I 1. modul skal I lære noget omkring elektromagnetisk stråling(em-stråling). Herunder synligt lys, IR-stråling, Uv-stråling, radiobølger samt gamma og røntgen stråling. I skal stifte bekendtskab med EM-strålings bølge egenskaber og partikel egenskaber. Elektromagnetiske bølger kræver ikke noget medium at udbrede sig i og kan derfor bevæge sig gennem vakuummet i verdensrummet. Denne egenskab skal ses i kontrast til mekaniske bølger, der kræver et medium for at kunne udbrede sig. Begge bølgetyper er transport af energi. Grunden til, at stjerner udsender lys, er, at der foregår fusion i deres indre. Det er en proces, hvor lette atomkerner smelter sammen til tungere atomkerner. Denne sammensmeltning kaldes som sagt fusion og producerer meget store energimængder, der er med til at forhindre stjerne i at falde sammen som følge af gravitationskraften. Processen kan se ud som følger:
Vores sol udsender hele det elektromagnetiske spektrum, og det vil sige, at den hele tiden bombarderer jorden med stråling. En del af den stråling bliver stoppet af vores atmosfære. Ozonlaget, kuldioxid og vanddamp er de gasser, der er bedst til at bremse/absorbere elektromagnetisk stråling. De dele af det elektromagnetiske spektrum, der kan passere gennem vores atmosfære, kaldes et atmosfærisk vindue. Det er fx synligt lys, radiobølger, noget UV stråling og mikrobølger, der passerer gennem det atmosfæriske vindue. Der er endda visse mikrobølger, der kan sendes gennem skyer. Dem bruger man til at kommunikere med fx satellitter. Hvis man skal observere andre dele af spektret, er man nødt til at placere teleskopet, så man undgår, at bølgerne bliver absorberet af eller reflekteret af jordens atmosfære. Jordens magnetfelt er også med til at beskytte os mod stråling fra solen nemlig mod det, der kaldes solvinden, som består af ladede partikler. Nedbremsningen af disse partikler i jordens magnetfelt er det, der giver de flotte nord- og syd-lys.
1] Hvad er massetabet ved processen ovenover? 2] Hvad er massetabet i energi? 3] Hvor mange processer pr. sekund i Solen? 4] Hvad er massetabet pr. sekund? 5] Hvor lang tid er Solen om at smide Jordens masse? De atmosfæriske vinduer samt bevægelse i jordens tætte atmosfære stiller astrofysikerne en udfordring for hvordan får man så det bedste udsyn til universet. Hvilke dele af spektrummet skal man kigge på? Hvilke informationer får man ved at kigge på én type stråling frem for en anden, og hvad nu hvis man kombinerer de indsamlede informationer? For helt at undgå atmosfæriske forstyrrelser kan man sende sit teleskop i kredsløb om jorden. Man kan også som VLT gør, nemlig at skabe en kunstig stjerne ved
hjælp af en laser og derved finde ud af, hvor meget flimmer atmosfæren giver og deformere teleskopets spejle på en sådan måde, at der tages højde for flimren og derved få meget skarpe billeder. Stjerner findes i mange forskellige størrelser, aldre og farver. De koldeste stjerner er dog stadigvæk flere tusinde grader varme, og vi kan bestemme deres temperatur ved at kigge på deres farve. Kolde stjerner er røde, mens meget varme stjerner er blålige. Her kan du se stjerners farve og temperatur sammenlignet i en tabel. Temperaturerne er angivet i K, kelvin. Denne skala kaldes den absolutte temperatur-skala, hvor 0K er det absolutte nulpunkt, hvor selv atomer holder op med at vibrere. Denne skala er en del af SIsystemet, der er lavet for at eliminere lokale enheder, som man kender fra mange lande, og kan gøre det svært at kommunikere entydigt på tværs af lande og forsknings institutioner.
1] Udfyld de manglende temperaturer 2] Hvad kan du fortælle om HR diagrammet hvilke informationer kan du finde i det om stjerner? (Husk at kigge godt på x og y akse samt selve afbildningsområdet) 3] Hvorfor er mere lysstærke stjerner relativt yngre end de ikke så lysstærke?
En del af det elektromagnetiske spektrum kaldes for synligt lys og er den del af det elektromagnetiske spektrum, som vi mennesker kan se, men det er kun en meget lille del af hele spekteret. Forskellene på de forskellige slags EM-stråling er deres bølgelængder og derved hvor energirige de er. Bølgelængderne kan variere fra få pm, 10^-12 m, til 1000m. Frekvenser varierer også, og kortbølget EM-stråling har en meget høj frekvens, og langbølget EMstråling har en lav frekvens. Astrofysikere også sige noget om temperaturen af de objekter, der udsender stråling og normalt vil de højfrekvente bølger stamme fra meget varme objekter og lavfrekvente fra koldere objekter. Elektromagnetisk energi kan kaldes lys, elektromagnetiske bølger og stråling og kan beskrives ved frekvens, bølgelængde eller energi. Når vi ser på de synlige lys, altså det lys vi mennesker kan se med det blotte øje, er bølgerne meget korte. Derfor bruger vi nanometer [nm] til at beskrive bølgelængden. En nanometer er 10-9 m, altså en milliardtedel af en meter. Indenfor astronomi bruger vi ofte begrebet Ångstrøm [Å] i stedet for nanometer, når vi taler om bølgelængder. 1Å = 10nm = 10^-10 m. λ
λ λ Beregn f, λ og E i følgende opgaver: Sæt lysets fart, c til 299792,458 km/s i alle opgaverne. 1] Radio: En frekvens kunne være 3MHz. Find bølge længden i meter: (hint: brug [1] - pas på enhederne) 2] Mobil tlf. (3G): Bølgelængde ca. 30 cm. Find frekvensen: (hint: brug [1] - pas på enhederne) 3] Mikrobølge ovn: Bølgelængden er ca. 12 cm. Find energien for en foton: (hint: brug[2]) 4] Hvor mange fotoner, fra mikrobølgeovnen, skal der så til at varme et kg vand op med en grad? (hint: c vand fortæller hvor mange joule, der skal tilføres et kg vand for at hæve temperaturen netop en grad. (c vand = 4210 J/ kg x K))
Når vi ser lys i en grøn farve, så har det bølgelængder mellem 495-570nm. Hvad er dette interval i Ångstrøm? Mennesker har altid brugt det blotte øje til at udforske rummet med, men har udviklet sig til, at man har lavet mere og mere avancerede teleskoper. Optiske teleskoper bruger det synlige lys til observationer. Dog kan de nyeste spejlteleskoper udstyres med instrumenter, så man kan bruge delene af spektret, der ligger lige på hver side af det synlige område: det nærinfrarøde og det nærultraviolette.
I moderne tid har man lavet teleskoper, der har kunnet observere den EM-stråling, som ikke er synlig for mennesker. Det har blandt andet været medvirkende til at kunne bestemme universets alder til ca. 13, 722 mia. år, og til at tage billeder af den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling. Udover det har man set efter gløden af supernovaer, og man har set, hvor nye stjerner dannes. Her ses Ørnetågen observeret i mange forskellige bølgelængder.
I det synlige lys øverst til højre, kan man se de store støv- og gaståger. I synligt lys kan vi ikke se igennem disse tåger og ind til de områder inde i tågerne, hvor nye stjerner og planeter bliver dannet. Det kan man til gengæld, når man observerer stjernetågen i infrarødt lys. På de to billeder af mid-infrared og near-infrared kan man se, hvor støvskyerne er i færd med at kollapse og danne nye stjerner og planetsystemer. I røntgenstråling (X-rays) kan man se store nydannede stjerner og stjerner, der er døde i supernovaeksplosioner. Det er tydeligt, at det er meget forskellige historier, som billederne fortæller. Se de orange ringe med forklaringer på billedet. Elektromagnetisk stråling kan betragtes som bølger og som partikler og kan fremkomme på flere måder. Fælles for dem er, at resultatet er elektromagnetisk stråling, der kan ses som transport af energi. EM-strålingen kan betragtes som bølgefronter eller som partikler(fotoner). Når man observerer spektre eller interferens mønstre, udnytter man bølgeegenskaber. Hvis en lyd-/lyskilde er i bevægelse vil de udsendte bølger have ændret karakter, når det rammer en observatør, fx os her på jorden eller dig på fortovet når en ambulance nærmer sig eller fjerner sig fra dig. Bølgen vil enten blive komprimeret eller forlænget. Det kan man bruge til at bestemme, om et objekt bevæger sig væk fra en selv, eller om det kommer tættere på. I tilfældet med ambulancen vil tonen/lyden virke lysere når den nærmer sig og omvendt dybere når den fjerner sig fra dig. Partikel egenskaber bruges, når fotoner slår elektroner løs i en detektor og kan alt efter, hvordan den løsrevne elektron eller resulterende foton opfører sig, bruges til at identificere hvilken type af stråling, der har været tale om.
Man har endvidere opdaget, at EM stråling kan afbøjes i meget kraftige tyngdefelter. Denne effekt (gravitations linse effekt) bruger astrofysikere til at undersøge objekter, der ikke er i en direkte sigte linje fra teleskoper eller andre instrumenter. Denne effekt giver anledning til fænomenet, der bliver kaldt Einstein kors, som du kan se på billedet ovenfor. En anden måde at observere EM-stråling er at se på spektre og absorptionslinjer. Ved at gøre det kan man se hvilke grundstoffer, der er findes i en stjerne eller i en interstellar gas sky.
Vi kan kun se en lille del af det elektromagnetiske spektrum med vores øjne. I den del af spektret vi kan se, bruger man det, der hedder absorptions og emissions linjer til at bestemme stjerners bestanddele og interstellare gasskyers sammensætning. Man udnytter, at hvert grundstof udsender/absorberer synligt lys i helt bestemt bølgelængder, når de opvarmes kraftigt. Alle grundstoffer har et spektralt fingeraftryk, der kaldes deres emissionspektrum. Det vil sige, at grundstofferne udsender lys med helt specielle bølgelængder. Og hvert grundstof har ikke kun en linje, men flere, alt afhængigt af hvilket energiniveau elektronerne er exciteret til, før de falder tilbage til deres normale energiniveau under udsendelse af en foton, der er karakteristisk for netop det energifald. Endvidere viser det sig, at de bølgelængder, som et grundstof absorberer, svarer til deres emissionsspektrum altså de absorberer lys i netop de bølgelængder, de kan udsende. Så hvis man har et kontinuert spektrum og gennemlyser fx Hydrogen gas, vil man observere sorte streger i de områder, som man ved, at Hydrogen udsender lys. Det kan man bruge til at identificere interstellare gasskyer og stjerners overflader og atmosfærer med.
Vi har tidligere nævnt Doppler effekten, der gælder for lydbølger. Den fortæller os som sagt, at hvis et objekt udsender lyd/lys ved en bestemt bølgelængde og bevæger sig hen mod os så vil den opfattede lyd/lys ændre sig ved, at bølgetoppene bliver presset tættere sammen. Derved vil lyden have en højere tone/ kortere bølgelængde. Omvendt, når objektet bevæger sig væk, vil lyden have en dybere tone/ længere bølgelængde. Der sker noget lignende ved objekter, der udsender lys. Det kaldes rød- eller blå forskydning. Rødforskydningen fortæller os, at lysbølgerne strækkes, og objektet fjerner sig fra os. Omvendt vil objekters lys, der nærmer sig os blive presset sammen: Blå forskydning. Et eksempel på det sidste er lyset fra Andromeda galaksen. Rødforskydningen kan beskrives noget forenklet med denne ligning: λ λ λ og herefter kan hastigheden af objektet findes ved den anden ligning: 1] Andromedagalaksens rødforskydning er z = -0,001001 Hvad er hastigheden af Andromeda? Kommer den nærmere Jorden, eller fjerner den sig? 2] Sombrerogalaksen har rødforskydningen z = 0,003416 Hvad er hastigheden af Sombrero? Kommer den nærmere, eller fjerner den sig? 3] Hvor meget tættere på/længere fra os bevæger de to galakser sig i Mælkevejen pr. år?
Vi kan se omkring 2.000 stjerner på nattehimlen fra Danmark, og bare med det blotte øje kan vi se, at stjerner har forskellige farver. Nogle stjerner lyser med en hvid-blålig farve, mens andre ser røde ud. Stjernens farve bestemmes af dens overfladetemperatur. Jo varmere en stjerne er, jo mere blå/violet ser den ud, mens de kolde stjerner er rødlige i deres farve. I tabellen ses forskellige stjernetyper, deres temperatur og deres farve. α I det tidlige univers fandtes der stort set kun tre grundstoffer: Hydrogen (Brint), Helium og Litium. De tunge grundstoffer er skabt i voldsomme supernovaeksplosioner, så grundstoffer som jern, guld og kulstof kom først til senere. Derfor er der også stor forskel på, hvor mange af de tunge grundstoffer, der findes i stjernerne. Men ved at kigge på en stjernes spektrum kan man se, hvor mange forskellige grundstoffer, der findes. En stjerne som Solen består af 92,1 % hydrogen og 7,8 % helium, de sidste 0,1 % er andre grundstoffer
Vil I arbejde videre med Solens spektrum, kan I lave ekstraopgaven Solspektrum, som i finder under Udskolingen på Planetariets website www.planetariet.dk/space-missionskoler.
Følgende opgaver kan løses i klasse forum eller grupper. 1] Hvilke metoder bruger de enkelte teleskoper, og hvad kan man observere og konkludere, hvis man observere synligt lys eller en af de andre typer af EM-stråling? 2] Hvorfor laver man så ikke bare et kæmpe teleskop, der observerer hele spektret på én gang? (Det vil sige et billede, der er sat sammen af 4-5 billeder taget af forskellige teleskoper der hver især er dedikeret deres del af EM-spektret) 3] Når man designer et teleskop, hvad skal man så være opmærksom på? 4] Hvad er fordelene ved den ene form frem for den anden, og hvad er ulemperne? 5] Hvad kan man observere og konkludere, hvis man observerer synligt lys eller en af de andre typer af EM-stråling? fortsættes på næste side
6] Hvad skal man overveje, når man planlægger en rummission? 7] Er der specielle hensyn, der skal tages, når det er et teleskop, der skal sendes ud? Diskutér f.eks. i hvilken retning det skal kigge alt efter, hvad man vil undersøge og om der vil være noget i vejen for udsynet. 8] Hvilke fordele/ulemper er der ved teleskoper i henholdsvis rummet og på jorden?
Under besøget i udstillingen Space Mission, kan eleverne med fordel bruge det tilhørende arbejdsark. Ved brug af dette vil eleverne blive ført igennem vigtige elementer i udstillingen og vil få den nødvenlige viden om elektromagnetisk stråling og hvordan man bruger forskelligt lys indenfor astronomi. Der vil også være information om rummissioner, både aktuelle missioner og nogle af de vigtigste gennem historien. Eleverne skal vælge et bølgelængde-interval som de ønsker at arbejde videre med. Du kan også downloade arbejdsarket separat som PDF på vores website. I Ground Control kan vi her fra Jorden følge rum-missioner lige fra deres opsendelse og til rumsonderne når deres endelige mål.
Løft på de forskellige genstande i aktiviteten om Tyngdekraft.
Efter at have valgt et bølgelængde-interval at arbejde med, skal eleverne lave en lille Photo Story film. Denne film skal beskrive, hvordan vi oplever deres lys-type her på jorden, og hvordan man bruger dette lys indenfor astronomi. 1] Hvad skal jeres mission hedde 2] Hvordan skal jeres rumteleskop se ud?