11,1 MB pdf-Datei - Physik am Samstag

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