Beobachtungsinstrumente der Astronomie
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- Gundi Schulze
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1 Beobachtungsinstrumente der Astronomie Das astronomische Fernrohr Spiegelteleskope Moderne Technologien für Großteleskope Radioteleskope Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 1
2 Optische Teleskope Welche Anforderungen müssen an den Standort eines optischen Teleskops gestellt werden, damit dieses Instrument optimale Beobachtungsergebnisse ermöglicht? große Höhe über dem Meeresspiegel möglichst trockene Luft große Häufigkeit klarer Nächte wenig Lichtverschmutzung wenig atmosphärische Turbulenzen Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 2
3 Lichtverschmutzung als Standortproblem astronomischer Forschung Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 3
4 Was muss ein astronomisches Fernrohr leisten? Es soll einen Sehwinkel liefern, der im Vergleich zum Sehwinkel mit bloßem Auge vergrößert ist. Es soll möglichst viel Licht aufsammeln, was dadurch erfolgt, dass man die Öffnung des Teleskops möglichst groß wählt. Es soll Bilder mit einer sehr hohen Auflösung liefern. Quelle: Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 4
5 Sehwinkel Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 5
6 Sehwinkel Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 6
7 Sehwinkel Quelle: Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 7
8 Strahlengang im astronomischen Fernrohr (Refraktor) nach Kepler V = f Objektiv /f Okular ; l = f Objektiv + f Okular Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 8
9 Die langen Röhren des Johann Hevelius Das Bild zeigt die machina coelestis (Himmelsmaschine) des Johann Hevelius um Warum ist das Fernrohr so lang? Welchen Nachteil hat die Konstruktion? Quelle: Müller A. Fotos und Gemälde ; Astronomie + Raumfahrt im Unterricht 134; S. 12 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 9
10 Mond und Saturn Wie stark muss ein Fernrohr vergrößern, damit der Saturn (der am weitesten von der Sonne entfernte Planet, der noch mit bloßem Auge sichtbar ist) so groß erscheint wie der Mond mit bloßem Auge? (D Durchmesser, A mittlerer Abstand) D Mond = 3480 km; A Mond = km D Saturn = km; A (Saturn-Sonne) = 9,5 AE Quelle: Müller A. Fotos und Gemälde ; Astronomie + Raumfahrt im Unterricht 134; S. 12 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 10
11 Mond und Saturn Wie lang muss ein astronomisches Fernrohr mit der Okularbrennweite f Okular = 2 cm sein, um diese Vergrößerung zu erreichen? Quelle: Müller A. Fotos und Gemälde ; Astronomie + Raumfahrt im Unterricht 134; S. 12 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 11
12 Aufgabe zum astronomischen Fernrohr Der Objektivdurchmesser eines Fernrohrs beträgt 50 mm, die Objektivbrennweite 800 mm. Die maximal sinnvolle Vergrößerung eines Fernrohrs beträgt das Doppelte seiner Objektivöffnung. Berechnen Sie die Brennweite des Okulars im Fall der Maximalvergrößerung. Berechnen Sie die Vergrößerung bei der Verwendung eines Okulars mit einer Brennweite von 20 mm. Quelle: LB Physik Gymnasium Klasse 10 Sachsen; Cornelsen Verlag Berlin 2007, S. 90 Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 12
13 Lichtsammelvermögen Quelle: Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 13
14 Lichtsammelvermögen Die Lichtstrahlen werden im Brennpunkt der Objektivlinse vereinigt und treten da die Brennpunkte von Objektiv- und Okularlinse zusammenfallen - als paralleles Lichtbündel am Okular aus. Da die Lichtstrahlen nach Passieren des Teleskops dichter beieinander liegen, ist die Lichtintensität erhöht man kann z.b. Objekte, deren Helligkeiten mit bloßem Auge unter der Wahrnehmungsschwelle liegen, beim Blick durch ein Fernrohr erkennen. Je größer die Öffnung des Fernrohrs, desto größer ist sein Lichtsammelvermögen. Quelle: Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 14
15 Auflösungsvermögen Lesen Sie im LB bsv S. 199 f. und machen Sie sich zu folgenden Schwerpunkten kurze Notizen: Was gibt das Auflösungsvermögen eines Fernrohrs an und wodurch ist es begrenzt? Erläutern Sie mit einer mathematischen Formel welche Größen das Auflösungsvermögen eines Fernrohrs bestimmen. Erläutern Sie die Begrenzung des Auflösungsvermögens durch die Atmosphäre der Erde sowie durch optische Abbildungsfehler. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 15
16 Auflösungsvermögen Einfluss der Öffnung auf das Auflösungsvermögen Der Begriff Auflösungsvermögen bezeichnet die Unterscheidbarkeit feiner Strukturen, also z. B. den kleinsten noch wahrnehmbaren Abstand zweier punktförmiger Objekte. Die Auflösung wird durch die Beugung des Lichts an der Öffnung des Fernrohrobjektivs begrenzt. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 16
17 Auflösungsvermögen Kleinster noch auflösbarer Winkelabstand zweier astronomischer Objekte: α = 1,22 * λ/d Je kleiner die verwendete Wellenlänge, desto kleinere Winkel sind auflösbar. Je größer die Objektivöffnung, desto kleinere Winkel sind auflösbar Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 17
18 Begrenzung des Auflösungsvermögens durch die Erdatmosphäre Refraktion (die nach außen hin abnehmende Dichte der Erdatmosphäre täuscht für das Objekt eine größere Höhe über dem Horizont vor) Extinktion (Streuung und Absorption des Lichts an Staubteilchen und Luftmolekülen) Szintillation (Turbulenzen in der Erdatmosphäre Flimmern des Objekts (Seeing)) Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 18
19 Astronomische Refraktion Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 19
20 Sonnenuntergang Deformation der Sonnenscheibe durch Refraktion Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 20
21 Begrenzung des Auflösungsvermögens durch optische Abbildungsfehler Sphärische Aberration (randnahe Strahlen werden von einer Linse stärker gebrochen als achsennahe Strahlen) Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 21
22 Begrenzung des Auflösungsvermögens durch optische Abbildungsfehler Chromatische Aberration (Licht unterschiedlicher Wellenlänge bzw. Farbe wird unterschiedlich stark gebrochen) Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 22
23 Aufgabe zum Auflösungsvermögen Mit einem Fernrohr mit 60 mm Objektivdurchmesser kann man noch Sterne trennen, die einen Winkeldurchmesser von 0,0006 haben. Aus welcher Entfernung müsste man eine 1 - Münze (Durchmesser 23 mm) betrachten, um sie unter diesem Winkel zu sehen? Fertigen Sie eine Skizze an. tan α = D/x x = 2196 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 23
24 Linsenfernrohre (Refraktor) Großer Doppelrefraktor in Potsdam: Erbaut 1889 Linsendurchmesser 80 cm und 50 cm Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 24
25 Linsenfernrohre (Refraktor) Größtes Linsenfernrohr der Welt in Yerkes (Chicago, USA): Erbaut 1897 Linsendurchmesser 1,02 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 25
26 Spiegelteleskope Lesen Sie im LB bsv S. 201 und erläutern Sie weshalb Newton das Spiegelteleskop (Reflektor) entwickelte. Skizzieren Sie den Strahlenverlauf im Spiegelteleskop nach Newton und Cassegrain. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 26
27 Spiegelteleskope Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 27
28 Spiegelteleskope (Bauformen) Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 28
29 Moderne Technologien für Großteleskope - MMT Beim Keck-Teleskop auf Hawaii setzt sich der Hauptspiegel aus 36 wabenförmigen (hexagonalen) Spiegeln von je 1,8 Meter Durchmesser, aber nur 7,5(!) cm Dicke zusammen, die ständig über 180 Aktuatoren computergesteuert auf optimale Lage justiert werden ( aktive Optik). Der effektive Objektivdurchmesser beträgt bezüglich der lichtsammelnden Wirkung 9,82 Meter. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 29
30 Primärspiegel eines der Keck Teleskope Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 30
31 Spiegelteleskop (Reflektor) Keck-Observatorium (Mauna Kea, Hawaii) 2 x 10 m Spiegel Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 31
32 Aktive Optik Die aktive Optik wird eingesetzt, um die Spiegelkrümmung auszugleichen, die beim Schwenken des Teleskops entsteht. Um diese Abbildungsfehler zu korrigieren, werden die Spiegel auf Aktoren (motorisierte Stellelemente) gelagert. Erstmals eingesetzt beim New Technology Telescope (NTT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) auf La Silla in Chile Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 32
33 Adaptive Optik Lesen Sie das Material zur adaptiven Optik und beantworten Sie folgende Fragen: Was passiert, wenn aus dem Weltall kommendes Licht die Erdatmosphäre durchquert? Wie funktioniert die adaptive Optik? Quelle: Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 33
34 Adaptive Optik Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 34
35 Adaptive Optik Erzeugung eines Referenzsterns durch einen Laser am VLT Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 35
36 Interferometrie am VLT Erhöhung des Lichtsammelvermögens und der Auflösung durch Zusammenschalten von benachbarten Teleskopen, z.b. bei den vier VLT auf einen wirksamen Spiegeldurchmesser von 16 m. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 36
37 VLT Very Large Telescope (Cerro Paranal, Chile) 4 Teleskope je 8,20 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 37
38 LBT Large Binocular Telescope (Mt. Graham Arizona, USA) 2 x 8,40 m Spiegeldurchmesser Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 38
39 Zukunftsvisionen European Extremely Large Telescope Einige Fakten: Hauptspiegeldurchmesser: 39,3 m Hauptspiegel besteht aus 798 sechseckigen Spiegelelementen Inbetriebnahme: 2022 Standort: Cerro Armazones, Chile Kosten: ca. 1,1 Mrd. Euro Größenvergleich mit dem Brandenburger Tor und dem VLT Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 39
40 Hubble Space Teleskop gestartet 1990; Hauptspiegeldurchmesser 2,40 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 40
41 Radioteleskope Lesen Sie im LB bsv S. 204 f. und machen Sie kurze Notizen zu folgenden Schwerpunkten: Pionier der Radioastronomie Bauweise der Antennen Vergleich des Auflösungsvermögens mit dem von optischen Teleskopen Begriff very long baseline interferometry Beobachtungsobjekte der Radioastronomie Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 41
42 Karl Jansky Karl Jansky ( ) war ein US-amerikanischer Physiker und Radioingenieur. Er wurde zum Begründer der Radioastronomie, als er 1932 feststellte, dass die Milchstraße Radiostrahlung emittiert. Er identifizierte das Sternbild Sagittarius als Quelle der Radiostrahlung Zentrum der Milchstraße Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 42
43 Bauweise Würzburg Riese Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 43
44 Radioteleskop - Auflösungsvermögen Radiowellen haben eine größere Wellenlänge als optische Lichtwellen Radioteleskope haben ein geringeres Auflösungsvermögen als optische Teleskope Zur Steigerung des Auflösungsvermögens Bau sehr großer Antennen Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 44
45 Radioteleskop in Arecibo (Puerto Rico) Spiegeldurchmesser 305 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 45
46 Radioteleskop in Effelsberg (Deutschland) Spiegeldurchmesser 100 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 46
47 Radioteleskop in Green Bank (West Virginia, USA) Spiegeldurchmesser 102 m Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 47
48 Very Long Baseline Interferometry Zusammenschalten von mehreren Radioteleskopen zur Erhöhung der Auflösung der Radiomessung In der VLBI werden die Signale der einzelnen Antennen zusammen mit sehr genauen Zeitreferenzen gespeichert und später rechnerisch korreliert. Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 48
49 VLA Very Large Array Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 49
50 Radioastronomie- Beobachtungsobjekte Radiowellen durchdringen interstellaren Staub Beobachtung von Objekten, die hinter kosmischen Staubschichten verborgen sind Sonnensystem (Sonne, Planeten) Milchstraße (galaktisches Zentrum, Supernovaüberreste, Pulsare) Extragalaktische Objekte (Quasare) Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 50
51 Aufnahme eines Radioteleskops Radiokarte des Himmels bei 45 MHz Christian-Weise-Gymnasium Zittau - FB Physik - Mirko Hans 51
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