Spektren von Himmelskörpern

Transkript

1 Spektren von Himmelskörpern Inkohärente Lichtquellen (Prof. Dr. Thomas Jüstel) Anja Strube,

2 Inhalt Einführung o Messung von Sternspektren o Spektralklassen der Sterne o Leuchtkraftklassen o Hertzsprung-Russell-Diagramm Beispiele o Planetarischer Nebel (PN) NGC 6543, Katzenaugennebel o Exoplanet o Kosmische Maser-Quellen 2 Anja Strube - Spektren von Himmelskörpern

3 Messung von Sternspektren Mit Spektralapparaten können die Linienspektren der Sterne sichtbar gemacht werden Zusammensetzung aus 2 Anteilen: o Kontinuum entspricht der Strahlung eines Schwarzen Körpers mit der Temperatur der Sternoberfläche (Wien sches Gesetz) o Einbettung von Absorptionslinien und Emissionslinien, die von unterschiedlichen chemischen Elementen und ihren verschiedenen Anregungszuständen erzeugt werden 3

4 Messung von Sternspektren: Der Prismenspektrograph Zerlegung des Lichts in seines Bestandteile mit einem Prisma (Newton- Methode) Kürzere Wellenlängen werden stärker gebrochen als längere Das zerlegte Licht wird auf Photopapier aufgefangen Astronomie: Kamera hinter dem Prisma: Objektivprismenspektrograph 4

5 Messung von Sternspektren Bestimmung der o Oberflächentemperatur des Sterns o Chemische Zusammensetzung der Sternatmosphäre (Abhängigkeit von der Temperatur, Alter) o Relativgeschwindigkeit des Sterns aus der Dopplerverschiebung der Absorptionslinien aus Vergleichen mit Laborwerten 5

6 Spektralklassen der Sterne Farbe Spektrallinie Beispiel weiß Hochionisierte Atome: Si IV, He II weißgelb He I, H Orion-Gürtel hellgelb H, Ca II Sirius reingelb Ca II, Metalllinien (Fe, Ti) Prokyon tiefgelb rötlichgelb Ca II, Fe, andere Metalllinien Banden des TiO, Molekülbanden Unsere Sonne Arkturus orange TiO, Metalllinien Beteigeuze Unterklasse R, N von G: Cyan, CO, C 2 -> Kohlenstoffsterne Unterklasse S von K: ZrO Jeweilige Unterteilung der Spektralklassen in 10 Unterklassen (0-9: heiß -> kühl) 6

7 Leuchtkraftklassen Leuchtkraftklasse O - Hyperriesen Leuchtkraftklasse I - Überriesen Leuchtkraftklasse II - Helle Riesen Leuchtkraftklasse III - Riesen Leuchtkraftklasse IV - Unterriesen Leuchtkraftklasse V - Zwerge Leuchtkraftklasse VI - Unterzwerge Leuchtkraftklasse VII - Weiße Zwerge unsere Sonne 7

8 Hertzsprung-Russell-Diagramm Leuchtkraft und Spektraltyp werden im Hertzsprung- Russell-Diagramm (HRD) miteinander in Beziehung gesetzt Schema dient der Untersuchung der Entwicklungszustände von Sternen: Hauptreihensterne, werden zu Roten Riesen an und enden meist als Weiße Zwerge 90 Prozent der Sterne befinden sich in der sogenannten Hauptreihe, der Rest gehört zu den Riesen, Überriesen oder Weißen Zwergen. 8

9 Beispiel: PN NGC 6543, Katzenaugennebel Im Jahr 1786 von Wilhelm Herschel entdeckt, erster PN, dessen Spektrum untersucht wurde (1864 von William Huggins) im Sternbild Drache, 3000 LJ entfernt, Alter: ca.1000 Jahre (sehr jung) Zentralstern ist C heiß Nr Wellenlänge in nm Elemente 1 432,85 H 2 446,66 He I 3 485,99 H I 4 495,68 [O III] verboten 5 500,52 [O III] 6 586,98 He I 7 630,97 [S III] 8 656,44 H I 9 668,67 He I ,19 [S II] 9

10 Beispiel Exoplanet: Lebensfeindliche blaue Hölle HD b ist der erste Exoplanet, auf dem Methan-Gas nachgewiesen wurde Er befindet sich rund 63 Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Füchslein und umrundet den Stern HD (Gelber Zwerg). Am 11. Juli 2013 wurde erstmals die tatsächliche Farbe als tiefblau durch das Rückstrahlverhalten der Planetenoberfläche ermittelt. feine Schwebeteilchen aus geschmolzenen Silikatmineralien streuen das Licht bei 290 bis 450 nm. -> Wolken aus Glas Oberflächentemperatur: mehr als 1000 C Stürme mit Windgeschwindigkeiten um 7000 Kilometer pro Stunde Keine feste Oberfläche (Wasserdampf, CO 2 und CO) 10

11 Beispiel Exoplanet: Messung des Spektrums Stern HD Umrundet sein Zentralgestirn in 2,2 Tagen Sehr schwaches Licht des Exoplaneten im Vergleich zum Stern Aufnahme des Spektrums der kombinierten Strahlung von Exoplanet und Stern Dann Aufnahme des reinen Sternspektrums, wenn der Planet vollständig hinter seinem Stern steht Abziehen dieses Signals von dem zuvor gemessenen Spektrum Herausrechnen des Spektrums des Planeten Herausforderung: Die Helligkeit des Sternsystems sinkt bei der Bedeckung des Planeten nur um rund ein Zehntausendstel ab, und das Signal/Rausch-Verhältnis des Planetenspektrums ist somit sehr gering. 11

12 Kosmische Maser-Quellen Maser: Verstärkung von Mikrowellen durch stimulierte Emission von Strahlung Interstellare Gaswolken können intensive kohärente Mikrowellen aussenden. Diese Strahlung liefert Informationen über Größe, Zusammensetzung und Entfernung von Objekten, die ansonsten gar nicht beobachtbar wären. kosmische Maserquellen wurden 1963 bei Radiobeobachtungen des galaktischen Zentrums entdeckt. (interstellaren Gaswolken) Maserstrahlquellen bei 6 cm Wellenlänge bei Übergängen in: o Hydroxyl (OH) in jungen Protosternen und in Hüllen alter Riesensterne o Wasser o Methyl o Siliziummonoxid Angeregt werden die Maserzustände durch Stöße der Moleküle mit den Atomen im Gas Synchrones Zurückfallen vieler angeregter Atome im selben Energiezustand in den Grundzustand durch Aussenden von Photonen 12

13 Maserstrahlung im Orion 1976: Entdeckung von infraroten Emissionslinien, die von heißen Wasserstoffmolekülen (molekularer Wasserstoff) in der Molekülwolke OMC1 ausgehen Eigenschaften dieser Linien: 1. Gesamtenergie entspricht mindestens dem Hundertfachen der von der Sonne ausgestrahlten Energie 2. Temperatur des Wasserstoffs mit 2000 C viel höher als der Rest des Gases der OMC1 3. Gasgeschwindigkeiten zw. 100 und 150 km/s aus Dopplerverbreiterung ermittelt Maserstrahlung von v =1, J = 2 nach v = 0, J = 0 Wellenzahl 4498 cm 2,22 mm 13

14 Quellenangaben Die große Bertelsmann Lexikothek-Naturwissenschaften und Technik Band 3,S.36ff Meyers Handbuch Weltall: Karl Schaifers, Gerhard Traving; 6. Auflage; ISBN: Die Entstehung der Sterne Mit einer Einführung von Joachim Krautter; Spektrum der Wissenschaft: Verständliche Forschung; 2. Auflage 1988; S.102ff b4a381057d9df65859c3e3c13d4bb11-HRD04.png

15 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 15