40 cm Teleskop am Wendelstein

Transkript

1 Fortgeschrittenenpraktikum II (V.1) (Bachelor) Astrophysikalisches Praktikum an der Uni-Sternwarte durch Remote-Beobachtung am Wendelstein Beobachtungsvorbereitung WiSe 2016/17 Arno Riffeser Mihael Kodric Stella Seitz Johannes Koppenhöfer 40 cm Teleskop am Wendelstein

2 Arbeitschritte Das Praktikum simuliert in sehr vereinfachter Form den Beobachtungsalltag eines Astrophysikers: 1. Idee 2. Beobachtungsplanung 3. Zuweisung von Beobachtungszeit 4. Nacht-Beobachtung 5. Datenauswertung 6. Veröffentlichung/Präsentation der Ergebnisse

3 110 "M Objekte: 27 Spiralgalaxien Der Messier Katalog 11 Elliptische Galaxie, 1 irreguläre Galaxie, 1 Zwerg Galaxie Haufen: 29 Kugel, 26 Offene Nebel: 1 Supernova Überrest, 4 Planetarische, 7 Diffuse 1 Milchstrassen-Wolke (M24) 1 Doppelstern (M40) 1 Ansammlung von 4 Sternen (M73)

4 Messier de.wikipedia.org/ wiki/messier- Katalog NGC messier.seds.org/ xtra/ngc/ngc.html IC de.wikipedia.org/ wiki/index-katalog

5 Objekt Name RA DEC Typ M1 Crab-Nebel 05h 34m 30.0s +22d 01' 00" SupernovaRemnant M2 21h 33m 30.0s -00d 49' 00" Kugelsternhaufen M3 13h 42m 12.0s +28d 23' 00" Kugelsternhaufen M4 16h 23m 36.0s -26d 32' 00" Kugelsternhaufen M5 15h 18m 36.0s +02d 05' 00" Kugelsternhaufen M6 Butterfly Cluster 17h 40m 5.9s -32d 13' 00" OffenerSternhaufen M7 17h 53m 54.0s -34d 49' 00" OffenerSternhaufen M8 Lagunen-Nebel 18h 03m 48.0s -24d 23' 00" Emissionsnebel M9 17h 19m 12.0s -18d 31' 00" Kugelsternhaufen M10 16h 57m 6.0s -04d 05' 59" Kugelsternhaufen M11 Wild Duck Cluster 18h 51m 5.9s -06d 16' 00" OffenerSternhaufen M12 16h 47m 11.9s -01d 57' 00" Kugelsternhaufen M13 16h 41m 42.0s +36d 28' 00" Kugelsternhaufen M14 17h 37m 35.9s -03d 15' 00" Kugelsternhaufen M15 21h 30m 0.0s +12d 10' 00" Kugelsternhaufen M16 Adler-Nebel 18h 18m 48.0s -13d 47' 00" Emissionsnebel M17 Schwan-Omega-Nebel 18h 20m 48.0s -16d 11' 00" Emissionsnebel M18 18h 19m 54.0s -17d 08' 00" OffenerSternhaufen M19 17h 02m 36.0s -26d 16' 00" Kugelsternhaufen M20 Trifid-Nebel 18h 02m 18.0s -23d 02' 00" EmissionsNebel M21 18h 04m 36.0s -22d 30' 00" OffenerSternhaufen M22 18h 36m 23.9s -23d 54' 00" Kugelsternhaufen M23 17h 56m 48.0s -19d 01' 00" OffenerSternhaufen M24 18h 18m 23.9s -18d 25' 00" Milchstrassenwolke M25 18h 31m 36.0s -19d 15' 00" OffenerSternhaufen M26 18h 45m 12.0s -09d 24' 00" OffenerSternhaufen M27 Hantel-Dumbbell-Nebel 19h 59m 36.0s +22d 43' 00" PlanetarischerNebel M28 18h 24m 30.0s -24d 52' 00" Kugelsternhaufen M29 20h 23m 54.0s +38d 32' 00" OffenerSternhaufen M30 21h 40m 23.9s -23d 11' 00" Kugelsternhaufen M31 AndromedaNebel 00h 42m 44.3s +41d 16' 08" Spiralgalaxie M32 00h 42m 41.8s +40d 51' 55" ElliptischeGalaxie M33 Triangulum-Galaxie 01h 33m 50.9s +30d 39' 37" Spiralgalaxie M34 02h 42m 0.0s +42d 47' 00" OffenerSternhaufen M35 06h 08m 54.0s +24d 20' 00" OffenerSternhaufen M36 05h 36m 6.0s +34d 08' 00" OffenerSternhaufen M37 05h 52m 24.0s +32d 32' 59" OffenerSternhaufen M38 05h 28m 42.0s +35d 50' 00" OffenerSternhaufen M39 21h 32m 11.9s +48d 26' 00" OffenerSternhaufen M40 nur ein Doppelstern 12h 22m 24.0s +58d 05' 00" Doppelstern M41 06h 46m 0.0s -20d 44' 00" OffenerSternhaufen M42 Orion-Nebel 05h 35m 24.0s -05d 27' 00" Emissionsnebel M43 05h 35m 36.0s -05d 16' 00" Emissionsnebel M44 Praesepe 08h 40m 6.0s +19d 59' 00" OffenerSternhaufen M45 Plejaden 03h 47m 0.0s +24d 07' 00" OffenerSternhaufen M46 07h 41m 47.9s -14d 49' 00" OffenerSternhaufen M47 07h 36m 36.0s -14d 30' 00" OffenerSternhaufen M48 08h 13m 48.0s -05d 48' 00" OffenerSternhaufen M49 12h 29m 46.5s +07d 59' 58" ElliptischeGalaxie M50 07h 03m 12.0s -08d 20' 00" OffenerSternhaufen M51 Whirlpool-Galaxie 13h 29m 53.3s +47d 11' 48" Spiralgalaxie M52 23h 24m 12.0s +61d 35' 00" OffenerSternhaufen M53 13h 12m 54.0s +18d 10' 00" Kugelsternhaufen M54 18h 55m 5.9s -30d 29' 00" Kugelsternhaufen M55 19h 40m 0.0s -30d 58' 00" Kugelsternhaufen Übersicht aller Messier-Objekte Objekt Name RA DEC Typ M56 19h 16m 36.0s +30d 11' 00" Kugelsternhaufen M57 18h 53m 36.0s +33d 02' 00" PlanetarischerNebel M58 12h 37m 44.1s +11d 49' 11" Spiralgalaxie M59 12h 42m 2.5s +11d 38' 49" ElliptischeGalaxie M60 12h 43m 40.2s +11d 32' 58" ElliptischeGalaxie M61 12h 21m 54.7s +04d 28' 20" Spiralgalaxie M62 17h 01m 11.9s -30d 07' 00" Kugelsternhaufen M63 Sunflower Galaxy 13h 15m 49.3s +42d 02' 06" Spiralgalaxie M64 Black-eye-Galaxie 12h 56m 44.3s +21d 41' 05" Spiralgalaxie M65 11h 18m 55.2s +13d 05' 35" Spiralgalaxie M66 11h 20m 14.4s +12d 59' 42" Spiralgalaxie M67 08h 50m 24.0s +11d 49' 00" OffenerSternhaufen M68 12h 39m 30.0s -26d 45' 00" Kugelsternhaufen M69 18h 31m 24.0s -32d 21' 00" Kugelsternhaufen M70 18h 43m 11.9s -32d 17' 59" Kugelsternhaufen M71 19h 53m 48.0s +18d 47' 00" Kugelsternhaufen M72 20h 53m 30.0s -12d 32' 00" Kugelsternhaufen M73 20h 59m 0.0s -12d 38' 00" Asterismus M74 01h 36m 42.0s +15d 47' 11" Spiralgalaxie M75 20h 06m 6.0s -21d 55' 00" Kugelsternhaufen M76 Kleiner Hantelnebel 01h 42m 18.0s +51d 34' 00" PlanetarischerNebel M77 02h 42m 40.2s -00d 00' 48" Spiralgalaxie M78 05h 46m 42.0s +00d 03' 00" Reflexionsnebel M79 05h 24m 30.0s -24d 33' 00" Kugelsternhaufen M80 16h 17m 0.0s -22d 59' 00" Kugelsternhaufen M81 Bode's Nebel 09h 55m 33.5s +69d 04' 00" Spiralgalaxie M82 09h 55m 54.1s +69d 40' 58" IrregulaereGalaxie M83 13h 37m 0.2s -29d 52' 04" Spiralgalaxie M84 12h 25m 3.7s +12d 53' 15" ElliptischeGalaxie M85 12h 25m 24.6s +18d 11' 27" ElliptischeGalaxie M86 12h 26m 11.7s +12d 56' 49" ElliptischeGalaxie M87 12h 30m 49.7s +12d 23' 24" ElliptischeGalaxie M88 12h 31m 59.6s +14d 25' 17" Spiralgalaxie M89 12h 35m 39.9s +12d 33' 25" ElliptischeGalaxie M90 12h 36m 50.0s +13d 09' 48" Spiralgalaxie M91 12h 35m 26.3s +14d 29' 49" Spiralgalaxie M92 17h 17m 5.9s +43d 08' 00" Kugelsternhaufen M93 07h 44m 35.9s -23d 52' 00" OffenerSternhaufen M94 12h 50m 54.0s +41d 07' 00" Spiralgalaxie M95 10h 43m 57.9s +11d 42' 15" Spiralgalaxie M96 10h 46m 48.0s +11d 49' 00" Spiralgalaxie M97 Euelen-Nebel 11h 14m 48.0s +55d 01' 00" PlanetarischerNebel M98 12h 13m 48.0s +14d 54' 00" Spiralgalaxie M99 Pin-wheel-Galaxie 12h 18m 49.3s +14d 25' 07" Spiralgalaxie M100 12h 22m 55.2s +15d 49' 23" Spiralgalaxie M101 14h 03m 12.7s +54d 21' 03" Spiralgalaxie M102 15h 08m 48.8s +67d 11' 39" ElliptischeGalaxie M103 01h 33m 11.9s +60d 42' 00" OffenerSternhaufen M104 Sombrero Galaxie 12h 40m 0.0s -11d 37' 00" Spiralgalaxie M105 10h 47m 49.8s +12d 34' 57" ElliptischeGalaxie M106 12h 18m 57.8s +47d 18' 16" Spiralgalaxie M107 16h 32m 30.0s -13d 03' 00" Kugelsternhaufen M108 11h 11m 31.8s +55d 40' 15" Spiralgalaxie M109 11h 57m 36.2s +53d 22' 31" Spiralgalaxie M110 00h 40m 22.5s +41d 41' 11" ElliptischeGalaxie

6 Orientierung am Nordsternhimmel: Polarstern - Grosser Wagen von

7 Orientierungskarte zu den Sternbildern von von

8 Warum ist der Sternenhimmel im Sommer und Winter anders? Nacht Nacht

9 3 dimensionale Sternverteilung: Projektion auf 2 dimensionale Fläche Der grosse Wagen

10 Koordinaten: Höhe, Azimut

11 Horizontales Koordinatensystem: Höhe / Azimut 2 dimensional (ausreichend? Beobachtungsstandort ändert sich doch!) sphärische Polarkoordinaten Sternkoordinaten ändern sich mit der Zeit!

12 Rektaszension und Deklination

13 mitbewegtes Äquatoriales Koordinatensystem FP = Frühlingspunkt 2 dimensional sphärische Polarkoordinaten: Deklination δ (=Stern), Stundenwinkel t (=Teleskop) der Stundenwinkel t eines Sterns ändert sich mit der Zeit!!

14 Himmelsmeridian: Nord-Süd-Verbindung Teleskoprichtung = Uhrzeit Sternlängengrad Stundenwinkel t(time) = Sternzeit Θ(time) Rektaszension α HA = LST RA

15 Warum ist die Sternzeit Θ (=LST) nicht gleich der normalen Uhrzeit? Die Erde bewegt sich pro Tag ca. 360 /365,25 weiter, was 3:56 min = 24h/365,25 entspricht. Θ[day] = c 0 + (1 + 1/365,25) * Tage Θ[h] = c 1 + ( /365,25) * Tage Θ[deg] = c 2 + ( /365,25) * Tage = c 2 + ( /365,25)*36525 * T mit T := Tage/36525 Literatur (z.b. Maeus):

16 :00 N Objekte sind nicht alle gleichzeitig sichtbar, sondern kulminieren im Laufe der Nacht... O Meridian S W

17 Wann kulminieren meine Objekte? Wann ist in München die Sternzeit LST (Local Sidereal Time) = UT (Universal Time)? 9. September um ca. 0:00 UT (METDST Sommerzeit -> 2:00 LT) Beispiele: LST MUC ( :00 UT) = 0:00 LST MUC ( :00 UT) = 4:00 = UT + 24 h * 61 d / 365,25 d LST MUC ( :00 UT) = 22:03 = UT + 24 h * 61,75 d / 365,25 d LST Greenwich ( :00 UT) 0:00 Die Richtung des Teleskops beim Meridiandurchgang ist HA=0 daher ist wegen HA = LST RA die Kulmination bei LST=RA am um 0:00 UT kulminieren Objekte mit RA 4h um 18:00 UT kulminieren Objekte mit RA 22h Beispiel: Krebsnebel M1 hat eine Rektaszension RA = 5h 35m und daher am um 0:00 UT einen Stundenwinkel von HA 0 = LST 0 RA = 4:00 5:35 = 22:25 h und kulminiert (HA=0:00!) 1:35 h (= 24 UT HA 0 ) später um 1:35 UT (METDST Winterzeit -> 2:35 LT)

18 Sternhöhe bei Meridiandurchgang (meridian altitude) Polarstern Himmelsäquator ϕ Sterne, die nahe genug am nördlichen Himmelspol (NCP) sind, gehen nie unter. Solche Sterne nennt man zirkumpolar. Um nicht unter dem Horizont zu verschwinden, müssen zirkumpolare Sterne näher zum NCP stehen als der nördliche Horizont zum NCP. Da die Höhe des NCP genau dem Breitengrad ϕ des Beobachters entspricht, müssen zirkumpolare Sterne eine DEC größer haben als DEC > 90 - ϕ In der Abbildung ist der schwarze Halbkreis der Meridian, der vom nördlichen Horizont [N] durch den Himmelsnordpol [NCP], durch den Zenith [Z] und dann wieder bis zum südlichen Horizont [S] läuft. Dabei enspriht dir Höhe des NCP dem Beobachter-Breitengrad. CE (=celestial equator) markiert den Schnittpunkt zwischen Himmelsäquator und Meridian. Daher sind für München mit einem ϕ=48 Sterne mit DEC größer 42 alle zirkumpolar. allgemein:

19 Zusammenfassung: Meridian Time Mit der lokalen Sternzeit LST in München am um 20:00 LT LST 18UT = 21:12 ergibt sich die Teleskoprichtung (Stundenwinkel) zu HA 18UT = LST 18UT - RA die lokale Zeit des Meridiandurchgangs ist Meridian [UT] = 18 [UT] HA 18UT mit dem Breitengrad φ für München von Φ = 48,13 Die Höhe des Meridiandurchgangs ist dann für Hausarbeit: grobe Näherung für die Höhenänderung = 6 / h (vor/ nach Meridiandurchgang)

20 Was ist am um 20:00 LT zu sehen? LST MUC ( :00 UT) = 21:12 = h * 48,75 d / 365,25 d RA [h] DEC [deg] sichbar? Cepheus Pegasus Andromeda 0,5 40 Schwan 20,5 40 Adler Skorpion Leier Schütze Steinbock Wassermann Fisch 1 10 Stier 3 20 Orion 6 0 Gr. Wagen 12 60

21 Beobachtung bei kleiner Luftmasse (Airmass) Weglänge eines Himmelsobjektes durch die Erdatmosphäre relativ zur Weglänge durch den Zenit ALT ist der Winkel über dem Horizont. Formel von Kasten, F. & A. T. Young (1989). "Revised optical air mass tables and approximation formula." Applied Optics 28 (22), AM=1 at ALT=90º AM=1.5 at ALT=42º AM=2 at ALT=30º AM=3 at ALT=19.5º AM=4 at ALT=14.5º

22 Strahlengang: 40 cm Cassegrain Teleskop Öffnung/Brennweite = 400mm/3200mm = f/8 Kamera Sekundärspiegel (d=11 cm) Hauptspiegel (d=40 cm)

23 Spezifikationen des 40 cm Teleskops Brennweite : 3200 mm, Blendenzahl 1/8 => starke Vergrößerung & kleiner Bildausschnitt: 15 x 10 arcmin 2

24 Azimutale Montierung n n n Montierungen azimutale Gabelmontierung azimutale seitliche Montierung Dobson-Montierung Parallaktische Montierung n n n n n n deutsche Montierung parallaktische Gabelmontierung mit Polhöhenwiege englische Montierung engl. Rahmenmontierung Hufeisenmontierung Kniemontierung = Knicksäulenmontierung

25 Farben: Filter System In der Astrophysik wurde eine Vielzahl von Standard-Breidband und intermediate Filter Systemen entwickelt. Für das optische Breitband sind die populärsten der Johnson U (ultraviolet), B (blue), V (visual), and Cousins R (red) and I (infrared) filters. Courtesy: GCPD Lausaune Photometry Database

26 Wendelstein 40cm Throughput 40 cm ST10 filters 100 % magenta: M1 grün: M1 + M2 blau: CCD rot: Filter schwarz: alles λ [nm] U B g r i Johnson SDSS

27 Farbe Bereich [nm] X 1-30 FUV NUV U B G V R I Z Y J H K L M N FIR Farb Filter Astronomical Filter Systems Übersicht: The Asiago Database on Photometric Systems

28 Anzahl Photonen astronomische Helligkeit / sec m magnitude ZP zeropoint κ extinction coefficient (abhängig von den atmosphärischen Bedingungen: Teleskopstandort, Wetter, etc.) AM airmass (abhängig von der Beobachtungshöhe) Warum ist die Magnitude unabhängig vom Teleskop und der Beobachtungshöhe? Abschätzung der erwarteten Photonen pro Pixel pro Minute: unter der vereinfachten Annahme, es würden sich alle Photonen auf einen Bereich von 60 x 60 arcsec 2 und mit dem Pixel-Durchm. = 0.4 arcsec 2 sec 1 min

29 Zeropoint vs. Datum für WST 40 cm r-filter [Tage]

30 Software-Beispiel mit python import pandas as pd import numpy as np df = pd.read_csv('messier.tbl',delim_whitespace=true,header=0,comment='#') name = np.array(df.iloc[:,0]) RA = np.array(df.iloc[:,1]) DEC = np.array(df.iloc[:,2]) TYPE = np.array(df.iloc[:,4]) MAG = np.array(df.iloc[:,5]) n=len(ra) # number of objects phi = / /3600. # Breitengrad WST LST0 = /60. # at 0:00 ZP = 21.5 # Zeropoint for i in range(0,n) : HA0 = LST0 - RA[i] merlt = 0. - HA0 if merlt<0. : merlt += 24. meralt = -phi DEC[i] if meralt>90. : meralt = 180.-merALT meram = if meralt>0. : meram = 1./np.sin(merALT/180.*np.pi) photsec = 10.**(-0.4*(MAG[i]-ZP)) photpix = photsec*60./(60./0.4)**2 print "%15s %10.3f %10.1f %10.3f %10.3f %10.3f %10.0f %10.1f %25s" \ % (name[i],ra[i],dec[i],merlt,meralt,meram,photpix,mag[i],type[i]) output: name RA DEC merlt meralt meram photpix MAG TYPE M Nebel

31 OffeneSternhaufen ALT [deg] M6 M7 M11 M26 M18 M23M25 M21 M29 M39 M52 M103 M34 M45 M38 M36 M37 NGC2158 M35 M50 M47 M46 M48 M41 M Local Time [h] M44 M67

32 Kugelsternhaufen ALT [deg] M5 M13 M12 M10M14 M107 M92 M9 M80 M4M19 M62 M22 M28 M56 M71 M75 M69 M70 M54M55 M72 M15 M2 M30 M79 NGC Local Time [h] M3 NGC4147 M53 M68

33 Spiralgalaxien ALT [deg] M31 M33 M74 NGC891 NGC1275 M77 M81 M106 M51 M94 M63 M108 M109 M10 M98 M65 M66 M99 M100 M88 M91 M95 M96 M90 M Local Time [h] M61 M64 M104 M83

34 ElliptischeIrregGalaxien ALT [deg] M102 M110 M32 NGC7318A NGC1275 M82 M85 M105 M84 M86 M87 M89 M59 M60 M Local Time [h]

35 Nebel ALT [deg] M57 NGC6543 M16 M17 M20 M8 M27 M Local Time [h] M1 M78 M42 M43 M97

36 Findingcharts mit

37 Beobachtungsvorbereitung: Nachtaufteilung z.b. für Beobachtung am nautische Dämmerung (=Sonne < -12 deg): n 18:05 bis 5:50 LT 10 Beobachtungsblöcke 18:05 2:55 LT: n 5 x 2 x 0:50 h + 2 x 15 min fokussieren = 8:50h jede Gruppe erhält 2 davon n einen aus den ersten 5 und einen von 6 bis 10 n z.b. 18:20-19:30, 1:15-2:05

38 Beobachtungsplan Block G1 G2 G3 G4 G5 18:20 19:10 20:00 20:50 21:40 22:45 23:35 0:25 1:15 2:05 2:55

39 Beobachtungsvorbereitung: Hausarbeit Polarstern n Bis zu welchem Breitengrad zirkumpolar? Sommerdreieck n an welchen Tagen im Jahr sind die drei Sterne um 21 UT noch über 30 Grad sichtbar? Benutzen Sie set rate = 6 / h Berechnung der eigenen Objekte n Am Beispiel für eine Beobachtung am n n jede Gruppe wählt sich Objekte (max. 2 x 3) der eigenen Kategorie aus und berechnet, welches die optimalen Beobachtungsblöcke für die jeweiligen Objekte ist z.b. Spiralgalaxien M??: 23:35 0:25 Berechnungen des Meridiandurchgangs, der Höhe des Objekts, Auswahl von 2 Blöcken (1.-5.,6.-10.) in denen die ausgewählten Objekte sichtbar sind und Begründung mit ein paar Sätzen Abgabe :00 Uhr an arri@usm.lmu.de