AST 1010 En kosmisk reise Forelesning 6 Optikk

AST 1010 – En kosmisk reise Forelesning 6: Optikk Teleskoper

De viktigste punktene i dag: • • • Optikk og teleskop Linse- og speilteleskop De viktigste egenskapene til et teleskop Detektorer og spektrometre Teleskop for andre bølgelengder enn synlig lys

Optikk

Refleksjon og brytning https: //www. youtube. com/watch? v=2 k. BOqf. S 0 nm. E

Linser (brytning) Brennpunkt: Matematisk i slekt med ellipsens brennpunkt (Keplers 1. lov), men fysisk sett ingen direkte sammenheng mellom planetbaner og teleskoplinser

Parabolsk speil (refleksjon)

Teleskop • Teleskop danner bilder av objekter. • Benyttet av Galileo Galilei til å betrakte sola, planetene og stjerner – fra 1609. • To typer: – Refraktorer – benytter linser for å lage bilder. – Reflektorer – gjør bruk av krumme speil av glass belagt med et lag av reflekterende metall. 7

Tre hovedegenskaper ved teleskop 1. Forstørrelse. 2. Lysinnsamlende evne. 3. Oppløsning – hvor godt greier teleskopet å skille mellom stjerner som står nær hverandre på himmelen. • I hovedsak lager vi teleskop for å oppnå stor innsamling av lys slik at vi kan observere svakt lysende objekter. 8

Lys som faller inn på skrå? Lysstråler som faller inn på skrå brytes til punkter i brennplanet (fokalplanet). Det går gjennom brennpunktet og er loddrett på den optiske aksen.

https: //www. youtube. com/watch? v=Oydq. R_7_Dj. I

Fargefeil – kromatisk aberrasjon I linser vil stråler med ulik farge ikke ha fokus på samme sted. Bildet får derfor et fargestikk. 11

Kromatisk korreksjon ved hjelp av 2 linser AST 1010 - Teleskoper 12

Hulspeil og speilteleskop Lys inn langs aksen til et parabolsk speil vil reflekteres fra overflaten og samles i ett punkt. 13

Newtonsk teleskopmontering AST 1010 - Teleskoper

Cassegrainmontering Med Cassegrainmontering føres lyset ut gjennom et hull i primærspeilet – hulspeilet – og fokus befinner seg på den optiske aksen. All tilleggsapparatur monteres på aksen bak primærspeilet og konstruksjonen blir stødigere. 15

Fordelene med speilteleskop • Speilene virker likt på alle bølgelengder, altså ingen fargefeil. • Det er bare en flate som må formes nøyaktig ved sliping – speiloverflaten. • Speil kan lages mye større enn linser idet kravene til glassets kvalitet er lavere. • Absorpsjon og refleksjon av lys i linser er mye større enn tap ved refleksjon på speilflater, især for ultrafiolette bølgelengder. 16

Effekten av økende forstørrelse Stor forstørrelse minsker lysstyrken i bildet, minsker kontrasten, og minsker synsfeltet. 17

Viktigst: Lysinnsamlende evne • Relatert til størrelsen av linse eller primærspeil eller teleskopåpning. • Jo større (diameter på) aperturåpning, jo mer lys kan samles inn: – Øyets pupill: d = 5 millimeter, A = A 0 – Amatørteleskop: d = 15 cm, A = 103 A 0 – Palomarteleskopet: d = 5 m, A = 106 A 0 18

Oppløsningsevne • Hvor godt man skiller mellom to lyskilder som er nær hverandre på himmelen. • Galileis teleskop forbedret øyet med en faktor 20. • Hubbleteleskopet: En faktor 1200. 19

Diffraksjon: Lys gjennom spalte

https: //creativecommons. org/licenses/by-sa/3. 0/deed. en

Brytningsbilder AST 1010 - Teleskoper 22

Brytningsbildet for en rektangulær åpning (2 dimensjoner) AST 1010 - Teleskoper 23

Brytningsbildet fra to kilder 24

To kilder nær hverandre kan se ut som en kilde med dårlig oppløsning AST 1010 - Teleskoper 25

Marginalt oppløste kilder Her vises situasjonen med marginal oppløsning: Primært intensitetsmaksimum for den ene kilden faller på samme sted som posisjonen for første minimum i brytningsbildet til den andre kilden. 26

Vinkeloppløsning • Amatørteleskop: Oppløsning på 1. 25’’ • Ikke nok til å se parallaksevinkel fra nærmeste stjerne (under 1’’) – gode instrumenter var nødvendig for å bekrefte parallakse i det heliosentriske verdensbildet • Større diameter gir høyere oppløsning. • For teleskop på bakken bestemmes oppløsning i praksis av turbulens i jordas atmosfære. 27

Registrering av lys: detektorer • Tidligere benyttet man nesten bare fotografiske plater. • I dag brukes ulike typer fotoelektrisk registrering. • Figur: CCD – Charge Coupled Device. AST 1010 - Teleskoper 28

Prinsippet for spektrometre • Hvitt lys faller inn på et refleksjonsgitter. • Lysets splittes opp i farger. • Fargene spres ut og registreres med en detektor. • Avbilding gir detaljerte spektra med linjer. 29

Teleskop for alle bølgelengder • Radioteleskop • Synlig lys og infrarøde bølgelengder • Røntgen- og gammateleskop (i ballonger: denne strålingen når ikke ned til bakken) 30

Bare en del av strålingen når ned til jordoverflaten: Radiobølger, synlig lys (+ litt infrarødt) 31

Radioteleskop Parabolsk speil samler stråling på en dipolmottager. AST 1010 - Teleskoper 32

Arecibo (Puerto Rico): Verdens største radioteleskop (305 m diameter) AST 1010 - Teleskoper 33

Hvorfor er radioteleskop så svære? • Oppløsningsevnen bedre med større diameter • Men oppløsningsevnen blir dårligere (med samme diameter) for lange bølgelengder • Radiobølger har lange bølgelengder, så vi trenger tilsvarende store teleskoper for å få god oppløsning i denne delen av spekteret AST 1010 - Teleskoper 34

Radiointerferometer: Flere radioteleskop sammen for bedre oppløsning AST 1010 - Teleskoper

Very Large Array - Soccorro AST 1010 - Teleskoper 36

Romteleskop: Hubble Space Telescope AST 1010 - Teleskoper 37

Hvorfor romteleskop? • Ulemper: • Dyre å sende opp • Vanskelige å reparere (Hubble-teleskopet) • Fordeler: • Viktigst: Alle bølgelengder (ingen stråling stoppes av jordatmosfæren) • Ikke lysforurensning (fra byer o. l. ) • Ikke avhengige av godt vær • Ingen turbulens i atmosfæren som gjør bildet utydelig AST 1010 - Teleskoper 38

Eksempel på turbulens: Jupiter • https: //www. youtube. com/watch? v=2 x. Vd. IQv H_M 0 • Legg også merke til to Galieiske måner synlige i dette teleskopet • Med adaptiv optikk (sammenligne med referanseobjekt) kan en datamaskin regne ut turbulensen, og forbedre bildet kraftig AST 1010 - Teleskoper 39

Observatorier på Mauna Kea AST 1010 - Teleskoper 40

Keck-teleskopene AST 1010 - Teleskoper 41

Swedish Solar Telescope AST 1010 - Teleskoper 42

La Palma-observatoriene AST 1010 - Teleskoper 43

ESO i Chile – SINFONI på Paranal AST 1010 - Teleskoper 44

Hvor plasserer man bakketeleskop? • Stabile værforhold (tørr luft) – ørkenområder • Høyt over havet (mindre atmosfære ut til rommet) – fjell/platåer • Langt fra menneskelig bebyggelse • Bryggen i Bergen er et eksempel på et svært dårlig sted å bygge teleskop

UV- og røntgenteleskop • På bølgelengder i UV- og røntgenområdet vil vanlige speil ikke reflektere lys. • Refleksjonen er likevel høy ved streifende innfall. • Setter sammen speil med hyperbolske og parabolske flater. 47

Chandra og XMM Skjematiske skisser XMM - Newton Chandra 48

AST 1010 - Teleskoper 49

XMMs gullbelagte speil AST 1010 - Teleskoper 50