Metody badania

Komentarze

Transkrypt

Metody badania
Metody badania kosmosu
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
¾Zakres widzialny
¾Fale radiowe i mikrofale
¾Promieniowanie
wysokoenergetyczne
¾Detektory cząstek
¾Pomiar sił grawitacyjnych
Obserwacje prehistoryczne
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Obserwacja Słońca, Księżyca i gwiazd:
- kalendarz: pory roku, pływy morskie
- nawigacja
- cele religijne
Obserwatorium słoneczne
w Goseck - 4900 p.n.e.
Stonehenge - 3000 p.n.e.
Kalendarz Majów – rok „zero” około 3000 p.n.e.
Astronomia w starożytności
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Starożytny Egipt: podział roku
na 12 miesięcy i 365 dni, nawigacja na
podstawie gwiazd.
Starożytna Mezopotamia: układ
współrzędnych, stopień jako
miara kątowa, system
sześćdziesiętny (minuty i
sekundy), modele matematyczne
ruchu planet i gwiazd.
Starożytna Grecja: przyrządy
astronomiczne – astrolabium.
Mechanizm z Antykithiry – pierwszy
zegar astronomiczny (około II w. p.n.e)
Światło widzialne: teleskopy
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Kopernik wykorzystywał kwadrant i
astrolabium pierścieniowe.
Tychon de Brache do wyznaczania
paralaksy gwiazd użył sekstansu.
1609: Galileusz zastosował teleskop w
obserwacjach nieba.
Obserwacje potwierdziły model
heliocentryczny Kopernika. Odkrycie
księżyców Jowisza, gwiazd w drodze
mlecznej, dokładny pomiar paralaksy gwiazd.
Teleskopy refrakcyjny
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Teleskop Galileusza daje obraz
prosty.
Teleskop Keplera daje obraz
odwrócony – do obserwacji wymaga
dodatkowego układu optycznego (np.
pryzmatu).
Teleskopy refrakcyjne mają wielkość
soczewki ograniczoną do 100 cm –
ciężkie soczewki są drogie, trudne do
wykonania i ulegają odkształceniom
mechanicznym.
Soczewki – przykłady aberracji
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Aberracja chromatyczna –
związana z dyspersją
Aberracja sferyczna –
związana z grubością soczewki
Teleskop odbiciowy
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Dyfrakcyjna granica rozdzielczości
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Kryterium Rayleigha
λ – długość fali światła
D- apertura otworu kołowego
Absorpcja w atmosferze
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Częstotliwości radiowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Teleskopy radiowe są silnie kierunkowe.
Pomiary promieniowania o długości rzędu
metrów wymagają anten o rozmiarach około
100m.
Arecibo, Puerto Rico – 300 m
Zwiększenie rozdzielczości można
osiągnąć metodami
interferometrycznymi – rozdzielczość
kątowa układu teleskopów jest większa
niż pojedynczego urządzenia.
VLA – Very Large Array, Nowy Meksyk, USA
Częstotliwości radiowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
VLA – 0.2 sekundy kątowej
VLBA – 1 milisekunda kątowa
Metody interferometryczne wymagają
możliwości określenia fazy sygnału.
Synchronizacja teleskopów poprzez zegary
atomowe.
Obserwacja pulsarów, kwazarów i
galaktyk radiowych
Promieniowanie rentgenowskie
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Warunek Bragga
nλ=2dsinθ
Zmiana biegu wiązki promieniowania :
- Odbicie na zwierciadłach
parabolicznych i hyperbolicznych
- Dyfrakcja
- Interferencja
Swift
Promieniowanie rentgenowskie
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Promieniowanie podczerwone
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Zakres długości 0.75 – 300 µm.
Większość teleskopów optycznych po
wyposażeniu w odpowiedni detektor
może rejestrować obrazy w
podczerwieni.
Połączenie kilku teleskopów
pozwala zwiększyć
rozdzielczość poprzez metody
interferometryczne.
Teleskop Hubble’a
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Spektroskopia
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Wzbudzone atomy emitują linie
widmowe o charakterystycznej
długości.
Linie w widmie promieniowania
odległych obiektów są
przesunięte w stosunku do
obserwowanych na Ziemi.
Zwykle występuje przesunięcie ku
czerwieni (większe długości fali)
λ − λ0 ν 0 − ν
Z=
=
λ0
ν
Przypomnienie: Efekt Dopplera
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Nieruchomy obserwator
Źródło się zbliża:
Nieruchome źródło
Przypadek ogólny:
Znak „+” oznacza zbliżanie się
wzajemne obserwatora i źródła
Spektroskopia
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Na podstawie przesunięcia ku
czerwieni Z możemy obliczyć
prędkość oddalania się źródła:
ν =ν 0
1− β
1+ β
v
β=
c
2
(
Z + 1) − 1
v=
c
2
(Z + 1) + 1
Im dalej są obiekty, tym większe przesunięcie
– Wszechświat się rozszerza!
Inne przyczyny zmian długości: światło
traci energię w polu grawitacyjnym.
Promieniowanie termiczne: przypomnienie
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Widmo energetyczne latarki
Widmo słońca
Spektroskopia: promieniowanie tła
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Promieniowanie cieplne Wszechświata: 2.7260 ± 0.0013 K
Spektroskopia: promieniowanie tła
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Dla wieku Wszechświata około 379000 lat (dla temperatury
3000K) nastąpiło rozdzielenie promieniowania i materii – na skutek
formowania się obojętnych elektrycznie atomów.
Drobne fluktuacje promieniowania tła odpowiadają
powstaniu skupisk materii – galaktyk i ciemnej materii.