Radioastronomia 18.9.2006

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Radioastronomia 18.9.2006http://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.


Metsähovi: 1.3 cm - 3 mmSEST: 3 mm - 1.3 mm


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.


Maapallon ilmakehä


Ilmakehän vaikutus radioaaltojen etenemiselle

alarajan määrää ionosfääri: läpinäkymätön pitkille , vaihtelee.

• mm-alueella ilmakehän vaimennus kasvaa mukana.

• Kaasumolekyylit vaimentavat signaalia.• Hydrometeorit (sade, pilvet, lumi, jää, ...)

sirottavat.• Pieni hiukkanen: absorptiovaimennus, suuri

hiukkanen: sirontavaimennus.


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.


... 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


... 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.


... 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.


... 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.


... 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!


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.


... 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.


... 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.


... 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.


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.


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.


Pitkäkantainterferometria (VLBI)

• Maanpintaverkosto 1992 • Avaruus-VLBI: VSOP/HALCA,

Radioastron (?), VSOP-2, ...


Aurinkotutkimus

• Auringon mikroaaltosäteilykartat ja -purkaukset, radio vs. muut ilmiöt

• Tietoa Auringosta tietoa tähdistä


Radiospektroskopia

• erit. HY • Tähtien syntyalueet, maser-lähteet


European Southern Observatory ESO

• 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.

Alma


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.


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“).


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/m2

m1 – 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


Aurinkokunta

• http://www.jpl.nasa.gov/solarsystem/http://sse.jpl.nasa.gov/

• Aurinko.• Planeetat.• Kuut.• Asteroidit.• Meteoroidit, mikrometeoroidit.• Komeetat.• Planeettainvälinen pöly.• Aurinkotuuli.


Tähdet

• Tähdistöt• Tähtijoukot

M13

M45


Galaksit

M31 (Sb) M86 (S0)

M87 (E1)

M82 (IrrII)


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)


... Koordinaattijärjestelmistä (2)

• Horisonttijärjestelmä– Elevaatio (altitudi).– Atsimuutti.

• Ekvaattorijärjestelmä– Rektanskensio.– Deklinaatio.– Tuntikulma.– Tähtiaika.– Kulminaatio(t).– Sirkumpolaarinen.– Nousu- ja laskuajat.


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).


Nousu- ja laskuajat

• cos h = -tan tan+ sin a / (cos cos

• Nousu/lasku: a=0 —>cos h = -tan tan

• Kun kohteen rektaskensio tunnetaan, saadaan tähtiaika laskettua kaavalla = h +


Aurinko ja Maa


Aurinko ja Maa 2


... Koordinaattijärjestelmistä (3)

• Tähtiluettelot ym.– Epookki.

• Aurinko– Koordinaatit.

• Ekliptikaaliset koordinaatit.• Galaktiset koordinaatit.• Koordinaatteja muuttavat tekijät.


Koordinaatteja muuttavat tekijät

• Prekessio.• Nutaatio.• Parallaksi.• Aberraatio.• Refraktio.

Otettava huomioon teleskoopin suuntauksessa!


Aurinkoaika ja tähtiaika (1)

• Sideerinen eli tähtivuorokausi.• Synodinen eli aurinkovuorokausi.t = 3m56s


Aurinkoaika ja tähtiaika (2)

• Sideerinen vuosi: tähtien suhteen.• Synodinen vuosi: kevättasauspisteen suhteen.

• Keskiaurinkoaika.• Vyöhykeaika.• Ajantasaus.• Kesäaika.

• “Kello on ...”“Vyöhykeaika on ... “


Ajantasaus


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.


Juliaaninen päivämäärä

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

kalenteriin!


Tähtiajan arvioiminen

• Kevättasauspäivänä (n. 21.3.) = T + 12h.T = paikallinen aurinkoaika.

• Muuten = T + 12h + n*4min.n = vuorokausia kevätpäivän tasauksesta.


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: ≈ 21h40min + 12h + 25*4min = 35h20min = 11h20min.


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.

Radioastronomia 18.9.2006

Documents

Transcript of Radioastronomia 18.9.2006