Licht aus dem Universum - Server der Fachgruppe Physik der
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T.Hebbeker Licht aus dem Universum Licht und Astronomie Sichtbares Licht: Geschichte/Methoden/... Neue Ergebnisse Radiowellen, Mikrowellen ... (Andere) Teilchenstrahlung Thomas Hebbeker RWTH Aachen Oktober 2006 http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/ T.Hebbeker Licht und Astronomie Astronomie/ Kosmologie: Grundlegende Fragen Wichtigste Informationsquelle über das Universum: Elektromagnetische Strahlung (insbes. sichtbares Licht): ~ ungehinderte Ausbreitung über Distanzen von > 10 Milliarden Lichtjahren T.Hebbeker Licht und Astronomie Sichtbares Licht: Geschichte/Methoden/... Astronomie mit dem Auge Auge und Kamera Feldstecher und Teleskop Spektralanalyse Neue Ergebnisse Radiowellen, Mikrowellen ... (Andere) Teilchenstrahlung Beobachtungen mit dem nackten Auge T.Hebbeker Bis etwa 1600 n.Chr. einzige Möglichkeit der Himmelsbeobachtung Beobachtbar: Planeten kreisen um Sonne • (Sonne = „unser Stern“) • Erd-Mond • 6 Planeten unseres Sonnensystems • ca. 6000 Sterne „unserer“ Galaxie (= Milchstraße) • Milchstraße, Andromeda und andere Galaxien 3 Millionen Lj. Tycho Brahe Die hohe Empfindlichkeit des Auges T.Hebbeker Licht = Strom von Photonen Energie ~ 3 eV ~ 5 ⋅10 −19 J Auf Erde ankommende Lichtmenge eines gerade noch sichtbaren Sternes: 10 −10 W / m 2 Auge empfängt < 10 Photonen pro Sekunde! Vergleiche: Glühbirne 1 m Entfernung: > 10 Milliarden Photonen/s ! Pupille: Durchmesser d maximal 7 mm ABER: Bei schwachem Licht KEIN Farbsehen! (nur Stäbchen) Sterne erscheinen „hell“, aber nicht farbig! T.Hebbeker Das Auflösungsvermögen des Auges (Teleskops) a) Beugung an der Begrenzung der (Augen-)Linse Sterne unterscheidbar, wenn Winkelabstand mindestens: δ min = b) Zahl/Größe der „Pixel“ in der Netzhaut λ 0.6 μm D 5 mm Auge: δ min ≈ 1´ =1 / 60 0 Himmelsbeobachtung mit der Kamera T.Hebbeker „Optik“ sehr ähnlich: Hauptunterschied: Film / CCD „akkumuliert“ Photonen höhere Empfindlichkeit Farben! Nachthimmel Aachen T.Hebbeker Teleskope Anforderungen: mehr Licht! bessere Auflösung! Kepler-Fernrohr D d (Kamera) 2 Lichtverstärkung: (Sternbeobachtung) D 2 d α mit f Ob = Winkelvergrößerung: α ohne f Ok T.Hebbeker Feldstecher, Spiegelteleskope D Feldstecher Angabe „8x30“: d 8 = Winkelvergrößerung 30 = D/mm (d=D/8~4 mm) Vorteil gegenüber Linsenfernrohren: leichter, keine Farbfehler Spiegelteleskop Große Teleskope Hubble Space Telescope T.Hebbeker Palomar Observatorium VLT = Very Large Telescope Leistungsvermögen optischer Teleskope T.Hebbeker Öffnung D maximal ~ 10 m, Brennweite f ~ 30 m D=20cm f=3m Winkelauflösung: δ min Aber: λ 0.6 μm = ≈ < 0.1´´ D 10 m Luftunruhe: δ min ≥ 1´´ Sternwarte Aachen Adaptive Optik Satelliten ! Blick ins Universum: Sterne T.Hebbeker Die Milchstrasse Nachbarstern „Proxima Centauri“ 4 Lichtjahre 1 Lj = 3 ⋅108 m / s ⋅1 Jahr = 1016 m 25000 Lj Das Sonnensystem in der „Unsere“ Galaxie = Milchstrasse Milchstrasse (Schema) Nachbargalaxie T.Hebbeker Blick ins Universum: Galaxien NGC 1232 100 Millionen Lj VLT „Andromeda“ 3 Millionen Lichtjahre Blick ins Universum: entfernte Galaxien T.Hebbeker Hubble-Teleskop „deep field“-Aufnahme bis zu 10 Milliarden Lichtjahre Blick in die Vergangenheit! T.Hebbeker Doppler-Effekt (Licht) Sonnenlicht: Atomare Spektrallinien: 0.4 μm 0.8 μm Wellenlänge T.Hebbeker Rotverschiebung der Spektrallinien E. Hubble 0.4 Hubble-Konstante = 2 cm / s / Lj Universum expandiert ! μm 0.8 T.Hebbeker Licht und Astronomie Sichtbares Licht: Geschichte/Methoden/... Neue Ergebnisse Supernovae/Evolution schwarze Löcher Planetensysteme Gravitationslinsen Radiowellen, Mikrowellen ... (Andere) Teilchenstrahlung Supernovae Ia T.Hebbeker Explosion wenn Masse kritischen Wert erreicht! „Standardkerzen“ Helligkeit: gleich groß Entfernungsbestimmung Zeitskala: einige Wochen Entwicklung des Universums Dunkle Energie !? T.Hebbeker Schwarze Löcher in Galaxienzentren infrarot T.Hebbeker Zentrum der Milchstrasse Radioquelle Sgr A Messung der Eigenbewegung der Sterne dicht am Zentrum (0.1 – 10 Lichtjahre): Eingeschlossene Masse = 3 Millionen Sonnenmassen Sgr A = Schwarzes Loch Planetensysteme „Unser“ Sonnensystem: Gibt es andere Planetensysteme ? Ja! bereits mehr als 100 Planeten gefunden ! Werden alle Sterne von Planeten umkreist ? Gibt es erdähnliche Planeten ? Gibt es extraterrestrisches Leben ? T.Hebbeker Extrasolare Planetensysteme Nachweismethoden: a) Stern „wackelt“ periodisch: b) Stern wird periodisch verdunkelt: T.Hebbeker T.Hebbeker Licht und Gravitation Einstein: Photonen haben Energie und Masse! E = m c2 Ablenkung von Sternenlicht in Sonnennähe (Eddington 1919) Einstein-Ring Ablenkung des Lichtes einer Galaxie im Schwerefeld eines Galaxienclusters T.Hebbeker Gravitationslinsen Hubble Space Telescope Einstein-Ringe Very Large Array (Radiostrahlung) T.Hebbeker Licht und Astronomie Sichtbares Licht: Geschichte/Methoden/... Neue Ergebnisse Radiowellen, Mikrowellen ... Durchlässigkeit der Atmosphäre Radioteleskope (Andere) Teilchenstrahlung T.Hebbeker Erdbeobachtung in Erdatmosphäre Satelliten Absorption/Reflektion Elektromagnetische Strahlung aus dem Universum T.Hebbeker Radioastronomie I + Genauigkeits- Effelsberg anforderungen gering λ (Unebenheiten ~ ) 0 10 m + Größe erlaubt hohe Empfindlichkeit + funktioniert auch tagsüber/mit Wolken - Richtungsauflösung gering δ min Wellenlänge 1 mm – 10 m λ 1m = = = 0.01 = 0.60 D 100 m ( Mond : 0.50 ) Radioastronomie II T.Hebbeker „Interferometrie“ δ min = λ D Abstand Teleskope (km oder mehr!) T.Hebbeker Licht und Astronomie Sichtbares Licht: Geschichte/Methoden/... Neue Ergebnisse Radiowellen, Mikrowellen ... (Andere) Teilchenstrahlung Geladene kosmische Strahlung T.Hebbeker Geladene Strahlung primär (Protonen, Kerne) aus Supernovae...? sekundär Fragen: Woher kommen die Teilchen ? Wie werden sie so stark beschleunigt ? Myonen T.Hebbeker AUGER-Detektor in Argentinien FluoreszenzTeleskop WasserTanks Zusammenfassung Astrophysik ist nach wie vor eine faszinierende Wissenschaft Fast alle unsere Kenntnisse über das Universum verdanken wir den besonderen Eigenschaften des Lichtes http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/index.html#presentations T.Hebbeker T.Hebbeker Anhänge T.Hebbeker Materie - Antimaterie e − Elektron e + Positron Antimaterie im Universum ? + - T.Hebbeker AMS = Alpha Magnetic Spectrometer ISS = International Space Station Bisher kein Antihelium ... gefunden T.Hebbeker Anhang: Die „Reichweite“ des Auges Ohne technische Hilfsmittel: • Auge: etwa 3 Millionen Lichtjahre ~ 3 ⋅10 m 22 (Andromeda-Galaxie) • Gehör: ca 10 km [ Empfindlichkeit 4 10 −12 W /m • Geruch: ca 1 km • Tastsinn, Geschmack: < 1 cm 1 Lichtjahr: 2 ] ~ 10 m 3 ~ 10 m −2 ~ 10 m 300 000 km / s ⋅ 365 ⋅ 86400 s = 10 m 16 Anhang: Supernova-Explosion Bild 1 Bild 2 (3 Wochen später) Bild 2 – Bild 1 T.Hebbeker T.Hebbeker Olberssches Paradoxon Viele grundlegende Erkenntnisse durch Himmelsbeobachtung mit Auge! Wilhelm Olbers, 1823: „Warum ist es nachts dunkel ?“ nahe Sterne + weiter entf. S. + noch weiter... Sonnenoberfläche! Heutige Antwort: Sichtbares Universum ist endlich ! T.Hebbeker T = 2.7 K Das heutige Universum Materie: • 1011 Galaxien mit je 1011 Sternen • dunkle Materie Strahlung: • Sternenlicht • Hintergrundstrahlung H,He T.Hebbeker Neutrinos elektrisch neutral ungehinderter geringe Wechselwirkung Flug 1 km Myon Neutrino Amanda Amanda-Experiment (Antarktis) Amanda = Antarctic Muon and Neutrino Detector Array T.Hebbeker
