PDF Slides

13-09-2016
WELKOM!
Inleiding Astrofysica
College 1
12 september 2016
15.45 – 17.30
Ignas Snellen
• Docent: Ignas Snellen
• Assistenten: Charlotte Brand, Mieke Paalvast, Alex Pietrow,
Erik Osinga, Dominique Petit, Jessamy Mol
• Doel, Inleiding Astrofysica: Basis van studie Sterrenkunde, en
inleiding voor alle volgende sterrenkunde colleges.
• 10 Hoorcolleges, en 6 werkcolleges
• Website: http://www.strw.leidenuniv.nl/~snellen/iaf2016.html
1
13-09-2016
• Werkcolleges – onderverdeling in 5 groepen
• Registreer jezelf op blackboard (Inleiding Astrofysica
2016). Geen registratie ! geen indeling in werkgroep.
• Opgaven zijn 2 weken van te voren beschikbaar op
website
• Elk bevat 1 inleveropgave: deadline is begin werkcollege
• Bonusregeling: 0.1 bonuspunt kan per inleveropgave
worden verdiend.
• Bonusregeling geldt alleen voor tentamen, niet
hertentamen.
• Uitwerkingen worden niet elektronisch beschikbaar
gesteld.
• Wat vindt je op de Website:
http:www.strw.leidenuniv.nl/~snellen/iaf2016.html
• Schema
• Kopieen van slides hoorcollege
• Oude tentamens (let op, IAF is veranderd!!)
• Onderdelen van colleges vorig jaar op youtube
• Boek – naslagwerk:
- The cosmos: astronomy
in the new millennium
Jay M. Pasachoff &
Alex Filippenko
2
13-09-2016
• Overzicht hoorcolleges:
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
Geschiedenis van de Sterrenkunde
Hemelmechanika
Telescopen & detectoren, en ons zonnestelsel (I)
Ons zonnestelsel (II) en extrasolaire planeten
Onze zon en de sterren
het interstellaire medium en stervorming
Sterevolutie, witte dwergen, pulsars en zwarte gaten
Onze melkweg en andere sterrenstelsels
Aktieve melkwegstelsels, quasars en gravitatielenzen
Kosmologie, het heelal als geheel.
College
Excursiehemelmechanika
naar Artis Planetariumin
planetarium in Artis!
• 21 september, eind van de middag.
Inschrijven, volgende college.
•
•
•
•
Maandag 26 september
•
vanaf 17:00 verzamelen bij de hoofdingang
van Artis (Plantage Kerklaan 38)
•
17:30: samen naar binnen
•
rond 19:00: einde Voor alle studenten IAF
•
Verkenning van de sterrenhemel
•
Demonstratie hemel-coördinaten en tijd
•
Planetarium show: reis door het heelal
Artis Planetarium, Amsterdam
Vervoer is eigen verantwoordelijkheid •
bijv. tramlijn 9 vanaf Amsterdam CS, halte
‘Artis’ op Plantage Middellaan
•
als je een overvolle tram wilt vermijden, kies
dan een andere route of een tram eerder
3
13-09-2016
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
Wat kunnen we zien aan de hemel?
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
Wat kunnen we zien aan de hemel?
4
13-09-2016
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
Wat kunnen we zien aan de hemel?
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
Prehistorische interesse in de sterrenhemel:
Goden-verering en tijdrekening
Stonehenge, Engeland
5
13-09-2016
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
Het griekse geocentrische model van Ptolemaeus
Geometrisch en harmonieus
P&F Hoofdstuk 5.
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
Het griekse geocentrische model van Ptolemaeus
Geometrisch en harmonieus
www.physics.uc.edu
6
13-09-2016
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De eerste afstanden:
Hoe groot is de Aarde? Erathostenes (276-175 BC)
www.uh.edu
People.hsc.edu
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De eerste afstanden:
Hoe ver staat de maan? Aristarchus (310-230 BC)
7
13-09-2016
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De eerste afstanden:
Hoe ver staat de maan? Aristarchus (310-230 BC)
Maansverduistering
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De renaissance: het heliocentrische model
Copernicus, Brahe, Galileo, en Kepler
Nicolas Copernicus (1473-1543)
8
13-09-2016
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De renaissance: het heliocentrische model
Copernicus, Brahe, Galileo, en Kepler
Tycho Brahe (1546 - 1601)
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De renaissance: het heliocentrische model
Copernicus, Brahe, Galileo, en Kepler
Eerste telescoopwaarnemingen
Galileo Galilei (1564 - 1642)
9
13-09-2016
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De renaissance: het heliocentrische model
Copernicus, Brahe, Galileo, en Kepler
Eerste telescoopwaarnemingen
Galileo Galilei (1564 - 1642)
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De renaissance: het heliocentrische model
Copernicus, Brahe, Galileo, en Kepler
Johannes
Kepler (1571-1630)
10
13-09-2016
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De moderne sterrenkunde
De wetten van Kepler
Eerste wet van Kepler: Planeten bewegen zich in
elliptische banen rond de zon, waarbij de zon in een
van de brandpunten staat.
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De moderne sterrenkunde
De wetten van Kepler
Tweede wet van Kepler (perkenwet): De baansnelheid van een planeet verandert zodanig dat in
gelijke tijdsintervallen de oppervlakte, bestreken door
de verbindingslijn tussen zon en planeet, gelijk is.
11
13-09-2016
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De moderne sterrenkunde
Newton en zijn zwaartekrachtswet
Isaac Newton (1643 - 1727)
F=M*a
De sterrenhemel en de geschiedenis van de astronomie
De moderne sterrenkunde
Newton en zijn zwaartekrachtswet
Kepler’s 3de wet + Newton
Snelheid voor cirkelbaan
a
v
Diepgang:
Klassieke Mechanika a
12
13-09-2016
De wetten van Newton + Kepler leveren veel
oplossingen voor vraagstukken (VWO):
1. De maan draait in 27.3 dagen om de Aarde op een afstand van 384 duizend
km. Hoe hoog boven het aardoppervlak draaien geostationaire satellieten?
2. Er wordt een nieuwe planeet in ons zonnestelsel ontdekt, op een afstand van
300 AU (1 AU = aardse eenheid (AE) = afstand aarde-zon). Wat is haar
omloopstijd?
3. Een planeet in een ander planetenstelsel draait op een afstand van 2 AU om
haar moederster met een omloopstijd van 2 jaar. Wat is de massa van de ster?
De Komeet van Halley
Edmond Halley (1656 -1742) liet zien dat de komeetverschijningen van 1531, 1607
en 1682, van het zelfde object waren door hun banen met de wetten van Newton te
berekenen en te vergelijken.
Halley voorspelde een volgende verschijning van de
komeet in 1758.
13
13-09-2016
Samenvatting – Geschiedenis
• Behandelde onderwerpen:
Sterrenbeelden; dierenriem; planeten; prehistorische sterrenkunde;
geocentrische wereldbeeld; epicykels, retrograde beweging;
heliocentrische wereldbeeld; eerste telescoopwaarnemingen; manen van
Jupiter; schijngestalten van Venus; wetten van Kepler; zwaartekrachtswet
van Newton; de komeet van Halley.
• Vraagstukken die je nu zou moeten kunnen bespreken:
- - - - - Wat kan je zo al met het blote oog aan de sterrenhemel zien?
Wat is het verschil tussen het geo- en heliocentrische wereldbeeld?
Wat was het belang van Galilei’s waarnemingen aan Jupiter en Venus?
Wat zijn de wetten van Kepler?
Hoe bereken je omloopstijden of afstanden van hemellichamen rond de
zon, andere sterren, de Aarde, met behulp van de 3de wet van Kepler?
- Wat was het belang van de komeet van Halley?
Meer achtergrond – P&F Hoofdstukken 4 en 5.
Eerste introductie over waarnemen:
Hemelmechanika
• Uitdaging: Wij als waarnemers bevinden ons op het
aardoppervlak – we staan niet stil!
1)
De aarde draait om haar as
2)
De aarde draait om de zon
De moderne mens heeft er duizenden jaren over
gedaan om de beweging van de sterren aan de
hemel te begrijpen, en te koppelen aan de beweging
van de aarde.
14
13-09-2016
Coordinaten-systemen
Om een positie op een hemelbol weer te geven heb je
2 coordinaten nodig, met 1 nulpunt, en 1
referentievlak
Eenheden: graden, min., sec., of uren, min, sec.
Coordinaten systeem voor de waarnemer:
Altitude – Azimuth (Alt-Az)
Referentie-vlak: horizon/grond ! loodrecht op het zenit
Coordinaten: Hoogte, azimut
Nulpunt: noorden
Draaiing van de Aarde om haar as
Op 1 tijdstip kunnen we “de helft van het heelal” zien – boven de horizon
Door de draaiing van de Aarde verandert ons gezichtsveld
Afhankelijk van de positie op Aarde:
! is een gedeelte van de sterren altijd zichtbaar
! is een gedeelte van de sterren nooit te zien
! is de rest van de sterrenhemel soms te zien: belangrijk wanneer!
15
13-09-2016
16
13-09-2016
Hoe lang duurt 1 rotatie van de Aarde?
• 23h56m !
De aarde moet per dag ~4 minuten extra draaien om de zon op
dezelfde plaats te krijgen: 23h56m + 00h04m = 24h00m
Draaiing van de Aarde om de zon
• Richting van de aarde ten opzichte van de sterrenhemel
bepaald de “siderische tijd” of “sterrentijd”. Belangrijk voor
waarnemen!
• Het stuk sterrenhemel wat op een bepaald moment van
het jaar in de richting van zon staat kunnen we niet zien !
Alleen overdag zichtbaar
• Seizoenen: door de hoek
tussen rotatie en baan om
de zon: obliquiteit
• Op twee momenten
Kruist de zon de evenaar
Lentepunt en herfstpunt
equinox
17
13-09-2016
Coordinatensysteem voor de
sterrenhemel
• Equatoriaal coordinatensysteem.
referentie-vlak: equatorvlak van
de aarde – loodrecht op de pool
coordinaten: Rechte klimming
(right ascension) en declinatie,
α en δ
nulpunt: snijlijn van aardbaan
Met Evenaar in de richting van
Het lentepunt.
Praktisch waarnemen
Hoe linken we de equatoriale coordinaten van een ster,
met het horizontaal (alt-az) coordinaten-systeem van de
waarnemer?
Benodigheden:
Locale siderische tijd (sterrentijd) = rechte klimming van de sterren
die op dat moment precies door het zuiden gaan.
Breedtegraad ! geeft aan hoe hoog de sterren door het zuiden gaan
Hieruit kan de hoogte en azimut van ster berekend worden
Siderische tijd in Greenwich + lengtegraad ! locale sterrentijd
Tijd + positie op aarde ! positie van ster
Positie van ster + tijd ! positie op aarde (NAVIGATIE!)
18
13-09-2016
RA = LST
Alt = 90 -| b – δ |
LST = RA + HA
Meridiaan
Z
H o u r An g
le
W
O
Wanneer is een ster optimaal zichtbaar?
UT = Universal Time = ‘Zonnetijd’ in Greenwich
21 maart ! zon in Lentepunt ! UT=12:00 ! α = 0 ! GST = 0h
GST = (UT-12)+Nx24/365 [N = aantal dagen na 21 maart]
LST = GST + L/15 [L = Oosterlengte]
GST = Greenwich Sidereal Time
19
13-09-2016
De aardbaan is een ellips
Baansnelheid is niet constant
! lengte van de dag is niet constant!
Analemma van de zon
Een jaar is geen 365 dagen, maar
365.242199 dagen ! schrikkeljaren
Andere coordinaten-systemen
• Voor zonnestelsel: ecliptisch
referentie-vlak: aardbaan
coordinaten: lengte en breedte
nulpunt: lentepunt
belang in astrologie ! dierenriem
• Voor Melkwegstelsel: Galactisch
referentie-vlak: vlak van de melkweg
coordinaten: lengte, breedte
nul-punt: centrum van de melkweg
20
13-09-2016
Was het maar zo simpel!
• Precessie: Lentepunt verschuift, maakt een cirkel in
26,000 jaar ! specificeer voor equatoriale coordinaten
het moment van equinox: Eq=J2000 erg populair
• Nutatie: massa-middelpunt ligt niet precies op rotatieas.
• Obliquiteit verandert, vooral door Jupiter
• Positie van sterren verandert door aardbeweging
(parallax) en eigenbeweging
21