Entfernungen und ihre Bestimmung in der Astronomie

Vortrag vom 02.10.12, gehalten von Max Schuster
für die Sternenfreunde Brombachsee e.V.

1. Entfernungen und ihre Bestimmung in der Astronomie Vortrag 1 Max Schuster Sternenfreunde Brombachsee e.V. 2. Oktober 2012 Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 1 / 30
2. Pr¨ asentation Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 2 / 30
3. Einstieg Abbildung: Dudeneintrag zum Adjektiv “astronomisch” http://www.duden.de/rechtschreibung/astronomisch Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 3 / 30
4. Orientierung Distanzmessung mit der Laufzeit des Lichts: 1 Ls ∼ 300 Millionen Meter ∼ 300.000 km 1 Lh ∼ 1,08 Billionen Meter ∼ 1.080.000.000 km 1 Lj ∼ 9,5 Billiarden Meter ∼ 9,5 Billionen km Mond Sonne Neptun Voyager Proxima Cent. M31 1.3 Ls 8,3 Lmin 4 Lh 16Lh 4,2Lj 2,5·106Lj Tabelle: Distanzen zur Erde Ausdehnung des Universums: 78 · 109Lj = 7.41 · 1026m = 741.000.000.000.000.000.000.000.000m Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 4 / 30
5. Methoden direkte Methoden: Trigonometrische Parallaxe Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 5 / 30
6. Methoden direkte Methoden: Trigonometrische Parallaxe “indirekte” Methoden (⇒ Standardkerzen): Hauptreihen-Anpassung Ver¨ anderliche Sterne: RR Lyrae und Cepheiden Supernovae vom Typ 1a Tully-Fisher-Beziehung f¨ ur Spiralgalxien Dn − σ-Beziehung f¨ ur elliptische Galaxien Brightest Cluster Galaxies (→ D-Galaxien) Hubble’s Gesetz Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 6 / 30
7. Trigonometrische Parallaxe Definition Allgemein: “Scheinbare Positions¨ anderung eines Objekts, wenn der Beobachter seine eigene Position verschiebt” ⇒ Alltagserfahrung Mathematisch: Winkel zwischen zwei Geraden, die von verschiedenen Standorten (→ Basislinie) auf denselben Punkt - ein Objekt - gerichtet sind. Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 7 / 30
8. Trigonometrische Parallaxe Definition Abbildung: Sternparallaxe http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Astro/para.html Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 8 / 30
9. Trigonometrische Parallaxe Definition Abbildung: trig. Parallaxe http://www.avgoe.de/astro/Teil04/Entfernung.html sin(p) = 1AE r tan(p) = 1AE d sin(p) ≈ tan(p) ≈ p = 1AE r = 1AE d Also: d = 1AE p Messung von p schwer → α Cen 0.76 Parsec: Distanz, bei der 1 AE p = 1 hat 1pc = 206265AE = 3.086 · 1016m = 3.26ly Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 9 / 30
10. Trigonometrische Parallaxe Infos und Details Beste Messungen bis heute: Hipparcos Satellit (1989-1993) Distanzlimit: 1kpc Helligkeits-Limit: 12 mag Fehlerquellen (→ Eigenbewegung, Position auf Erde) 120.000 Objekte mit Genauigkeit von ≈ 1 mas weitere Details: www.rssd.esa.int/hipparcos/ Zudem: Tycho-Katalog: 106 Sterne mit 20-30 mas Pr¨ azision Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 10 / 30
11. ESA; Background: Lund Observatory Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 11 / 30
12. Trigonometrische Parallaxe Bestimmung der AE Abbildung: Venusparallaxe http://et.fh-duesseldorf.de/home/prochotta/bilder/venustransit/thumbs/parallaxe.jpg Mehr Details: http://eclipse.astronomie.info/transit/venus/theorie/ Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 12 / 30
13. Standardkerzen Einf¨ uhrung wichtiger Begriffe Scheinbare Helligkeit m Absolute Helligkeit M Fluss: f(d) = L 4πd2 → Messgr¨ oße Magnitude: m2 − m1 = 2.5 log10 f1 f2 Entfernungsmodul: m − M = 5 log10 d 10pc Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 13 / 30
14. Standardkerzen Einf¨ uhrung wichtiger Begriffe Scheinbare Helligkeit m Absolute Helligkeit M Fluss: f(d) = L 4πd2 → Messgr¨ oße Magnitude: m2 − m1 = 2.5 log10 f1 f2 Entfernungsmodul: m − M = 5 log10 d 10pc Zusammengefasst: “Ist die absolute Helligkeit eines astronomischen Objekts bekannt, kann man dessen Distanz bestimmen” Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 14 / 30
15. Standardkerzen Definition und Anwendung Standardkerzen sind Objekte, von denen man annimmt, dass sie immer dieselbe, bekannte absolute Helligkeit besitzen. Voraussetzungen: physikalisches Wissen Berechnung der absoluten Helligkeit → Großes Problem! Rezept f¨ ur Distanzbestimmung: 1 Standardkerzen in Objekt finden 2 scheinbare Magnitude m messen 3 m-M berechnen (M von Standardkerze) 4 Distanz d berechnen Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 15 / 30
16. Herzsprung-Russel-Diagramme (HRD): Links: Richard Powell, http://en.wikipedia.org/wiki/File:HRDiagram.png Rechts: FrancescoA, http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/HR-diag-no-text-3.svg Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 16 / 30
17. Hauptreihen-Anpassung Grundlagen Spektraltypen: O B A F G K M (L T N) Eselsbr¨ ucken: “Oh be a fine girl kiss my lips tonight” Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 17 / 30
18. Hauptreihen-Anpassung Grundlagen Spektraltypen: O B A F G K M (L T N) Eselsbr¨ ucken: “Oh be a fine girl kiss my lips tonight” “Ohne Bier ausm Fass gibts koa Mass” Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 18 / 30
19. Hauptreihen-Anpassung Grundlagen Spektraltypen: O B A F G K M (L T N) Eselsbr¨ ucken: “Oh be a fine girl kiss my lips tonight” “Ohne Bier ausm Fass gibts koa Mass” “Offenbar benutzen Astronomen furchtbar gerne komische Merks¨ atze” Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 19 / 30
20. Hauptreihen-Anpassung Definition und Anwendung http://web.njit.edu/~gary/321/Lecture7.html Distanzmessung von “clusters” m¨ oglich Erstellen eines HRD mit scheinbaren Helligkeiten ¨ Uberlagerung eines HRD eines erdnahen clusters mit diesem Verschieben bis die “main sequences” ¨ ubereinstimmen m-M ablesen → d berechnen (→ Entfernungsmodul) Distanzen von ∼ 200 offenen Kugelsternhaufen bekannt Distanzlimit: ∼ 7kpc Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 20 / 30
21. RR-Lyrae Definition und Anwendung Abbildung: Instabilit¨ atsstreifen M bekannt! m-M → d berechnen Entfernungsmodul: m − M = 5 log10 d 10pc Distanzlimit: ∼ 50kpc(→LMC, lokale Gruppe) haupts¨ achlich f¨ ur Kugelsternhaufen und Objekte in lokaler Gruppe Rursus,http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c7/HR-diag-instability-strip.svg Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 21 / 30
22. Andrew Colvin, http://en.wikipedia.org/wiki/File:5_Local_Galactic_Group_%28ELitU%29.png Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 22 / 30
23. Cepheiden Abbildung: Charakteristika http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/index.html Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 23 / 30
24. Cepheiden Abbildung: L-P-Bez. nach Mould et al. (2000, Fig. 2) Periode-Leuchtkraft- Beziehung: M ∝ − log P Aussage: Langsame Cepheiden ⇒ geringere Periode Beobachtungen liefern: M = −2.76 log P − 1.40 Mit Hubble-Space-Telescop: m¨ oglich bis zum Virgo Cluster ⇒ Distanzlimit: ∼ 18.5Mpc Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 24 / 30
25. Andrew Colvin, http://en.wikipedia.org/wiki/File:6_Virgo_Supercluster_%28ELitU%29.png Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 25 / 30
26. Supernovae Nach Korrekturen: SN Ia Lichtkurven allesamt gleich “FRED” (Fast rise, rapid fall, exponential decay) Kalibrierung: ⇒ Cepheiden MB = −19.3 ± 0.11ˆ =L ∼ 109...10LSonne Distanzlimit: 1Gpc ⇒ fast das ganze Universum Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 26 / 30
27. http://www.fromquarkstoquasars.com/wp-content/uploads/2013/07/local-superclusters-in-universe-630x630.png Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 27 / 30
28. Hubble-Relation Umriss Edwin Hubble stellte 1929 fest: Je gr¨ oßer die Entfernung einer Galaxie, desto gr¨ oßer auch die Rotverschiebung deren Spektrallinien mathematisch: v = c · z = H0 · d Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 28 / 30
29. Zusammengefasst: Die “distance ladder” Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 29 / 30
30. Hinweis Der Erstellung dieses Vortrags liegt die Vorlesung “Einf¨ uhrung in die Astronomie II” - gehalten von Prof. Dr. U. Heber im SS2011 an der Friedrich-Alexander-Universit¨ at Erlangen-N¨ urnberg - inspirierend zu Grunde. Die daf¨ ur von Prof. Dr. J¨ orn Wilms erstellten Folien k¨ onnen unter folgendem Link in einer upgedateten Version eingesehen werden: http://hydrus.sternwarte.uni-erlangen.de/~wilms/teach/intro2_2013/ chapter0010.html Max Schuster (FAU) Sternenfreunde V1 2. Oktober 2012 30 / 30