Spectroscopie
advertisement
Spectroscopie ... de kunst van het lichtlezen ... u gebracht door Karolien Lefever Instituut voor Sterrenkunde, K.U. Leuven Spectroscopie en kunst ... Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum... Het fingerspitzengefühl van het reductieproces... Het aflezen van “karakter”eigenschappen via het spectrum... Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 2/40 Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum ... Zonnespectrum - horizontale banden - kleuren van de regenboog - vertikale streepjes (soms donkerder/breder) Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum ... Zonnespectrum - horizontale banden - kleuren van de regenboog - vertikale streepjes (soms donkerder/breder) 4000 Å 8000 Å Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum ... Zonnespectrum - horizontale banden - kleuren van de regenboog - vertikale streepjes (soms donkerder/breder) De kleuren van de regenboog... Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 6/40 De kleuren van de regenboog... (vervolg) Dualiteit van het licht “Licht” kan men op twee verschillende manieren interpreteren. Afhankelijk van wat men wil uitleggen gebruikt men de ene of de andere interpretatie... ● ● Fotonen of lichtdeeltjes (emissie en absorptie) Golven (beweging) Karakteristieke grootheden: - amplitude, - frequentie ν, - golflengte λ. Karolien Lefever Atoom (kern + elektronen) die een foton uitstuurt Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 7/40 De kleuren van de regenboog... (vervolg) De golflengte λ (in Å of μm, resp. 10-10 en 10-6 m) wordt o.a. gebruikt om de soort straling die we observeren in categorieën onder te verdelen: categorie UV visueel licht IR ~ ~ ~ golflengterange energie kort (< 4000 Å) middellang (4000 - 7800 Å) lang (> 7800 Å) hoog middelmatig laag Straling bij een welbepaalde golflengte wordt gezien als “kleur” => kleuren van de regenboog... Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 8/40 Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum ... Zonnespectrum - horizontale banden - kleuren van de regenboog - vertikale streepjes (soms donkerder/breder) De vertikale streepjes ... Fysica-uitstapje... de wetten van Kirchhoff (Duits natuurkundige -- 1824-1887) WET 1: een dicht heet gas brengt een continue spectrum voort WET 2: een dun heet gas veroorzaakt een helder lijnenspectrum (emissielijnen) WET 3: een koud gas absorbeert licht van een lichtbron met een continue spectrum (absorptielijnen) Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 10/40 De vertikale streepjes ... (vervolg) Chemie-uitstapje... Moleculen kunnen uit één of meerdere atomen bestaan. Atomen kunnen zich in verschillende energietoestanden bevinden. Als atoom kunnen ze aanleiding geven tot absorptie- en emissielijnen. HOE? Excitatie atoom Karolien Lefever Deëxcitatie Ionisatie Recombinatie Ook: geïnduceerd (cfr; laser) atoom Atoom -> ion + elektron Ion + elektron -> atoom/ion => continuumstraling Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 11/40 De vertikale streepjes ... (vervolg) Chemie-uitstapje... (vervolg) Dus... ● ● Als een elektron van een hoger energieniveau naar een lager springt, zendt het atoom een foton uit met een energie gelijk aan het verschil in energie tussen de 2 energieniveau's. Analoog kan een atoom enkel een elektron van een lager naar een hoger energieniveau brengen als het een foton met de juiste energie kan absorberen (één met een andere energie kan dit niet) Alleen welbepaalde golflengtes van fotonen kunnen door atomen geabsorbeerd en geëmitteerd worden... Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 12/40 De vertikale streepjes ... (vervolg) Terug thuis: de spectraallijnen... Definitie “spectraallijn”: Emissie of absorptie op een welbepaalde golflengte, veroorzaakt door een welbepaalde elektronenovergang binnen een atoom, molecule of ion. De donkere lijnen in een absorptiespectrum en de heldere lijnen in een emissiespectrum worden veroorzaakt door een overgang van een elektron van het ene energieniveau naar het andere... Het energieverschil tussen de niveau's bepaalt de energie van het uitgestraalde foton en bepaalt dus of het in het visueel, IR, UV, X-stralen of γ-stralen wordt waargenomen. Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 13/40 De vertikale streepjes ... (vervolg) Voorbeeld: het waterstofatoom H energieniveau Stijgende golflengte Karolien Lefever Herinner: hoger energieverschil = straling bij kleinere golflengte Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 14/40 De vertikale streepjes ... (vervolg) BESLUIT: Elk element absorbeert licht bij een bepaalde golflengte: Als dat element in de koele atmosfeer van de ster zit, dan zullen die atomen het licht op die welbepaalde golflengte absorberen en de lijn produceren. Elk element heeft dus een specifieke “signatuur” (een specifieke set van lijnen) Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 15/40 De vertikale streepjes ... (vervolg) Klein kwisje... Welke elementen zitten in de steratmosfeer die het volgend spectrum oplevert? Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 16/40 De vertikale streepjes ... (vervolg) Of in het volgende? Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 17/40 Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum ... Solar spectrum zonnespectrum - horizontale banden - kleuren van de regenboog - vertikale streepjes (soms donkerder/breder) Hoe zien andere spectra er dan wel uit? Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum ... Hoe zien andere spectra er dan wel uit? Waarneming met het blote oog... Rigel Sirius Deneb Zon Aldebaran Betelgeuse spectraal type blauw B8 Iab blauw-wit A1 V wit A2 Iae geel G2 V oranje-rood K5 III rood M2 Iab Vanwaar dat verschil in kleur? Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 19/40 Hoe zien andere spectra er dan wel uit? (vervolg) verschuivingswet van Wien: Karolien Lefever λmaxT = constant Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 20/40 Hoe zien andere spectra er dan wel uit? (vervolg) Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 21/40 Hoe zien andere spectra er dan wel uit? (vervolg) Indeling sterren volgens hun spectrum: spectraaltypes Afhankelijk van de oorspronkelijke massa en leeftijd van de ster is de temperatuur verschillend => verschillende spectra van licht: Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 22/40 Hoe zien andere spectra er dan wel uit? (vervolg) Spectraaltypes: O Oh, Bv: B A Be A Rigel Sirius Deneb (B8 Iab) Karolien Lefever (A1 V) (A2 Iae) F G K M Fine Guy Kiss Me! Zon (G2 V) Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 Aldebaran Betelgeuse (K5 III) (M2 Iab) 23/40 Hoe zien andere spectra er dan wel uit? (vervolg) Spectraaltype... OBAFGKM onderverdeeld... bv; O9.5 Helderheidsklasse... Ia Ib II III IV V VI VII Karolien Lefever B0 A1 heldere superreuzen superreuzen heldere reuzen reuzen subreuzen dwergen subdwergen witte dwergen F0 G3 K5 Rigel, Deneb, Betelgeuse Aldebaran Zon, Sirius Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 24/40 Spectroscopie en kunst ... Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum ... Het fingerspitzengefühl van het reductieproces... Het aflezen van “karakter”eigenschappen via het spectrum... Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 25/40 Van sterlicht tot spectrum... ? Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 26/40 Van sterlicht tot spectrum... (vervolg) foto: Euler telescoop met CORALIE spectrograaf Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 27/40 Van sterlicht tot spectrum... (vervolg) Ruwe CCD-beeldjes Echelle spectra: stellair beeldje Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 28/40 Van sterlicht tot spectrum... (vervolg) !!! NIET ZO VANZELFSPREKEND !!! De verschillende stappen van het reductieproces: Karolien Lefever ● Correctie voor het nulniveau van de CCD ● Correctie voor achtergrondstraling ● Correctie voor de hemelbijdrage ● Correctie voor de variatie in pixelgevoeligheid ● Golflengtecalibratie ● Ordes 'aaneenplakken' ● Normering Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 29/40 Van sterlicht tot spectrum... (vervolg) Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 30/40 Van sterlicht tot spectrum... (vervolg) Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 31/40 Spectroscopie en kunst ... Het kleurenpalet van het elektromagnetisch spectrum ... Het fingerspitzengefühl van het reductieproces... Het aflezen van “karakter”eigenschappen via het spectrum... Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 32/44 Het aflezen van “karakter”eigenschappen uit het spectrum... Een spectrum vertelt heel veel over de ster waaruit het voortkomt... De uitdaging is er de informatie uithalen die je nodig hebt ... WELKE INFORMATIE? Karakteristieken van de ster zelf Temperatuur Graviteit Straal Abondanties (He/Si) Karolien Lefever Karakteristieken van de sterrenwind Massaverlies Snelheidsverloop Snelheid oneindig ver weg van de ster Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 33/40 Effectieve temperatuur Sterstraal of Windkarakteristieken Effectieve graviteit Het aflezen van “karakter”eigenschappen uit het spectrum... HOE in het algemeen? Theoretische modellen Bevatten alle tot nu toe gekende theorie (fysica/chemie) over het inwendige van de sterren ... Voorspellen hoe het spectrum er zou moeten uitzien ... Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 35/40 Het aflezen van “karakter”eigenschappen uit het spectrum... HOE doe ik het? Code “FASTWIND” Voorspelt spectra voor de heetste sterren (spectraal type O, B en A) Grid van theoretische modellen: +/- 300 000 modellen koel → heet temp. windstil → briesje → storm abondanties graviteit solair, metaalrijk, metaalarm Massaverlies en windsnelheid groot → klein R* v∞ trage → snelle verandering in windsnelheid dwergen → superreuzen hoge → lage grav. Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 36/40 Voorbeeld 1: Effectieve Temperatuur Theoretische spectraallijnen Geobserveerde spectraallijnen Flux Si II 4128 – 4130 Teff = 16 000 K Teff = 18 000 K Teff = 20 000 K Teff = 18000 K Flux Si III 4552- 4567 – 4574 Teff = 16 000 K Teff = 18 000 K Teff = 20 000 K Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 37/40 Voorbeeld 2: Oppervlaktegraviteit – log g Theoretische spectraallijnen flux flux Geobserveerde spectraallijnen log g = 3.3 log g = 3.1, 3.3, 3.5 Karolien Lefever log g = 3.1, 3.3, 3.5 Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 38/40 Conclusie Karolien Lefever Urania, Algemene sterrenkunde, 14 december 2006 39/40 Bedankt voor uw aandacht !
