synligt ljus: Ljus med ngder av ca 400 700 nm Optiskt ljus: Betyder ibland synligt ljus, men innefattar ibland även en delar av de infraröda och ultravioletta delarna av spektrumet. 1
De fyra VLT-teleskopen påp Mount Paranal i Chile Optiska teleskop Optiska teleskop ställer höga h krav påp observationsorten. Man strävar efter att placera teleskopen: 1) påp hög g höjd, h 2) påp torra platser, 3) långt l från n störande stadsljus. Vanligaste teleskoptypen: Reflektorteleskop (spegelteleskop). De kan göras g stora samt utnyttjar aktiv (ändrar spegelns form) såväl l som adaptiv (korrigerar för f r atmosfärisk turbulens) optik för f r att förbf rbättra bildkvaliteten. Exempel påp optiska, markbaserade teleskop GranTeCan 10.4 m (La Palma) Very Large Telescope 4 x 8.2 m (Chile) Keck 10 m (Hawaii) Subaru 8.2 m (Hawaii) Gemini 2 x 8.1 m (Hawaii + Chile) Nordic Optical Telescope 2.5 m (La Palma) AlbaNova Telescope 1.0 m (Stockholm) Westerlund Telescope 0.9 m (Uppsala) Umevatoriet 0.35 m (Umeå) Repetition: Vinkelmått Ett varv runt himlen: : 360 Varje grad består av 60 (bågminuter) Varje bågminut består av 60 (bågsekunder) Varje grad = 3600 Seeing Mått på atmosfärens inverkan på astronomiska observationer. Mäter den minsta ytan som låter sig upplösas sas. Alltså: Hög seeing: Dålig upplösning Låg seeing: Bra upplösning Professionella optiska teleskop på jordytan når som typiskt en seeing av 0.7 0.8 0.8 och som bäst ca 0.2 0.3 0.3 Typisk seeing i Stockholm: 2-3, 2 som bäst ca 1 1 2
Bildfö Bildförbä rbättring genom adaptiv optik Ett av VLTVLT-teleskopen, spegeldiameter: 8,2m ReflektorReflektor- och refraktorteleskop Fokusering av ljus Refraktorteleskop: Refraktorteleskop: Linsteleskop Principen Går bakom en vanlig kikare inte att göra särskilt stora Okular a) Primä Primärfokus (kortast mö möjliga brä brännvidd fö för mycket ljussvaga objekt) b) Cassegrainfokus (mest vanlig ty mest praktisk) c) Coudé Coudéfokus (bra fö för vissa spektrografer) Objektiv Reflektorteleskop: Reflektorteleskop: Spegelteleskop Primärspegel Sekundärspegel Spektrograf i Cassegrainfokus Storleken har betydelse! Förstoringen hos ett teleskop är inte det viktigaste utan den fotonuppfå fotonuppfångande ytan! ytan! Fotoner = ljuspartiklar Ju fler fotoner vi kan få fånga in desto lä längre ut i universum (och lä längre tillbaka i tiden) ser vi. 3
Samma fö förstoring, samma exponeringstid men olika spegeldiametrar CCDCCD-chipen som fotonsamlare 1) Stor kä känslighet, > 90% av fotonerna registreras. 2) Stort dynamiskt omfå omfång (så (såväl ljusa som ljussvaga detaljer synliga). 3) Linjä Linjär (intensiteten proportionell mot laddningen i en punkt, d.v.s. en pixel, picture element). riska fö fönster risk extinktion Låg extinktion Hög extinktion Jorden Varfö Varför rymdteleskop? Hubbleteleskopet (HST), spegeldiameter 2,5m ren fö försä rsämrar bildkvaliteten (seeing (seeing)) ren blockerar strå strålning (extinktion (extinktion)) Speciellt vid gammagamma-, rö röntgen och ultravioletta glängder, men även vid vissa infrarö infraröda glängder Vid vissa vå glängder är atmosfä atmosfären i sig mycket ljusstark (exempelvis i infrarö infrarött) 4
Några teleskop i rymden Andra lö lösningar: flygplan och ballonger Exempel på på nuvarande rymdteleskop: HST (Hubble Space Telescope): Telescope): Ultraviolett, visuellt, närara-infrarö infrarött Spitzer Space Telescope: Telescope: Infrarö Infrarött GALEX: Ultraviolett XMMXMM-Newton, Newton, Chandra: Röntgen WMAP: WMAP: Radio Fermi: Fermi: Gamma Exempel på på framtida rymdteleskop: Herschel: Herschel: Infrarö Infrarött (2009) James Webb Space Telescope: Telescope: Infrarö Infrarött (2013) VSOPVSOP-2: Radio (2013) Galaxen M81 vid olika vå glängder Sofia (infrarött) Boomerang (radio) Radioteleskop Vinkelupplö Vinkelupplösningen, α (bö (bör vara så så liten som möjligt): Röntgen UV Optiskt α = 2,5 10 5 λ D där λ är vå glängden och D är diskens diameter, båda givna i enheten m. α ges i bågsekunder. gsekunder. Kortvågigt IR Långvågigt IR AreciboArecibo-teleskopet, teleskopet, Puerto Rico Radioteleskop forts. VLBI (Very (Very Large Baseline Interferometry): Interferometry): Sammakoppling av radioteleskop på på stora avstå avstånd. Ger vinkelupplö vinkelupplösningar på på 0."001 d.v.s. ungefä ungefär 100 ggr bä bättre än moderna jordbaserade, optiska teleskop. 5
Infraröda teleskop I Infraröda teleskop II Problem (vid vissa IR-vågl glängder): Himlen ljusstark även nattetid Teleskopet utsänder själv värmestrv rmestrålning Golv, synligt ljus Golv, infrarött ljus Lösningar: Kyl ned instrumentet Gör r observationerna påp en kall plats med kall, klar luft (ex. sydpolen) eller från n rymden Ultravioletta teleskop Röntgen- och gammateleskop Himlens ogenomskinlig Satelliter eller raketer krävs Röntgen- och gammastrålning passerar rakt igenom optiska speglar Avancerad optik krävs GALEX ren ogenomskinlig Satelliter eller raketer nödvn dvändiga Trattformad spegel i röntgenteleskop Neutrinoteleskop Neutrinoteleskop II Infångar inte ljus, utan neutrinos/neutriner Sudbury Neutrino Telescope (Ontario) IceCube (Sydpolen) Förhoppningsvis klart 2011 6