Chandra X-Ray Observatory - Max Planck Institut für Radioastronomie

Multifrequenz-Beobachtungen
in der Astronomie
Sommersemester 2007
Silke Britzen
MPIfR, Bonn
[email protected]
Tel.: 0228 525 280
Literatur: spezifisch zu jeder Vorlesung
Im Internet:
www.mpifr-bonn.mpg.de/staff/sbritzen/.
- Vorlesung als pdf-file
- Literaturhinweise
- (Archiv früherer Vorlesungen)
1
Multifrequenz-Beobachtungen
in der Astronomie
Sommersemester 2007
Themen & Daten
ƒ 19.04.: Überblick
ƒ 04.05.: Grundlagen: Teleskope
ƒ 18.05.: Von Sternwarten zu Virtual
Observatories: Durchmusterungen
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
01.06.: Deep Fields in „Bunt“
15.06.:
29.06.:„Multifrequenzrätsel“
13.07.:Multifrequenzkampagnen (Mrk 501,
etc.)
ƒ 27.07.: Die Multifrequenz-Zukunft
2
Grundlagen: Teleskope
•
Welche Teleskope in welchen Wellenlängenbereichen stehen zur Zeit
zur Verfügung (Radio – TeV)?
•
Ausgewählte Teleskope im Detail (kurz)
•
Daten, Fakten, etc.
•
Beobachtungsmöglichkeiten (Details)
•
Die Highlights: die wichtigsten Beobachtungen der Instrumente
4
Grundlagen: (ausgewählte) Teleskope
Zur Zeit stehen zur Verfügung:
• Radio:
– Single-dish, Lokale Interferometer, VLBI, geodätische Teleskope, etc. …..
– Kein Weltraumteleskop zur Zeit
•
Mikrowellen:
– Weltraum: WMAP
- APEX, etc.
•
Infrarot:
– Weltraum: Spitzer
– Flugzeug: SOFIA
– VLT/I, etc.
•
Optisch:
– Weltraum: HST
– VLT/I, etc.
•
UV:
– Weltraum: HST
– GALEX
Spitzer
5
Grundlagen: Teleskope
Zur Zeit stehen zur Verfügung:
•
Röntgen:
–
–
–
–
–
•
Suzaku (aka Astro-E2)
RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer)
CHANDRA
XMM-Newton
etc.
Gamma:
– INTEGRAL
– SWIFT
– etc.
•
TeV:
– HESS
– MAGIC, etc.
Teleskope in blau sind Thema der heutigen Vorlesung.
6
Teleskope
Das elektromagnetische Spektrum
7
Elektromagnetisches Spektrum /
Absorption in der Atmosphäre
8
in Kürze
•
•
•
•
•
Mikrowellen: Dezi-, Zenti- und Millimeterwellen (300 MHz – 300 GHz)
{Mikrowellenherd arbeitet bei 2.45 GHz}
Röntgenphotonen haben Energien zw. 100 eV und 250 keV: 3 1016
Hz – 6 1019 Hz
weiche Röntgenstrahlen: kleinste Energie
harte Röntgenstrahlen: größte Energie, höchste Frequenz, kleinste
Wellenlänge
Röntgenstrahlen für das menschliche Auge sichtbar
9
Röntgen Absorption
Beobachtungen
von der Erde
nicht möglich
Problem:
es fehlen Materialien,
die Röntgenstrahlen
wie sichtbares Licht
reflektieren oder
brechen, alle
absorbieren Photonen
im Röntgenbereich!
Spiegelanordnungen
nach Erfinder H. Wolter
als Wolter Teleskope
bezeichnet:
der Effekt der
Totalreflexion von
Röntgenstrahlen bei
streifendem Einfall an
Metallspiegeln
10
Röntgenstrahlen passieren die meisten Materialien,
nur im Grenzfall der Totalreflexion gelingt Reflexion der Strahlen: Spiegel parallel zur Sichtlinie
notwendig. Spiegel ineinander verschachtelt (nested).
11
Teleskope
Frequenzen: sub-mm / Mikrowellen
WMAP
12
Mikrowellen: kosmische Hintergrundstrahlung
13
WMAP
14
WMAP
•
•
•
•
•
•
•
WMAP (früher MAP) ist eine am 30. Juni 2001 gestartete
amerikanische Raumsonde
MAP: Microwave Anisotropy Probe; dient der Erforschung von
Unregelmäßigkeiten in der kosmischen Hintergrundstrahlung
Dezember 2002 umbenannt in WMAP, „W“ steht für den Physiker
David Todd Wilkinson (1935-2002), den Entdecker der kosmischen
Hintergrundstrahlung
WMAP Nachfolger von COBE (Nobelpreis)
Instrumente messen Temperaturunterschiede im Bereich von 20
millionstel Grad
840 kg
Nachfolger: Planck (Europäische Raumsonde, dreifach höhere
Auflösung, ab 2008)
15
WMAP
• garantierte
Beobachtungen
bis September
2009
16
WMAP
17
WMAP
• Ergebnisse:
– Zusammensetzung des Universums: 4% Materie, 23% Dunkle
Materie, 73% Dunkle Energie
– flaches Universum
– Expansion dauert aufgrund Dunkler Energie ewig an
– Alter des Universums: 13.7 Milliarden Jahre
– erste Sterne: vor 13.5 Milliarden Jahren
18
Teleskope
Frequenzen: Infrarot
Sofia / Spitzer
19
Sofia
Das fliegende Infrarot-Observatorium
20
Sofia
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Sofia: Stratosphären Observatorium für Infrarot-Astronomie
Erster Testflug: 26.04.2007 !!!!!!
Infrarot-Strahlung auf Erde unzugänglich
Transport des Teleskops nach Waco, Texas, Herbst 2002
zur Zeit: Testbetrieb
2.5 m Teleskop, Boeing 747SP-Verkehrsflugzeug
Flughöhe: 12 km (darunter: absorbierender Wasserdampf in der
Troposphäre)
20 Jahre Betrieb geplant: pro Jahr bis zu 160 astronomische Messflüge
Jeder Beobachtungsflug: 6 – 8 Stunden
Zusammenarbeit NASA, DLR
Deutschland liefert Teleskop, beteiligt sich mit 20% am Betrieb und
bekommt 30 Wissenschaftsflüge pro Jahr
Stuttgart: Deutsches SOFIA-Institut (DSI)
ab 2009 Beobachtungen
21
Typische Arbeitsfelder und Themenbereiche für die SOFIA-Nutzer
•Die Physik der interstellaren Wolken und der Sternentstehung in unserer
Galaxis
•Proto-planetare Scheiben und Planetenentstehung in nahen
•Ursprung und Entwicklung von biogenetischen Atomen, Molekülen und
Mineralien
•Die Zusammensetzung und die Struktur von Planetenatmosphären und ringen und Kometen
•Die Sternentstehung, die Dynamik und die chemischen Bestandteile anderer
Galaxien
•Die dynamische Aktivität im Zentrum der Milchstraße.
22
Kenndaten des SOFIA-Flugzeugs
Start der Entwicklungsphase:
Januar 1997
Beginn der Testflüge:
Frühjahr 2007
Beginn des Wissenschaftsbetriebs:
?
Geplante Lebensdauer:
20 Jahre
Zahl der Beobachtungsflüge pro Jahr:
ca. 160
Teleskop-Plattform:
Boeing 747SP-Flugzeug,
Rolltür als Teleskopöffnung auf der Backbordseite des
hinteren Rumpfes
Flughöhe für astronomische Beobachtungen:
11 km bis 13,5 km
Beobachtungszeit in 12 km Höhe oder höher:
> 6 Stunden
Gesamtbeobachtungszeit pro Jahr:
> 960 Stunden
Umgebungstemperatur im Teleskopraum:
210 K bis 330 K
Betriebsmannschaft im Flug:
3 Personen im Cockpit,
10 bis 15 Operatoren/Wissenschaftler/Ausbilder/Gäste
Heimatflughafen:
Moffett Field am NASA Ames Research Center,
Kalifornien,
regelmäßige Verlegungen in die südliche Hemisphäre
23
Kenndaten des SOFIA-Teleskops
Gewicht des Teleskops:
ca. 20 Tonnen
Teleskopkonfiguration:
Cassegrain-Teleskop mit Nasmyth-Fokus,
während der Mission permanenter Zugang zum
wissenschaftlichen Instrument von der Kabine aus
Struktureller Aufbau:
Kohlefaser-Struktur in Hantelform,
Spiegeltubus in Gitterbauweise
Rotations-Isolationssystem:
Hydrostatisches Öllager mit 2 Ringsegmenten,
1.200 mm Durchmesser, 20 bis 30 µm Spalthöhe,
10 - 30 bar Versorgungsdruck
Antriebssystem für Rotation:
Zahnkranztrieb für Grob-Elevation,
bürstenlose, gekrümmte Gleichstrom-Linearmotoren für
Feinelevation, Cross-Elevation und "line-of-sight"
(L.O.S.)
Vibrations-Isolationssystem:
je 12 Luftfedern in Längs- und Tangentialrichtung rings
um das hydrostatische Lager und 3 Dämpferlemente
Primärspiegel (PM):
Durchmesser: 2,70 m,
Öffnung: 2,50 m,
leichtgewichtete ZERODUR-Struktur auf 18-Punkt"Whiffle-Tree"-Lagerung, aluminiumvergütet,
PM-Blendenzahl: f/1,28
Sekundärspiegel (SM):
Silizium-Carbid (SiC)-Material,
Durchmesser: 352 mm, aluminiumvergütet
24
Kenndaten des SOFIA-Teleskops
SM-Funktionen:
Fokussierung, Justage, Chopping (2-Achsen in beliebiger
Richtung, Offset, 3-Punkt, stationär)
Tertiärspiegel (TM):
2 ebene Spiegel, teildurchlässig (goldvergütet) und
reflektierend (aluminiumvergütet)
Blendenzahl des Gesamtsystems:
f/19,6
Spektralbereich:
0,3 µm bis 1600 µm
Unvignettiertes Gesichtsfeld:
8 Bogenminuten
Bewegungsbereiche:
Elevation 15 - 700 (unvignettiert 20 bis 600),
Cross-Elevation und L.O.S. +/- 3°
Bildqualität:
80% Energie in einem Kreis mit 1,5 Bogensekunden
Durchmesser bei 0,6 µm Wellenlänge
Bildstabilität:
0,8 Bogensekunden zu Beginn des Betriebs
und 0,2 Bogensekunden nach einem
Optimierungsprogramm
25
26
27
Artist concept of
Polycyclic Aromatic Hydrocarbon molecule
28
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Spitzer-Weltraumteleskop (Spitzer Space Telescope, SST)
früher SIRTF (Space Infrared Telescope Facility)
benannt nach Astrophysiker Lyman Spitzer
Infrarotteleskop der NASA: 3-180 μm
Problem: Teleskope produzieren ihre eigene Wärme -> Kühlung notwendig
Lebensdauer: 5 Jahre
2008: Kühlmittel für Detektoren werden verdampft sein
um störende Wärmestrahlung der Erde zu vermeiden, bewegt sich das
Teleskop nicht in einem Erdorbit, sondern in einem heliozentrischen, der
Erdbahn folgenden Orbit: es ist kein Erdsatellit
0.85 m großer Hauptspiegel, kleinerer zweiter Spiegel aus Beryllium
von 3-80 microns (menschliches Haar: 50 micron)
„The Far, the Cold and the Dusty“: die ältesten Sterne und Galaxien,
Braune Zwerge und zirkumstellare Scheiben, Staubverdeckte Prozesse wie
Sternen- und Planetenentstehung
29
Beobachtungsziele:
• Erforschung von Protoplanetaren Scheiben, Vorgänge
bei der Entstehung von Planetensystemen
• Braune Zwerge
• Infrarotgalaxien
• Aktive Galaxienkerne
• frühes Universum
30
Launch Date:
25 August 2003
Launch
Vehicle/Site:
Delta 7920H ELV / Cape Canaveral, Florida
Estimated
Lifetime:
2.5 years (minimum); 5+ years (goal)
Orbit:
Earth-trailing, Heliocentric
Wavelength
Coverage:
3 - 180 microns
Telescope:
85 cm diameter (33.5 Inches), f/12 lightweight Beryllium, cooled to
less 5.5 K
Diffraction Limit:
6.5 microns
Science
Capabilities:
Imaging / Photometry, 3-180 microns
Spectroscopy, 5-40 microns
Spectrophotometry, 50-100 microns
31
Planetary
Tracking:
1 arcsec / sec
Cryogen /
Volume:
Liquid Helium / 360 liters (95 Gallons)
Launch Mass:
950 kg (2094 lb) [Observatory: 851.5 kg, Cover: 6.0 kg,
Helium: 50.4 kg, Nitrogen Propellant: 15.6 kg]
32
Major Innovations
•Choice of Orbit
•Warm-Launch Architecture
•New Generation of Large-Format Detector Arrays
•Lightweight, cryogenic optics
The Spitzer Team
•Jet Propulsion Laboratory
•Spitzer Science Center, California Institute of
Technology
•Ball Aerospace and Technologies Corporation
•Lockheed Martin Space System Company
•Smithsonian Astrophysical Observatory
•NASA-Goddard Space Flight Center
•Cornell University
•University of Arizona
33
•
M104 (Sombrero Galaxie), HSTBild, Infrarot durch Spitzer
•
50 000 Lj Durchmesser
•
Virgo-Haufen (Entfernung 28 Mio
Lj), 2000 Kugelsternhaufen,
SMSL
•
Spitzer zeigt Sternlicht …
34
Teleskope: Spitzer
•
300000 Spitzer Bilder
der Großen
Magellanschen Wolke
(Entf. 160000 Lj)
kombiniert
• Details jetzt sichtbar:
– Neue Sterne „zählbar“
– Wieviel Staub geben
alte Sterne in die
Galaxie ab?
– Sternentstehungsrate
bestimmbar
IRAS
35
Teleskope: Spitzer
•
Wavelength: IRAC-only
image: 3.6 (blue), 4.5
(green), 5.8 and 8.0 (red);
IRAC + MIPS: 3.6 (blue),
8.0 (green), and 24 (red)
Exposure Date: IRAC: July
15- 26, 2005, and October
26- November 2, 2005;
MIPS: July 27- August 2,
2005, and November 2-9,
2005
Exposure Time: IRAC: 43
seconds (HDR); MIPS: 60,
30 and 6 seconds for 24,
70 and 160 microns
respectively
Image Scale: 7.36
x 7.36
IRAS
degrees
36
Teleskope
Frequenzen: UV
Galex / Swift
37
Galex
38
Galex
•
•
Galex: Galaxy Evolution Explorer
UV: 50cm Teleskop
– Entwicklung der Galaxien, Sternentstehung
– UV All-sky survey
•
•
•
•
•
•
Launch: 28.04.2003, 29 Monate
500 Pfund oder weniger
690 km über der Erde
ein einziges Instrument, state-of-the-art UV Detektor
UV-Beobachtungen auf der Erde aufgrund von Streuung am Ozon
der Atmosphäre nicht möglich
umrundet die Erde 16mal pro Tag, Geschwindigkeit: 7.5 km/s
39
Galex
Three-stage Pegasus launch vehicle
Mit Düsenjet auf 10 km Höhe gebracht
Rakete erreicht mit eigenem Antrieb
eine Höhe von 690 km
40
Galex
•
Dieses Bild hebt die versteckten
Spiralarme (blau) hervor, die in der
nahgelegenen Galaxie NGC 4265 mit
den ultravioletten Augen von NASA's
GALEX entdeckt wurden
41
Galex
• M81 Spiralgalaxie
• ältere Population innen
• junge Sternpopulation außen
•oben: UV-Blick auf die
Andromeda-Galaxie.
Foto: JPL / NASA /
Caltech
•unten: Die
Andromeda-Galaxie im
sichtbaren Bereich des
Lichts.
42
Galex
MISSION NAME:
Galaxy Evolution Explorer (GALEX), a NASA small explorer class mission.
OBJECTIVE: To map the history and evolution of the Universe,
80 percent of the way back to the Big Bang. GALEX aims to answer the questions:
1.What is the history of star formation in the Universe?
2.What do nearby galaxies look like in ultraviolet light?
3.When and where did the stars and elements we see today have their origins?
LAUNCH DATE:
GALEX was launched at 8am EDT (5am PDT) on April 28th, 2003.
MISSION DURATION:
LAUNCH SITE:
29 months.
Cape Canaveral, Kennedy Space Center, Florida.
LAUNCH VEHICLE: Air launched Pegasus XL.
Carried by an L-1011 Stargazer aircraft to 40000 feet over the Atlantic Ocean.
ORBIT: Near circular, altitude 694 x 700 km, eccentricity 0.00045,
inclination to the equator 28.99 degrees. Right Ascension of the
Ascending Node is 118.23 degrees.
43
Galex
SATELLITE MASS:
280 kilograms (a little more than 617 pounds).
TELESCOPE: f/6.0 Richey-Chrétien design, 50 centimeter (19.7 inches)
diameter primary mirror, 22 centimeter (8.8 inches) diameter secondary mirror.
DETECTORS: Two 65 millimeter (2.5 inches) diameter, microchannel plate detectors.
Far ultraviolet sensitive to light with wavelengths 135 to 175 nanometers.
Near ultraviolet sensitive to light with wavelengths 175 to 280 nanometers.
OBSERVING TIMELINE: Dayside of the Earth: no science observations,
solar panels aligned to face the Sun. Twilight: slew to science target.
Night: science data collection while spacecraft is in Earth's shadow.
44
Galex
DATA PRODUCTS: Circular images of the sky with 1.2 degree diameter
and 5 arcsecond resolution in two ultraviolet light bands. Spectra with
10 to 20 Angstrom resolution of all objects in the field of view obtained
using a grism in the light path.
TELEMETRY SYSTEM: X-band science downlink has 25 Megabits per second
transmission. S-band command and housekeeping data link, 2 Megabits per second
transmission.
GROUND STATIONS: South Point, Hawaii, and Dongara, Australia.
Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) communications system capable.
SOLAR ARRAYS: Fixed, Gallium Arsenide solar cells with total area of 3 square meters (27
square feet).
POWER SUPPLY: Orbit average of 290 watts.
CONSUMABLES: No consumable fuel needed on orbit.
SPACECRAFT ATTITUDE CONTROL: 3-axis stabilized.
Two gyroscope systems; a hemispherical resonating gyroscope and a ring laser gyroscope.
Pointing stability from four reaction wheels and magnetic torquer bars and coil.
45
Teleskope
Frequenzen: Röntgen
Suzaku / XMM-Newton / CHANDRA
46
Suzaku
47
48
•
•
•
•
•
•
•
10.Juli 2005, Uchinoura Space Center
in Japan
kurz nach dem Start wurde die Mission
von Astro-E2 in Suzaku umbenannt
Suzaku ist die Nachbildung von AstroE, der beim Start 2000 verloren ging
Suzaku: Roter Vogel des Südens
Japans 5. Mission
Röntgen Microcalorimeter: enorme
Energieauflösung
8.8.2005: Hauptinstrument fällt aus,
trotzdem funktionieren: XIS und HXD
49
Year of Publication
Energy Range
Number of Sensors
Number of Pixels
Pixel Size
Effective area
per sensor
Energy
Resolution(FWHM)
Field of View
Imaging Capability
Others
XRS
XIS
HXD
0.5 - 12 keV
0.4 - 10 keV
10 - 700 keV
1
4 (one CCD chip/sensor)
1 (16 identical units)
32 (2 x 18)[image]
1024 x 1024 for each
CCD
0.94' x 0.24' mm
19' x 19'
190 cm2
1300 cm2
12 eV
130 eV
1.9' x 4.2'
19'x19'
Limited
(2 x 18 pixels)
Full
160 cm2 (< 30 keV)
330 cm2 (> 40 keV)
3.5 keV (10 - 40 keV)
(9% @ 662 keV)
0.8 deg.
(FWHM @ 60 keV)
0.56 x 0.56°< 100 keV
4.6 x 4.6°> 200 keV
2 yr lifetime
50
• X-ray Spectrometer 0.3-12 keV
• X-ray Imaging Spectrometer (0.2-12 keV)
• Hard X-ray Detector (10-600 keV)
Beobachtungsziele:
• Neutronensterne
• Schwarze Löcher
• Supernova-Überreste
• Galaktische Kerne
• Galaxienhaufen
51
Röntgen / XMM-Newton
•
•
XMM Newton, X-ray Multi-Mirror, ESA, gestartet 10.12.1999 (an
Bord einer Ariane-5G), bis 2010 in Betrieb
Hauptaufgabe: energiereichste Prozesse wie Materieeinfall auf
Schwarze Löcher und Leben und Sterben der Sterne (Supernovae)
53
Röntgen / XMM-Newton
•
3.8 t, exzentrische Umlaufsbahn, Äquatorneigung von 38.7 Grad
und Höhe von 850-114000 km
•
Bahn mit 48 Stunden Umlaufszeit erlaubt lange ununterbrochene
Beobachtungen veränderlicher Objekte und verläuft außerhalb der
störenden Strahlungsgürtel der Erde
•
ESOC in Darmstadt überwacht das Teleskop
•
Daten werden in Villafranca (Spanien) aufbereitet und verwaltet
•
massereichster Satellit der jemals in Europa gebaut wurde (durch
Integral inzwischen übertroffen)
•
3 parallel ausgerichtete Röntgentelskope (Wolter-Telskop-Typ 1),
beobachten gleichzeitig dasselbe Gebiet
•
jedes Teleskop besteht aus 58 ineinander verschachtelten dünnen
aber hochgenauen Spiegelschalen; Brennweite: 7.5m,
Duchrmesser:70cm
•
Vergleich mit CHANDRA: wesentlich größere effektive
Sammelfläche besonders für harte Röntgenstrahlung um 7 keV,
aber schlechtere Abbildungsqualität von 5 Bogensekunden
Halbwertsbreite für eine Punktquelle
54
Röntgen / XMM-Newton
•
Instrumente an Bord:
– drei Photon Imaging Cameras (EPIC), liefern
Röntgenaufnahmen im Bereich 0.1-15 keV,
erlauben Variabilitätsstudien mit hoher
Zeitauflösung
– zwei Reflection Grating Spectrometers,
durch die Verwendung eines zusätzlichen
Gitterspektrometers können hellere Quellen
mit wesentlich besserer Energieauflösung im
Energieberiech 0.35-2.5 keV untersucht
werden
– Optical Monitor, 30 cm Spiegeldurchmesser,
damit gleichzeitige Messung im Röntgen /
Sichtbaren / UV möglich
55
Röntgen / XMM-Newton
•
Ergebnisse:
– Röntgenspektroskopie der Koronae von
Sternen
– heißes Gas in Galaxienhaufen, die zeigen,
daß die vermuteten „Cooling Flows“ in denen
sich das heiße Gas rasch abkühlt so nicht
existieren
– empfindlichste Himmelsaufnahme im harten
Röntgenlicht, mit der sich die Entwicklung
aktiver galaktischer Kern in den Frühphasen
des Universums untersuchen läßt
56
•
die Freizeit zw. den Beobachtungen wird für
eine Himmelsdurchmusterung genutzt,
mehr als 25% des Himmels wurden
beobachtet (jetzt seit 4 Jahren)
•
15% öffentlich: mehr als 2700 helle Quellen,
2000 Quellen geringerer Signifikanz
•
speziell für AGN, bis zu einer
Rotverschiebung von 3.4
•
15% sind ausgedehnt (Galaxienhaufen),
viele Neuentdeckungen
57
Röntgen / XMM-Newton
58
The Chandra X
-Ray
X-Ray
Observatory
Title
•
CHANDRA
T
THE
HE F
FORMAL
ORMAL B
BEGINNING
EGINNING -- 1976
1976
CHANDRA
T
THE
HE R
REAL
EAL B
BEGINNING
EGINNING -- 1963
1963
CHANDRA
T
THE
HE O
OPTICS
PTICS –– FLIGHT
FLIGHT SYSTEM
SYSTEM
CHANDRA
T
THE
HE O
OPTICS
PTICS
CHANDRA
Chandra X-Ray Observatory
Grazing
CHANDRA
Polishing a CXO Mirror Shell
CXO Mirror Fabrication
CHANDRA
Chandra in Cargo Bay
C
a
r
g
o
B
a
y
66
Chandra X-Ray Observatory
C
r
e
w
67
LLAUNCH
AUNCH
z
Mon/Tue July 19/20
Sensor spike - hydrogen in
the engine compartment
z
zWed/Thurs
z Lightning
zThurs/Fri
July 21/22
in the vicinity
July 22/23
z Launch!
CHANDRA
Chandra X-Ray Observatory
STS-93 Launch
CXC
Chandra X-Ray Observatory
D
e
pl
o
y
70
Chandra X-Ray Observatory
CXC
Chandra X-Ray Observatory
Chandra’s Orbit
From above, with radiation belts & Moon
CXC
Side view, showing radiation belts
E
S
p
e
c
t
r
u
m
73
Chandra X-Ray Observatory
•
•
•
•
•
•
•
•
•
CXC
Chandra X-ray Observatory, Satellit mit Röntgenteleskop
am 23.07.1999 von der NASA mit Space Shuttle Columbia in die
Umlaufbahn gebracht
nach dem Astronomen Subrahmanyan Chandrasekhar benannt
in Entwicklungs- und Bauphase AXAF (Advanced X-ray Astrophysics
Facility) genannt, aber noch vor dem Start umbenannt
ist bisher gröter Satellit, der mit einem Space Shuttle in eine Umlaufbahn
befördert wurde
ein Umlauf dauert 64 Stunden, 18 Minuten
mehr als 55 Stunden können für die Beobachtung benutzt werden
Great Observatory Program der NASA (nach Hubble und CGRO)
+ Spitzer
Chandra X-Ray Observatory
• Chandra ist ausgerüstet mit
– vierfach verschachteltem Wolter-Teleskop
– zwei Transmissionsgitter-Spektrometern LETGS
(Low Energy Transmission Gratings
Spectrometer)
– HETGS (High Energy Transmission Grating
Spectrometer)
– abbildendes Spektrometer (ACIS, Advanced CCD
Imaging Spectrometer)
CXC
Chandra X-Ray Observatory
Auflösung: 0.5 Bogensekunden
ROSAT hatte 4 Bogensekunden!!!!!
CXC
CHANDRA
Chandra X-Ray Observatory
First Light: Cas A
Cas A,
Spectrum
78
CXC
Data: Cas A
Cassiopeia A: the different faces of an image
79
C
CASSIOPEIA
ASSIOPEIA A
A
Hwang
Hwang et
et al.
al. 2004
2004
Tananbaum et al. 1999
CHANDRA
Data: Showcasing
Images
Showcasing Images: SNR Collection
81
Data: In Motion, Crab
Crab Nebula Movie: Shocking Secrets of the Crab Pulsar
ƒƒ 77 Chandra
Chandra images
images taken
taken over
over several
several months
months were
were stacked
stacked into
into this
this timelapse
timelapse movie
movie
ƒƒ Provides
Provides stunning
stunning view
view of
of the
the activity
activity in
in the
the inner
inner region
region around
around the
the Crab
Crab Nebula
Nebula pulsar
pulsar
82
Data: X-ray+Opt,
Stephan
Not Just X-ray: Stephan’s Quintet
ƒƒ Shock-heated
Shock-heated gas,
gas, visible
visible only
only in
in X-ray,
X-ray, has
has temperature
temperature of
of about
about 66 million
million degrees
degrees
Celsius.
Celsius.
ƒƒ Heating
Heating produced
produced by
by the
the rapid
rapid motion
motion of
of aa spiral
spiral galaxy
galaxy intruder
intruder located
located to
to the
the right
right of
of the
the
83
shock
shock wave
wave in
in the
the center
center of
of the
the image.
image.
Data: Xray+Opt,
3079
Two Are Better Than One?: NGC 3079
ƒƒ Towering
Towering filaments
filaments of
of warm
warm (~
(~ 10,000
10,000 C)
C) and
and hot
hot (~
(~ 10
10 million
million C)
C) gas
gas blend
blend to
to create
create the
the bright
bright
horseshoe-shaped
horseshoe-shaped feature.
feature.
ƒƒ Formed
Formed when
when superwind
superwind of
of hot
hot gas
gas collided
collided w/cold
w/cold gas
gas in
in galactic
galactic disk;
disk; full
full extent
extent of
of superwind
superwind
84
shows
up
as
fainter
conical
cloud
of
X-ray
emission
surrounding
the
filaments.
shows up as fainter conical cloud of X-ray emission surrounding the filaments.
Data: In Motion, GC
Mosaic of Galactic Center
ƒƒ 400
400 by
by 900
900 light-year
light-year mosaic
mosaic of
of several
several images
images of
of central
central region
region of
of Milky
Milky Way
Way galaxy
galaxy
ƒƒ Hundreds
Hundreds of
of white
white dwarfs,
dwarfs, neutron
neutron stars
stars &
& black
black holes
holes bathed
bathed in
in fog
fog of
of multimillion-degree
multimillion-degree
85
gas
gas
G
zoom in
GALACTIC
ALACTIC C
CENTER
ENTER --zoom
in--
8.4’
Baganoff et al. 2003
CHANDRA
Chandra X-Ray Observatory
Antennae
CXC
T
THE
HE A
ANTENNAE
NTENNAE
Red = Fe
Green = Mg
Blue = Si
Fabbiano et al. 2004
CHANDRA
C
CHANDRA
HANDRA D
DEEP
EEP F
FIELD
IELD N
NORTH
ORTH
Brandt, Garmire et al. 2003
CHANDRA
Supernova
Shell
Illustration: GRB-SNR
GRB
Jets
Gamma Ray Burst & Supernovas
GRB
GRB afterglow
afterglow may
may be
be produced
produced when
when the
the jet
jet of
of high-energy
high-energy
particles
particles interacts
interacts with
with the
the expanding
expanding supernova
supernova shell.
shell.
90
Data: Spectra
GRB 020813:
•• 21-hour
21-hour observation
observation of
of the
the afterglow
afterglow of
of the
the GRB
GRB 020813
020813 revealed
revealed an
an overabundance
overabundance of
of elements
elements
characteristically
ejected
by
the
supernova
explosion
of
a
massive
star.
characteristically ejected by the supernova explosion of a massive star.
•• Afterglow
Afterglow is
is thought
thought to
to be
be produced
produced by
by the
the interaction
interaction of
of aa jet
jet of
of high-energy
high-energy particles
particles with
with the
the
expanding
expanding supernova
supernova shell.
shell.
•• Narrow
Narrow lines
lines due
due to
to silicon
silicon and
and sulfur
sulfur ions
ions were
were clearly
clearly identified
identified in
in the
the X-ray
X-ray spectrum.
spectrum.
•• Two
Two gratings
gratings dispersed
dispersed X-rays
X-rays from
from the
the source
source like
like aa prism
prism disperses
disperses visible
visible light
light to
to produce
produce
91
the
crossed
bands
the
narrow
bright
regions
are
the
spectral
lines.
the crossed bands - the narrow bright regions are the spectral lines.
Illustration: AGN-Flr
Black Hole with Accretion Disk, Torus & Jets
ƒƒ Black
Black hole
hole surrounded
surrounded by
by aa disk
disk of
of hot
hot gas
gas &
& aa large
large torus
torus of
of cooler
cooler gas
gas and
and dust
dust
ƒƒ Light
Light blue
blue ring
ring on
on the
the back
back of
of the
the torus
torus is
is due
due to
to the
the fluorescence
fluorescence of
of iron
iron atoms
atoms excited
excited
by
by X-rays
X-rays from
from the
the hot
hot gas
gas disk
disk
ƒƒ Jets
Jets of
of high
high energy
energy particles
particles are
are propelled
propelled away
away from
from the
the black
black hole
hole by
by intense
intense electric
electric 92
and
magnetic
fields.
and magnetic fields.
Centaurus A
C
e
n
t
a
u
r
u
s
A
93
JJETS
ETS
M87
GB 1508+5714
Jet at Redshift 4.3
Forman et al. 2004
Siemiginowska et al. 2003
CHANDRA
Putting it together: On Paper & On the Web
95
X
RAY A
X--RAY
ASTRONOMY
STRONOMY R
ROADMAP
OADMAP
Black Hole
Event horizon
Chandra
Constellation-X
XMM-Newton
MAXIM
10 Million times
MAXIM
finer
imaging
0.1-1.0 m2
0.1 micro arc sec
20-100 times
increased sensitivity
for spectroscopy
Astro-E2
First Clusters
of Galaxies
Generation-X
0.1-0.35 m2
0.5-90 arc sec
m2
3
5-15 arc sec
Constellation-X endorsed by NAS McKeeTaylor Survey & Q2C report as high priority
mission for this decade
1000 times deeper
X-ray imaging
First Black Holes
& Galaxies
50-150 m2
0.1-1 arc sec
CHANDRA
Teleskope
Frequenzen: Gamma
INTEGRAL
97
o
n
INTEGRAL
r
e
c
o
r
d
(
G
R
B
• INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory
0
3
1
2
0
3
)
•M
a
p
p
i
n
g
t
h
e
g
a
l
a
c
t
i
c
p
l
a
n
e
i
n
98
o
n
INTEGRAL
r
e
c
o
r
d
•
•
•
•
•
•
•
(
G
LAUNCH DATE:17-Oct-2002
04:41 UT
R
B
MISSION END:Nominal
2 years - extended to 16 December 2010
0
LAUNCH VEHICLE:Proton
3
1
2
LAUNCH MASS:4000
kg
0
3
MISSION PHASE:Operational
)
ORBIT:
•M
Elliptical 72 hour ap
ACHIEVEMENTS:pi
n
g
•
•
•
•
•
•
Spectral measurements
of gamma-ray sources
t
h
Detection of gamma-ray
bursts, including the closest and faintest
e
on record (GRBg 031203)
a
Mapping the galactic
plane in gamma-rays
l
a
Resolving diffuse ctgamma-ray emission from galactic centre
i
Providing supporting
evidence for torii in AGN
c
Finding new classp of highly absorbed objects
l
a
n
e
i
n
99
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Spacecraft
Prime contractorAlenia Spazio, Turin, Italy
Launch date17 October 2002
LauncherRussian Proton rocket
Launch mass4 tonnes
DimensionsHeight5 metresDiameter3.7 metresSolar panels16 metres across
Instruments
InstrumentTopicPrincipal investigator institutes
SPISpectrometer with cooled Ge detectors, coded mask and active shieldJ.-P.
Roques, CESR Toulouse, France and R. Diehl, MPE Garching, Germany
IBISImager with two detector layers (CdTe array, 16 000 pixels and Csl array, 4000
pixels) and coded maskP. Ubertini, IAS Rome Italy; F. Lebrun, CE-Saclay, France; G.
DiCocco, ITESRE Bologna, Italy
JEM-XX-ray monitor with microstrip proportional counter and coded maskN. Lund,
DSRI, Copenhagen, Denmark
OMCOptical monitor with CCD and lens opticsM. Mas-Hesse, LAEFF-INTA, Madrid,
Spain
100
•
•
•
•
•
•
•
•
Orbit
Highly eccentric 72-hour orbit around the Earth.
Perigee: 9000 km
Apogee: 153 000 km
Inclination: 51.6o
The spacecraft will spend most of its time above an altitude of 40
000 kilometres outside Earth's radiation belts thereby reducing
background radiation effects.
Operations Centre
InstituteLocationMission Operations Centre (MOC)ESOC,
Darmstadt, GermanyINTEGRAL Science Operations Centre
(ISOC)ESAC, Madrid, SpainINTEGRAL Science Data Centre
(ISDC)Geneva, SwitzerlandGround
stationsRedu/ESABelgiumGoldstone/NASAUnited States
101
Teleskope
Frequenzen: Gamma
SWIFT
102
103
Launch Products
• Model booklet
• Lithograph with educational activity
• Fact sheet
• CD with http://swift.gsfc.nasa.gov
• Stickers
• Patches
• Angling for GRBs poster
• Teeshirts
104
105
•
•
•
•
•
•
•
•
Swift: Forschungssatellit der NASA mit britischer und italienischer
Beteiligung, der Gammablitze detektiert und untersucht
20.November 2004 von Cape Canaveral gestartet
kreisförmiger Orbit ca. 600 km über der Erdoberfläche
Ziel: schnellstmögliche und genaue Lokalisierung der kurzlebigen
Gammablitze
Burst Alert Telescope (BAT) detektiert Gammablitze
(Photonenenergiebereich: 15-150 keV)
100 Gammablitze pro Jahr detektieren, Position kann auf 1-4
Bogenminuten bestimmt werden
Röntgen-Teleskop (XRT) kann Nachleuchten im Röntgenbereich
untersuchen (300eV-3KeV), bestimmt Position auf 3-5
Bogensekunden genau, nimmt auch Röntgenspektrum auf
Ultraviolett/optisches Teleskop (UVOT), 30 cm Durchmesser (170650 nm), Positionsgenauigkeit 0.3 Bogensekunden, kann auch
Spektren aufnehmen
106
Related Swift Sites
Operations
•Swift Mission Operations Center (MOC)
at Penn State University (PSU)
•Swift Science Data Center (SDC),
responsible for processing Swift data
•ASI Malindi, Kenya, Ground Station
•GRB Coordinates Network (GCN)
•Information on GCN/Swift GRB Notices
Lead University Partner:
•Penn State University
International Hardware Partners:
•University of Leicester
•Mullard Space Science Laboratory
•Osservatorio Astronomico di Brera
•ASI Science Data Center
GRB Follow-Up Organization
•University of California at Berkeley
Key Associate Institutions
•Institute of Space and Astronautical Science
•Los Alamos National Laboratory
•Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
Outreach:
•Sonoma State University
•Swift Mission pages at the NASA website
Spacecraft Contractor:
•Spectrum Astro
Team and Project:
•Swift Team Pages
•Swift Project Pages
+ Full Swift Participant List
107
• am 4.9.2005 wurde der stärkste je dokumentierte
Gammablitz gemessen (von einem Objekt in 13
Milliarden Lichtjahre Entfernung)
• am 18.02.2006 wurde mit 33 Minute der bisher bei
weitem längste Gammablitz von einem 440 Mio
Lichtjahre entfernten Objekt gemessen
108
•
Rotverschiebungen historisch
• GRBs wurden
nur bei hohen
Rotverschiebungen
detektiert
•
Gehören zu den
entferntesten
Objekten des
Universums
109
•
•
UVOT Bilder der Supernova 2006X (SN2006X) in M100 (V,B,U)
links 11.11.2005; rechts 8.2.2006 nach der Explosion
V,UVW1, Röntgen
110
Teleskope
111
Multifrequenz-Beobachtungen
in der Astronomie
Sommersemester 2007
Themen & Daten
ƒ 19.04.: Überblick
ƒ 04.05.: Grundlagen: Teleskope
ƒ 18.05.: Von Sternwarten zu Virtual Observatories:
Durchmusterungen
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
01.06.: Deep Fields in „Bunt“
15.06.:
29.06.:„Multifrequenzrätsel“
13.07.:Multifrequenzkampagnen (Mrk 501, etc.)
27.07.: Die Multifrequenz-Zukunft
112
04.05.: Grundlagen: Teleskope, Detektoren &
Emissionsmechanismen
CHANDRA - Highlights
113
114
NASA's Chandra X-ray Observatory
Exploring the X-ray Universe
2006
115
Images:
31
M82:
Stunning View of Starburst Galaxy
116
Images:
35
Andromeda Galaxy (M31):
The Heat is on in Andromeda's Center
117
Images:
36
NGC 4696 in the
Centaurus Galaxy Cluster:
Black Holes Found to be Green
118
Images:
01
NGC 3079:
Superwind Sculpts Filamentary Features
119
Images:
33
Puppis A:
Chandra Reveals Cloud Disrupted
by Supernova Shock
120
Images:
02
Crab Nebula:
Shocking Secrets of the
Crab Pulsar Revealed in X-rays
121
Images:
37
3C 75 in Abell 400:
Black Holes Determined to be Bound
122
Images:
32
Mz 3:
Planetary Nebula –
Fast Winds from Dying Stars
123
Images:
05
Cassiopeia A:
Chandra's Celestial Fireworks
124
Images:
40
SN 1006:
The Hot Remains of a
1000 Year-Old Supernova
125
Images:
06
NGC 6240:
Never Before Seen:
Two Supermassive Black Holes
in the Same Galaxy
126
Images:
07
Centaurus A:
Arcs Tell the Tale of a Giant Eruption
127
Images:
08
G292:
Chandra Looks at the Aftermath
of a Massive Star Explosion
128
Images:
45
Trumpler 14:
Bright Young Stars Mix It Up
129
Images:
09
Sagittarius A*:
Milky Way Monster Stars in
Cosmic Reality Show
130
Images:
28
Saturn:
X-rays from Saturn Pose Puzzles
131
Images:
10
M87:
Chandra Sheds Light on the
Knotty Problem of the M87 Jet
132
Images:
11
M83:
X-rays Reveal Nature of Spiral Galaxy's
Boisterous Activity
133
Images:
34
J0617 in IC 443:
The Case of the Neutron Star
with a Wayward Wake
134
Images:
12
DEM L71:
Supernova Origin Revealed
135
Cygnus X-1, XTE J1650-500 & GX 339-4:
"Iron-Clad" Evidence for
Spinning Black Hole
136
ILLUSTRATION
Images:
29
Kepler’s Supernova Remnant:
Unravelling a 400-Year Old
Supernova Mystery
137
Images:
14
M86:
Cluster’s Gain is Galaxy’s Loss
138
Images:
16
A2029:
Hot News for Cold Dark Matter
139
Images:
44
G21.5-0.9:
Cosmic Shell-Seekers Find a Beauty
140
Images:
17
44i Bootis:
The Terrible Twos:
What Might Happen if
Our Sun had a Twin
141
ILLUSTRATION
Images:
18
The Crescent Nebula:
Live Fast, Blow Hard And Die Young
142
Images:
46
Tycho's Supernova Remnant:
Tycho's Remnant Provides Shocking
Evidence for Cosmic Rays
143
Images:
19
SNR 0103-72.6:
Chandra Finds Rich Oxygen Supply
Inside Glowing Ring
144
Images:
20
The Tarantula Nebula:
A Drama Of Star Formation
And Evolution
145
Images:
43
Orion Nebula:
Planetary Protection: X-ray Super-Flares
Aid Formation of "Solar Systems"
146
Images:
21
Jupiter:
Hot Spot Makes Trouble For Theory
147
Images:
22
Galactic Center:
Chandra Takes In The Bright Lights,
Big City Of The Milky Way
148
Images:
26
N132D:
Faint Afterglow of
Nearby Stellar Explosion
149
Images:
27
Abell 2125:
Chandra Catches Early Phase
of Cosmic Assembly
150
Images:
38
Cartwheel Galaxy:
Astronomers Do Flips Over
Cartwheel Galaxy
151
Images:
39
Perseus Cluster:
Chandra Proves Black Hole
Influence is Far Reaching
152
Images:
41
Earth Aurora:
Chandra Looks Back At Earth
153
Images:
42
NGC 2841:
Galactic Chimneys Turn Up the Heat
154
Images:
25
Seeing the Universe in a Whole
New Light with the
Chandra X-ray Observatory
155
Chandra X-ray Observatory
Closing
156
157