11,1 MB pdf-Datei - Physik am Samstag
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Gammablitz und Neutrinoschauer – moderne Methoden der Astronomie Clemens Laubschat Omeganebel, Hubble Stonehenge Scheibe von Nebra Grabanlage von Newgrange Astronomische Instrumente vor Erfindung des Fernrohrs Tycho de Brahe 1546-1601 Augsburger Quadrant zur Vermessung von Sternpositionen 6,4 m Radius Armillarsphäre, Astrolabium, Winkelmessgerät 2,4 m Durchmesser Pioniere der Fernrohrentwicklung Galileo Galilei 1564-1634 Holländisches Fernrohr, Bis 33-fache Vergrößerung, wichtigste Entdeckungen: - Planeten keine punktförmigen Objekte - Jupiter von Monden umkreist - Phasengestalt der Venus (Sichel) - Ringe des Saturn - Schatten der Mondgebirge - Sonnenflecken, Rotation der Sonne - Milchstraße besteht aus einzelnen Sternen Johannes Kepler 1571-1630 Keplersches Fernrohr - Gesetze Planetenbewegung Sir Isaac Newton 1642-1727 Spiegelfernrohr - Gravitationsgesetz Optische Instrumente: Vergrößerung: V: = Sehwinkel mit Instrument Parallelstrahlen Sehwinkel ohne Instrument aus ∞ mit Fernrohr: V = ´/ = (h/fe)/(h/fO) = fO/fe Lichtstärke: • • • L:= d2/V2 d: Linsendurchmesser, V: Vergrößerung schwache Intensität Langzeitbelichtung, präzise Nachführung Kontrast Streulicht vermeiden, Hochgebirge, Weltraum fern von Ballungsgebieten Auflösung: eingeschränkt durch 1) atmosphärische Störungen Temperatur- u. Druckschwankungen ändern Brechungsindex der Luft und verursachen Brechung und Phasenverschiebung des Lichts 2) Beugung an Apertur- (Linsen-) Öffnung Auflösung des Fernrohrs Begrenzung: Beugung der Lichtwellen an der Objektivöffnung Blende Breite D Winkel θ Wand Schirm Beugungsscheibchen, Durchmesser: sichtb. Licht, Auflösung in Minuten: 2.4**f/D 1,9´ ______ D [mm] Größtes Linsenfernrohr der Welt: Yerkes Refraktor, 1897 Wisconsin, nahe Chicago Objektivdurchmesser: Dicke: Gewicht: Brennweite: 102 cm 10 cm 240 kg 19,7 m Probleme: Linse verformt sich unter Gewicht, muss regelmäßig gedreht werden! Spiegelteleskop (Reflektor): Vorteile: Von hinten abstützbar, keine sphärische u. chromatische Aberration Nachteil: Geringere Transmission gegenüber Linsenfernrohr a) Newton-Teleskop: Parabolischer Hauptspiegel (H), planer Fangspiegel (p) b) Cassegraain-(Gregory-) Teleskop; Parabolischer Hauptspiegel (H), konvexer (konkaver) Fangspiegel (W) Grantecan: • mit 10,4 m Spiegeldurchmesser größtes Spiegelteleskop der Welt auf Kanaren-Insel La Palma, 2400 m Indienststellung Juli 2009 • Hauptspiegel besteht aus 36 sechseckigen Einzelspiegeln, einzeln justierbar! Könnte Autokennzeichen von der internat. Raumstation oder Einfamilienhäuser vom Mond aus auflösen! Elektromagnetische Wellen Lichtgeschw. C = 299753 km/s Frequenz f = c/ Energie E = h = 12 nm/ keV Wärmestrahlung (Schwarzer Körper) • Schwarzer Körper mit Temperatur T emittiert elektromagn. Strahlung • Stefan-Boltzmanngesetz: Abgestrahlte Leistung proportional T4 • Wiensches Verschiebungsgesetz: max proportional 1/T Synchrotronstrahlung erzeugt durch Ladungsträger, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn bewegen Intensität e- Frequenz z.B. Elektronen im Magnetfeld/ Gravitationsfeld eines Neutronensterns oder Schwarzen Lochs („Pulsar“) Bremsstrahlung erzeugt durch Ladungsträger, die bei Kollisionen abgebremst werden Linienspektren a) Rotation Entstehen durch Übergänge zwischen diskreten Energiezuständen: a) Rotations- und Schwingungsniveaus von Molekülen (Mikrowellen, Infrarot) b) elektronischen Zuständen im Atom (sichtb. Licht, UV-Strahlung, Röntgen) c) Zustände im Atomkern (Gamma) ___ Frequenz: f = D/m / 2π b) Durchlässigkeit der Erdatmosphäre für elektromagnetische Wellen Very Large Array (VLA) Radioteleskop New Mexico 27 Einzel-Radioteleskope mit je 25 m Durchmesser, verschiebbar in Y-Form aufgestellt, entsprechen zusammenGeschaltet einem Teleskop von 36 km Durchmesser. Auflösung 0.06´´. Unten: Alma-Array, Atacama-Wüste. 50 Teleskope á 12 m Durchmesser Spitzer Infrarot-Weltraumteleskop Problem: Wärmestrahlung der Umgebung überstrahlt interstellare Objekte Lösung: Sowohl das 0.85 m Teleskop als auch die Detektoren werden auf -271°C gekühlt. Weltraumteleskop Hubble: nahes Infrarot, sichtbares Licht, UV Gewicht: Länge: Durchmesser: 11,6 t 13.1 m 4,3 m Spiegeldurchmesser: Brennweite: Leistung Solarflügel: 2,4 m 57,6 m 2,8 kW Richtantenne Kommunikation Lichteinfall Steuersystem Solarflügel Teleskop u. Kameras CHANDRA Röntgen-Weltraumteleskop Problem: Metalle werden im Röntgenlicht durchsichtig. Lösung: Nutzung von Totalreflexion bei streifendem Einfall, mehrfache Reflexion an ineinander geschachtelten Spiegelröhren. 4 hyperbolische Spiegel reflektierte Strahlung 10 m Röntgenlicht 4 parabolische Spiegel Detektor MAGIC - Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov Telescope Teleskop für ultrahochenergetische Gammastrahlung (10-300 GeV). Problem: Materie vollständig durchsichtig bei diesen Energien. Lösung: In der Atmosphäre gestreute Gammaquanten erzeugen Elektronen, die sich in der Atmosphäre mit ÜberlichtGeschwindigkeit bewegen und Cherenkow-Strahlung abgeben. 17 m Durchmesser, 1000 aktiv-steuerbare Al-Spiegel, laserjustiert, auf Kohlenstofffibergestell, kann innerhalb von 20s vollständig geschwenkt werden Super-Kaniokande Neutrino-Observatorium, Japan Neutrinos: Fast masselose, ungeladene Elementarteilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und praktisch mit nichts wechselwirken. Nachweis: z.B. durch Stöße mit Deuterium Detektor: Stahltank mit 50.000 m3 hochreinem Wasser, 1000 m unter Erdoberfläche, mit 11.146 Photomultipliern. Etwa 100 Ereignisse am Tag bei 100 Milliarden solaren Neutrinos pro Sek. und cm2! Techniker im Schlauchboot bei Wartungsarbeiten Sonne: Energieerzeugung durch Fusion Korona Chromosphäre Proton Photosphäre: Temperatur: 6050 K Positron Konvektionszone Strahlungszone Neutrino Kern: Radius: 175000 km Dichte: 180 g/cm3 Temperatur: 15 Mill. K Deuterium 3 He-Kern Sonne: Innerer Aufbau 4 He-Kern Sichtbares Licht UV Röntgenlicht Sonne • Sichtbares Licht: Gelbe Scheibe mit Flecken, zohnen niedrigerer Temperatur • UV: Granulare Struktur der Chromosphäre, Protuperanzen (Ausbrüche) • Röntgen: Wirbelstruktur des heißen Gases der Korona, Temperatur Millionen °C • Neutrinos: Abbildung des aktiven Sonnenkerns. • Solares Neutrinoproblem: Nur 66% der erwarteten Neutrinos beobachtet. Ursache: Umwandlung der Elektronen- in Myonenneutrinos. Neutrinoemission Sichtbares Licht Infrarot Jupiter • Wolkenhülle mit Streifen und „Großem Roten Fleck“ • Dunkle Streifen wärmer als Umgebung, leuchten im IR • Von der Erde aus nicht zu sehen: Dünner Staubring Rotfilter (Voyager) Jupiter - Magnetgürtel Radiostrahlung der im Magnetfeld abgelekten geladenen Teilchen Röntgenstrahlung geladener Teilchen, Die in die Polregion abgelenkt werden Und in die Atmosphäre eindringen Planetensysteme fremder Sterne 2007: Hubble 1987: Vorher nachher Supernova 1987A • Supernova, 1987 in der Großen Magellanschen Wolke (157.000 Lichtjahre Entfernung) • Vorläuferstern mit 20 Sonnenmassen, hat bereits vor 1 Mill. Jahren Teile seiner Hülle abgestoßen • Schockwelle regt dieses Gas zum Leuchten an • Ringe: Reflexe des Explosionslichts 2007: Hubble + Chandra Krebsnebel Crab-Nebula 6300 Lichtjahre entfernt. Rest der Supernova von 1054 n. Chr. Expandierende Gase und Staub Temperatur 18.000°C. Blaues Leuchten: Synchrotronstrahlung schneller Elektronen im Magnetfeld Kombiniertes Röntgen- (rot) und Gammabild (blau) zeigt den im Zentrum befindlichen Neutronenstern (Taurus-X1, Pulsar PSR B0531+21 ) Schwarze Löcher Objekte, bei denen die Fluchtgeschwindigkei gleich Lichtgeschwindigkeit ist. Endstadium einer Supernova. Hineinstürzende Materie gibt Energie in Form eines Jet als Synchrotronstrahlung ab Pulsare Galaxienkollisionen Antennengalaxien NGC 4038 und 4039 • Fortgeschrittenes Stadium der Kollision • Gas- und Staubmassen treffen aufeinander, durch Verdichtung intensive Sternentstehung Radioquelle Centaurus A Galaxis NGC 5128, Entfernung 14 Mill. Lichtjahre Sichtbares Licht: • elliptische Galaxis • besteht überwiegend aus roten (alten) Sternen • ungewöhnliches Staubband • Verschmelzung mit Spiralgalaxis • Haufen blauer (junger) Sterne am Rand des Staubgürtels • Teile des Staubgürtels glüht im Sternenlicht Aufnahme: Hubble Centaurus A • UV: viel UV-Licht von den jungen Sternen am Rand des Staubgürtels UV: GALEX-Satellit • nahes IR: Volle Ausdehnung der Staubscheibe sichtbar • fernes IR: Staub teilweise transparent Innenbereich der ehem. Spiralgalaxis verzerrt durch Masse im Kern nahes Infrarot: Very Large Telescope fernes Infrarot: SPITZER Centaurus A a) b) c) a) Röntgen: 30.000 Lichtjahre lange Jets schießen aus dem inneren Kern, stammen aus Region von höchstens 0.001 Lj. Ausdehnung: Schwarzes Loch. b) Radio: Jets münden in zwei gigantische Plasmablasen, die von ihnen aufgefüllt werden. c) Überlagerung des sichtbarenLichts mit Radio u. Röntgen Andromedanebel, Dynamik: 21cm-Radiosignal zeigt Verteilung und Rotation (rot: von uns weg, blau: auf uns zu) der Wasserstoffwolken Rotationsgeschwindigkeit fällt bei großen Abständen vom Kern nicht ab Hinweis auf „dunkle Materie“ Sternhimmel im Sichtbaren Darstellung des Sternhimmels nach Art einer Weltkarte, wobei das Milchstraßenband auf den Äquator zu liegen kommt (Galaktische Ebene) Mit dem galaktischen Zentrum in der Mitte 3K-Mikrowellenhintergrund • Korrektur durch Abzug Mikrowellenhintergrund der Milchstraße • thermische Strahlung von 2.725 K, Reststrahlung des Urknalls • systematische Frequenzverschiebung durch Erdbewegung, 371 kms-1 (oben) • Fleckenstruktur zeigt Materieverteilung kurz nach Urknall • Oben Daten des Satelliten COBE, unten rechts des Satelliten WMAP 13.7 M illiard en J a hre Ende
