Fortgeschrittenenpraktikum II (V.1) (Bachelor) Astrophysikalisches Praktikum an der Uni-Sternwarte durch Remote-Beobachtung am Wendelstein Beobachtungsvorbereitung WiSe 2016/17 Arno Riffeser Mihael Kodric Stella Seitz Johannes Koppenhöfer 40 cm Teleskop am Wendelstein Arbeitschritte Das Praktikum simuliert in sehr vereinfachter Form den Beobachtungsalltag eines Astrophysikers: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Idee Beobachtungsplanung Zuweisung von Beobachtungszeit Nacht-Beobachtung Datenauswertung Veröffentlichung/Präsentation der Ergebnisse Der Messier Katalog 110 "M” Objekte: § 27 Spiralgalaxien § 11 Elliptische Galaxie, 1 irreguläre Galaxie, 1 Zwerg Galaxie § Haufen: 29 Kugel, 26 Offene § Nebel: 1 Supernova Überrest, 4 Planetarische, 7 Diffuse § 1 Milchstrassen-Wolke (M24) 1 Doppelstern (M40) 1 Ansammlung von 4 Sternen (M73) Messier de.wikipedia.org/ wiki/MessierKatalog NGC messier.seds.org/ xtra/ngc/ngc.html IC de.wikipedia.org/ wiki/Index-Katalog Übersicht aller Messier-Objekte Objekt M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18 M19 M20 M21 M22 M23 M24 M25 M26 M27 M28 M29 M30 M31 M32 M33 M34 M35 M36 M37 M38 M39 M40 M41 M42 M43 M44 M45 M46 M47 M48 M49 M50 M51 M52 M53 M54 M55 Name Crab-Nebel Butterfly Cluster Lagunen-Nebel Wild Duck Cluster Adler-Nebel Schwan-Omega-Nebel Trifid-Nebel Hantel-Dumbbell-Nebel AndromedaNebel Triangulum-Galaxie nur ein Doppelstern Orion-Nebel Praesepe Plejaden Whirlpool-Galaxie RA 05h 34m 30.0s 21h 33m 30.0s 13h 42m 12.0s 16h 23m 36.0s 15h 18m 36.0s 17h 40m 5.9s 17h 53m 54.0s 18h 03m 48.0s 17h 19m 12.0s 16h 57m 6.0s 18h 51m 5.9s 16h 47m 11.9s 16h 41m 42.0s 17h 37m 35.9s 21h 30m 0.0s 18h 18m 48.0s 18h 20m 48.0s 18h 19m 54.0s 17h 02m 36.0s 18h 02m 18.0s 18h 04m 36.0s 18h 36m 23.9s 17h 56m 48.0s 18h 18m 23.9s 18h 31m 36.0s 18h 45m 12.0s 19h 59m 36.0s 18h 24m 30.0s 20h 23m 54.0s 21h 40m 23.9s 00h 42m 44.3s 00h 42m 41.8s 01h 33m 50.9s 02h 42m 0.0s 06h 08m 54.0s 05h 36m 6.0s 05h 52m 24.0s 05h 28m 42.0s 21h 32m 11.9s 12h 22m 24.0s 06h 46m 0.0s 05h 35m 24.0s 05h 35m 36.0s 08h 40m 6.0s 03h 47m 0.0s 07h 41m 47.9s 07h 36m 36.0s 08h 13m 48.0s 12h 29m 46.5s 07h 03m 12.0s 13h 29m 53.3s 23h 24m 12.0s 13h 12m 54.0s 18h 55m 5.9s 19h 40m 0.0s DEC +22d 01' 00" -00d 49' 00" +28d 23' 00" -26d 32' 00" +02d 05' 00" -32d 13' 00" -34d 49' 00" -24d 23' 00" -18d 31' 00" -04d 05' 59" -06d 16' 00" -01d 57' 00" +36d 28' 00" -03d 15' 00" +12d 10' 00" -13d 47' 00" -16d 11' 00" -17d 08' 00" -26d 16' 00" -23d 02' 00" -22d 30' 00" -23d 54' 00" -19d 01' 00" -18d 25' 00" -19d 15' 00" -09d 24' 00" +22d 43' 00" -24d 52' 00" +38d 32' 00" -23d 11' 00" +41d 16' 08" +40d 51' 55" +30d 39' 37" +42d 47' 00" +24d 20' 00" +34d 08' 00" +32d 32' 59" +35d 50' 00" +48d 26' 00" +58d 05' 00" -20d 44' 00" -05d 27' 00" -05d 16' 00" +19d 59' 00" +24d 07' 00" -14d 49' 00" -14d 30' 00" -05d 48' 00" +07d 59' 58" -08d 20' 00" +47d 11' 48" +61d 35' 00" +18d 10' 00" -30d 29' 00" -30d 58' 00" Typ SupernovaRemnant Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen Emissionsnebel Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen OffenerSternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Emissionsnebel Emissionsnebel OffenerSternhaufen Kugelsternhaufen EmissionsNebel OffenerSternhaufen Kugelsternhaufen OffenerSternhaufen Milchstrassenwolke OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen PlanetarischerNebel Kugelsternhaufen OffenerSternhaufen Kugelsternhaufen Spiralgalaxie ElliptischeGalaxie Spiralgalaxie OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen Doppelstern OffenerSternhaufen Emissionsnebel Emissionsnebel OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen OffenerSternhaufen ElliptischeGalaxie OffenerSternhaufen Spiralgalaxie OffenerSternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Objekt M56 M57 M58 M59 M60 M61 M62 M63 M64 M65 M66 M67 M68 M69 M70 M71 M72 M73 M74 M75 M76 M77 M78 M79 M80 M81 M82 M83 M84 M85 M86 M87 M88 M89 M90 M91 M92 M93 M94 M95 M96 M97 M98 M99 M100 M101 M102 M103 M104 M105 M106 M107 M108 M109 M110 Name Sunflower Galaxy Black-eye-Galaxie Kleiner Hantelnebel Bode's Nebel Euelen-Nebel Pin-wheel-Galaxie Sombrero Galaxie RA 19h 16m 36.0s 18h 53m 36.0s 12h 37m 44.1s 12h 42m 2.5s 12h 43m 40.2s 12h 21m 54.7s 17h 01m 11.9s 13h 15m 49.3s 12h 56m 44.3s 11h 18m 55.2s 11h 20m 14.4s 08h 50m 24.0s 12h 39m 30.0s 18h 31m 24.0s 18h 43m 11.9s 19h 53m 48.0s 20h 53m 30.0s 20h 59m 0.0s 01h 36m 42.0s 20h 06m 6.0s 01h 42m 18.0s 02h 42m 40.2s 05h 46m 42.0s 05h 24m 30.0s 16h 17m 0.0s 09h 55m 33.5s 09h 55m 54.1s 13h 37m 0.2s 12h 25m 3.7s 12h 25m 24.6s 12h 26m 11.7s 12h 30m 49.7s 12h 31m 59.6s 12h 35m 39.9s 12h 36m 50.0s 12h 35m 26.3s 17h 17m 5.9s 07h 44m 35.9s 12h 50m 54.0s 10h 43m 57.9s 10h 46m 48.0s 11h 14m 48.0s 12h 13m 48.0s 12h 18m 49.3s 12h 22m 55.2s 14h 03m 12.7s 15h 08m 48.8s 01h 33m 11.9s 12h 40m 0.0s 10h 47m 49.8s 12h 18m 57.8s 16h 32m 30.0s 11h 11m 31.8s 11h 57m 36.2s 00h 40m 22.5s DEC +30d 11' 00" +33d 02' 00" +11d 49' 11" +11d 38' 49" +11d 32' 58" +04d 28' 20" -30d 07' 00" +42d 02' 06" +21d 41' 05" +13d 05' 35" +12d 59' 42" +11d 49' 00" -26d 45' 00" -32d 21' 00" -32d 17' 59" +18d 47' 00" -12d 32' 00" -12d 38' 00" +15d 47' 11" -21d 55' 00" +51d 34' 00" -00d 00' 48" +00d 03' 00" -24d 33' 00" -22d 59' 00" +69d 04' 00" +69d 40' 58" -29d 52' 04" +12d 53' 15" +18d 11' 27" +12d 56' 49" +12d 23' 24" +14d 25' 17" +12d 33' 25" +13d 09' 48" +14d 29' 49" +43d 08' 00" -23d 52' 00" +41d 07' 00" +11d 42' 15" +11d 49' 00" +55d 01' 00" +14d 54' 00" +14d 25' 07" +15d 49' 23" +54d 21' 03" +67d 11' 39" +60d 42' 00" -11d 37' 00" +12d 34' 57" +47d 18' 16" -13d 03' 00" +55d 40' 15" +53d 22' 31" +41d 41' 11" Typ Kugelsternhaufen PlanetarischerNebel Spiralgalaxie ElliptischeGalaxie ElliptischeGalaxie Spiralgalaxie Kugelsternhaufen Spiralgalaxie Spiralgalaxie Spiralgalaxie Spiralgalaxie OffenerSternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Asterismus Spiralgalaxie Kugelsternhaufen PlanetarischerNebel Spiralgalaxie Reflexionsnebel Kugelsternhaufen Kugelsternhaufen Spiralgalaxie IrregulaereGalaxie Spiralgalaxie ElliptischeGalaxie ElliptischeGalaxie ElliptischeGalaxie ElliptischeGalaxie Spiralgalaxie ElliptischeGalaxie Spiralgalaxie Spiralgalaxie Kugelsternhaufen OffenerSternhaufen Spiralgalaxie Spiralgalaxie Spiralgalaxie PlanetarischerNebel Spiralgalaxie Spiralgalaxie Spiralgalaxie Spiralgalaxie ElliptischeGalaxie OffenerSternhaufen Spiralgalaxie ElliptischeGalaxie Spiralgalaxie Kugelsternhaufen Spiralgalaxie Spiralgalaxie ElliptischeGalaxie Orientierung am Nordsternhimmel: Polarstern - Grosser Wagen von http://red-estelar.webcindario.com/Mapa-Celeste.html Orientierungskarte zu den Sternbildern von http://www.bresser.de/c/de/support/teleskop-fibel/einfuehrung-in-die-astronomie von http://www.bresser.de/c/de/support/teleskop-fibel/grundlagen-der-himmelsmechanik Warum ist der Sternenhimmel im Sommer und Winter anders? Nacht Nacht 3 dimensionale Sternverteilung: Projektion Der grosse Wagen auf 2 dimensionale Fläche Koordinaten: Höhe, Azimut http://mathematikalpha.de/astronomische-koordinaten Horizontales Koordinatensystem: Höhe / Azimut • 2 dimensional (ausreichend? Beobachtungsstandort ändert sich doch!) • sphärische Polarkoordinaten • Sternkoordinaten ändern sich mit der Zeit! Rektaszension und Deklination http://www.montierungen.info/montierung08.gif mitbewegtes Äquatoriales Koordinatensystem FP = Frühlingspunkt • 2 dimensional sphärische Polarkoordinaten: Deklination δ (=Stern), Stundenwinkel t (=Teleskop) • der Stundenwinkel t eines Sterns ändert sich mit der Zeit!! Himmelsmeridian: Nord-Süd-Verbindung Teleskoprichtung = Uhrzeit – Sternlängengrad Stundenwinkel t(time) = Sternzeit Θ(time) – Rektaszension α HA = LST – RA Warum ist die Sternzeit Θ (=LST) nicht gleich der normalen Uhrzeit? Die Erde bewegt sich pro Tag ca. 360°/365,25 weiter, was 3:56 min = 24h/365,25 entspricht. Θ[day] = c0 + (1 + 1/365,25) * Tage Θ[h] = c1 + (24 + 24/365,25) * Tage Θ[deg] = c2 + (360 + 360/365,25) * Tage = c2 + (360 + 360/365,25)*36525 * T mit T := Tage/36525 Literatur (z.B. Maeus): O Objekte sind nicht alle gleichzeitig sichtbar, sondern kulminieren im Laufe der Nacht... Meridian 1.12. 18:00 N S W Wann “kulminieren” meine Objekte? Wann ist in München die Sternzeit LST (Local Sidereal Time) = UT (Universal Time)? 9. September um ca. 0:00 UT (METDST Sommerzeit -> 2:00 LT) Beispiele: LSTMUC ( 9. 9. 0:00 UT) = 0:00 LSTMUC ( 9.11. 0:00 UT) = 4:00 = UT + 24 h * 61 d / 365,25 d LSTMUC ( 9.11. 18:00 UT) = 22:03 = UT + 24 h * 61,75 d / 365,25 d LSTGreenwich ( 21.9. 0:00 UT) ≈ 0:00 Die Richtung des Teleskops beim Meridiandurchgang ist HA=0 daher ist wegen HA = LST – RA die Kulmination bei LST=RA am 9.11. um 0:00 UT kulminieren Objekte mit RA ≈ 4h um 18:00 UT kulminieren Objekte mit RA ≈ 22h Beispiel: Krebsnebel M1 hat eine Rektaszension RA = 5h 35m und daher am 9.11. um 0:00 UT einen Stundenwinkel von HA0 = LST0 – RA = 4:00 – 5:35 = 22:25 h und kulminiert (HA=0:00!) 1:35 h (= 24 UT – HA0) später um 1:35 UT (METDST Winterzeit -> 2:35 LT) Sternhöhe bei Meridiandurchgang (meridian altitude) Himmelsäquator Polarstern ϕ Sterne, die nahe genug am nördlichen Himmelspol (NCP) sind, gehen nie unter. Solche Sterne nennt man zirkumpolar. Um nicht unter dem Horizont zu verschwinden, müssen zirkumpolare Sterne näher zum NCP stehen als der nördliche Horizont zum NCP. Da die Höhe des NCP genau dem Breitengrad ϕ des Beobachters entspricht, müssen zirkumpolare Sterne eine DEC größer haben als DEC > 90° - ϕ In der Abbildung ist der schwarze Halbkreis der Meridian, der vom nördlichen Horizont [N] durch den Himmelsnordpol [NCP], durch den Zenith [Z] und dann wieder bis zum südlichen Horizont [S] läuft. Dabei enspriht dir Höhe des NCP dem Beobachter-Breitengrad. CE (=celestial equator) markiert den Schnittpunkt zwischen Himmelsäquator und Meridian. http://www.physics.csbsju.edu/astro/SC1/SC1.08.html Daher sind für München mit einem ϕ=48° Sterne mit DEC größer 42° alle zirkumpolar. allgemein: Zusammenfassung: Meridian Time Mit der lokalen Sternzeit LST in München am 27.10. um 20:00 LT LST18UT = 21:12 ergibt sich die Teleskoprichtung (Stundenwinkel) zu HA18UT = LST18UT - RA die lokale Zeit des Meridiandurchgangs ist Meridian [UT] = 18 [UT] – HA18UT mit dem Breitengrad φ für München von Φ = 48,13° Die Höhe des Meridiandurchgangs ist dann für Hausarbeit: grobe Näherung für die Höhenänderung = 6° / h (vor/ nach Meridiandurchgang) Was ist am 27.10. um 20:00 LT zu sehen? LSTMUC (27.10. 18:00 UT) = 21:12 = 18 + 24 h * 48,75 d / 365,25 d RA [h] DEC [deg] Cepheus 22 70 Pegasus 23 30 Andromeda 0,5 40 Schwan 20,5 40 Adler 20 10 Skorpion 17 -30 Leier 19 40 Schütze 19 -30 Steinbock 21 -20 Wassermann 23 -10 Fisch 1 10 Stier 3 20 Orion 6 0 Gr. Wagen 12 60 sichbar? Beobachtung bei kleiner Luftmasse (Airmass) § Weglänge eines Himmelsobjektes durch die Erdatmosphäre relativ zur Weglänge durch den Zenit • ALT ist der Winkel über dem Horizont. • Formel von Kasten, F. & A. T. Young (1989). "Revised optical air mass tables and approximation formula." Applied Optics 28 (22), 4735-4738. • AM=1 AM=1.5 AM=2 AM=3 AM=4 at at at at at ALT=90º ALT=42º ALT=30º ALT=19.5º ALT=14.5º Strahlengang: 40 cm Cassegrain Teleskop Öffnung/Brennweite = 400mm/3200mm = f/8 Kamera Sekundärspiegel (d=11 cm) Hauptspiegel (d=40 cm) Spezifikationen des 40 cm Teleskops Brennweite : 3200 mm, Blendenzahl 1/8 => starke Vergrößerung & kleiner Bildausschnitt: 15 x 10 arcmin2 Montierungen Azimutale Montierung n n n azimutale Gabelmontierung azimutale seitliche Montierung Dobson-Montierung Parallaktische Montierung n n n n n n deutsche Montierung parallaktische Gabelmontierung mit Polhöhenwiege englische Montierung engl. Rahmenmontierung Hufeisenmontierung Kniemontierung = Knicksäulenmontierung http://www.montierungen.info/ Farben: Filter System • In der Astrophysik wurde eine Vielzahl von Standard-Breidband und intermediate Filter Systemen entwickelt. • Für das optische Breitband sind die populärsten der Johnson U (ultraviolet), B (blue), V (visual), and Cousins R (red) and I (infrared) filters. Courtesy: GCPD Lausaune Photometry Database Wendelstein 40cm „Throughput“ 40 cm ST10 filters 100 magenta: M1 grün: M1 + M2 blau: CCD rot: Filter schwarz: alles % 80 60 40 20 0 300 400 500 600 700 800 λ [nm] U B g Johnson r SDSS i 900 Farb Filter Astronomical Filter Systems Farbe Bereich [nm] X 1 30 FUV 30 200 NUV 200 300 U 300 380 B 380 500 Übersicht: G 400 550 The Asiago Database on Photometric Systems V 500 600 http://ulisse.pd.astro.it/Astro/ADPS/Systems/index.html R 550 700 I 700 850 Z 850 970 Y 970 - 1050 J 1100 - 1400 H 1500 - 1800 K 2000 - 2300 L 3400 - 3800 M 4600 - 4900 N 5000 - 10000 FIR Anzahl Photonen ⇔ astronomische Helligkeit / sec m – magnitude ZP – zeropoint κ – extinction coefficient (abhängig von den atmosphärischen Bedingungen: Teleskopstandort, Wetter, etc.) AM – airmass (abhängig von der Beobachtungshöhe) Warum ist die Magnitude unabhängig vom Teleskop und der Beobachtungshöhe? Abschätzung der erwarteten Photonen pro Pixel pro Minute: unter der vereinfachten Annahme, es würden sich alle Photonen auf einen Bereich von 60 x 60 arcsec2 und mit dem Pixel-Durchm. = 0.4 arcsec 2 sec 1 min Zeropoint vs. Datum für WST 40 cm r-Filter [Tage] Software-Beispiel mit python import pandas as pd import numpy as np df = pd.read_csv('messier.tbl',delim_whitespace=True,header=0,comment='#') name = np.array(df.iloc[:,0]) RA = np.array(df.iloc[:,1]) DEC = np.array(df.iloc[:,2]) TYPE = np.array(df.iloc[:,4]) MAG = np.array(df.iloc[:,5]) n=len(RA) # number of objects phi = 47. + 42./60. + 13./3600. # Breitengrad WST LST0 = 3. + 15./60. # 28.10.2016 at 0:00 ZP = 21.5 # Zeropoint for i in range(0,n) : HA0 = LST0 - RA[i] merLT = 0. - HA0 if merLT<0. : merLT += 24. merALT = -phi + 90. + DEC[i] if merALT>90. : merALT = 180.-merALT merAM = 9999. if merALT>0. : merAM = 1./np.sin(merALT/180.*np.pi) photsec = 10.**(-0.4*(MAG[i]-ZP)) photpix = photsec*60./(60./0.4)**2 print "%15s %10.3f %10.1f %10.3f %10.3f %10.3f %10.0f %10.1f % (name[i],RA[i],DEC[i],merLT,merALT,merAM,photpix,MAG[i],TYPE[i]) output: name M1 RA 5.575 DEC 22.000 merLT 4.950 merALT 64.296 merAM 1.110 photpix 267 %25s" \ MAG 9.0 TYPE Nebel ALT [deg] OffeneSternhaufen−30.10.2013 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 M39 M34 M29 M52 M38 M36 M37 M103 M45 M35 NGC2158 M44 M67 M11 M26 M50 M48 M47 M46 M18 M23 M25 M21 M41 M93 M6 M7 −10 −5 0 Local Time [h] 5 10 ALT [deg] Kugelsternhaufen−30.10.2013 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 M92 NGC2419 M13 M56 M3 M71 NGC4147 M53 M15 M5 M2 M12M14 M10 M72 M107 M9 M80 M4 M19 M62 −10 M22 M28 M75 M30 M79 M68 M54 M69 M70 M55 −5 0 Local Time [h] 5 10 ALT [deg] Spiralgalaxien−30.10.2013 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 M106 M51 M31 NGC891 NGC1275 M109 M63 M108 M94 M101 M33 M81 M64 M74 M100 M98 M91 M88 M90 M65 M66 M99 M96 M58 M95 M61 M77 M104 M83 −10 −5 0 Local Time [h] 5 10 ALT [deg] ElliptischeIrregGalaxien−30.10.2013 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 M110 M32 M102 NGC1275 NGC7318A M82 M85 M105 −10 −5 0 Local Time [h] 5 M84 M86 M89 M87 M59 M60 M49 10 ALT [deg] Nebel−30.10.2013 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 M76 M97 M57 NGC6543 M27 M1 M78 M43 M42 M16 M17 M20 M8 −10 −5 0 Local Time [h] 5 10 Findingcharts mit www.eso.org/dss Beobachtungsvorbereitung: Nachtaufteilung • z.B. für Beobachtung am 31.10. nautische Dämmerung (=Sonne < -12 deg): n • 10 Beobachtungsblöcke 18:05 – 2:55 LT: n • 18:05 bis 5:50 LT 5 x 2 x 0:50 h + 2 x 15 min fokussieren = 8:50h jede Gruppe erhält 2 davon n n einen aus den ersten 5 und einen von 6 bis 10 z.B. 18:20-19:30, 1:15-2:05 Beobachtungsplan Block 18:20 19:10 20:00 20:50 21:40 22:45 23:35 0:25 1:15 2:05 2:55 G1 G2 G3 G4 G5 Beobachtungsvorbereitung: Hausarbeit • Polarstern n Bis zu welchem Breitengrad zirkumpolar? • Sommerdreieck n an welchen Tagen im Jahr sind die drei Sterne um 21 UT noch über 30 Grad sichtbar? Benutzen Sie set rate = 6° / h • Berechnung der eigenen Objekte n n n Am Beispiel für eine Beobachtung am 3.11. jede Gruppe wählt sich Objekte (max. 2 x 3) der eigenen Kategorie aus und berechnet, welches die optimalen Beobachtungsblöcke für die jeweiligen Objekte ist z.B. Spiralgalaxien M??: 23:35 – 0:25 Berechnungen des Meridiandurchgangs, der Höhe des Objekts, Auswahl von 2 Blöcken (1.-5.,6.-10.) in denen die ausgewählten Objekte sichtbar sind und Begründung mit ein paar Sätzen • Abgabe 2.11. 17:00 Uhr an [email protected]