POMIAR STAŁEJ HUBBLEA, Inne, A S T R O N O M I A, Astrofizyka
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
LogodesignedbyArmellaLeung,
www.armella.fr.to
Skądwiemy,żeWszechświatsięrozszerza?ZmierzsamstałąHubble'a!!!
JeanChristopheMauduit&PacômeDelva
UniversitéPierreetMarieCurie
Paryż,Francja
AgnieszkaPollo
InstytutProblemówJądrowychim.AndrzejaSołtana
OtwockŚwierk,Polska
PrzedstawiamyPaństwućwiczenie,dziękiktóremumożnaosobiścieprzekonaćsię,
żeWszechświatsięrozszerza.Zmierzymytuprędkości,zjakimiuciekająodnas
innegalaktyki,copozwolinamocenić,zjakąprędkościąrozszerzasięcały
Wszechświat.Topozwolinamwyznaczyć"własnymirękami"stałąHubble'a
jednązpodstawowychstałych,używanychprzezkosmologówdoopisuwłasności
Wszechświata.
Dopomiaruprędkościoddalaniasięgalaktykposłużąnamichwidmajakto
przedstawioneponiżej(zdjęcietypowejgalaktykispiralnejESO).
Instrukcjadoćwiczenia(pdf)
Pomiar staþej
Hubble'a
SalsaJ,programdoanalizydanych
ZdjęciagalaktykiNGC691
Widmagalaktyk
Programnauczania/Przedmioty:
Szkołaponadgimnazjalna
Szkołaponadgimnazjalna
Podstawaprogramowa:BudowaiewolucjaWszechświata
temat:Obserwacyjnepodstawykosmologii
Spistreści
Wstęp
RozszerzaniesięWszechświata
Pomiarprędkościucieczkigalaktyk
Pomiarodległościgalaktyk
PomiarstałejHubble'a
Naszegalaktyki
ObliczenieodległościNGC691
PomiarprędkościucieczkiNGC691
Pomiarprędkościucieczkiinnychgalaktyk
ObliczeniestałejHubble'a
Ściąganiezdjęćiwidm
Wstęp
RozszerzaniesięWszechświata
JeszczenapoczątkuXXwiekuwiększośćuczonychbyłaprzekonana,żeWszechświat
istniałzawszeizawszewyglądałpodobnie.Dopierow1929rokuEdwinHubble
zapoczątkowałpomiaryprędkościradialnych(czyliprędkościoddalaniasięalbo
zbliżaniadonas)galaktyk,któredoprowadziłydoniespodziewanegowniosku
większośćgalaktykoddalasięodnas.Tepomiarydałypoczątekteoriirozszerzającego
sięWszechświata.WedługniejnaszWszechświatnarodziłsię13,8mldlattemu
podczaszdarzenia,znanegojakoWielkiWybuch.Odtegoczasunieustanniesię
rozszerza.
Ucieczka,czylioddalaniesięgalaktyk,zaobserwowaneporazpierwszyprzezHubble'a,
jestwłaśnieprzejawemrozszerzaniasięWszechświata.Galaktykioddalająsięodnas(i
odsiebienawzajem)zprędkościamiproporcjonalnymidoichodległościodnas.
EkspansjęWszechświataopisujemyrównaniem:
v [km/s] = H
0
[km/s/Mpc] * D [Mpc]
gdziestałaHubble'aH
0
łączyprędkośćucieczkigalaktykviichodległośćDwyrażaną
wmegaparsekach(Mpc,przyczym1pc=3×10
16
m)
BłądwyznaczeniastałejHubble'adoniedawnabyłbardzodużyjeszczekilkanaścielat
temuprzyjmowano,żemieścisięonawgranicachod50do100km/s/Mpc.Z
najnowszychpomiarówwynika,żejejwartośćwynosiokoło70km/s/Mpc.Dokładne
najnowszychpomiarówwynika,żejejwartośćwynosiokoło70km/s/Mpc.Dokładne
wyznaczeniewartościstałejHubble'astanowiistotnyproblemnaukowy,ponieważta
właśniestałapozwalapowiązaćskaleczasowąiprzestrzennąweWszechświecie.Na
przykład(zakładającliniowąekspansjęWszechświata)zmianastałejHubble'az50na
100km/s/MpxodpowiadazmianiewiekuWszechświataz20na10mldlat.
Tematemponiższegozadaniajest(bardzoprzybliżony)pomiarwartościstałejHubble'a.
Pomiarprędkościucieczkigalaktyk
Światłobiałe(widzialne)składasięzwszystkichkolorówtęczy:tzw.widma.W
gwiazdachznajdująsiępierwiastki,któremajązdolnośćpochłanianiapewnych
kolorów.Naprzykładwapńpochłaniaświatłoodługościfali,odpowiadającejkolorowi
zielonemu.Tebrakującekolorytworząwwidmieźródłatzw.linieabsorpcyjne.
Wyobraźmysobieźródło,emitująceświatłooczęstotliwościf,iobserwatora,
znajdującegosięwnieruchomympunkcieO.Jeśliźródłopozostajenieruchome,do
obserwatorawysyłaneprzezźródłoświatłodocieraztąsamączęstotliwościąf.Alejeśli
źródłooddalasięodobserwaora,częstotliwośćdocierającegodońświatłajestmniejsza
odf.Jeśliźródłosięprzybliża,częstotliwośćobserwowanegoświatłabędziewiększaod
f.
Takwięcwprzypadkuźródła,któreoddalasięiemituje
światłowidzialne,charakterystycznelinieznanego
pierwiastka(naprzykładwapnia)będąprzesuniętewrazz
całymwidmemwkierunkumniejszych(bardziej
czerwonych)częstotliwościwporównaniuzliniami
absorpcyjnymitegosamegopierwiastka,mierzonymina
Ziemi.Tenwłaśnieefektobserwujesięwprzypadku
olbrzymiejwiększościgalaktyk.Dziękitemumożna
bezpośredniozmierzyć"przesunięciekuczerwieni"czyli
"redshift",z,korzystajączewzoru:
1)z=(λ
obs
λ
0
)/λ
0
gdzieλjestdługościąfali,którajestzwiązanazczęstotliwościąfwzorem:λ=c/f,
przyczymcjestprędkościąświatła(c=3×10
8
m/s).λ
obs
jestdługościąfaliobserwowaną
wprzypadkudanejgalaktyki,aλ
0
to"prawdziwa"długośćfali,czylidługośćfali
mierzonanaZiemidlarozpatrywanegopierwiatstka.
Stądwyliczasięnastępnieprędkośćradialnągalaktyki:
2)v=c*z
Pomiarodległościgalaktyk
Odległościgalaktyk,D,możnamierzyćnaróżnesposoby.Tutajprzywołujemymetodę,
opartąnaobserwacjachsupernowych(wdalszejczęścitekstusupernoweoznaczać
będziemyskrótemSN).Ponieważgalaktykiniesąobiektamipunktowymi,tylko
widzimyjejakorozciągłe"plamy"naniebiedopomiaruwygodniejestwybraćjakieś
należącedonichjasneźródłapunktowe.SupernowetypuIamająjeszczeinnąbardzo
istotnązaletęponieważmechanizmichwybuchujestzawszetakisam,ich
maksymalnaosiąganajasnośćabsolutnajestrównieżidentyczna.Jasnośćabsolutna
typowejSNIawynosiL=(1,4±0,4)*10
36
Wattów(Allen'sAstrophysicalQuantities).
Imdalszajestsupernowa,tymmniejszajestjejobserwowanajasność:dziękitemu
możnawyznaczyćodległośćdoSNIa,porównującjejdocierającyodniejstrumień
promieniowaniazjejjasnościąabsolutną.Ściślejmówiąc,wodległościDodgwiazdy
wychodzącezniejpromieniowanierozkładasięnasferzeopromieniuDipowierzchni
S=4*π*D².ZdefinicjiobserwowanystrumieńpromieniowaniaE(mierzonywW/m²)
wodległościDwynosi:E=L/S,gdzieLjestjanościąmierzonąwW.Możnastąd
wywnioskować,jakajestodległośćDgalaktyki:
3)D=√(L/4πE)
PomiarstałejHubble'a
aszegalaktyki
Nazwygalaktyk
odległości(Mpc)
NGC34
84,0
NGC1808
14,2
NGC3511
15,8
NGC5427
37,4
NGC691
...
Wpowyższejtabelcepodajemydane,dotyczącegalaktyk,zktórymibędziemy
pracować.AbywyznaczyćstałąHubble'aH
0
musimyznaćodległośćDiprędkość
oddalaniasięvkażdejgalaktyki.
ObliczenieodległościdoGC691
W2005rokuzaobserwowanowybuchSNtypuIawgalaktyceNGC691.Otrzymała
onaoznaczenieSN2005W.Właśnietasupernowaposłużynamdozmierzeniaodległości
galaktykiNGC691.
1. OtwórzzdjęcieNGC691_przed_sn.fits,korzystajączprogramuSalsa.
Natymzdjęciu,zrobionymprzedpojawieniemsięsupernowej,zaznaczonojasną
gwiazdęAnalewoodgalaktyki.Chcemyzmierzyćjejobserwowanąjasność.
2. Otwórznarzędzie"Fotometria"zrozwijanegomenu"Analiza".Zaznaczna
zdjęciugwiazdęAigwiazdęodniesienia,pokazanenailustracjizapomocą
czerwonychstrzałek.Wastronomiiwszystkiepomiarysąwzględnejasność
danejgwiazdymierzonawdanejchwilizależybowiemodwieluczynników:
pogody,stanuteleskopuczysprawnościdetektora,któryrejestrujeobraz.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]