Beobachtungsinstrumente der Astronomie
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Beobachtungsinstrumente der Astronomie • Das astronomische Fernrohr • Spiegelteleskope • Moderne Technologien für Großteleskope • Radioteleskope Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 1 Optische Teleskope Welche Anforderungen müssen an den Standort eines optischen Teleskops gestellt werden, damit dieses Instrument optimale Beobachtungsergebnisse ermöglicht? • große Höhe über dem Meeresspiegel • möglichst trockene Luft • große Häufigkeit klarer Nächte • wenig „Lichtverschmutzung“ • wenig atmosphärische Turbulenzen Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 2 Lichtverschmutzung als Standortproblem astronomischer Forschung Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 3 Was muss ein astronomisches Fernrohr leisten? Es soll einen Sehwinkel liefern, der im Vergleich zum Sehwinkel mit bloßem Auge vergrößert ist. Es soll möglichst viel Licht aufsammeln, was dadurch erfolgt, dass man die Öffnung des Teleskops möglichst groß wählt. Es soll Bilder mit einer sehr hohen Auflösung liefern. Quelle: http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/teleskope-aus-optischer-mechanischer-und-historischer-sicht/1063411 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 4 Sehwinkel Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 5 Sehwinkel Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 6 Sehwinkel Quelle: http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/teleskope-aus-optischer-mechanischer-und-historischer-sicht/1063411 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 7 Strahlengang im astronomischen Fernrohr (Refraktor) nach Kepler V = fObjektiv/fOkular; l = fObjektiv + fOkular Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 8 Die langen Röhren des Johann Hevelius Das Bild zeigt die „machina coelestis“ (Himmelsmaschine) des Johann Hevelius um 1670. Warum ist das Fernrohr so lang? Welchen Nachteil hat die Konstruktion? Quelle: Müller A. „Fotos und Gemälde …“; Astronomie + Raumfahrt im Unterricht 134; S. 12 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 9 Mond und Saturn Wie stark muss ein Fernrohr vergrößern, damit der Saturn (der am weitesten von der Sonne entfernte Planet, der noch mit bloßem Auge sichtbar ist) so groß erscheint wie der Mond mit bloßem Auge? (D – Durchmesser, A – mittlerer Abstand) DMond = 3480 km; AMond = 384.000 km Quelle: Müller A. „Fotos und Gemälde …“; DSaturn = 120.670 km; Astronomie + Raumfahrt im Unterricht 134; A(Saturn-Sonne) = 9,5 AE S. 12 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 10 Mond und Saturn Wie lang muss ein astronomisches Fernrohr mit der Okularbrennweite fOkular = 2 cm sein, um diese Vergrößerung zu erreichen? Quelle: Müller A. „Fotos und Gemälde …“; Astronomie + Raumfahrt im Unterricht 134; S. 12 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 11 Aufgabe zum astronomischen Fernrohr Der Objektivdurchmesser eines Fernrohrs beträgt 50 mm, die Objektivbrennweite 800 mm. Die maximal sinnvolle Vergrößerung eines Fernrohrs beträgt das Doppelte seiner Objektivöffnung. Berechnen Sie die Brennweite des Okulars im Fall der Maximalvergrößerung. Berechnen Sie die Vergrößerung bei der Verwendung eines Okulars mit einer Brennweite von 20 mm. Quelle: LB Physik Gymnasium Klasse 10 Sachsen; Cornelsen Verlag Berlin 2007, S. 90 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 12 Lichtsammelvermögen Quelle: http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/teleskope-aus-optischer-mechanischer-und-historischer-sicht/1063411 13 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans Lichtsammelvermögen Die Lichtstrahlen werden im Brennpunkt der Objektivlinse vereinigt und treten – da die Brennpunkte von Objektiv- und Okularlinse zusammenfallen - als paralleles Lichtbündel am Okular aus. Da die Lichtstrahlen nach Passieren des Teleskops dichter beieinander liegen, ist die Lichtintensität erhöht – man kann z.B. Objekte, deren Helligkeiten mit bloßem Auge unter der Wahrnehmungsschwelle liegen, beim Blick durch ein Fernrohr erkennen. Je größer die Öffnung des Fernrohrs, desto größer ist sein Lichtsammelvermögen. Quelle: http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/teleskope-aus-optischer-mechanischer-und-historischer-sicht/1063411 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 14 Auflösungsvermögen Lesen Sie im LB bsv S. 199 f. und machen Sie sich zu folgenden Schwerpunkten kurze Notizen: Was gibt das Auflösungsvermögen eines Fernrohrs an und wodurch ist es begrenzt? Erläutern Sie mit einer mathematischen Formel welche Größen das Auflösungsvermögen eines Fernrohrs bestimmen. Erläutern Sie die Begrenzung des Auflösungsvermögens durch die Atmosphäre der Erde sowie durch optische Abbildungsfehler. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 15 Auflösungsvermögen Der Begriff Auflösungsvermögen bezeichnet die Unterscheidbarkeit feiner Strukturen, also z. B. den kleinsten noch wahrnehmbaren Abstand zweier punktförmiger Objekte. Die Auflösung wird durch die Beugung des Lichts an der Öffnung des Fernrohrobjektivs begrenzt. Einfluss der Öffnung auf das Auflösungsvermögen Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 16 Auflösungsvermögen Kleinster noch auflösbarer Winkelabstand zweier astronomischer Objekte: α = 1,22 * λ/D Je kleiner die verwendete Wellenlänge, desto kleinere Winkel sind auflösbar. Je größer die Objektivöffnung, desto kleinere Winkel sind auflösbar Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 17 Begrenzung des Auflösungsvermögens durch die Erdatmosphäre Refraktion (die nach außen hin abnehmende Dichte der Erdatmosphäre täuscht für das Objekt eine größere Höhe über dem Horizont vor) Extinktion (Streuung und Absorption des Lichts an Staubteilchen und Luftmolekülen) Szintillation (Turbulenzen in der Erdatmosphäre „Flimmern“ des Objekts (Seeing)) Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 18 Astronomische Refraktion Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 19 Sonnenuntergang Deformation der Sonnenscheibe durch Refraktion Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 20 Begrenzung des Auflösungsvermögens durch optische Abbildungsfehler Sphärische Aberration (randnahe Strahlen werden von einer Linse stärker gebrochen als achsennahe Strahlen) Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 21 Begrenzung des Auflösungsvermögens durch optische Abbildungsfehler Chromatische Aberration (Licht unterschiedlicher Wellenlänge bzw. Farbe wird unterschiedlich stark gebrochen) Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 22 Aufgabe zum Auflösungsvermögen Mit einem Fernrohr mit 60 mm Objektivdurchmesser kann man noch Sterne trennen, die einen Winkeldurchmesser von 0,0006° haben. Aus welcher Entfernung müsste man eine 1€ - Münze (Durchmesser 23 mm) betrachten, um sie unter diesem Winkel zu sehen? Fertigen Sie eine Skizze an. tan α = D/x x = 2196 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 23 Linsenfernrohre (Refraktor) Großer Doppelrefraktor in Potsdam: Erbaut 1889 Linsendurchmesser 80 cm und 50 cm Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 24 Linsenfernrohre (Refraktor) Größtes Linsenfernrohr der Welt in Yerkes (Chicago, USA): Erbaut 1897 Linsendurchmesser 1,02 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 25 Spiegelteleskope Lesen Sie im LB bsv S. 201 und erläutern Sie weshalb Newton das Spiegelteleskop (Reflektor) entwickelte. Skizzieren Sie den Strahlenverlauf im Spiegelteleskop nach Newton und Cassegrain. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 26 Spiegelteleskope Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 27 Spiegelteleskope (Bauformen) Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 28 Moderne Technologien für Großteleskope - MMT Beim Keck-Teleskop auf Hawaii setzt sich der Hauptspiegel aus 36 wabenförmigen (hexagonalen) Spiegeln von je 1,8 Meter Durchmesser, aber nur 7,5(!) cm Dicke zusammen, die ständig über 180 Aktuatoren computergesteuert auf optimale Lage justiert werden ( aktive Optik). Der effektive Objektivdurchmesser beträgt bezüglich der lichtsammelnden Wirkung 9,82 Meter. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 29 Primärspiegel eines der Keck – Teleskope Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 30 Spiegelteleskop (Reflektor) Keck-Observatorium (Mauna Kea, Hawaii) 2 x 10 m Spiegel Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 31 Aktive Optik Die aktive Optik wird eingesetzt, um die Spiegelkrümmung auszugleichen, die beim Schwenken des Teleskops entsteht. Um diese Abbildungsfehler zu korrigieren, werden die Spiegel auf Aktoren (motorisierte Stellelemente) gelagert. Erstmals eingesetzt beim New Technology Telescope (NTT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) auf La Silla in Chile 1989. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 32 Adaptive Optik Lesen Sie das Material zur adaptiven Optik und beantworten Sie folgende Fragen: Was passiert, wenn aus dem Weltall kommendes Licht die Erdatmosphäre durchquert? Wie funktioniert die adaptive Optik? Quelle: http://www.wissenschaft-schulen.de/alias/material/endlich-scharf-sehen/1051413 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 33 Adaptive Optik Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 34 Adaptive Optik Erzeugung eines Referenzsterns durch einen Laser am VLT Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 35 Interferometrie am VLT Erhöhung des Lichtsammelvermögens und der Auflösung durch Zusammenschalten von benachbarten Teleskopen, z.B. bei den vier VLT auf einen wirksamen Spiegeldurchmesser von 16 m. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 36 VLT – Very Large Telescope (Cerro Paranal, Chile) 4 Teleskope je 8,20 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 37 LBT – Large Binocular Telescope (Mt. Graham Arizona, USA) 2 x 8,40 m Spiegeldurchmesser Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 38 Zukunftsvisionen … European Extremely Large Telescope Einige Fakten: • Hauptspiegeldurchmesser: 39,3 m • Hauptspiegel besteht aus 798 sechseckigen Spiegelelementen • Inbetriebnahme: 2022 • Standort: Cerro Armazones, Chile • Kosten: ca. 1,1 Mrd. Euro Größenvergleich mit dem Brandenburger Tor und dem VLT Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 39 Hubble Space Teleskop gestartet 1990; Hauptspiegeldurchmesser 2,40 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 40 Radioteleskope Lesen Sie im LB bsv S. 204 f. und machen Sie kurze Notizen zu folgenden Schwerpunkten: Pionier der Radioastronomie Bauweise der Antennen Vergleich des Auflösungsvermögens mit dem von optischen Teleskopen Begriff „very long baseline interferometry“ Beobachtungsobjekte der Radioastronomie Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 41 Karl Jansky Karl Jansky (1905 - 1950) war ein US-amerikanischer Physiker und Radioingenieur. Er wurde zum Begründer der Radioastronomie, als er 1932 feststellte, dass die Milchstraße Radiostrahlung emittiert. Er identifizierte das Sternbild Sagittarius als Quelle der Radiostrahlung Zentrum der Milchstraße Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 42 Bauweise – Würzburg Riese Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 43 Radioteleskop Auflösungsvermögen Radiowellen haben eine größere Wellenlänge als optische Lichtwellen Radioteleskope haben ein geringeres Auflösungsvermögen als optische Teleskope Zur Steigerung des Auflösungsvermögens Bau sehr großer Antennen Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 44 Radioteleskop in Arecibo (Puerto Rico) Spiegeldurchmesser 305 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 45 Radioteleskop in Effelsberg (Deutschland) Spiegeldurchmesser 100 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 46 Radioteleskop in Green Bank (West Virginia, USA) Spiegeldurchmesser 102 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 47 Very Long Baseline Interferometry „Zusammenschalten“ von mehreren Radioteleskopen zur Erhöhung der Auflösung der Radiomessung In der VLBI werden die Signale der einzelnen Antennen zusammen mit sehr genauen Zeitreferenzen gespeichert und später rechnerisch korreliert. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 48 VLA Very Large Array Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 49 RadioastronomieBeobachtungsobjekte Radiowellen durchdringen interstellaren Staub Beobachtung von Objekten, die hinter kosmischen Staubschichten verborgen sind Sonnensystem (Sonne, Planeten) Milchstraße (galaktisches Zentrum, Supernovaüberreste, Pulsare) Extragalaktische Objekte (Quasare) Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 50 Aufnahme eines Radioteleskops Radiokarte des Himmels bei 45 MHz Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 51
