Astrofizyka Obserwacyjna Techniki obserwacyjne astronomii optycznej. W. Waniak

Transkrypt

1 Astofizyka Obsewacyjna Techniki obsewacyjne astonomii optycznej W. Waniak

2 Co to jest Astofizyka? Astofizyka to dział fizyki zajmujący się opisywaniem, wyjaśnianiem i pzewidywaniem pocesów fizycznych zachodzących w pzestzeni kosmicznej. Podstawą istnienia i ozwoju Astofizyki jest pzetwazanie infomacji. Co to jest Astofizyka Obsewacyjna? Astofizyka Obsewacyjna to dział wiedzy zajmujący się opacowywaniem stategii gomadzenia, analizy i pzechowywania infomacji dla potomności. O czym nie ma mowy w tej definicji (a czego moŝna by się spodziewać) i dlaczego? 2

3 Co to jest Astofizyka? Astofizyka to dział fizyki zajmujący się opisywaniem, wyjaśnianiem i pzewidywaniem pocesów fizycznych zachodzących w pzestzeni kosmicznej. Podstawą istnienia i ozwoju Astofizyki jest pzetwazanie infomacji. Co to jest Astofizyka Obsewacyjna? Astofizyka Obsewacyjna to dział wiedzy zajmujący się opacowywaniem stategii gomadzenia, analizy i pzechowywania infomacji dla potomności. O czym nie ma mowy w tej definicji (a czego moŝna by się spodziewać) i dlaczego? Oczywiście. Nie ma tu mowy o powadzeniu obsewacji astonomicznych poniewaŝ obsewacje powadzi: * astonom amato, * pofesjonalna obsługa pofesjonalnego teleskopu (tzw. tyb Sevice Mode), * teleskop automatyczny lub zobotyzowany, * astofizyk dla uozmaicenia 3

4 Nośniki infomacji pzetwazanej pzez Astofizykę. Rozpoczynając od mateii gubej popzez coaz dobniejszą, a skończywszy na enegii fal. mateia (docieająca do Ziemi i badana in situ) meteoyty i dobiny pyłu międzyplanetanego docieające do powiezchni Ziemi. Ilość do ton ocznie. dobiny pyłu zebane w atmosfeze, tzw. cząstki Bownlee pobane pzez specjalne ekany zamontowane na samolotach odbywających loty statosfeyczne. mateia badana in situ i spowadzana na Ziemię pzez misje typu Sample Retun. - badania bezinwazyjne - badania inwazyjne. 4

5 dobiny pyłu zebane pzez Aeogel w komie komety Wild 2 podczas ekspeymentu STARDUST (pzykład bezinwazyjnego Sample Retun Mission) Wynik wlotu cząstki laboatoyjnej. Wyniki wlotu cząstek pyłu kometanego. Mateiał wyzucony w wyniku udezenia pocisku w powiezchnię jąda komety Tempel 1 podczas misji DEEP IMPACT (pzykład badania inwazyjnego, ale w sumie powadzonego głównie z powiezchni Ziemi, pzez HST, Spitze, sondę Rosetta). Ostatnie zdjęcie pzed udezeniem... Chmua wybitej mateii kometanej. 5

6 wiat słoneczny zbió jonów (głównie H +,He ++ ) wytwozonych i pzyspieszonych do pędkości ~400 km s -1 w koonie słonecznej. Niesie wmoŝone pole magnetyczne w postaci tzw. spial Pakea. W szybkich stumieniach osiąga pędkość do 1000 km s -1. pomieniowanie kosmiczne wysokoenegetyczne (enegie GeV, TeV) jony (głównie od H + do Fe +...) pzyspieszane w szokach galaktycznych mające pędkości bliskie pędkości światła. Docieają do gónych wastw atmosfey twoząc wtóne pomieniowanie kosmiczne (jedna cząstka piewotna twozy pęk wielu cząstek wtónych). Detekcja pęków na powiezchni Ziemi lub pomieniowania Czeenkowa w atmosfeze. neutina postulowane pzez Pauliego w 1930 oku, odkyte w 1956 znikoma masa, bak ładunku, momentu magnetycznego, spin 1/2 mamy neutina: ve, vµ, vτ oaz ich antycząstki: v vµ vτ Powstają np. w eakcjach: n p + e + v + p n + e + v e,, Niebywale słabo oddziałują z mateią. Pzy pzelocie neutina z głębi Słońca do jego powiezchni szansa oddziałania jest jak 1: e e 6

7 Detekcja neutin: - oddziaływanie z potonami wodou lub deuteu ve + p n + e + (zwykła lub cięŝka woda) i ejestacja błysków pomieniowania Czeenkowa (np.detektoy: Kamiokande i Supe Kamiokande) - oddziaływanie neutin z jądami i pzemiana jądowa z wytwozeniem jąde pomieniotwóczych detektoy galowe (np. GALLEX) Ga + v Ce + e detektoy chloowe (np. Homestake - Pd. Dakota) 31 e Cl + v A + e e 18 7

8 fale gawitacyjne Geneowane pzez zmienny w czasie ozkład masy. Pędkość ozchodzenia c, amplituda popocjonalna do względnych defomacji obiektu: L A ~ δ L Słabo oddziałują z mateią (oddziaływanie azy słabsze niŝ elektyczne). Źódła: gwiazdy podwójne, pulsay, AGN, kwazay, oddziaływanie z czanymi dziuami, kolaps gawitacyjny w fazie SN. Detekcja np. popzez intefeometyczne wykywanie defomacji (zędu cm) obiektów o duŝej masie. Detekto LIGO zbudowany pzez MIT. 8

9 fale elektomagnetyczne (w tym pomieniowanie widzialne). Najstaszy dostępny człowiekowi nośnik infomacji o Kosmosie. Zasięg: dawniej (nieuzbojony wzok) 0.5 Mpc (galaktyka M31), obecnie z~7. Umowny podział zakesu fal EM ze względu na długość fal, pocesy emisji i sposoby detekcji nazwa zakesu zakes długości tempeatua źódła temicznego [K] γ < 0.1 nm > 10 8 X nm UV nm Visual µm IR 1 µm 1 mm MW 1 mm 3 cm R 1 mm 30 m

10 Radioteleskopy intefeometu VLBI obsewatoium NRAO 10

11 Pzykłady obazów adiowych z NRAO Satun, VLA, długość fali 2 cm Kwaza, VLA, 3C288, dł. fali 3.6 cm Doga Mleczna VLA,, dł. fali 21 cm 11

12 Wygląd obiektu silnie zaleŝy od zakesu fal EM uŝytych do jego obsewacji. Obsewując obiekt w óŝnych zakesach fal mamy okazję badać óŝne aspekty jego natuy. Pzykład: Galaktyka M31 w óŝnych zakesach fal EM. linia 21 cm neutalnego wodou λ = 400 nm temiczna emisja pyłu λ =60µm λ = 203 nm 12

13 Rozwój moŝliwości obsewacyjnych w óŝnych zakesach fal EM......a pzepuszczalność óŝnych zakesów fal EM pzez atmosfeę ziemską. 13

14 Rozwój óŝnych technik obsewacyjnych w óŝnych zakesach fal EM oaz wzost czułości instumentów obsewacyjnych. 14

15 Podstawy fotometii (adiometii) Fotometia - dział nauki zajmujący się zobiektywizowanymi metodami pomiau wielkości związanych z enegią niesioną pzez światło (a adiometia - pzez dowolne pomieniowanie elektomagnetyczne EM). Światło ma własności zaówno falowe jak i koposkulane. Światło jako fala (zjawisko intefeencji) Dowolną wiązkę światła opisać moŝna jako supepozycję monochomatycznych fal płaskich. Wekto pola elektycznego monochomatycznej EM fali płaskiej: gdzie: k i ( k ω t ) 2π E = E0e, k =, ω = 2πν = λ - wekto falowy okeślający kieunek popagacji, hv 2π T 15

16 k k k x y z = = = ω - k k k cosδ cosα cosδ sinα sinδ częstość kołowa, k E B ν - częstotliwość dgań pola elektycznego, T - okes dgań, λ - długość fali (światła). Światło jako zbió fotonów (zjawisko fotoelektyczne) Enegia fotonu fali EM: hv gdzie: E = hν, ν = 1 T = c λ E = hc λ e - h - stała Plancka ( J s). 16

17 Podstawowe definicje i jednostki fotometyczne (adiometyczne) ŚWIATŁOŚĆ - natęŝenie źódła światła to podstawowa wielkość fotometii wizualnej. Okeśla ją stosunek stumienia świetlnego df wysyłanego pzez źódło punktowe (lub element źódła niepunktowego) w infinitezymalnie małym stoŝku do kąta byłowego dω tego stoŝka: I = df/dω Jednostkąświatłości jest kandela. Odpowiednikiem światłości w fotometii fizycznej jest światłość enegetyczna, któej jednostką jest wat na steadian (Ws -1 ). KANDELA [z łac. świeca], (oznaczenie cd) jednostka światłości. Jest to światłość, któą ma w okeślonym kieunku źódło emitujące pomieniowanie monochomatyczne o częstotliwości 5, Hz i któego natęŝenie w tym kieunku jest ówne (1/683) Ws -1. Definicję kandeli ustalono na XVI Genealnej Konfeencji Mia w 1979 oku. 17

18 STRUMIEŃŚWIETLNY to wielkość fizyczna ówna mocy pomieniowania ocenianej na podstawie wywoływanego pzez to pomieniowanie waŝenia świetlnego. df = I dω Jednostką stumienia świetlnego jest lumen. LUMEN [z łac. światło, jasność], (oznaczenie lm) to jednostka stumienia świetlnego w układzie SI. Jest to stumieńświetlny wysyłany w kącie byłowym 1s pzez punktowe źódło światła o światłości 1 cd; 1 lm = 1 cd 1 s. NATĘśENIE OŚWIETLENIA to stosunek stumienia świetlnego padającego na oświetloną powiezchnię do wielkości tej powiezchni. E = df / ds Jednostką natęŝenia oświetlenia jest luks. Odpowiednikiem natęŝenia oświetlenia w fotometii fizycznej jest enegetyczne natęŝenie oświetlenia, któego jednostką jest W/m 2. LUKS [z łac. światło, blask], (oznaczenie lx), jednostka natęŝenia oświetlenia w układzie SI. Jest to natęŝenie oświetlenia wytwozone pzez stumień 1 lm na pow. 1 m 2 ; 1 lx = 1 lm / 1m 2 18

19 Fizyczne natęŝenie pomieniowania EM (intensity, specific intensity) Jest to ilość enegii niesiona pzez pomieniowanie EM w zakesie częstotliwości od λ do λ+dλ (od v do v+dv), pzez infinitezymalny element powiezchni ds, umieszczony w punkcie, w infinitezymalny element kąta byłowego dω n wokół kieunku, w pzedziale czasu od t do t+dt. n ds dω θ ds δ E = I(, n, t, λ) n dsd Ωdt dλ δ E = I, n, t, λ cosθ sinθ dθ dϕ dsdt dλ stąd: (0,0,0) ( ) I n t (,,,λ) E n dsd δ = Ω dt dλ 19

20 Jednostką fizycznego natęŝenia pomieniowania jest (do wybou): J m -2 s -1 s -1 m -1, lub: J m -2 s -1 s -1 µm -1, lub: J m -2 s -1 s -1 nm -1, lub: W m -2 s -1 nm -1, lub: J m -2 s -1 s -1 Hz -1, lub: W m -2 s -1 Hz -1 itd.. Czy natęŝenie pomieniowania powiązane jest z wektoem pola elektycznego (magnetycznego) fali EM? Tak!!! Popzez wekto Pointinga. 2 1 S = nc E D = ncε E I = cε E 0 2 Śednie natęŝenie to natęŝenie wyśedniowane po pełnym kącie byłowym 4π J = 1 λ 4π λ 0 (, t) I (, n, t) dω 0 gdzie zaleŝność od dł. fali opisano wskaźnikiem. Dla zaleŝności od częstotliwości jest wskaźnik v 2 20

21 Fizyczny stumień pomieniowania EM Jest to ilość enegii niesiona pzez pomieniowanie EM w zakesie długości fal od λ do λ+dλ (od v do v+dv), pzez infinitezymalny element powiezchni ds, umieszczony w punkcie, w pzedziale czasu od t do t+dt. F λ 4π (, t) = I λ (, n, t) n ds ds d Ω 0 Jednostką fizycznego stumienia pomieniowania jest (do wybou): J m -2 s -1 µm -1, lub: J m -2 s -1 nm -1, lub: W m -2 nm -1, lub: W m -2 Hz -1 F itd.. W sytuacji symetii walcowej pzepływu pomieniowania (np. atmosfea Ziemi, atmosfey gwiazd). Oś z układu współzędnych wzdłuŝ pomienia kuli. Wtedy mamy: dω = sinθ dθ dϕ cosθ = µ 1 λ ( z, t) = 2π Iλ ( z, µ, t) µ dµ Fλ = F π λ 1 1 Stumień astofizyczny 21

22 Co widzi jednokanałowy detekto fal EM (światła)? JeŜeli ozkład czułości po powiezchni detektoa wynosi S(x,y), a jego chaakteystyka czułości spektalnej opisana jest funkcją t(λ) wtedy podczas ekspozycji twającej T= t 2 -t 1 zaejestuje on następującą ilość enegii: t ( λ) (, ) F (, ) E t S x y x y dxdydλ dt = t Σ λ F λ s(x,y) y x Powiezchnia detektoa Σ 22

23 Co się dzieje z natęŝeniem pomieniowania wzdłuŝ wiązki? Mamy fagment wiązki pomieniowania (tzw. light pencil). Enegia niesiona wzdłuŝ wiązki, w waunkach baku pochłaniania, jest zachowana. δ E = I ds dω δ E = I ds dω dω 1 dω 2 n k λ1 λ1 1 1 λ2 λ2 2 2 δ E = δ E I ds dω = I ds dω λ1 λ2 λ1 1 1 λ ds = dω ds = dω ds 1 ds 2 2 I 1d Ω1d Ω212 = I 2dΩ2dΩ112 I = I 2 NatęŜenie pomieniowania jest stałe wzdłuŝ wiązki. λ λ λ1 λ2 Jak pzenoszona jest enegia pomieniowania z powiezchni ds 1 do ds 2? ds 1 n 1 θ 1 dω 2 k θ 2 ds 2 n 2 δ E = I ds dω cosθ dω = ds cosθ λ λ δ E = I ds ds cosθ cosθ λ λ Czynnik geometyczny ds1ds 2 cosθ 1 cosθ 2 12 wpływający na wielkość pzekazywanej enegii to: thoughput, étendue, (pol. pzekaz). UŜywany np. do opisu pzenoszenia pomieniowania pzez systemy optyczne. W pzypadku wystąpienia pochłaniania naleŝy domnoŝyć współczynnikiem pochłaniania A

24 Jak tansfomuje się stumień z liczonego na infinitezymalny pzedział częstotliwości dv do liczonego na infinitezymalny pzedział długości fali dλ? Kozystamy z zasady zachowania infinitezymalnej ilości enegii fali elektomagnetycznej δe i mamy: δ E ν = δ E λ I dν = I dλ F dν = F dλ ν λ ν λ F λ = F ( ) ν λ dν dλ 24