radioastronomia 18.9.2006

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Radioastronomia 18.9.2006http://kurp-www.hut.fi/edu/radioastronomia.html

• Laskarit: 11.10., 8.11. ja 29.11. Havaintotyö: 7.11 tai 15.11. (iltapäivä-ilta)Tentti: 20.12. klo 13.

• Ei luentoja 3.10., 17.10.• Tänään:

– SM-säteily avaruudesta, Maan ilmakehä.– Radioastronomian historia, Nobelit.– Radioastronomia Suomessa.– Maailmankaikkeuden rakenne.– Tähtitieteen käsitteistöä.– Tähtitieteelliset koordinaattijärj.– Aika.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Metsähovi: 1.3 cm - 3 mmSEST: 3 mm - 1.3 mm

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Miksi radio?

• Melko uusi tähtitieteen ala: paljon tutkittavaa.• Havaintoja 24h / vrk.• Uusia kohteita, uusia säteilymekanismeja...• (Vielä) jatkuva kehitys: uusia taajuusalueita,

parempi herkkyys, parempi erotuskyky.• Interferometrian ylivoimainen erotuskyky.• Yhdessä muiden taajuusalueiden kanssa antaa

kokonaiskuvan astronomisten kohteiden fysiikasta.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Maapallon ilmakehä

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Ilmakehän vaikutus radioaaltojen etenemiselle

alarajan määrää ionosfääri: läpinäkymätön pitkille , vaihtelee.

• mm-alueella ilmakehän vaimennus kasvaa mukana.

• Kaasumolekyylit vaimentavat signaalia.• Hydrometeorit (sade, pilvet, lumi, jää, ...)

sirottavat.• Pieni hiukkanen: absorptiovaimennus, suuri

hiukkanen: sirontavaimennus.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Radioastronomian historiaa

• 1932 amerikkalainen insinööri Karl Jansky (Bell Telephone Lab.)

• Tutki ukkosen radioliikenteelle aiheuttamia häiriöitä kehädipoliantennilla 20.5 MHz:n taajuudella (14.6 m).

• Havainnoista löytyi tuntematon radiolähde, jonka voimakkuuden vaihtelun jakso oli sama kuin Maan pyörähdysaika tähtien suhteen Linnunradan keskusta.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

... historiaa

• 1937 Grote Reber, radioinsinööri USA:sta:– Aluksi tuloksettomia kokeita Janskyn kosmisesta

kohinasta lyhyillä aallonpituuksilla, 3.3 GHz (10 cm) ja 910 MHz, 9.5 m paraboloidiantenni takapihallaan Wheatonissa, Illinoisissa.

– Vaihtoi yhä alemmille taajuuksille, 1940 160 MHz (1.87 m) OK.

– 1944 julkaistussa paperissa kartta radiotaivaasta, josta erottuu selkeästi LR:n taso ja keskusta, sekä kaksi muuta maksimia Cygnus A ja Cassiopeia A.

Image courtesy of NRAO/AUI

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

... historiaa

• 1942 J. S. Hey: – Auringon radiosäteily havaittiin tutka-asemalla

Englannissa, osoitti että häiriöt radiolähteyksessä eivät olleet peräisin vihollisen toimista vaan Auringosta, jossa oli menossa aktiivinen kausi ja runsaasti purkauksia.

• 1944 J. G. Bolton & G. J. Stanley, Sydney: Ensimmäistä kertaa radiolähde identifioitiin optisen lähteen kanssa, Rapusumu (Äyriäissumu), Crab Nebula.

• 1944 Reber mainitsi myös havainneensa Auringon radiosäteilyä, kaksi muuta jo tehneet saman havainnon, mutta julkaistiin vasta sodan jälkeen.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

... historiaa

• 1944 Leidenin yliopiston tähtitieteen prof. Jan Oort sai käsiinsä vanhempia ApJ:n numeroita, myös Reberin paperin. – Päätteli, että radioastronomiaa voisi käyttää

LR:n kohteiden spektriviivojen tutkimiseen.• Henrik van de Hulst laski, että atomaarisen vedyn

pitäisi näkyä 21 cm aallonpituudella. • Riippumattomasti samaan aikaan venäläinen

Josef Shklovsky ennusti 21 cm viivan havaittavuuden ja ennusti myös molekyyliviivojen,mm. hydroksyyliradikaalin OH havainnot.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

... historiaa• 1951 21 cm viiva havaittiin Englannissa (Ewen & Purcell),

Hollannissa (Muller & Oort) + Australiassa (1952, Christiansen & Hindman).

• 1963 löydettiin kvasaarit (M. Schmidt) ja OH-viiva (Weinreb & al.)

• 1964 havaittiin viritetyn vedyn säteily (rekombinaatio), Z.V. & A.F. Dravskih.

• 1965 3 K taustasäteily (Penzias & Wilson) Nobel• 1967 löydettiin pulsarit (Bell & Hewish) Nobel• 1968 löydettiin NH3 ja H2O -viivasäteilyt.

Seuraavina vuosina löydettiin kymmeniä uusia viivoja.• 1975 superluminaarinen liike kaksoisradiolähteessä vapp >

c.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

... historiaa

• Radioastronomia kehittyi nopeasti ja on lisännyt merkittävästi tietoamme maailmankaikkeudesta.

• Tutkitaan sekä jatkuvaa spektriä, kontinuumia että spektriviivoja.

• Radioastronomian avulla on tehty monia tärkeitä löytöjä: mm. pulsarit ja kvasaarit löydettiin radiohavaintojen perusteella.

• Huom: 4 kertaa Nobel!

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Radioastronomian fysiikan Nobel-palkinnot

• 1974: Sir Martin Ryle (1918–1984), Great Britain

• "for his observations and inventions, in particular of the aperture synthesis technique”

• Useampi pienempi teleskooppi saadaan toimimaan yhdessä siten, että lopputulos vastaa tilannetta, jossa olisi käytössä yksi jättimäinen teleskooppi, joka peittää koko käytettävän alueen. (Teleskoopit liikuteltavia, Maan pyörimisliike).

• Ylivertainen erotuskyky verrattuna yksittäisiin teleskooppeihin.

VLBI, avaruus-VLBI.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

... Nobelit

• 1974: Anthony Hewish (1924–), Great Britain• "for his decisive role in the discovery of pulsars”• V. 1967 aloitettiin havainnot, joiden perusteella

löydettiin jaksollisesti sykkivät radiosäteilijät, pulsarit. – Todistavat samalla neutronitähtien olemassaolon ja

auttavat ymmärtämään tähtien kehitystä. – Pulsareita tunnetaan nykyisin myös röntgenalueella

ja jopa optisella. – Tunnetuin pulsari lienee Rapusumun keskellä

oleva kohde.• Todellisuudessa varsinaisen löydön teki Hewishin

oppilas Jocelyn Bell.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

... Nobelit

• 1978: Arno A. Penzias (1933–) & Robert W. Wilson (1936–), USA

• "for their discovery of cosmic microwave background radiation”

• 1960-luvulla tekivät kokeita 7 cm aallonpituudella, jotka paljastivat kosmisen taustasäteilyn (CMB).– Peräisin alkuräjähdyksestä, jonka jälkeen

lämpötilat laskeneet, nyt 3 K. – Löytö auttaa ymmärtämään alkuräjähdystä,

maailmankaikkeuden syntyvaiheita ja kehitystä alkuräjähdyksen jälkeen.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

... Nobelit• 1993: Russel A. Hulse (1950–) &

Joseph H. Taylor, Jr. (1941–)• "for the discovery of a new type of pulsar, a discovery

that has opened up new possibilities for the study of gravitation”

• Löysivät binääripulsarin, jossa kaksi lähes samanmassaista komponenttia hyvin lähellä toisiaan. – Systeemi ei noudata enää Newstonin

painovoimalakia, voidaan käyttää Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ja muiden gravitaatioteorioiden testaamiseen.

– Havaintojen avulla pyritään mm. todistamaan gravitaatioaaltojen olemassaolo.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Radioastronomia Suomessa• TKK + TY + HY• Metsähovin radiotutkimusasema (TKK),

Kirkkonummi.– TKK:n erillislaitos vuodesta 1988.– 13.7-metrinen radioteleskooppi.– Radiotaajuudet 2 - 150 GHz.– Toimintaa vuodesta 1975, prof. Tiuri,

3/2004 asti johtaja prof. Seppo Urpo,tällä hetkellä dosentti Merja Tornikoski.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Kvasaaritutkimus• TKK/TY yhteistyöprojekti 1980 • Metsähovissa tutkitaan kvasaareiden

radiovuon vaihteluita: vuokäyriä pitkältä ajalta, tiheä monitorointi, korkeat radiotaajuudet, paljon lähteitä

• Teoreettinen työ: radiopurkausten mallittaminen, radio/optiset yhteydet, gamma-säteilyn synty, kvasaarien yhtenäismallit, jne. jne.:

• Yhteistyötä kaikilla taajuusalueilla!• Projektista runsaasti väitöskirjoja ja tieteellisiä

julkaisuja.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Pitkäkantainterferometria (VLBI)

• Maanpintaverkosto 1992 • Avaruus-VLBI: VSOP/HALCA,

Radioastron (?), VSOP-2, ...

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Aurinkotutkimus

• Auringon mikroaaltosäteilykartat ja -purkaukset, radio vs. muut ilmiöt

• Tietoa Auringosta tietoa tähdistä

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Radiospektroskopia

• erit. HY • Tähtien syntyalueet, maser-lähteet

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

European Southern Observatory ESO

• Suomi vihdoin jäsen! (1.7.2004)• Swedish–ESO Submillimetre Telescope,

Chilessä La Silla–vuorella, 1987-2003.– 15 m, vielä korkeammat radiotaajuudet

(90–230 GHz).– Tukevat Metsähovissa tehtävää havaintotyötä,

lisäksi eteläiset kohteet.• Tulevaisuus: APEX, ALMA.

Alma

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Muuta

• Planck-satelliitti (foreground science).• Kvasaarien monitaajuustutkimus,

radio vs. gammasäteily, radio vs. optinen säteily ym.

• Metsähovissa tehtävä laiterakennus ja insinöörityö– VLBI-laitekehitys.– AMS: antimaterian etsiminen

maailmankaikkeudesta (prof. Ting).– Ohjelmistot.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Maailmankaikkeuden mittasuhteet

• “Valovuosi” tms.– Aurinko: 8 valominuuttia.– Mars: 4.2 valominuuttia.– Pluto: 5.5 valotuntia.– Lähin tähti: 4 valovuotta.– Linnunradan halkaisija: 100000 valovuotta.– Lähin galaksi: 150000 valovuotta.

• Parsek (parsec, "parallax of one arc second“).

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Magnitudi• Perustana Hipparkhoksen järjestelmä n. 200 eKr.• Näennäinen suuruusluokka:

“kirkas tähti” 1m, “himmeä tähti” 6m

• Nykyisin standardisoitu.

• Logaritminen asteikko: m = –2.5 lg F/F0; [F]=W/m2

m1 – m2 = –2.5 lg F1/F2

• Absoluuttinen magnitudi: m – M = 5 lg (r/10pc)• Tunnettujen kohteiden näennäisiä magnitudeja:

– Aurinko –26.74m

– Täysikuu –12.55m

– Venus –4.4m

– Sirius –1.46m

– Pohjantähti +2.12m

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Aurinkokunta

• http://www.jpl.nasa.gov/solarsystem/http://sse.jpl.nasa.gov/

• Aurinko.• Planeetat.• Kuut.• Asteroidit.• Meteoroidit, mikrometeoroidit.• Komeetat.• Planeettainvälinen pöly.• Aurinkotuuli.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Tähdet

• Tähdistöt• Tähtijoukot

M13

M45

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Galaksit

M31 (Sb) M86 (S0)

M87 (E1)

M82 (IrrII)

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Koordinaattijärjestelmistä (1)

• Maapallo– Pituus- ja leveyspiirit.

• Maapallon pyöriminen– Vuorokaudenajat.– Tähtien näkyminen (päivä/yö).

• Maapallo radallaan– Auringon näkyminen pohj./etel., vuodenajat.– Kääntöpiirit.– Tasaukset ja seisaukset.– Tähtien näkyminen (eri kohteet eri

vuodenaikoina)

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

... Koordinaattijärjestelmistä (2)

• Horisonttijärjestelmä– Elevaatio (altitudi).– Atsimuutti.

• Ekvaattorijärjestelmä– Rektanskensio.– Deklinaatio.– Tuntikulma.– Tähtiaika.– Kulminaatio(t).– Sirkumpolaarinen.– Nousu- ja laskuajat.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Koordinaateista

• Esimerkki lähdelistasta:Epoch B1950.0048-097 00h48m09.99s -09°45’24.6"3C 120 04h30m31.60s +05°14’59.5" 2155-304 21h55m58.30s -30°27’54.0" BL Lac 22h00m39.40s +42°02’09.0"

• RA: Koska lähde kulminoi,Dec: kuinka korkealla.

• Koordinaatit oikeita havaintoja varten muutettava nykyiselle epookille (ks. koordinaatteja muuttavat tekijät).

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Nousu- ja laskuajat

• cos h = -tan tan+ sin a / (cos cos

• Nousu/lasku: a=0 —>cos h = -tan tan

• Kun kohteen rektaskensio tunnetaan, saadaan tähtiaika laskettua kaavalla = h +

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Aurinko ja Maa

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Aurinko ja Maa 2

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

... Koordinaattijärjestelmistä (3)

• Tähtiluettelot ym.– Epookki.

• Aurinko– Koordinaatit.

• Ekliptikaaliset koordinaatit.• Galaktiset koordinaatit.• Koordinaatteja muuttavat tekijät.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Koordinaatteja muuttavat tekijät

• Prekessio.• Nutaatio.• Parallaksi.• Aberraatio.• Refraktio.

Otettava huomioon teleskoopin suuntauksessa!

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Aurinkoaika ja tähtiaika (1)

• Sideerinen eli tähtivuorokausi.• Synodinen eli aurinkovuorokausi.t = 3m56s

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Aurinkoaika ja tähtiaika (2)

• Sideerinen vuosi: tähtien suhteen.• Synodinen vuosi: kevättasauspisteen suhteen.

• Keskiaurinkoaika.• Vyöhykeaika.• Ajantasaus.• Kesäaika.

• “Kello on ...”“Vyöhykeaika on ... “

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Ajantasaus

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Aikajärjestelmiä

• Yleisaika UT1 (Universal Time), UT11 , UT01 .• Kansainvälinen atomiaika TAI2 .• Terrestriaalinen dynaaminen aika TDT2.• Barysentrinen dynaaminen aika TDB2.• Koordinoitu yleisaika UTC1 (“rannekello”).

1 = Ottaa huomioon Maan pyörimisen; kokeellinen ja epätasainen.

2 = Atomikellot; ei riipu Maan liikkeestä; tasainen.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Juliaaninen päivämäärä

• Nollakohtana 4712 eKr.• 1.2.2000 JD=2451545.0.• Myös modifioitu juliaaninen päivämäärä, MJD.• Huom: Ei liity mitenkään juliaaniseen

kalenteriin!

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Tähtiajan arvioiminen

• Kevättasauspäivänä (n. 21.3.) = T + 12h.T = paikallinen aurinkoaika.

• Muuten = T + 12h + n*4min.n = vuorokausia kevätpäivän tasauksesta.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Tähtiajan arvioiminen, esimerkki

• Esim. Paljonko on tähtiaika Helsingissä 15.4. klo 23?– “Klo 23” oletettavasti “virallista aikaa”,

voimassa kesäaika 22 Suomen vyöhykeaikaa.– T Helsingissä n. 20 min jäljessä Suomen

vyöhykeajasta 21h40min.– Voidaan huomioida vielä ajantasaus:

huhtikuussa hyvin pieni.– Kevättasauksesta kulunut n. 10 + 15 vrk.

• Siispä: ≈ 21h40min + 12h + 25*4min = 35h20min = 11h20min.

Merja TornikoskiMetsähovi Radio Observatory

Radioastronomia 18.9.2006

http://kurp-www.hut.fi/edu/radioastronomia.html

• Tänään opimme:– SM-säteily avaruudesta, Maan ilmakehä.– Radioastronomian historia, Nobelit.– Radioastronomia Suomessa.– Maailmankaikkeuden rakenne.– Tähtitieteen käsitteistöä.– Tähtitieteelliset koordinaattijärjestelmät.– Aika.