5 Poängskurs i astronomi sommaruniversitetet -97

5 Poängskurs i astronomi sommaruniversitetet -97.
Sammanfattning av Magnus Lagerberg
24/6 lektion nr 1
Repition av begrepp.
1 =60’
1’ =60’’
1 grad = 60 bågminuter
1 bågminut = 60 bågsekunder
Tiopotenser
Prefix M = mega=106 G=giga=109
vanligtvis används två siffrors noggrannhet.
engelskans billion betyder miljard
Temp
Kelvin relaterar till absoluta nollpunkten.
Celsius relaterar till vattens frys och kokpunkt.
TKelvin=TCelsius+273 grader
0 K=-273 grader C
Hett - atomer rör sig fort
Blått
Kallt - atomer rör sig långsamt
Rött
Vid absoluta nollpunkten rör sig atomer så långsamt de kan.
Temp relaterar till utstrålad energi
Högre temp större total elektromagnetisk utstrålning
Maximum vid kortare våglängder (lambda)
Minimum vid längre våglängd
Massa, volym och täthet.
medeltäthet =p= Mtot/vtot
ex Jordens medeltäthet.
Massan = 6,0 1024 kg
Radie=6378 103 m
V=4/3r3=1,0*1021 m3
23
21
3
3
p=6,0*10 /1,0*10 5,5*10 kg/m
Man kan bestämma kroppars massa medhjälp av Newtons lag om dynamik. Genom att bestämma
satelliters banor kan man bestämma centralkroppens massa
F=G(m1m2/r) r = avstånd och G = gravitations konstant
1
astronomiska avståndsenheter:
1AE=1AU
medelavståndet mellan jorden och solen
ca:1,496*108 km
1ljå=1Ly
Den sträcka ljuset tillryggalägger under 1 år
9,46*1012 km (jmf på en sekund hinner ljuset 7 varv runt jorden)
1pc=parsek
parallaxsekund
det avstånd då vinkeln mellan solen och jorden är 1 bågsekund
används för beräkning av avståndet till de närmaste stjärnorna och
kräver en bakgrund att relatera till.
Olika metoder för olika avståndsintervaller
Avståndstrappan kräver kalibrering till de bakomliggande metoderna.
Vid beräkning av stora avstånd finns en osäkerhetsfaktor 2, dvs om universums storlek är 500
miljarder ljusår eller 1000 miljarder.
Övningsuppgifter
1. Hur många bågsekunder går det på en grad?
1 =60’
1 grad = 60 bågminuter
1’ =60’’
1 bågminut = 60 bågsekunder
På en grad går det således 3600 bågsekunder.
2. Den svenska statsskulden är 1400 miljarder kronor. Skriv i tiopotensform.
1400*109=1,4*1012kr
3. Vid vilken temp kokar vatten uttryckt i kelvin?
100grader C
TKelvin=TCelsius+273
Tkelvin=100+273= 373K
4. Hur stor är jupiters medeltäthet?
massa=1,9*1027 kg
diameter=142,984km
radie=71,492*103m
3 3
volym=4/3(71,492*10 ) =1,5*1024 m3
27
24
p=1,9*10 /1,5*10 =1266kg/m3
Det finns ett annat beräkningsystem som utgår ifrån en jämförelse med jorden(index=1)
Siffror från detta system ger följande beräkning:
Jupiters massa är 318 ggr större än jordens 5,977*1024 och dess volym är1316 ggr större än jordens
1,083*1021.
p=m/v= 318*5,977*1024 /1316*1,083*1021=1333kg/m3
Jupiter har alltså en betydligt lägre medeldensitet jämfört med jorden.
2
Labbinstruktioner
1. Månens bana. Pricka in månens bana på stjärnkartan(skrivbordsjobb). Vi skall pricka in två banor
med data från tabell för 1989 och 1997 och jämföra dessa banor. Dessutom skall vi göra en skiss av
månen vid minst ett tillfälle. Ifylles på svarsblankett.
2. Sideriska stjärndygnet(stjärndygnet).
Uppgift: observera en stjärna med ca 2 veckors mellanrum och beräkna tiden
däremellan. Problemet är att veta när en stjärna befinner sig på samma plats. En
referens punkt med fixerad position (helst två punkter). Tiden mäts exakt med
sekundvisare.
3
1997-06-26
Lektion nr 2
Repetition
Måttenheter
Au, Ly och pc.
pc= det avstånd då vinkeln mellan jordens banradie är en bågsekund. 1 pc = 3,26 Ly. Inom detta
avstånd finns ingen stjärna mätt från jorden. I andra delar av universum ligger stjärnor närmare
varandra.
Lektion 2 kommer att innehålla följande: Himmelsfären, jordaxelns lutning, eklipitikan, vår och
höstdagjämning, sommar och vintersolstånd, koordinatsystem, labb, jordens olika rörelser, dygn ,
årstid, Sideriska dygnet, precession, månens faser, liberation, nodlinjen, förmörkelser och Sv
almanackan.
Årstidsförändringar beror på jordaxelns lutning som är 23,5 grader i förhållande till jordens
bana.
vårdagjämning
23,5
sommar
solstånd
vinter
solstånd
höstdagjämning
ekliptikan är solens skenbara gång på himlen under året
ekliptikan
23,5
himmelsekvatorn
Då ekliptikan skär himmelsekvatorn uppstår vår och höstdagjämning.
Zenit är lokalt och anger solens högsta punkt på himmelen.
Zenit når olika höjd beroende på årsstid.
Rektasion anges i tid och deklination i grader. Med dessa mått kan man ange en position som är
oberoende av observatörens plats på jorden. Problemet är att dessa mått är tidsberoende. Jordens form
:rundare kring ekvatorn och plattare vid polerna gör att klotet ”vobblar” något . Detta fenomen kallas
precession. Vilket innebär att jordaxeln kommer att förskjutas i en bana vara omloppstid är 25 900 år.
Instrument måste därför kalibreras beroende på precessionen.
Precessionen
Vega
Polstjärnan
4
Lokala lägesmått innebär att horisonten har riktningarna norr, syd , öst och väst där syd och norr
sammanbinds av en båge meridianen. Nyttan man har av meridianen är att stjärnor når sin högsta
punkt då de står i söder.
N
V
Ö
S
Månens faser
Storleksförhållandet mellan jorden och månen är speciellt då andra planeters satelliter
är i förhållande till sin moderplanet mycket mindre.
Det sideriska månvarvet relaterar till stjärnorna medan det synodiska månvarvet relaterar till solen
och är två dygn längre.
solen
synodiska 2 dygn längre
sideriska månaden
Månens bana lutar ca 5 mot jordbanan vilket är skälet till att solförmörkelse resp månförmörkelse
inte uppstår jämnt.
En nodlinje uppstår där månen och jordens banor skär varandra.
När månen är ny ser den ut som ett kommatecken. Månen befinner sig mellan jorden och solen. Vid
fullmåne befinner sig jorden mellan sol och måne.
Solförmörkelse då månen skymmer solen. Syns över ett litet område. En Corona syns vilket är
solatmosfären.
Månförmörkelse då jorden skymmer månen. Syns över ett större område. Vid månförmörkelse bryts
solstrålarna och månen får en röd ton. Man talar om olika djupa skuggor umbra och penumbra där
umbran är den mörkare.
Libration
Månen visar i stort samma sida mot jorden hela tiden men beroende på att banhastigheten varierar
(gravitationsförskjutning) uppstår librationen vilken gör att vi kan se ca 59% av månens yta. Månen
roterar runt jorden i ungefär samma hastighet enligt lagen om minsta energiförbrukning. En viss
parallaxeffekt uppstår vilket gör att olika observationsplatser ser lite olika delar av månen .
Sammantaget dessa effekter kan vi se 59% av månens yta.
RA och DC
RA anges i tid och utgår från skärningen mellan ekliptikan och är 0 vid vårdagjämningspunkten.
DC anges i grader och är 0 vid himmelsekvatorn.
På stjärnkartan skulle t.ex orion få följande koordinater Ra 5,5 timmar och DC 0
RA betecknas med  alfa och Dc med  delta. Centrum för vintergatsystemet befinner sig vid skytten
och syns bäst på sydligare breddgrader.
5
Labbinstruktioner
A Månlabb
A1 pricka in månens positioner
A2 drag nodlinjen för resp serie (skärningen mellan två banor , troligtvis ekliptikan)
A3 markera solens läge i ekliptikan.
A4 Vid vilka månader passerar solen noderna i år
B1 Pricka in månens position under minst ett tillfälle och rita av månen. Studera liberationen kan man
se olika delar av månen.
C Sideriska dygnets längd.
Observera minst en stjärna vid två olika tillfällen.
kunna fixera platsen med samma referenspunkt.
markera platsen.
Upprepa observationen efter ett par veckor.
Mät med sekundvisare.
Bästa resultat erhålls antagligen genom att observera flera stjärnor.
Det sideriska dygnet skall vara kortare
6
Måndag 30:e juni Lektion nr 3
Moderna teleskop har en upplösning motsvarande 1 bågsekund.
Retrograd rörelse uppstår t.ex. då en inre planet som har snabbare omloppsbana passerar en yttre
planet. Den yttre planeten kommer för en tid se ut som om den rör sig baklänges. Kopernikus. Början
av 1500talet.
sol
jordens bana
mars bana
bakgrund
Tycho Brahe( slutet av 1500talet)
Var speciellt duktig som observatör och nådde en noggrannhet motsvarande en bågminut dvs 1/60
grad. Formulerade hypotesen att om ett föremåls vinkel till en fixstjärna ej ändras på ett dygn så måste
avståndet vara stort. Parallax. Han utförde mätningar på solen utifrån denna teori och fann ingen
förändring och drog slutsatsen att solsystemet är geocentriskt.
Kepler (början av 1600talet)
Brahes medhjälpare och lärling använde Brahes observationer och formulerade tre lagar:
1. Planeterna rör sig i eliptiska banor med solen i den ena brännpunkten.
2. Radius vektor sveper över lika stora ytor under en lika stor tids period.
Ytlagen
3. Kvadraten på planeternas sideriska omloppstid p = kubiken på medelavståndet till solen a.
p2=a3
a = halva storaxeln
Perihelion är kroppens närmsta position i förhållande till fokus(brännpunkten)
Aphelion är kroppens mest avlägsna position i förhållande till fokus.
Gallilei (början av 1600talet)
Den förste att använda teleskop inom astronomin.
Observerade bl.a. a jupiters fyra månader och gav ytterligare ett argument för en heliocentrisk
världsbild(solen i centrum). studerade även Venus olika faser. Venus går innanför jorden och rör sig
snabbare. avståndet till jorden varierar stort och venus ser störst ut vid nyvenus och minst vid
helvenus. Venus ses bäst före solnedgången eller efter solnedgången och kallas därför morgon eller
aftonstjärnan.
7
Newton(slutet av 1600talet)
Tre lagar som astronomin använder sig av.
1. Konstant fart hos kroppar i rörelse så länge de inte påverkas av andra krafter.
2. En kropps acceleration är proportionell mot den kraft som verkar på kroppen.
F=m*a
3.Den kraft en kropp utövar på en annan är lika stor som den motriktade kraften från den andra
kroppen.
F1=-F2
Gravitations lagen
FG
m1m2
r2
Eftersom kroppar strävar efter ett så lågt energiinnehåll som möjligt förändras omloppsbanor mot en
cirkelrörelse. Planeternas rörelse avviker endast lite från en cirkelbana.
Halley´s komet demonstrerar gravitationslagen. Denna komet återkommer med en regelbundenhet på
76 år.
Uranus och Pluto upptäcktes med hjälp av Newtons mekanik främst genom störningar i andra
planeters banor. Det finns fortfarande störningar som kan innebära att en tionde planet existerar men
än finns inga bevis.
Mercurius bana kunde däremot inte förklaras med Newtons mekanik.
Först med hjälp av Einsteins relativitetsteori kunde dessa rörelser förklaras. Newtons mekanik
fungerar bra förutom vid höga hastigheter eller kraftiga gravitationsfält.
Einsteins speciella teori (1905)
Gäller för system som befinner sig i vila eller konstant fart.
Grundpostulat
1. All rörelse är relativ och oberoende av etern(medium). Hastigheten är relativ.
2. Ljushastigheten är alltid konstant i förhållande till en iakttagare.
Resultat
Längd påverkas av hastighet
massan växer med farten
Energiinnehållet är proportionellt till massan gånger ljusetshastighet i kvadrat.
E=mc2
Tidsdilationen
allmänna teorin
1. effekten av gravitation och acceleration är ekvivalenta.
2. Fältekvationen som visar rum-tidens krökning av ett gravitationsfält.
Partiklar och ljusstrålar följer den kortaste vägen i rumstiden. Om rumstiden är krökt följer de den
kortaste vägen i rumstiden.
8
Med Einsteins teorier kan bl.a. följande problem förklaras:
merkurius extra rotation.
Ljusets böjning vid solen
Klockor går långsammare i starka gravitationsfält, man kan t.ex. mäta en differens vid jordytan
jämfört med höjden hos ett flygplan.
Tidsperspektivet är ej absolut.
Det krökta rummet
Stjärna
solen
jorden
Ljusets böjs i solens gravitationsfält
Tiden går långsammare nära ett gravitationsfält.
Planetsystemet
solen
inre planeterna stenrika, mindre, ungefär samma täthet som jorden
merkurius, venus, jorden och mars
yttre planeterna gasrika, större, mindre täthet kring 1000
jupiter, saturnus, uranus, neptunus och pluto
astroider stenföremål, ej sfäriska, rotation runt solen, mer eller mindre ursprungliga.
Kometer
hyperbolisk bana, ofta långa perioder, ex på kort omloppsbana är Halley´s komet. består av is, stoft
och sten. ca 10 km i diameter, Hale bop 40 km i diameter. Syns ej förrän den kommit tillräckligt nära
solen då den uppvärms och förgasas. Svansen är alltid riktad bort från solen och ser därför ut som den
backar ut ifrån solen. Kometer har två svansar en stoft och en plasma svans. Kometer innehåller
byggnadsstenar från världsrymdens skapande, ursprungliga.
Planeternas satelliter
Ursprungliga och oftast stenformiga. På Io har vulkanutbrott observerats. Satelliterna har många
kratrar efter nedslag från meteoriter( vanligare i solsystemets ungdom). I Sverige finns Siljansringen
som ett ex på nedslagsplats.
Universum domineras av Väte och helium.
Solsystems bildande:
I nebulosor föds stjärnor.
Till en början gas och stoftmoln som genom en gravitationsstörning börjar rotera med förtätning och
stigande temperatur som resultat. Till en början är stoftmolnet kallt ca 50 Kelvin och de flesta ämnen
befinner sig i fast form förutom väte och helium som är i gasform. Massan är i storleken 2.3
solmassor. med en radie på 100 Au.
En gravitationell växelverkan mellan partiklar leder till en central förtätning sk protosol.
Temperaturen stiger i de inre delarna och leder till en förångning i de yttre.
Lättare gaser blåses ut. De inre planeterna blir stenrika och de yttre gasrika.
9
De yttre planeterna tenderar att bli jätteplaneter med isiga stoftkorn i övre lagren men med kärnor som
de inre planeterna. De har lägre T men större M och lättare gaser infångas. De har tjocka atmosfärer,
med ofta giftiga gaser, H2, He, metan, ammoniak. Gravitationen är högre hos de yttre planeterna.
Temperaturskillnad ger olika struktur hos planeterna.
10
1/7
Lektion nr 4
Ljus kan antingen betraktas som vågrörelser eller fotonpaket.
Synbart ljus 400nm - 700nm
blått
rött
elektromagnetisk strålning
gamma, röntgen(x), UV, synligt, IR, mikro och radiovågor
gamma strålning är energirikast.
Principen för linsteleskop (refraktor)
yttre linsen
okular
problem: fokus för olika färger hamnar på olika ställen men kan kompenseras med linser.
tunga linser tenderar att bukta sig på grund av sin egen tyngd
fördelar
Spegelteleskop
Problem den paraboliska spegeln ger olika fokuseringspunkter men kan kompenseras med hjälp av
linser,
fördelar: mindre ömtålig, billigare
Viktigaste funktionen hos dessa fotonhinkar är att få in så mycket ljus som möjligt vilket möjliggör
fler observationer vilket även leder till bättre detaljskärpa
Vid valet av observationsplatser tar man hänsyn till, luftfuktighet, vindar nedsmutsning av luft samt
ljusföroreningar.
Världens största nu existerande teleskop är Kech på Hawai med en 10 meter stor reflektions spegel.
Konstruktionen består av 36 olika segment(hexagoner).
Andra kända observationsplatser är Chile, Kanarieöarna. Sverige har ett 2,5 meters teleskop NOT
(Nordic optical telescope)
Fotografisk utrustning ersätts numer med CCD chips som kan registrera antalet elektroner som slagits
ut från en platta. Fördelen är känsligare, större våglängdsområde samt möjligheten att bearbeta
information med hjälp av dator.
Spectograf används för att få information om himlakroppars materialinnehåll.
Radioobservationer störs ej av ljusföroreningar, man kan simulera enorma mottagare. Ger information
om vilken typ av strålning som sänds ut och var aktiviteten sker.
Atmosfären filtrerar bort vissa våglängder men det finns två stora ”optiska fönster” som släpper in
synligt ljus och radiovågor.
För att motverka utsläckningen av vissa våglängder väljer man att gå utanför atmosfären.
Blåa stjärnor har sitt maximum vid UV strålning. Betelgeuse som är röd syns därför ej vid UV
fotografering.
HST Hubble space telescope är i första hand ett optiskt teleskop.
11
3/7
Lektion nr5
sammanfattning:
Ljus som vågrörelse
Olika teleskop :refraktor eller reflektor
CCD och spektrograf
Radioteleskop samt teleskop för andra våglängder som IR, UV, gamma och röntgen
Hubble(HST)
Himmelsobjekt i olika våglängder
Dagens lektion:
Ljusets natur: vågrörelse eller partikel
Partikel teorin används för att undersöka ljusets växelverkan med materia.
Vågrörelse teorin används för att studera ljusets utbredning.
Svartkroppsstrålning: Boltzman, Wien och kvantisering.
Spektrallinjer: ämnenas fingeravtryck ger information om vilka ämnen som finns samt i vilken form
de befinner sig.
Atomstruktur
Dopplereffekt
definitioner . Energi, flöde(flux), våglängd och frekvens
Energi: förmåga att uträtta arbete.
Energiflöde eller flux: energi per areaenhet och tidsenhet.
Genom att beräkna ytan av en sfär (4r2) kan man beräkna den totala
energin som ett objekt utstrålar.
Våglängd betecknas (lambda)
Frekvens = (ny) (ibland betecknas frekvens med f)
Ljusets hastighet=c
c   

c

 
c

Luminiositet= effekt eller energi per tidsenhet
L  4r 2 F =Effekt eller energi per tidsenhet
Dansken Olle Römer studerade jupiters månar vid förmörkelse(av jupiter) och kunde dra
slutsatsen att ljushastigheten är en ändlig rörelse dvs har en specifik hastighet.
Han beräknade tiden för ljusetshastighet från två olika observations punkter på jordens omloppsbana
och kunde mäta en tidsdifferans.
Ljuset kan beskrivas som en vågrörelse med en skillnad i våglängd från 10-6 till km långa vågrörelser

12
Svartkropp/svartkroppsstrålning.
def
Hypotetiskt objekt som absorberar allt infallande ljus(ingen reflektion)
Strålning och materia befinner sig i jämnvikt med varandra.
strålningen som utsänds beror enbart av objektets T
Stefan-Boltzmans lag
F    Teff4
Ljusflödet ökar kraftigt med ökad temperatur
Min formelsamling
M e  emit tan s(W / m2 )
  sigma  konst .  56,70nW / m2 K 4
Me    T 4
Wiens förskjutningslag
 max  T  konst. 2,9 103
säger att om vi känner den dominanta våglängden kan vi räkna ut T
ex solens dominanta våglängd ligger kring 500nm =5*10-7meter=max
 max  T  2,9  10 3
T
2,9  10 3
 5800K
5  10 7
Kvantisering(ljuset som energipaket=fotoner)
kg  m2
s
7
ex solensenergi   500nm  5  10
E  energi( joule) h  6,6  10 34
c  3  10 8 m / s E 
h c

6,6  10 34  3  10 8
E
 3,6  10 19 joule
7
5  10
Dvs energin hos varje foton från solen är 3,6*10-19 joule
Eftersom h och c är konstanter så är energin direkt beroende av våglängden.
Solens totala energi beräknas med E=mc2
Stjärnor är grovt sett ”bra” svartkroppar
Ljusstyrkan kan relateras till T och vi kan bestämma T genom ljusstyrkan.
Planeter kan inte betraktas som svartkroppar eftersom de motsäger det första kriteriet för svartkroppar
ingen reflektion.
Olika max i olika våglängder ger följande effekter
låg T
3000
max utstrålning
medium T
6000
max
hög T
12000
max
Infrarött IR
synligt ljus (400-700nm)
kortare än synligt ljus(gammastrålning)
Kirchoff-Bunsen experimentet
Ett ämne förångas över en bunsenbrännare, ljuset som uppstår passerar en spalt och ett
prisma resulterar i en spektralserie som är typisk för just detta ämne. Dessa
spektralserier fungerar som referens för astronomin vid studier av andra objekts
ämnesinnehåll.
Stjärnor
kontinuerligt spektrum
(regnbåge)
gasmoln
emissions spektrum
(ljusa linjer)
Strålning från en stjärna som passerar ett gasmoln kommer att ge ett absorbtionsspektrum
(mörka linjer mot en kontinuerlig bakgrund)
13
Kirchoffs lagar:
Första lagen Ett hett objekt eller en het gas ger upphov till ett kontinuerligt spektrum.
andra lagen En het förtunnad gas bildar emissionsspektrum(ljusa linjer mot mörk bakgrund)
tredje lagen En kall sval gas framför en källa med kontinuerlig strålning ger absorbtionsspektrum.
Rutherfords experiment
Alfastrålning (heliumkärnor) sänds genom en tunn guldfolie. De flesta atomkärnorna
passerade igenom men några studsade. Av detta experiment drog Rutherford slutsatsen
att det dominerande utrymmet mellan guldatomerna utgörs av hålrum.
(glest mellan kärnorna)
Kärnan består av en positivt laddad proton och en neutralt laddad neutron omgiven av
lika många negativt laddade elektroner som antalet protoner(grundämnen).
Bohrmodellen
Elektroner befinner sig i olika skal runt atomkärnan. I det enklaste exemplet Väte med
en proton , en neutron och en elektron kan elektronen befinna sig i olika skal där det
första skalet(omloppsbanan) betecknas n1(grundform). Beroende på vilket skal
elektronen befinner sig i påverkas dess energiinnehåll. Genom strålning(fotoner) kan
elektroner lyftas upp till en högre energinivå sk exciterat tillstånd.
absorbtion=
en inkommande foton lyfter upp en elektron till en högre
energinivå.
emission=
en elektron faller tillbaka till en lägre energinivå och
sänder ut strålning i form av en foton.
Kvantisering beskriver en växelverkan mellan strålning(ljus) och materia.
Energinivåer
Lymanserien grundtillstånd och första exciterade energinivån(n1-n2)
Balmerserien n2-n3
Beroende på fotonens energi kan elektronen lyftas upp till olika energinivåer vilket ger upphov till
olika spektrallinjer.
Information man kan får från spektrallinjer:
Temperatur, tryck, täthet och hastighet.
Doppler effekten
Vågrörelser blir kortare(ihoptryckta) i objektets rörelseriktning och längre ifrån
objektets rörelseriktning.
Man jämför spektrum vid olika tidpunkter och iakttager färgförskjutning.
Blå färgförskjutning uppstår när objektet rör sig mot oss.
Röd färgförskjutning uppstår då objektet rör sig ifrån oss.
Doppler effekten ger endast information om hastighet då rörelsen sker direkt emot oss
eller ifrån oss och ger besked om hastigheten relativt oss. I andra riktningar måste mer
indirekta beräkningar genomföras.
14
8:e Juli
Lektion nr 6 Solen
Solens energiproduktion:
Energitransport:
Solens atmosfär:
Solfläckar
Teoretisk modell av solen
väteförbränning”, neutrinoproblemet
konduktion/ledning, konvektion/strömning, strålning
fotosfären (”solytan”), kromosfären, koronan
lägre temperatur, magnetfält, periodicitet
Lite soldata:
Jordavstånd 1U(i medel, banan är ej cirkulär)
8,3 min för ljuset att nå jorden(närmaste stjärna 4 ljå)
ca 74% H, 25% He, 1% övrigt
medeltäthet 1410 kg/m3 (jmf jorden 5500kg/m3)
mm(table 9-1)
Solens energiproduktion:
Vad får solen att lysa?
(möjliga förklaringar: brinnande kol räcker i ca 10000 år, gravitationell energi räcker ca 10 7 år,
jordens ålder 4,5*109 år! Dessa förklaringar kan alltså uteslutas)
Svar: kärnreaktioner fusion
Tcentrum ca 15*106 K  materialet är joniserat.
Väteförbränning: 4H+4He2+ +partiklar+strålning
Två olika processer ger upphov till väteförbränning:
1. p-p cykel (proton-proton), dominerar i vår sol.
1
3
H
He
1
2
+
3
4
2 H H++e
 He
He + 2 1H





proton, neutron
väte deuterium, neutrino, positron helium, strålning
2. CNO cykel(kol, kväve och syre fungerar som katalysatorer)
Båda processerna ger samma nettoresultat!
Neutrinoproblemet:
Endast 1/3 av neutrinerna som i teorin borde bildas upptäcks. Kan det finnas flera typer av neutriner
som vi inte har upptäckt?
Den teoretiska modellen av solen:
Vår bild bygger på teoretiska modeller, som sedan jämförs med de resultat som experimenten ger.
Teori och experiment stämmer inte alltid (t.ex. neutrinoproblemet), eftersom experimenten är
noggranna och har upprepats flera gånger så är det troligen teorierna som inte är helt korrekta.
Se figure 9-21 i boken, observera bl a att solens täthet skiljer sig mycket mellan de inre och de yttre
delarna, det mesta av massan finns inuti.
Energitransport:
Konduktion(ledning) sker ej i solen
Se figur 0-23, energikälla i kärnan, energin strålar ut genom ”radiative zone” och leds sedan ut genom
”convective Zone”, här ute sker gasströmning, gasen kyls på ytan och åker ner i cirkulerande rörelser.
15
Solen är perfekt balanserad, olika jämvikter:
1. hydrostatisk-mekanisk- tryck från gas och strålning balanserar gravitationen, solens
storlek är ungefär konstant.
2. termisk-förlorad energi ersätts, ingen total avkylning, solen lyser stabilt
Solen är självreglerande till viss del (”säkerhetsventil”) och kompenserar för små förändringar. T.ex.
minskad energiproduktion- solen dras ihop- temperaturen stiger och förbränningen ökar.
Solens atmosfär:
1. Fotosfären
Utgör den undre delen av atmosfären. ca 3-400 km tjock
Här lämnar ljuset solen, ser ut som en solyta
Granuler
långt
konvektionsceller, ca 102 km i diameter
Dopplerförskjutning-gasrörelser bestäms
mörkt= ”kall” gas , sjunker in mot solen
ljust= varm gas, stiger mot ytan (enligt Stefan-Boltzmanns lag)
Randförskjutning:
solen ser mörkare ut längre ut mot kanten p.g.a. att man inte ser lika
in (radiellt) i solen, solens svalare yttre del ser mörkare ut.
Solfläckar
22 års period med den magnetiska polen inräknad, alternativt 11 års
cykler.
Temp 4-5 *103 K, dvs ser mörkare ut än omgivningen (fotosfären
6*103K)
Livslängd ca 2 månader, solens differentiella rotation kan studeras (fig
9-259, vissa fläckar ”kör om andra”
Associerade med magnetfält
Associerade med proturberanser, solar flares.
Fjärilsdiagram”, solfläckarna dyker upp inom ett visst mönster. I en
period vandrar fläckarna mot solens ekvator.
Magnetogram visar nord och sydsida i en solfläcksgrupp.
2. Kromosfären:
Ovanför fotosfären, ca 2000 km tjock.
Spikuler: jetstrålar av sval gas kastas ut med hög hastighet (20 km/s), upp till 7*103 km
ut.
H-alfa filter: ”borstliknande” spikuler längs kanterna av supergranuler.
3. Koronan:
från kromosfärens slut till flera miljoner km ut , syns vid solförmörkelse (fig 9-8),
övergår i solvinden.
Spektrum: emissionslinjer av kraftigt joniserande ämnen -> hög Temp 1-2*106K
Energi för denna upphettning från konvektiva höljet. oklart hur energin transporteras
(ljudvågor, magnetfält)
Temperaturdiagram: transition region mellan kromosfär och korona
hög temp--> röntgenstrålning, röntgenbild avslöjar olika strukturer
Titta aldrig på solen det skadar ögonen!!
8:e och 10:e Juli Nordkap
16
Lektion nr 7
Stjärnors rymdhastighet: dopplerförskjutning, egenrörelse
Avstånd parallax
Ljusstyrkans avtagande med avståndet
magnituder: skenbar, absolut
Fotometri, färgindicies
Spektrum--> temperatur
HR-diagram
Dubbelstjärnor--massor
Förmörkelsevariabler, ljuskurvor
Täta dubbelstjärnor, massöverföring
Repetition parallax
Se fig 2-4, närbelägna objekt tycks flytta på sig i förhållande till den mer avlägsna bakgrunden. Denna
metod räcker endast till avståndsbedömningar upp till 20 pc, vid längre avstånd blir den skenbara
förflyttningen för liten.
d=1/p
d= distans , avstånd
p= parallax-vinkel
1 AU
bakgrund
d
p
”nära stjärna”
Ljusstyrkan avtar med kvadraten på avståndet
L=F*A
L= luminositet(energi per tidsenhet)
F=flux(energi per tid- och ytenhet)
A=yta
Sfärisk yta A=4r2

F=L/(4r2)
T.ex. dubbla avståndet leder till fyra gånger mindre ljusstyrka.
Stjärnors rörelser
Stjärnor rör sig snabbt, men avståndet är stort, stjärnorna ser därför ut att vara stilla.
Egenrörelse= verklig rörelse
hastigheten kan delas upp i komponenter, den ena komponenten beräknas med hj. av dopplereffekten.
I vissa fall är båda komponenterna kända, då kan hastigheten beräknas.
Stjärnors Ljusstyrka
Apparent magnitud= skenbar magnitud, den ljusstyrka som vi uppfattar på jorden. Den apparenta
magnitudskalan, fog III-2. observera att skalan är logaritmisk och ”bakvänd” (positiva tal--> ljussvagt,
och negativa tal --> ljusstarkt)
Ögat kan uppfatta upp till 5-6 magnitud, stort teleskop ca 20 magnitud.
Hur vi uppfattar en stjärnas ljusstyrka beror på avståndet och dess ”verkliga” ljusstyrka.
17
Absolut magnitud= den verkliga ljusstyrka en stjärna skulle ha vid avståndet 10 pc (stjärnor
jämförs vid standardvärdet 10pc)
m= apparent magnitud
M= absolut magnitud
d=avstånd
Om två storheter är kända kan den tredje räknas ut (m oftast känd)
M är kopplad till luminositeten.
Temperatur och färg
Intensitetens maxima ligger vid olika våglängder beroende på stjärnans temperatur. (Stjärnor har
relativt låga hastigheter, dopplereffekt påverkar ej?) se fig 10-1
Ibland vill man ha specifik information, t.ex. vid inbördes jämförelser av stjärnor, istället för att ta
hela spektrumet så använder man filter för olika specifika våglängder, t.ex. UBV-filter(UV, blått och
visuellt(gult)) se fig 10-2. Man mäter den skenbara magnituden vid olika våglängder, genom att
beräkna differenserna av magnituden vid olika våglängder och får olika färgindicies, se fig 101(försök förstå denna tabell). Med hjälp av färgindicies och svartkroppsmodellen kan en stjärnas
temperatur bestämmas, fig 10-3.
Stjärnspektra
Spektrallinjer uppstår när elektroner övergår mellan olika energitillstånd, temperaturen bestämmer
vilka elektronövergångar som är möjliga (ju högre temperatur desto högre energitillstånd kan
elektronen befinna sig i). Olika temperaturer ger upphov till olika linjer i ett spektrum( fig 10-5).
Spektra delas in i olika spektralklasser: O; B, A, F, G, K, M, R, N, S
Oh be a fine girl kiss me right now, smack. Ursprungligen byggde man indelningarna på olika linjer
som väte kan ge upphov till, idag vet man att dessa klasser är relaterade till temperatur, det finns även
flera underklasser till varje grupp, t.ex. B0.
Obs ! Temperaturen anges fallande dvs O-klassen har högre temperatur än S-klassen.
HR-diagram(Hertzsprung-Russel)
När stjärnors absoluta magnitud prickas in i en graf mot spektraltyp(temperatur) hamnar de inom ett
visst mönster, det bildas serier, fig 10-6(Obs! temperaturen går åt fel håll)
De flesta stjärnor hamnar på huvudlinjen (här finns även vår sol), ovanför huvudlinjen finns
jättestjärnor och superjättar, under huvudlinjen finns det en serie som utgörs av vita dvärgar.
Kännedom om enbart spektralklass räcker inte för att avgöra vilken serie en stjärna tillhör.
Luminositeten kan ge ledtråd, fig 10-7. Om det är känt vilken serie en stjärna tillhör kan dess absoluta
magnitud fås fram ur HR-diagrammet, och därmed kan även avståndet bestämmas.
Dubbelstjärnor
Vanliga , ca 50% av alla stjärnor är dubbelstjärnor, det finns även multipelstjärnor. Dubbelstjärnor är
viktiga, många beräkningar kan göras, t.ex. bestämning av massa.
Olika typer av dubbelstjärnor
1. optiska, ej fysiskt förbundna, stjärnorna ser skenbart ut att befinna sig bredvid varandra.
2. Visuella
3. Astrometriska, den ena komponenten syns inte, den andra komponenten har ”störd” bana.
4. Spektroskopiska, spektrallinjer avslöjar dubbelstjärnorna, två typer:
enkellinjespektroskopiska(spektrallinjer från den ena stjärnan) och dubbellinjespektroskopiska.
5.Fotometriska, ger upphov till förmörkelsevariabler.
De två stjärnorna rör sig runt sin gemensamma tyngdpunkt, modellmässigt kan man lägga den ena
stilla i ett koordinatsystem och låta den andra kretsa runt.
18
Massa och luminositet är relaterade, fig 10-11, dvs ökad massa medför större ljusstyrka.
Exempel på spektroskopiska dubbelstjärnor, fig 10-13, radialhastighetskurvor, observera att de två
kurvorna inte korsar varandra vid hastigheten 0 --> hela systemet rör sig.
Förmörkelser kan ske om de två stjärnorna har olika ljusstyrka, se fig 10-14. Partiell förmörkelse ger
upphov till spetsiga sänkor medan total ger upphov till ”bredare dalar”. ofta har ljuskurvorna ej så
tydligt mönster p.g.a. annan påverkan, t.ex. fig 10-16.
Massöverföring kan ske om stjärnorna ligger nära varandra, ”kritiska områden”
19
15:e Juli
Lektion nr 8
Sammanfattning av föregående föreläsning:
Stjärnors rymdhastighet
Doppler förskjutning (hastighet längs synlinjen)
egenrörelse (hastighet i sidled)
Avståndsmätning genom parallax
Ljusstyrkan avtar med kvadraten på avståndet.
Magnituder
skenbar (sett från jorden)
absolut (sett från ett standardavstånd på 10 pc)
Fotometri
olika våglängder
färgindicies
Spektrum
temperatur (ytan)
HR diagram
luminans temp
Dubbelstjärnor
massor
Med hjälp av följande information kan man bedöma avstånd
hastighet, avstånd, massa och ljusstyrka
Spektrum kan ge information om rörelse, dubbla spektrallinjer.
Förmörkelsevariabler
Ljusstyrkan varierar p.g.a. förmörkelser
Hos täta dubbelstjärnor kan massöverföring ske.
Dagens tema stjärnors livscykel
En stjärnas liv
Molekylform
sammanpressning
förtätning
Supernovor
molnkollisioner etc.
snabbt
förlopp
protostjärna
stigande
temp
T TAU stjärna
(variabel)
stabil
period
H II-regioner (område med gas och unga stjärnor)
stabilt långsam, kort vandring i HR diagram
Huvudserien
väte omvandlas till helium
snabbt
förlopp
Central väteförbränning slut
Röd jätte
Helium förbränning
gradvis eller som heliumblixt
i vissa fall efter ytterligare processer
Massiva stjärnor har kortare livscykel.
20
Stjärnor föds i stora molekylmoln sk interstellära mediet som består av
gas, stoft och molekyler
dessa förekommer oftast i spiralarmarna i spiralgalaxer
De kan observeras genom radiostrålning från CO (kolmonoxid). Man vet att en viss mängd Co
motsvarar en viss mängd H2 och kan på så vis uppskatta mängden väte.
ex på molekylmoln (det finns ca 5000 sådana i vårt vintergalaxsystem)
Massa ca 105 - 2 106 M (solmassor)
Diameter 50 - 3 * 103 ljusår
densitet väldigt gles
Sammanpressning i spiralarmar mm leder till stjärnbildning och HII regioner där man ofta finner unga
stjärnor.
Protostjärnnor (mkt förenklat)
Mörka nebulosor skymmer bort bakgrunden
T ca 10 K
gravitationell sammandragning
protostjärnor med en diameter någon gång större än solsystemet
fortsatt sammandragning och upphettning
förflyttning mot huvudserien
väteantändning jämvikt mellan gravitation och gasstrålningstryck inifrån
stjärna 0,08 - 80 M
En stjärna kan inte ha hur stor massa som helst.
Mindre massa än 0,08 M ger inte tillräckligt hög energi och temp
För hög massa > 80 M ger för stark gravitation.
Vi tittar på bilder av nebulosor: mörka, häst, reflektions och emissions samt reflektionsnebulosor.
Emissionsnebulosa = väte atomer befinner sig i exciterat tillstånd när de emitterar bildas rödaktig
strålning
Reflektions nebulosa ljus reflekteras i stoftmolnet.
Gasmolnen är oftast samlade i galaxens plan det sk Vintergatsbandet.
Spiralgalaxer
Stjärnor föds i första hand i spiralarmarna, de äldre stjärnorna befinner sig i centrum
och de yngre längs spiralarmarna.
Massan avgör utvecklingsfasen
HR diagram
absolut
luminans
blå stjärnor mest massiva
huvudserien
röda stjärnor minst massiva
temp K
Med infraröd fotografering kan man tydligt se unga stjärnor som just bildats
I slutfasen ner mot huvudserien sker ofta en utkastning av gas.
Orion nebulosan är en typisk plats för bildandet av stjärnor.
Plejaderna är ex på en relativt ung stjärnhop
21
HII
(joniseringsgrad, I = neutral tarman bort elektroner förändras laddningen till HII,
jonisering sker i UVstrålning)
HII-regioner
unga stjärnor
Stark UV-strålning
(krävs för att slå bort elektroner och bilda joniserat väte
HII)
Joniserar väte i omgivningen och bildar ett HII område
Rekombination kaskad alfastrålning
(då protoner fångar in elektroner, dessa elektroner ramlar
från nivå 3 till nivå 2 och
avger H(alfastrålning)
UVstrålning + stjärnvindar
Chockvåg
sammanpressning
Stjärnfödsel
Flera mekanismer samverkar vid en stjärnas bildande, både effekter av unga och gamla stjärnor.
Stjärnhoper förändras och glesas ut
äldst
äldre
unga stjärnor
stark UV-strålning
sk HII region
med HI skal
tryckvåg
När supernovor (gamla stjärnor) exploderar sker också en sammanpressning.
Materia omskapas
Vid universums skapelse dominerades universum som nu av väte och helium men andelen tyngre
ämnen var liten. Tunga ämne skapas genom stjärnors bildande samtidigt som väte omvandlas till
helium.
Massa Temp Luminans livslängd
hög
hög
hög
kort
låg
låg
låg
lång
När vätet tar slut i kärnan tar gravitationen överhand och stjärnan utvecklas till en röd jätte.
gravitationen kan inte balanseras
Liten sammandragning
Temperaturen ökar
Väteförbränningen fortsätter i ett skal runt heliumkärnan
nya sammandragningar
Väte förbränningen sker längre ut
Mer Helium i kärnan
fortsatta sammandragningar
Stigande temperatur
skalförbränningen sker längre ut
Luminansen ökar samt radien
kylning till 3500K
En röd jätte har bildats
22
När vår sol blir en röd jätte kommer dess radie att omsluta Merkurius, Venus och troligen Jorden.
Klotformiga stjärnhopar är väldigt gamla ca 10-12 miljarder år gamla.
Heliumförbränning
T= 108 K Vid heliumförbränning slås heliumkärnor samman och bildar tyngre ämnen denna process
sker främst genom gravitation men är temp beroende)
4
18
3 He --> C + gamma strålning
18
C --> 16O +gammastrålning
gas expanderar för att hindra temperatur ökning
Om massan är ≥ 3M sker heliumförbränningen lugnt och gradvis
Om massan är ≤ 3M utlöses en heliumblixt
detta sker då temperaturen ökar utan att materien expanderar, materien når ett
degenererat speciellt tillstånd där temperaturen tillåts öka utan expansion
De tyngre grundämnena bildas i stjärnor.
Detta medför att de yngre stjärnorna är mer metallrika jämfört med de äldre.
Variabla stjärnor varierar i ljusstyrka. De är instabila och varierar i ljusstyrka och radie. Variationen
sker med en cykel på några dagar.
Cephider är variabla stjärnor, ljusstyrkan varierar med cykelns längd. Dvs cephider med längre cykel
har större luminans. Denna information kan användas för att bedöma avstånd.
23
17:e Juli
Lektion 9
Rep av stjärncykeln
Varför krävs unga stjärnor för att HII områden skall bildas?
L
het
sval
kort våglängd längre våglängd
energirika fotoner
energifattigare fotoner
E
hc

Längre våglängder ger mindre energi medan kortare våglängder ger högre energi.
h och c är konstanter
h=Plancks konstant=6,626*10-34Js
c= 3*108m/s
För att elektroner skall uppnå ett högre energitillstånd krävs tillräckligt hög energi som endast kan
skapas av väldigt heta stjärnor.
stjärnors slutstadier
Låg massiva
högmassiva supernovor
täta dubbelstjärnor (massöverföring) supernovor
Supernovarester kan iakttas på stjärnhimlen (ofantligt stora)
Pulsarer = roterande neutronstjärnor
Pulserande röntgenkällor = täta dubbelstjärnor varav en är en neutronstjärna.
Stjärnors slutstadier (gräns mellan låg och högmassiv ca 2-3 solmassor)M
låg massiv
högmassiv
t.ex.solen
vit dvärg wd +
röd jätte
vit dvärg
Supernova Typ II
täta dubbelstjärnor
neutronstjärna mer svart hål vid högre (”ingenting”)
kompakt jmf med massgräns
vit dvärg
massöverföring
supernova typ I
ingenting +
kompanjon
Hos lågmassiva stjärnor sker heliumförbränning i kärnan (efter H förbränning) och sedan i skalet.
För att C och O förbränning skall kunna ske krävs en massa större än 8 solmassor.
24
Planetariska nebulosor (P.N)
Het centralstjärna - yttre lagret utkastat
UV-strålning-jonisation
20-50 tusen P.N i vintergatsgalaxen
P.N utsänder emissionslinjer H, O och N.
Rör sig fort 10-30 km/s
expansionstid 104 år
livstid 50*104 år
Diameter ca 1 ljusår
Massa lämnas tillbaka(5 solmassor /år) som nya stjärnor kan bildas ur.
Röd jätte
Storlek motsvarande mars bana
kol och syre förbränning i kärnan
helium skal
väte skal
Planetarisk nebulosa
Storlek ca 1 ljusår
Ser ut att vara genomskinliga i mitten men är en optisk effekt som beror
på att gaslagren sett rakt framifrån är tunnare än lagren sett från sidan.
UV-strålning gör att gasen lyser
P.N heta ca 100.000 K
utvecklas mot vita dvärgar 10000 K
Vita dvärgar
radien minskar när massan ökar, sammanpressning sker mot en mer kompakt kropp.
Sirius himlens ljusstarkaste objekt (efter solen, månen och innersta planeterna)
består av en vit dvärg + kompanjon
25
Högmassiva stjärnors slutfas
Storlek motsvarande jupiters omloppsbana
Förbränning av järn i kärnan därefter i skal Silikon, Neon, Kol, Helium och Väte.
Ju fler atomer som binds desto större sammanhållande kraft sk bindningsenergi.
Max bindningsenergi nås vid järn
Fe
Pb
bindnings
energi
atomvikt
Supernova typ II
Högmassiva stjärnor
Skalförbränning H, He, C, Ne, O, Si
väte ytterst.
Fe förbränning i kärnan
max bindningenergi
kollaps
T ökar
fotodisintegration
Fe splittras
densiteten ökar
neutronisation
protoner och elektroner slås ihop under högt tryck
neutriner och neutroner skapas
kollapsstopp
infallande materia
neutrin flod
P och T ökar
”studseffekt”
accelererande chockvåg
Supernova
gravitationell energikälla
gravitationen övervinner de inre processernas förbränning
expansionen sker till en början långsamt men mot slutet inom loppet av sekunder.
SN 1987A
1987 iakttogs en supernovaexplosion av typ II i det stora Magellanska molnet ca 160 000 ljusår bort.
Skedde alltså för 160 000 år sedan. Speciella neutrindetektorer uppmärksammade neutrinfloden något
dygn fenomenet kunde observeras. Ljusstyrkan är enorm motsvarande en hel galax ljusstyrka.
Typ I Supernovaexplosioner når högre ljusstyrka.
Typ I kommer från täta dubbelstjärnsystem
semidetached med massöverföring
massöverföring sker från den expanderande röda jätten till en vit dvärg(kompanjon)
Tillsammans bildas en S.N
C förbränning
T och P ökar p.g.a. degenerering
S.N. skapas
Kärnenergikälla
överföring av massa ger en typ av förbränning
Neutriner
Vid tunga atomkärnors sönderfall bildas alfa och betastrålning. Vid alfasönderfall har alla partiklar
samma energi. Vid betasönderfall varierar energiinnehållet kraftigt. Neutriner skapas, de är oladdade
och har ett mycket lågt energiinnehåll. En skur av neutriner passerar rakt genom jorden.
Neutriner färdas med ljushastigheten och når jorden före ljuset vid en S.N. explosion. att de når
jorden före ljuset beror på att ingen hindran sker av neutriner medan ljuspartiklar hejdas av själva
explosionen.
26
Pulsarer
En stjärna kollapsar till en mycket mindre och tätare stjärna sk. neutronstjärna.
SN 1054 i krabbnebulosan är en pulsar.
Pulsarer kännetecknas av en snabb rotation (rörelsemängdens bevarande tänk på isdanserskan)
Sammantryckta med starka magnetfält
protoner och elektroner flödar ut längs polerna i form av strålning.
Rotationsaxeln och den magnetiska axeln sammanfaller ej vilket åstadkommer en ”fyreffekt”.
Pulseffekten sker med cykler på bråkdels sekund.
Med tiden bromsas rotationen upp.
När jorden befinner sig i strålen uppstår fyreffekten.
När en Supernova exploderar bildas en neutronstjärna, en oerhört komprimerad kärna av neutroner
med en radie av 15 km och med en densitet av 108 kg/m3 jmf med solens 1,4*103kg/m3.
Stjärnans massa avgör om dess slutfas
solmassor
<3
4-10
25-30
slutfas
röd jätte
supernova
supernova
vit dvärg
neutronstjärna
svart hål
En stjärnas strålningsenergi kommer från fusion i stjärnans inre.
fusion= sammanslagning av två lätta kärnor till en tyngre. Denna process kräver
mycket hög rörelseenergi och åstadkomms vid temp omkting 100.000.000grader. Vid
så hög temperatur joniseras atomerna fullständigt och elektroner och kärnor rör sig fria
från varandra i ett gasliknande tillstånd: plasma. Hög temperatur är dock ej tillräckligt.
Plasman måste dessutom hållas samman så pass länge att krärnorna får tillräckligt stor
chans att kollidera med varandra. Dessa förutsättningar uppfylls i en stjärnas inre och
skapas av gravitationen. Ju högre massa desto högre gravitation.
Vid en supernovaexplosion trycks de centrala delarna av en stjrna samman medan de yttre slungas ut i
rymden.
En stjärnas massa avgör om den skall sluta som en vit dvärg , neutronstjärna eller svart hål.
Spektrallinjer från avlägsna objekt är förskjutna mot längre våglängder. Rödförskjutningen anses bero
på att universum expanderar och kan betraktas som en doppler effekt.
Hubbles lag: Galaxer avlägsnar sig från oss med en hastighet som är proportionell mot avståndet från
oss.
Big bang-modellen: Universum antas ha skapats för ungefär 15 miljarder år sedan ur ett tillstånd med
oerhört hög densitet och temperatur.
Starka stöd för Big bng är förutom Hubbleexpansionen dels proportionerna av lätta grundämnen i
universum, dels den sk bakgrundstrålningen, en avsvalnad rest från en av universums tidigare
utvecklingsepoker.
27
22/7
Lektion 10
Rep
stjärnors slutstadier
lågmassiva <2-3 solmassor
högmassiva
supernovor
täta dubbelstjärnor
(massöverföring)
Supernovarester
Pulsarer (roterande neutronstjärnor)
Pulserande röntgenkällor - täta dubbelstjärnor
Novor och bursters
Vita dvärgar, neutronstjärnor och massöverföring ger dessa fenomen
Pulserande röntgenkällor n-stjärnor i täta dubbelsystem
Pulser som sker regelbundet och som avbryts (förmörkelsevariabler)
Dopplerförskjutning i röntgenpulserna
Massöverföring
10-9 solmassor /år
Ansamlingsskiva mor n-stjärnan
Via magnetfält till polerna
Hotspots Temp mycket hög 108 K
Jetstrålar
jetstrålar
vanlig stjärna
n-stjärna
massöverföring
ex SS 4533
både röd och blå förskjutning i dopplereffekten
blåförskjutning (rör sig i riktning mot jorden)
jorden
rödförskjutning (rör sig i riktning från jorden)
Novor (kända sen 1000-tals år)
utbrott ungefär som S.N. men inte lika våldsamt
massöverföring till en vit dvärg
stark gravitation T stiger
(degenererat tillstånd)
väteantändning(på ytan) vid 107 K
Bursters
massöverföring till n-stjärna
utbrott i röntgenområdet
kontinuerlig låg röntgennivå
H-förbränning He som rest.
Explosiv He-antändning sk bursters
Novor och bursters sker i täta dubbelstjärnesystem som en explosion beroende på termonukleära
processer
28
Stjärnors liv efter födseln
solmassa 0,1
1
10
huvudseriestjärnor
100
röd jätte
heliumblixt
superjättar
AGB stjärnor
planetarisk nebulosa supernova
vit dvärg
Neutron stj. svart hål
solmassa i slutstadium(restmassa)
0,5
1
3
10
Gammastrålnings bursters är ett hett forskningsområde
en kort blinkning inom gammastrålningsområdet
teori:otroligt långt bort, ursprungsstjärnor, spridda runt galaxer vilket betyder att de är
otroligt energirika, en puls skulle kunna motsvara solens hela ljusenergi, ev två neutronstjärnor som
bildar ett svart hål. (kolla i almanackan.)
Vintergatssystemet själva galaxen
Vintergatan bandet som vi ser på himlen syns bäst på hösten Cassiopeja genom svanen och skytten.
Herschel gjorde täthetsbestämelser men antog att jorden befann sig i centrum
Leavitt insåg Period luminansrelationen och kunde därmed bestämma avstånd.
Sheply
RR Lyrvariabler i klotformiga stjärnhopar(avståndsbestämning)
Vintergatsgalaxen
komponenter: skiva, bulge och Halo
Spiralstruktur: HI(neutralt väte), HII-regioner, OB-associationer(unga stjärnor) och molekylmoln
interstellär extinktion- ljus skyms av gas och stoft
Övergångar från ett energitillstånd till ett annat
energiövergång i neutralt väte
parallelspin
antiparallel spin
resulterar i en 21cm radiovåg
Genom att studera dopplereffekten har man kunnat göra sig en bild av vår galax.
solens avstånd till centrum ca 25 000 Lj.år.
Ca 100.000lj.år i diameter
solens rotationshastighet 225 km/s
galaxens omloppstid ca 200 milj Lj.år. sk kosmiskt år.
Sagitarius A* är en radiokälla troligtvis galaxens centrum.
Doppler mätn, utkastad gas, högre hastigheter runt kärnan kräver ett väldigt massivt centrum. Det
finns teorier om att Sgr A* är ett supermassivt hål med flera miljoner solmassor.
Vintergatsgalaxen har fyra stora armar
29
De inre delarna roterar som en stelkroppsrotation de yttre delarna har konstant fart eller ökande. Detta
tyder på en större massa en vi kan observera mörk materia.
Täthetsteorin stjärnor rör sig i eliptiska banor med ojämn hastighet.
Mönstret är konstant men de olika stjärnorna byts hela tiden ut (se kap 15 sid 327)
Spiralarmarna skulle ge upphov till en upplindning ”winding dilemma) om stjärnor bibehöll sin plats i
mönstret
Självfortplantande stjärnbildning leder till unga stjärnor, strålning, S.N. utbrott och så småningom till
ett utvidgat stjärnbildningsområde.
Differentiell rotation -- kaotiskt utseende
Täthetsvågor förklarar det bestående mönstret
Enligt Kepplers teori skulle hastigheten sjunka i de yttre omloppsbanorna men i själva verket är
hastigheten konstant eller svagt ökande. Detta innebär ett problem därför att om hastigheterna skall
öka i de yttre regionerna måste det finnas mycket mer materia- mörk materia.
Två teorier om mörk materia stjärnliknande eller mystiska partiklar.
I de flesta galaxer finns satellitgalaxer.
30
Torsdag 24:e juli lektion 11
Rep
Vintergatsystemet
vintergatan
Herschel
Leavitt
Skepler
galaxers komponenter
spiralstruktur
Interstellär extinktion
dagens föreläsning:
Galaxer
Par, grupper, hoper
Galaxbildning
Kolliderande galaxer
Hubbles lag
mörk materia
galaxen
det ljusa band som sträcker sig från Cassiopeja genom svanen till
skytten.
täthetsbestämning
period-luminansrelationen
ju längre period en Cefeid har desto större ljusstyrka
man kan med detta bedöma avstånd.
RR-Lyrvariabler i klotformiga stjärnhopar -avståndsbedömning
skiva, ”bulge” och halo
kännetecknas av HI(neutralt väte), HII-regioner, O-B associationer(unga
stjärnor), molekylmoln förutsättningar för att nya stjärnor kan bildas i
spiralarmarna.
gasmoln som döljer delar av galaxen
kort beskrivning, klassificering, Rotationskurvor(grund för teorin om
mörk materia), massmodulering
avstånd till galaxer
Spiralnebulosor blir galaxer
Imanuel Kant talade om universella öar
Shepley-Curtisdebatten 1920
Lundmark 1920
Hubble 1923
diskussionens tema ”ingår alla spiralnebulosor i
vintergatssystemet”
mätte avståndet till andromedagalaxen, påstod att avståndet var stort ca
600 000 ljusår(aktuella beräkningar visar att avståndet är 2,2 miljoner
ljusår)
använder Cepheider för att bestämma avstånd till andromedagalaxen
Cepheider har varierande ljusstyrka
ljus-periodrelationen
period
Luminans
tid
Andromedagalaxen påminner om vår galax, den har två satellitgalaxer, avstånd 2,2 miljoner ljusår.
tre typer av spiralgalaxer
Sa
inlindade armar
Sb
mindre central förtätning
Sc
glesast centrum
Spiralmönstret är konstant men de ingående stjärnorna byts ut hela tiden. Detta beror på en ojämn
hastighet hos stjärnorna varvid förtätningar bildas(liknar en trafikstockning).Spiralmönstret
uppkommer genom täthetsvågor. Stjärnbanorna går i ellipser men är vridna i förhållande till varandra.
Olika hastighet i banorna
spiralmönster
Banorna vrider sig med samma hastighet runt centrum
31
Gravitationen från stjärnorna och det interstellära mediet(ISM) påverkar och ger förtätningar.
Nya stjärnor kan bildas, heta blå stjärnor skapar HII-regioner.
Spiralerna roterar men långsammare än de enskilda stjärnornas omloppstid i sin bana.
Jmf fig 15-6 (vägarbete)
enskilda objekt ingår bara tillfälligt i mönstret men den storskaliga modellen bibehålls.
Stavspiraler
Eliptiska galaxer
E0-E6
Från cirkulär mot mer tillplattad
Utseendet beror till en viss del från vilken vinkel vi observerar galaxen.
Det finns jätteeliptiska galaxer med en diameter på 2 miljoner ljusår (jmf avståndet till andromeda
galaxen 2,2 miljoner ljusår)
Hubbles stämgaffel
eliptiska galaxer
normala spiralgalaxer
Sa,Sb och Sc
<- tätare lindning av armar
<- större bulge
-> yngre galaxer
E0-E6
S0
SB0
fattiga på gas, stoft och unga
mellansteg inga spiralarmar
Stavgalaxer
stjärnor, troligen äldre
SBa,SBb,
Oregelbundna galaxer t.ex. stora Magellanska molnet med många unga blå stjärnor
Galaxer har en dopplerförskjutning och rör sig med höga hastigheter upp till 61 000 km/s
Ju högre hastighet desto längre avstånd. Galaxer rör sig i huvudsak bort ifrån oss.
hastighet
Hubbles lag
avstånd
Supernovor kan användas som avståndsjämförelse sk ”standard
candles”.
Galaxer hänger oftast ihop 2 till 3 st varvid en växelverkan sker.
Starburst galaxies
kännetecknas av kraftig stjärnbildning
Kolliderande galaxer
Stjärnor kolliderar ej(beroende på det stora avståndet dem emellan)
Stora interstellära gasmoln kolliderar dock
stoft och gas kan ”förloras” vid en kollision
Temp stiger het intergalaktisk gas.
Lugnare kollisioner
gas kan kylas och leda till protostjärnor
starburst galaxies extra aktiva stjärnbildningsområden
”Mergers”
lika stora galaxer sammansmälter
”Kannibalism” En stor galax ”äter” en mindre.
The great wall
32
Man kan mäta strukturer i universum och ett speciellt förtätat område kallas ”the great wall”
På grund av den starka gravitationen från stora galaxer kan ett fenomen uppstå sk dubbel eller
multipeleffekter av objekt.
Rotationskurvor
tvärtemot kepplers lagar om att hastigheten avtar i de yttre banorna ökar hastigheten eller är konstant.
hastighets
rotation
kring centrum
borde sjunka enligt Keppler
avstånd
Detta tyder på att massan ej är koncentrerad till centrum, massan bör finnas längre ut. Detta ger grund
till teorin om den ”mörka materian”.
Om massan var koncentrerad till centrum skulle hastigheten sjunka i de yttre lagren.
Dessa mätningar baseras på dopplerförskjutningar man använder sig av den sk 21 cm radiovågen som
sänds ut från neutralt väte HI.
Den totala massan bör alltså sträcka sig utanför halon.
Stavgalaxer verkar innehålla en mindre mängd mörk materia då deras rotationskurvor är avtagande
Mörk materia
Finns troligen inte lokalt i skivan därför att där skulle den inte behövas.
Finns ev i spiralgalaxens halo.
Galaxpar skulle inte hänga ihop om inte den mörka materian fanns.
Mer massa än den mätbara krävs för att galaxhopar skall hänga ihop, man kan observera
röntgenstrålning från het gas men det räcker fortfarande inte för att hålla ihop systemet.
Kosmologiskt finnen sk kritisk täthet.
Frågorna är ändå många: Är fysiken riktig?, Ser vi alla stjärnor?, Stoftmoln?, Magnetfält orsakar
hastigheter hos gasen men inte hos stjärnorna? etc.
Vad kan den mörka materian bestå av? Det finns ca 10 ggr mer mörk materia mot ljus materia.
Jupiterliknande kroppar
Lågmassiva stjärnor
Kollapsade högmassiva objekt
Molekylmoln
exotiska partiklar såsom neutriner med en viss vilomassa eller okända partiklar.
33
29/7
lektion nr 12
Einsteins speciella teori
Beskrivning av hur rörelse påverkar mätning av tid, avstånd och massa.
Absoluta rummet och absolut tid existerar ej
Relativ rörelse det avgörande
Allmänna teorin
Materia bestämmer rummets krökning och rummets krökning bestämmer rummets
rörelse. Gravitations teori.
Måste tillämpas vid höga hastigheter och starka gravitationsfält.
Många experiment visar att denna teori stämmer. T.ex. hur en stjärnas ljus kröks vid passagen av
solens gravitationsfält (obs vid solförmörkelse)
Svarta hål har våldsamt starka gravitationsfält.
händelsehorisont-Flykthastigheten = c
ingenting innanför når ut.
singularitet
teoretiskt
RSCH
oändlig täthet
punkt av täthet. Rum och tid meningslösa. Fysikaliska lagar gäller.
Vilka storheter har ett svart hål?
massa, laddning(ev.ej), rörelsemoment, rotation.
Ergosfären ligger utanför händelsehorisonten har en snabb rotation. Allt som befinner sig innanför
ergosfären dras med i rotationen.
Effekten av svarta hål är mycket lokal.
I närheten av superjätten HD 22606B finns en stark radiokälla. Man antar att detta är ett
dubbelstjärnsystem bestående av en stjärna samt ett mycket kompakt objekt i storleksordningen 7
solmassor. Detta bör vara ett svart hål då massor över 3 solmassor är ett tecken på svarta hål.
När materia sväljs av ett svart hål sänds röntgenstrålning ut. Man kan räkna på vilka massor som krävs
för att röntgenstrålning skall uppstå.
Kompakt
vita dvärgar(mindre radie ju mer massa)
neutronstjärnor
svarta hål
(slutstadie av väldigt massiva stjärnor)
Svarta hål kan vara
en kompanjon i ett dubbelstjärnsystem
stjärnrest
galaxcentrum (Sag A*)
34
Kvasarer
Stjärnliknande
Väldigt starka och annorlunda emissionslinjer
Kraftig rödförskjutning(vätelinjer) tyder på mycket avlägsna.
Extremt luminiösa 100ggr ljusstarkare än en normalstor galax med 100 miljarder stjärnor.
Ljusvariationer med kort period
Kvasarer är troligen små med en diameter ungefär som vårt solsystem.
beteckningen 3C betecknar en kvasar ex. Cygnus A(3c 405)
Svarta hål finns troligen i aktiva galaxer, radiogalaxer och kvasarer.
Med hjälp av ljusvariationen kan man bedöma ett objekts storlek.
jorden
I----Ly------I
när lamda max och min sammanfaller uppstår en ljusvariation
som är beroende av ljusets olika långa väg, på detta sätt kan objektets
storlek bedömas. När max sammanfaller adderas ljuset och ger
starkare sken men när max och min sammanfaller blir skenet svagare.
Längre väg
Kosmologi
Storskaliga strukturer
Galaxpar, galaxgrupper,
Galaxhoper(rika regelbundna och fattiga oregelbundna
Rika regelbundna mest eliptiska galaxer
fattiga oregelbundna fler spiralgalaxer
Superhopar med en diameter på 100*106 Ly innefattar tiotals galaxhopar.
”voids” tomrum.
35
Varför finns det olika galaxtyper?
Galaxbildning
Beroende på hur mycket gas som finns vid början(kollapsande moln) sker stjärnbildningen snabbt
eller långsamt vilket ger upphov till olika galaxtyper.
kollapsande
stjärnbildning
moln
mindre gasrik
snabbare stjärnbildning
eliptisk galax
tämligen gasfattig, sfäriska banor
mer gasrik
långsammare
stjärnbildning
spiralgalax
Universums expansion
Hubbles lag (rödförskjutning)
hastighet
ifrån oss
”standard candles”
avstånd
v=H0*r
v=hastighet H0=Hubbles konstant
r=avstånd
Hubbles konstant är svårbedömd 50-100 senaste forskningen satsar på 75
Alla spektrallinjer konsekvent rödförskjutna innebär alla objekt rör sig bort från oss.
Den kosmologiska principen
Storskaliga strukturer är lika för alla observatörer.
Kosmologisk rödförskjutning
alla objekt rör sig från varandra, hela universum expanderar.
Kosmologisk horisont
Endast ljuset inom en viss radie har ”hunnit” nå fram till oss.
Big bang teorin
Universums ålder
Bakgrundsstrålnng jämnt fördelad över hela universum
ursprungsstrålning rester från det tidiga universum
kall gas 2,73 K små variationer har uppmätts 0,00003K
skulle kunna förklara den gravitationsstörning som krävs för galaxbildnng
Svartkroppskurvor visar att bakgrundsstrålningen är helt jämn
Expansionen är ej konstant, snabbare expansion har förekommit.
Kommer universum att fortsätta att expandera?
Kritisk massa
om massan är liten sker en konstant expansion
om massan är precis tillräcklig kommer expansionen att bromsas upp
om massan är för stor kommer gravitationen att ta överhand ”Big Crunch”
modeller
öppet universum
kritiskt universum
slutet universum
endast den synliga massan existerar
synlig och mörk materia
stor massa resulterar i Big Crunch
36