Radioastronomia 18.9.2006

1. Radioastronomia 18.9.2006 http://kurp-www.hut.fi/edu/radioastronomia.html • Laskarit: 11.10., 8.11. ja 29.11. Havaintotyö: 7.11 tai 15.11. (iltapäivä-ilta)Tentti: 20.12. klo 13. • Ei luentoja 3.10., 17.10. • Tänään: • SM-säteily avaruudesta, Maan ilmakehä. • Radioastronomian historia, Nobelit. • Radioastronomia Suomessa. • Maailmankaikkeuden rakenne. • Tähtitieteen käsitteistöä. • Tähtitieteelliset koordinaattijärj. • Aika.

2. Metsähovi: 1.3 cm - 3 mm SEST: 3 mm - 1.3 mm

3. Miksi radio? • Melko uusi tähtitieteen ala: paljon tutkittavaa. • Havaintoja 24h / vrk. • Uusia kohteita, uusia säteilymekanismeja... • (Vielä) jatkuva kehitys: uusia taajuusalueita, parempi herkkyys, parempi erotuskyky. • Interferometrian ylivoimainen erotuskyky. • Yhdessä muiden taajuusalueiden kanssa antaa kokonaiskuvan astronomisten kohteiden fysiikasta.

4. Maapallon ilmakehä

5. Ilmakehän vaikutus radioaaltojen etenemiselle • alarajan määrää ionosfääri: läpinäkymätön pitkille l, vaihtelee. • mm-alueella ilmakehän vaimennus kasvaa n mukana. • Kaasumolekyylit vaimentavat signaalia. • Hydrometeorit (sade, pilvet, lumi, jää, ...) sirottavat. • Pieni hiukkanen: absorptiovaimennus, suuri hiukkanen: sirontavaimennus.

6. Radioastronomian historiaa • 1932 amerikkalainen insinööri Karl Jansky(Bell Telephone Lab.) • Tutki ukkosen radioliikenteelle aiheuttamia häiriöitä kehädipoliantennilla 20.5 MHz:n taajuudella (14.6 m). • Havainnoista löytyi tuntematon radiolähde, jonka voimakkuuden vaihtelun jakso oli sama kuin Maan pyörähdysaika tähtien suhteen  Linnunradan keskusta.

7. ... historiaa • 1937 Grote Reber, radioinsinööri USA:sta: • Aluksi tuloksettomia kokeita Janskyn kosmisesta kohinasta lyhyillä aallonpituuksilla, 3.3 GHz (10 cm) ja 910 MHz, 9.5 m paraboloidiantenni takapihallaan Wheatonissa, Illinoisissa. • Vaihtoi yhä alemmille taajuuksille, 1940 160 MHz (1.87 m) OK. • 1944 julkaistussa paperissa kartta radiotaivaasta, josta erottuu selkeästi LR:n taso ja keskusta, sekä kaksi muuta maksimia Cygnus A ja Cassiopeia A. Image courtesy of NRAO/AUI

8. ... historiaa • 1942 J. S. Hey: • Auringon radiosäteily havaittiin tutka-asemalla Englannissa, osoitti että häiriöt radiolähteyksessä eivät olleet peräisin vihollisen toimista vaan Auringosta, jossa oli menossa aktiivinen kausi ja runsaasti purkauksia. • 1944 J. G. Bolton & G. J. Stanley, Sydney: Ensimmäistä kertaa radiolähde identifioitiin optisen lähteen kanssa, Rapusumu (Äyriäissumu), Crab Nebula. • 1944 Reber mainitsi myös havainneensa Auringon radiosäteilyä, kaksi muuta jo tehneet saman havainnon, mutta julkaistiin vasta sodan jälkeen.

9. ... historiaa • 1944 Leidenin yliopiston tähtitieteen prof. Jan Oort sai käsiinsä vanhempia ApJ:n numeroita, myös Reberin paperin. • Päätteli, että radioastronomiaa voisi käyttää LR:n kohteiden spektriviivojen tutkimiseen. • Henrik van de Hulst laski, että atomaarisen vedyn pitäisi näkyä 21 cm aallonpituudella. • Riippumattomasti samaan aikaan venäläinen Josef Shklovsky ennusti 21 cm viivan havaittavuuden ja ennusti myös molekyyliviivojen,mm. hydroksyyliradikaalin OH havainnot.

10. ... historiaa • 1951 21 cm viiva havaittiin Englannissa (Ewen & Purcell), Hollannissa (Muller & Oort) + Australiassa (1952, Christiansen & Hindman). • 1963 löydettiin kvasaarit (M. Schmidt) ja OH-viiva (Weinreb & al.) • 1964 havaittiin viritetyn vedyn säteily (rekombinaatio), Z.V. & A.F. Dravskih. • 1965 3 K taustasäteily (Penzias & Wilson)  Nobel • 1967 löydettiin pulsarit (Bell & Hewish)  Nobel • 1968 löydettiin NH3 ja H2O -viivasäteilyt. Seuraavina vuosina löydettiin kymmeniä uusia viivoja. • 1975 superluminaarinen liike kaksoisradiolähteessä vapp > c.

11. ... historiaa • Radioastronomia kehittyi nopeasti ja on lisännyt merkittävästi tietoamme maailmankaikkeudesta. • Tutkitaan sekä jatkuvaa spektriä, kontinuumia että spektriviivoja. • Radioastronomian avulla on tehty monia tärkeitä löytöjä: mm. pulsarit ja kvasaarit löydettiin radiohavaintojen perusteella. • Huom: 4 kertaa Nobel!

12. Radioastronomian fysiikan Nobel-palkinnot • 1974: Sir Martin Ryle (1918–1984), Great Britain • "for his observations and inventions, in particular of the aperture synthesis technique” • Useampi pienempi teleskooppi saadaan toimimaan yhdessä siten, että lopputulos vastaa tilannetta, jossa olisi käytössä yksi jättimäinen teleskooppi, joka peittää koko käytettävän alueen. (Teleskoopit liikuteltavia, Maan pyörimisliike). • Ylivertainen erotuskyky verrattuna yksittäisiin teleskooppeihin. •  VLBI, avaruus-VLBI.

13. ... Nobelit • 1974: Anthony Hewish (1924–), Great Britain • "for his decisive role in the discovery of pulsars” • V. 1967 aloitettiin havainnot, joiden perusteella löydettiin jaksollisesti sykkivät radiosäteilijät, pulsarit. • Todistavat samalla neutronitähtien olemassaolon ja auttavat ymmärtämään tähtien kehitystä. • Pulsareita tunnetaan nykyisin myös röntgenalueella ja jopa optisella. • Tunnetuin pulsari lienee Rapusumun keskellä oleva kohde. • Todellisuudessa varsinaisen löydön teki Hewishin oppilas Jocelyn Bell.

14. ... Nobelit • 1978: Arno A. Penzias (1933–) & Robert W. Wilson (1936–), USA • "for their discovery of cosmic microwave background radiation” • 1960-luvulla tekivät kokeita 7 cm aallonpituudella, jotka paljastivat kosmisen taustasäteilyn (CMB). • Peräisin alkuräjähdyksestä, jonka jälkeen lämpötilat laskeneet, nyt 3 K. • Löytö auttaa ymmärtämään alkuräjähdystä, maailmankaikkeuden syntyvaiheita ja kehitystä alkuräjähdyksen jälkeen.

15. ... Nobelit • 1993: Russel A. Hulse (1950–) & Joseph H. Taylor, Jr. (1941–) • "for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has opened up new possibilities for the study of gravitation” • Löysivät binääripulsarin, jossa kaksi lähes samanmassaista komponenttia hyvin lähellä toisiaan. • Systeemi ei noudata enää Newstonin painovoimalakia, voidaan käyttää Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ja muiden gravitaatioteorioiden testaamiseen. • Havaintojen avulla pyritään mm. todistamaan gravitaatioaaltojen olemassaolo.

16. Radioastronomia Suomessa • TKK + TY + HY • Metsähovin radiotutkimusasema (TKK), Kirkkonummi. • TKK:n erillislaitos vuodesta 1988. • 13.7-metrinen radioteleskooppi. • Radiotaajuudet 2 - 150 GHz. • Toimintaa vuodesta 1975, prof. Tiuri, 3/2004 asti johtaja prof. Seppo Urpo,tällä hetkellä dosentti Merja Tornikoski.

17. Kvasaaritutkimus • TKK/TY yhteistyöprojekti 1980  • Metsähovissa tutkitaan kvasaareiden radiovuon vaihteluita: vuokäyriä pitkältä ajalta, tiheä monitorointi, korkeat radiotaajuudet, paljon lähteitä • Teoreettinen työ: radiopurkausten mallittaminen, radio/optiset yhteydet, gamma-säteilyn synty, kvasaarien yhtenäismallit, jne. jne.: • Yhteistyötä kaikilla taajuusalueilla! • Projektista runsaasti väitöskirjoja ja tieteellisiä julkaisuja.

18. Pitkäkantainterferometria (VLBI) • Maanpintaverkosto 1992  • Avaruus-VLBI: VSOP/HALCA, Radioastron (?), VSOP-2, ...

19. Aurinkotutkimus • Auringon mikroaaltosäteilykartat ja -purkaukset, radio vs. muut ilmiöt • Tietoa Auringosta  tietoa tähdistä

20. Radiospektroskopia • erit. HY • Tähtien syntyalueet, maser-lähteet

21. European Southern Observatory ESO Alma • Suomi vihdoin jäsen! (1.7.2004) • Swedish–ESO Submillimetre Telescope, Chilessä La Silla–vuorella, 1987-2003. • 15 m, vielä korkeammat radiotaajuudet (90–230 GHz). • Tukevat Metsähovissa tehtävää havaintotyötä, lisäksi eteläiset kohteet. • Tulevaisuus: APEX, ALMA.

22. Muuta • Planck-satelliitti (foreground science). • Kvasaarien monitaajuustutkimus, radio vs. gammasäteily, radio vs. optinen säteily ym. • Metsähovissa tehtävä laiterakennus ja insinöörityö • VLBI-laitekehitys. • AMS: antimaterian etsiminen maailmankaikkeudesta (prof. Ting). • Ohjelmistot.

23. Maailmankaikkeuden mittasuhteet • “Valovuosi” tms. • Aurinko: 8 valominuuttia. • Mars: 4.2 valominuuttia. • Pluto: 5.5 valotuntia. • Lähin tähti: 4 valovuotta. • Linnunradan halkaisija: 100000 valovuotta. • Lähin galaksi: 150000 valovuotta. • Parsek (parsec, "parallax of one arc second“).

24. Magnitudi • Perustana Hipparkhoksen järjestelmä n. 200 eKr. • Näennäinen suuruusluokka:“kirkas tähti” 1m, “himmeä tähti” 6m • Nykyisin standardisoitu. • Logaritminen asteikko: m = –2.5 lg F/F0; [F]=W/m2m1 – m2 = –2.5 lg F1/F2 • Absoluuttinen magnitudi: m – M = 5 lg (r/10pc) • Tunnettujen kohteiden näennäisiä magnitudeja: • Aurinko –26.74m • Täysikuu –12.55m • Venus –4.4m • Sirius –1.46m • Pohjantähti +2.12m

25. Aurinkokunta • http://www.jpl.nasa.gov/solarsystem/http://sse.jpl.nasa.gov/ • Aurinko. • Planeetat. • Kuut. • Asteroidit. • Meteoroidit, mikrometeoroidit. • Komeetat. • Planeettainvälinen pöly. • Aurinkotuuli.

26. Tähdet • Tähdistöt • Tähtijoukot M45 M13

27. Galaksit M86 (S0) M31 (Sb) M82 (IrrII) M87 (E1)

28. Koordinaattijärjestelmistä (1) • Maapallo • Pituus- ja leveyspiirit. • Maapallon pyöriminen • Vuorokaudenajat. • Tähtien näkyminen (päivä/yö). • Maapallo radallaan • Auringon näkyminen pohj./etel., vuodenajat. • Kääntöpiirit. • Tasaukset ja seisaukset. • Tähtien näkyminen (eri kohteet eri vuodenaikoina)

29. ... Koordinaattijärjestelmistä (2) • Horisonttijärjestelmä • Elevaatio (altitudi). • Atsimuutti. • Ekvaattorijärjestelmä • Rektanskensio. • Deklinaatio. • Tuntikulma. • Tähtiaika. • Kulminaatio(t). • Sirkumpolaarinen. • Nousu- ja laskuajat.

32. Koordinaateista • Esimerkki lähdelistasta:Epoch B1950.0048-097 00h48m09.99s -09°45’24.6"3C 120 04h30m31.60s +05°14’59.5"2155-304 21h55m58.30s -30°27’54.0"BL Lac 22h00m39.40s +42°02’09.0" • RA: Koska lähde kulminoi,Dec: kuinka korkealla. • Koordinaatit oikeita havaintoja varten muutettava nykyiselle epookille (ks. koordinaatteja muuttavat tekijät).

33. Nousu- ja laskuajat • cos h = -tan d tan f + sin a / (cos d cos f) • Nousu/lasku: a=0 —>cos h = -tan d tan f • Kun kohteen rektaskensio tunnetaan, saadaan tähtiaika laskettua kaavalla Q = h + a

34. Aurinko ja Maa

35. Aurinko ja Maa 2

36. ... Koordinaattijärjestelmistä (3) • Tähtiluettelot ym. • Epookki. • Aurinko • Koordinaatit. • Ekliptikaaliset koordinaatit. • Galaktiset koordinaatit. • Koordinaatteja muuttavat tekijät.

37. Koordinaatteja muuttavat tekijät • Prekessio. • Nutaatio. • Parallaksi. • Aberraatio. • Refraktio.Otettava huomioon teleskoopin suuntauksessa!

38. Aurinkoaika ja tähtiaika (1) • Sideerinen eli tähtivuorokausi. • Synodinen eli aurinkovuorokausi. Dt = 3m56s

39. Aurinkoaika ja tähtiaika (2) • Sideerinen vuosi: tähtien suhteen. • Synodinen vuosi: kevättasauspisteen suhteen. • Keskiaurinkoaika. • Vyöhykeaika. • Ajantasaus. • Kesäaika. • “Kello on ...”“Vyöhykeaika on ... “

40. Ajantasaus

41. Aikajärjestelmiä • Yleisaika UT1 (Universal Time), UT11 , UT01 . • Kansainvälinen atomiaika TAI2 . • Terrestriaalinen dynaaminen aika TDT2. • Barysentrinen dynaaminen aika TDB2. • Koordinoitu yleisaika UTC1 (“rannekello”).1 = Ottaa huomioon Maan pyörimisen; kokeellinen ja epätasainen.2 = Atomikellot; ei riipu Maan liikkeestä; tasainen.

42. Juliaaninen päivämäärä • Nollakohtana 4712 eKr. • 1.2.2000 JD=2451545.0. • Myös modifioitu juliaaninen päivämäärä, MJD. • Huom: Ei liity mitenkään juliaaniseen kalenteriin!

43. Tähtiajan arvioiminen • Kevättasauspäivänä (n. 21.3.)Q = T + 12h.T = paikallinen aurinkoaika. • Muuten Q = T + 12h + n*4min.n = vuorokausia kevätpäivän tasauksesta.

44. Tähtiajan arvioiminen, esimerkki • Esim. Paljonko on tähtiaika Helsingissä 15.4. klo 23? • “Klo 23” oletettavasti “virallista aikaa”, voimassa kesäaika  22 Suomen vyöhykeaikaa. • T Helsingissä n. 20 min jäljessä Suomen vyöhykeajasta  21h40min. • Voidaan huomioida vielä ajantasaus: huhtikuussa hyvin pieni. • Kevättasauksesta kulunut n. 10 + 15 vrk. • Siispä:Q ≈ 21h40min + 12h + 25*4min = 35h20min = 11h20min.

45. Radioastronomia 18.9.2006 http://kurp-www.hut.fi/edu/radioastronomia.html • Tänään opimme: • SM-säteily avaruudesta, Maan ilmakehä. • Radioastronomian historia, Nobelit. • Radioastronomia Suomessa. • Maailmankaikkeuden rakenne. • Tähtitieteen käsitteistöä. • Tähtitieteelliset koordinaattijärjestelmät. • Aika.