1 / 27

Podiplomski seminar SPEKTROSKOPSKA ANALIZA ZVEZD TIPA RDEČE ORJAKINJE

Podiplomski seminar SPEKTROSKOPSKA ANALIZA ZVEZD TIPA RDEČE ORJAKINJE. Marko Pratnekar Mentor:prof.dr.Tomaž Zwitter Fakulteta za matematiko in fiziko Ljubljana 16.11.2010.

fai
Download Presentation

Podiplomski seminar SPEKTROSKOPSKA ANALIZA ZVEZD TIPA RDEČE ORJAKINJE

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Podiplomski seminarSPEKTROSKOPSKA ANALIZA ZVEZD TIPA RDEČE ORJAKINJE Marko Pratnekar Mentor:prof.dr.Tomaž Zwitter Fakulteta za matematiko in fiziko Ljubljana 16.11.2010

  2. “On the subject of stars, all investigations which are not ultimately reducible to simple visual observations are ... necessarily denied to us. While we can conceive of the possibility of determining their shapes, their sizes, and their motions, we shall never be able by any means to study their chemical composition or their mineralogical structure ... Our knowledge concerning their gaseous envelopes is necessarily limited to their existence, size ... and refractive power, we shall not at all be able to determine their chemical composition or even their density... I regard any notion concerning the true mean temperature of the various stars as forever denied to us..”Auguste Comte, Cours de philosophie positive (1842)

  3. Vsebina predstavitve • Zgodovinski pregled • Vrste spektrov • Nastanek spektralnih črt • Širina spektralnih črt • Področja uporabe • Rdeče orjakinje • Zajemanje spektrov • Disperzijski elementi • Uklonska mrežica • Svetlobni vodnik • Kolimator • CCD detektor • Cilji

  4. Zgodovinski pregled: • 1802 – W. Wollaston opazi temne črte v sončevem spektru • 1666 – Newton s prizmo razkloni svetlobo na barve • 1815 – J.von Fraunhofer ponovno analizira in izdela katalog 574 spektralnih črt v sončevem spektru • 1842 – C. Doppler popiše t.i. Doppler-jev pojav • 1859 – R. Bunsen in G. Kirchhoff eksperimentirata z segrevanjem različnih kemijskih elementov v laboratoriju – spektralne črte so edinstvene za vsak element – začetek spektroskopije kot znanstvene discipline • 1868 – Huggins uporabi spektroskop (Doppler-jev pojav) za določanje radialnih hitrosti zvezd • 20. st. – spektroskopija postane eno izmed najbolj pomembnih orodij v astrofiziki (fizika zvezd, preučevanje medzvezdna snovi, galaktična astronomija, kozmologija, telesa sončnega sistema,…

  5. Vrste spektrov • Kontinuiran spekter (toplotno sevanje črnega telesa) Wienov zakon: Kirchhoff-ovi zakoni spektroskopije: • Vroča trdna telesa, tekočine in plini pod povišanim tlakom sevajo kontinuiran spekter. • Vroč plin pri nizkem tlaku seva emisijski spekter. • Plin pri nizkem tlaku, pred vročim izvorom kontinuiranega sevanja povzroča absorpcijske črte v kontinuiranem spektru. • Črtni spekter (absorpcijski/ emisijski)

  6. Nastanek spektralnih črt Vir: Astronomical Spectroscopy; Jonathan Tennyson; Imperial College Press

  7. Nastanek spektralnih črt vezano – vezani procesi • Bolzman-ova enačba g - podajata stopnjo degeneriranosti stanj Elektron vodikovega atoma v osnovnem stanju: E1 = -13,6 eV ionizacija • Saha-ova enačba

  8. Širina spektralnih črt Širina črt: • ekvivalentna širina črte (Wλ) Spektralne črte imajo karakteristično obliko, širino in globino oz. višino (emisija) Rλ– globina črte • širino na polovici maksimalne intenzitete ali ang. FWHM(“full width half- maximum”)

  9. Širina spektralnih črt • Naravno širjenje - kvantna narava atoma • Dopplerjevo širjenje: - Termalno širjenje →termično gibanje delcev v optični osi Maxwell-Bolzmann-ova enačba: Profil spektralnih črt: →Gauss-ov profil - Rotacijsko širjenje → se uporablja za merjenje rotacije zvezd - Širjenje zaradi raztezanja/ krčenja → Kefeide, nove, supernove,… • Tlačno širjenje – do širitve spektralnih črt prihaja zaradi interakcije med delci Omogoča določanje gravitacijskega pospeška zvezd (skupaj s Teff). Najdominantnejše Dopplerjevo širjenje →prevladuje Gauss-ov profil

  10. Širina spektralnih črt Iz predhodnega sklepamo – na širino in globino spektralne črte vpliva količina absorberja/ emiterja, ki povzroča spektralno črto. Ca II (vsaka črta 10x večja koncentracija abs.) Povečevanje intenzitete črte z večanje št. atomov, ki jo povzročajo prikazuje - Krivulja rasti (curve of growth) – določimo zastopanost kem. elementov

  11. λ,ν – mirovna val. dolž./ frekvenca λ0,ν0 – opazovana val.dolž./ frekv. → Področja uporabe – radialne hitrosti • Komponento relativne hitrosti med Zemljo in astronomskim objektom, ki leži v smeri opazovanja imenujemo radialna hitrost objekta • Merimo oddaljevanje/ približevanje objekta → radialno hitrost določimo na podlagi spremembe valovne dolžine /frekvence → Doppler-jev pojav v<< c Formulacija velja za hitrosti pod 10 000 km/s! Večje hitrosti – uporabimo relativistični zapis

  12. Področja uporabe Spektroskopija v astronomiji: - kem. sestava, temperatura,rotacija, mag. polje zvezd - določanje radialnih hitrost objektov - spektroskopija ostankov supernov (spektroskopska klasifikacija) - spektroskopija meglic in medzvezdne snovi, - spektroskopija galaksij (rotacija, populacije zvezd, razdalje…), - raziskovanje kvazarjev, - preučevanje teles sončnega sistema, - odkrivanje planetov okoli drugih zvezd,

  13. Rdeče orjakinje KAKŠNE ZVEZDE SO TO? - zvezde zaključni fazi evolucije - 0,5 – 10 Mʘ - velik premer (10-100 Rʘ) - redka atmosfera - površinska temp.< 5000°C (rumeno – rdeče barve) - spektralni tip: K,M - Sonce čez 5 milijard let RGB (Red Giant Branch) - v lupinah poteka zlivanje H, v jedru je neaktivni He AGB (Asymptotic Giant Branch) - He → C (triple-alpha proces) v jedru Kovinsko revne zvezde (metal poor stars) →horizontal branch Kovinsko bogate zvezde (metal rich stars) → red clump

  14. Rdeče orjakinje ZAKAJ SO ZANIMIVE ZA ŠTUDIJ? RDEČA ZGOSTITEV – RED CLUMP zgostitev na H-R diagramu - razmeroma dolga evolucijska faza - veliko zvezd (15% Hipparcos catalogue)??? - velika svetilnost (luminosity) - skoraj konstantna absolutna magnituda - veliko ozkih spektralnih črt → ZANESLJIVI INDIKATORJI RAZDALJE → ŠTUDIJ LOKALNE IN GALAKTIČNE KINEMATIKE TER EVOLUCIJSKIH MODELOV ZVEZD S študijem njihove mase, starosti, spektralnega tipa, magnitude in kem. sestave – deleža kovin. Hertzsprung – Russel (Mv, B-V) diagram for 16631 stars from Hipparchos Catalog (Perryman et al., 1997)

  15. Rdeče orjakinje PREGLEDI NEBA (Sky surveys) RAVE (the RAdial Velocity Experiment) - “ultra wide field (30 sq. deg) multi object spectroscopy Sky Survey” - 2003 – 2011 → 1,2m UK Schmidt Telescope (AAO) - multi – fibre spectroscopy (150 fibres), R=7500 - ~ 500 000 zvezd južnega neba (150 000 orjakinj, 5 kpc) - spektroskopsko določanje radialnih hitrosti in ostalih parametrov zvezdne atmosfere (Teff, log g, [M/H],…) → 6D informacija galaktične kinematike - ogromna baza podatkov → GAIA Misija (2012)

  16. Rdeče orjakinje PREGLEDI NEBA (Sky surveys) HERMES Project A high resolution multi – object echelle spectrograph for AAT - začetek projekta 2012 - CILJ: natančno določiti zastopanost posameznih kem. elementov v zvezdah → evolucija galaksije - 3,9m AAT teleskop - 1 000 000 zvezd do magnitude V = 14 mag - štirje kanali (λ = 478nm, 577nm, 661nm, 774nm) - R = 28 000 - S/N =100 - “two – degree field (2dF) optical fibre positioner” (omogoča hkratni zajem spektrov 400 zvezd) - GAIA → KINEMATIČNE lastnosti - HERMES → KEMIČNE lastnosti NATANČEN POPIS EVOLUCIJE GALAKSIJE!

  17. Rdeče orjakinje PREGLEDI NEBA (Sky surveys) - ogromna količina podatkov → IZGRADNJA NATANČNIH MODELOV - posamezni objekt se posname samo enkrat! - NAPAKE IN PRECEJŠNJE ODSTOPANJE MED PODATKI! RAVE:velikostni red napak:Teff ~ 300°K, log g ~ 0.3 dex, M/H ~ 0.25dex POTREBNA DODATNA OPAZOVANJA → GOLOVEC, ASIAGO,…

  18. Zajemanje spektrov Sestavni deli: • TELESKOP (teleskop Vega; 70cm; f/D 8,33) • OPTIČNI VODNIK • SPEKTROGRAF - vstopna reža - kolimator - disperzijski element (uklonska mrežica) - objektiv - detektor (CCD kamera)

  19. Disperzijski elementi • Valovanje razklonimo na posamezne valovne dolžine • Vrste spektrografov: prizme (ang. prism) uklonska mrežica (ang. diffraction grating) grizma (ang. grism)→grating+prism • Uklonske mrežice:-odbojne - prosojne Golovec: • Volume Phase Holographic (VPH) Tramsmission Gratings (Wasatch Photonics) • 1800, 2400 rež/ mm • prednosti: - velika gostota rež - majhne izgube in absorbcija svetlobe (~10%) - dolga življenska doba (> 20 let) - odpornost na mehanske poškodbe

  20. Uklonska mrežica • Skupek ekvidistančnih rež, z razmikom primerljivim valovni dolžini svetlobe (od nekaj 100 do nekaj 1000 rež/ mm) • Princip delovanja→Youngov eksperiment na dveh režah • ojačitve (maksimumi) • oslabitev (minimum) • resolucija uklonske mrežice n = 1,2,3,…interferenčni red kot med dvema ojačitvama pri malih kotih → N- število rež na mrežici d- širina reže 10< R <1000 nizka 1000< R <10000 srednja R >10000 visoka

  21. Uklonska mrežica Enačba intenzitete – podaja izstopno intenziteto valovanja pri kotu θ: 1.člen-1 reža 2.člen-N rež +--enakomerna disperzija za vse λ - izgube (10-40%) - dobra resolucijo (veliko ukl. redov) - mehanske poškodbe - odbojne, prosojne - prekrivanje redov- daleč v UV območje- dobra tehnologija izdelave Interferenčni maksimumi so tem večji in tem ostrejši, čim več rež ima uklonska mrežica; njih lega je neodvisna od števila rež Intenziteta maksimuma se poveča za faktor N², glede na intenziteto maksimuma pri eni reži

  22. Echell-ova uklonska mrežica • Poseben tip difrakcijske rešetke • s>>λ; 30 – 80 zarez/ mm • Svetloba vpada pod velikim kotom ~ 65° • Visoki spektralni redovi n ~ 50 – 120 • R ~ 100 000 VISOKA RESOLUCIJA: omogoča razločevanje zelo tesnih spektralnih črt → dobimo zelo dolg spekter VISOKI SPEKTRALNI REDOVI: lahko pride do prekrivanja posameznih spektralnih redov → uporaba filtrov (“order separating filters”), dodatni disperzijski element (“cross-disperser”),…

  23. Svetlobni vodnik- optično vlakno • Spektroskop postavimo v prostor, kjer lahko vzdržujemo konstantne pogoje ( temperatura, vlaga, fizična podpora)→ stran od teleskopa • Svetloba: TELESKOP → OPTIČNO VLAKNO → SPEKTROSKOP • Numerična odprtina – NA • Kotna odprtina αmax, skozi katero morajo žarki vstopati v vlakno da še ostanejo v njem • Pri n0 =1: • Golovec: • Broad Spectrum Optical Fibre • Debelina - 100 μm • Aktivni 2 vlakni: spektrograf in Th (Ar) lučka +--teleskop ni obremenjen - izgube (90%)- stabilnost (T=const.) - mehanske poškodbe - multi object spectroscopy - pozicioniranje objektov

  24. Kolimator • Pretvori divergentni snop svetlobe v vzporednega → žarki postanejo kolimirani • Izvor svetlobe (svetlobni vodnik) postavimo v gorišče kolimatorja! Izguba resolucije Izguba svetlobe

  25. CCD detektor ANDOR Newton DU940N (Back Illuminated Sensor) - Aktivni piksli: 2048 x 512 - Velikost pikslov:13,5 x 13,5 μm - Dimenzija senzorja: 27,6 x 6,9 mm - QE do 95% (vidni del spektra) - Min. delovna temp.: -100°C (TE hlajenje) - Bralni šum: 2,5eˉ@50kHz 11eˉ@2,5MHz - Temni tok (-100°C): 0,0001eˉ - Linearnost: max.1% - Velik dinamični razpon

  26. Asiago Observatorij Asiago Red Clump spectroscopic Survey (ARCS) - 1,82m teleskop + Echelle spektrograf (R = 20 000) - (4815Ȧ<λ<5965Ȧ) - opazovanih 277 “Red Clump” zvezd; 101 zvezda opazovana dvakrat - določanje radialnih hitrosti (binarni sistemi?) in atmosferskih parametrov - odkrivanje binarnih sistemov, ponovljivost atmosferskih parametrov, zmanjšanje napak enkratne meritve. - CILJ: posneti spektre 800 zvezd v obdobju 4 let

  27. Cilji • Izgradnja set-up-a, zagotoviti/ preveriti stabilnost sistema na observatoriju Golovec (teleskop, svetlobni vodnik, spektrograf – preverimo na primerih, ki so že izmerjeni – do 6. mag.) • Posneti čim večje število spektrov zvezd tipa rdeče orjakinje – red clump (do 9. mag.) na observatoriju Golovec in observatoriju Asiago → ponovitev (3-4 posnetki) Radialne hitrosti (odkrivanje binarnih sistemov) Atmosferske parametre (Teff, M/H, log g, …) • Dobljene meritve uporabimo za vrednotenje in kalibracijo rezultatov dobljenih pri pregledih neba (RAVE, HERMES …) • Avtomatizacija zajema spektrov na AGO Golovec (100% opazovalnega časa)

More Related