Projektopgave Observationer af stjerneskælv



Relaterede dokumenter
Resonans 'modes' på en streng

Dæmpet harmonisk oscillator

Fysik 2 - Den Harmoniske Oscillator

Teoretiske Øvelser Mandag den 30. august 2010

MODUL 1-2: ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

Forfatter: Torben Arentoft, SAC (Aarhus Universitet), Kristian Jerslev, VUC Aarhus og Christina Ena Skovgaard, VUC Aarhus

Del 1: Analyse af Solens frekvensspektrum

Eksperimentelle øvelser, øvelse nummer 3 : Røntgenstråling målt med Ge-detektor

Arbejdet på kuglens massemidtpunkt, langs x-aksen, er lig med den resulterende kraft gange strækningen:

Impuls og kinetisk energi

Teoretiske Øvelser Mandag den 13. september 2010

Harmonisk oscillator. Thorbjørn Serritslev Nieslen Erik Warren Tindall

Erik Vestergaard 1. Opgaver. i Lineære. funktioner. og modeller

Øvelse 1.5: Spændingsdeler med belastning Udført af: Kari Bjerke Sørensen, Hjalte Sylvest Jacobsen og Toke Lynæs Larsen.

Optisk gitter og emissionsspektret

Potensfunktioner samt proportional og omvent proportional. for hf Karsten Juul

Matematik A og Informationsteknologi B

Rapport uge 48: Skråplan

Studieretningsopgave

Residualer i grundforløbet

Løsninger til øvelser i kapitel 1

Deskriptiv statistik. Version 2.1. Noterne er et supplement til Vejen til matematik AB1. Henrik S. Hansen, Sct. Knuds Gymnasium

Øvelsesvejledning FH Stående bølge. Individuel rapport

Øvelsesvejledning RG Stående bølge. Individuel rapport. At undersøge bølgens hastighed ved forskellige resonanser.

Begge bølgetyper er transport af energi.

Forsøg del 1: Beregning af lysets bølgelængde

Projekt 1 Spørgeskemaanalyse af Bedst på Nettet

Formålet med dette forsøg er at lave en karakteristik af et 4,5 V batteri og undersøge dets effektforhold.

Modellering af elektroniske komponenter

Faldmaskine. , får vi da sammenhængen mellem registreringen af hullerne : t = 2 r 6 v

Mikro-kursus i statistik 1. del Mikrokursus i biostatistik 1

En sumformel eller to - om interferens

Skråplan. Esben Bork Hansen Amanda Larssen Martin Sven Qvistgaard Christensen. 2. december 2008

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

Fysikrapport Joules lov. Gruppe Nr. 232 Udarbejdet af Nicolai og Martin

Modelkontrol i Faktor Modeller

Exoplaneter. Rasmus Handberg. Planeter omkring andre stjerner end Solen. Institut for Fysik og Astronomi Aarhus Universitet

Spektroskopi af exoplaneter

Nedenfor er tegnet svingningsmønsteret for to sinus-toner med frekvensen 440 og 443 Hz:

Tallene angivet i rapporten som kronologiske punkter refererer til de i opgaven stillede spørgsmål.

Analyse af en lineær regression med lav R 2 -værdi

Supplement til kapitel 7: Approksimationen til normalfordelingen, s. 136

Graph brugermanual til matematik C

Projekt 2.9 Sumkurver som funktionsudtryk anvendt til Lorenzkurver og Ginikoefficienter (især for B- og A-niveau)

Statistik. Statistik er analyse af indsamlet data. Det vil sige at man bearbejder et datamateriale som i matematik næsten altid er tal.

Tsunami-bølgers hastighed og højde

Bilag 7 Analyse af alternative statistiske modeller til DEA Dette bilag er en kort beskrivelse af Forsyningssekretariatets valg af DEAmodellen.

Statistik (deskriptiv)

Polynomiumsbrøker og asymptoter

Formler, ligninger, funktioner og grafer

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Afleveringsopgave 1

Gennemsnit og normalfordeling illustreret med terningkast, simulering og SLUMP()

Lineære sammenhænge. Udgave Karsten Juul

Undersøgelse af lyskilder

Eksempel på logistisk vækst med TI-Nspire CAS

Oscillator. Af: Alexander Rosenkilde Alexander Bork Christian Jensen

Spektrumrepræsentation

2 Erik Vestergaard

BESTEMMELSE AF RADIALHASTIGHEDER

Vektorer og lineær regression

Denne pdf-fil er downloadet fra Illustreret Videnskabs website ( og må ikke videregives til tredjepart.

Kvadratrodsberegning ved hjælp af de fire regningsarter

Andengradsligninger. Frank Nasser. 11. juli 2011

Antal timer Køn k m k m m k m k m k k k m k k k

Vektorer og lineær regression. Peter Harremoës Niels Brock

Coulombs lov. Esben Pape Selsing, Martin Sparre og Kristoffer Stensbo-Smidt Niels Bohr Institutet F = 1 4πε 0

Projekt 8.3 Hvordan undersøges om et talmateriale normalfordelt?

a og b. Den magnetiske kraftlov Og måling af B ved hjælp af Tangensboussole

Vi har valgt at analysere vores gruppe ud fra belbins 9 grupperoller, vi har følgende roller

Andengradsligninger. Frank Nasser. 12. april 2011

Statistik. Deskriptiv statistik, normalfordeling og test. Karsten Juul

a og b Den magnetiske kraftlov Og måling af B ved hjælp af Tangensboussole

Maple. Skærmbilledet. Vi starter med at se lidt nærmere på opstartsbilledet i Maple. Værktøjslinje til indtastningsområdet. Menulinje.

Eksponentielle sammenhænge

Bilag til Statistik i løb : Statistik og Microsoft Excel tastevejledning / af Lars Bo Kristensen

Astronomer vil benytte NASA's nye, store Kepler-satellit til at undersøge hvordan stjerner skælver

At vurdere om NitFom kan anvendes på slagtelinjen til prædiktion af slagtekroppes fedtkvalitet.

Stx matematik B maj 2009

Deskriptiv statistik for hf-matc

Bestemmelse af Radiale Hastigheder

Lommeregnerkursus 2008

i x-aksens retning, så fås ). Forskriften for g fås altså ved i forskriften for f at udskifte alle forekomster af x med x x 0

QR15 Vejledning i at bestemme kvartilsæt og at tegne sumkurver med Nspire, Maple og Geogebra

2 -test. Fordelingen er særdeles kompleks at beskrive med matematiske formler. 2 -test blev opfundet af Pearson omkring år 1900.

Fysik 2 - Oscillator. Amalie Christensen 7. januar 2009

Hvad er meningen? Et forløb om opinionsundersøgelser

Lineære sammenhænge, residualplot og regression

MODELSÆT 2; MATEMATIK TIL LÆREREKSAMEN

Projekt 9.5 Racefordomme i USA og Simpsons paradoks (B og A)

Studieretningsprojekter i machine learning

En f- dag om matematik i toner og instrumenter

Udledning af den barometriske højdeformel. - Beregning af højde vha. trykmåling. af Jens Lindballe, Silkeborg Gymnasium

Lærervejledning og opgaver til UV 1 - Origins2017

Lektion 9s Statistik - supplerende eksempler

Analyse af måledata II

Lineære modeller. Taxakørsel: Et taxa selskab tager 15 kr. pr. km man kører i deres taxa. Hvis vi kører 2 km i taxaen koster turen altså

Heisenbergs Usikkerhedsrelationer Jacob Nielsen 1

Hubble relationen Øvelsesvejledning

Transkript:

Projektopgave Observationer af stjerneskælv Af: Mathias Brønd Christensen (20073504), Kristian Jerslev (20072494), Kristian Mads Egeris Nielsen (20072868)

Indhold Formål...3 Teori...3 Hvorfor opstår der skælv?...3 FFT...4 Selve Forsøget...4 Resultater...5 Databehandling...5 Fouriertransformation...6 Dataarbejde...7 Vurdering...9 Fejl og usikkerheder...12 Konklusion...12 Side 2 af 13

Formål Med rapporten ønskes at undersøge stjernerne Solen, α-centauri A og α-centauri B, ud fra lysspektre. Ud fra analysen skal stjernernes brintindhold, alder, radius og masse bestemmes. Teori Teorien er hentet fra artiklen Observationer af stjerneskælv af Hans Kjeldsen og Tim Bedding. Man kan sige en del om Jorden ud fra forholdene på overfladen. Mange af forholdene er ikke direkte forbundet til den indre del af Jorden, men for at forstå fænomener som Jordskælv og vulkanudbrud er man nødt til at vide hvad der ligger under Jordens overflade. Omvendt kan man også sige noget om forholdene under Jordens overflade ud fra observationer af førnævnte fænomener. Denne tankegang er da også nyttig for at studere astronomiske legemer. Det viser sig nemlig, at stjerner skælver og, at man ved at observere disse skælv kan sige noget om forholdene i himmellegemets indre. Hvorfor opstår der skælv? Som sagt er skælvene et udtryk for forholdene på Solen. Hvis man betragter Solen som en kugle af gas, vil man forvente at der vil opstå svingninger svarende til lydbølger i Jordens atmosfære (blot med en meget anderledes hastighed). Disse svingninger kan permeere dybt ind i Solens indre. Således har faktorer som densiteten, temperaturen og brintindholdet en effekt på karakteren af svingningerne. Ved at observere disse bølger kan førnævnte forhold bestemmes. Mængden af brint og radius af stjernen kan desuden bestemmes når disse forhold kendes. Strukturen af svingningerne beskrives ved hjælp af parametrene l, m og n. n beskriver antallet af bølger ind i stjernen og l og m bestemmer karakteren af bevægelsen på overfladen, ligesom længde og breddegrader bestemmer position på Jorden. l beskriver antallet af ordner rundt på overfladen af stjernen og derved vil lave værdier af l beskrive bølger der permeerer dybt ind i Solens indre. Disse er således specielt interessante for dette forsøg. m (azimutalgraden) er ikke interessant for dette forsøg. De data man får fra observationen af stjernerne består af en baggrund som kommer fra bevægelsen af hele stjernen, samt enkeltstående svingninger, som kommer fra de svingninger, der opstår på Solens overflade. For at kunne analysere dataene er man interesseret i at sætte dem op i et koordinatsystem som brøkdelen af den totale lysstyrke fra stjernen som funktion af frekvensen for svingningen. Der skal således fouriertransformeres, og specifikt vælges algoritmen FFT (Fast Fourier Transformation). Side 3 af 13

FFT Fouriertransformationen betragter en sum af harmoniske svingninger, og integrerer, groft sagt, lysstyrken op over en svingning for en given frekvens. Resultatet bliver et diagram med en top, hvor størrelsen af toppen afhænger af antallet og amplituden af svingningerne med en given frekvens og dens position på 1.- aksen afhænger af den frekvens den svinger med. Til matlab anvendes funktion fft, som netop udfører fouriertransformationen for et sæt af harmoniske svingninger. FFT anvender den specifikke struktur af Fouriermatricen til at omskrive processen, således at man reducerer fouriermatricen til en matrice bestående af fouriermatricer af lavere grad. Dette reducerer kraftigt antallet af beregninger, specielt hvis man har mange datapunkter. Selve Forsøget I praksis er det lidt mere kompliceret at bestemme svingningerne. Da der ikke er noget medium for lydbølgerne at bevæge sig mellem Solen og Jorden, kan man ikke måle på lydbølgerne direkte. Derimod kan der kigges på ændringer i absorptionsspektret for stjernen og så via dopplereffekten relatere dette til frekvensen af svingningen. Fra stjerner langt væk er det ret svært at optage gode data, da det lys vi modtager interferer stort set i et punkt, hvorimod man uden problemer kan se forskel på de forskellige dele af lyset på Solen. Det kræver meget gode teleskoper at betragte stjerner længere væk. Lyset kan bearbejdes af specielle teleskoper der kan se det lys man er interesseret i. Til bestemmelsen af massen og brintindholdet skal der bruges både den lille og den store opsplitning. Til dette formål kigges der på den asymptotiske formel: δv ( 4l ) D0 nl = vnl vn 1l + 2 + 6 Hvor er den lille opsplitning for en given l, og er en parameter der er følsom overfor forholdene nær stjernens kerne. Her har man at gøre med værdier af l på 0 til 1, så man får ved at omarrangere for hhv. l=0 og l=1: Side 4 af 13

Da er den samme, betyder det altså at der er to forskellige små opsplitninger. I praksis passer udtrykkene ikke helt, da den asymptotiske formel kun er anvendt på approksimeret form, men faktum er, at der vil være to forskellige små opsplitninger, så dette tages der hensyn for i analysen af spektrummet. Der er speciel interesse i da denne anvendes til at bestemme massen samt brintindholdet (men i princippet kunne man lige så godt vælge m og derved δ v13 ). Eksperimentelt har man bestemt en stjernes egenskaber ved følgende formler: Hvor T er stjernens alder i milliarder af år, X er brintindholdet og M er massen af stjernen målt i enheder af solens masse. Desuden anvendes følgende relation til bestemmelse af stjernens radius: δ v 0 = 135µHz M 3 R Hvor R og M er hhv. radius og masse af stjernen målt i enheder af hhv. Solens radius og Solens masse og er den store opsplitning. Resultater Som resultater anvendes de udleverede data fra hjemmesiden http://www.phys.au.dk/~hans/fysik/data.htm Databehandling Dataene indlæses og behandles i matlab. Side 5 af 13

Fouriertransformation Først fouriertransformeres dataene. Dette gøres ved hjælp af matlabs indbyggede funktion fft. Dette resulterer i et datasæt som plottes. Resultatet for Solen ses nedenfor. Lignende spektre optages for α- Centauri A og B Ovenfor ses powerspektret for Solen efter fouriertransformation. Plottet viser svingningsstyrken som funktion af frekvensen for svingningen. Den store og en af de små opsplitninger er også medtaget på plottet. Spektrumanalyse De store og små opsplitninger ( ) er bestemt ved analyse af powerspektret for hver af de tre stjerner. Eksempelvis vil et plot for α-centauri A over den store og den lille opsplitning som funktion af frekvensen se således ud: Side 6 af 13

Ovenfor ses den lille og den store opsplitning som funktion af frekvensen for α-centauri A. På grafen til venstre er det gennemsnittet af de to små opsplitninger, der er plottet som funktion af frekvensen. Ud fra dette bemærkes det, at der ikke er den store forskel på de to opsplitninger. Det ses, at de to grafer med opsplitninger ligger tilnærmelsesvis på linje, hvilket betyder at vores aflæsning af dataene har været god. Dataarbejde Middelværdien for de store og små opsplitninger bestemmes til: Middelværdi af Sol α-cen A α-cen B δv 0 1.36E-04 1.05E-04 1.61E-04 δv 02 1.08E-05 7.00E-06 1.12E-05 δv 13 8.29E-06 1.11E-05 1.74E-05 Middelværdien af de to små opsplitninger og den store opsplitning for hver af de tre stjerner. Ud fra den store opsplitning kan stjernens masse og brintindhold bestemmes ved følgende graf, idet vi plotter to streger langs akserne, hvor førsteaksen er den store opsplitning og andenaksen er den lille opsplitning( δ v02 ). Side 7 af 13

Her ses bestemmelsen af masse og brintindhold af stjernerne. De forskellige farver svarer til farverne i skemaet ovenover diagrammet. Diagrammet er hentet fra http://www.phys.au.dk/~hans/fysik/cd-diagram.jpg Fra diagrammet fås følgende data: Stjerne Masse Radius Brint Alder Solen 1,04M 1,01R 42% 4,66Gyr α-cen A 1,17M 1,24R 24% 4,10Gyr α-cen B 0,92M 0,87R 45% 4,59Gyr I skemaet ses massen, beregnet radius, brintindhold og beregnet alder for hver af de tre stjerner. Alder og radius af stjernene er bestemt ved anvendelse af formlerne fra teoriafsnittet: Side 8 af 13

For solen vil beregningerne se ud som følger: 10 14,3 0,4 T = 4, 66Gyr ( 1,02 ) 3 = R = 1,04 1 3 2 3 135µ Hz 136µ Hz = 1,01 Tilsvarende beregninger laves for de to andre stjerner. Vurdering Efterfølgende kan man da efterprøve disse målinger med nogle andre, hvis powerspektrum ikke nødvendigvis ser fuldstændig indentisk ud. Benyttes følgende datasæt til at bestemme den store og den lille opsplitning, kan det ses om Solens powerspektre er entydige, på trods af at powerspektret for følgende ikke umiddelbart ligner den første fra Solen. A GOLF data: Solen: T=7 døgn, sampling: 80 sec (datasæt 1) GOLF data #1: T=30 dage, sampling: 80 sec. (datasæt 2) GOLF data #2: T=30 dage, sampling: 80 sec. (datasæt 3) Datasæt δv 0 δv 02 Solmasser Brintindhold Alder Radius 1 1,36E-04 1,08E-05 1,04 42% 4,66 Gyr 1,01 2 1,36E-04 9,83E-06 1,03 39% 4,05 Gyr 1,00 3 1,35E-04 1,00E-05 1,02 40% 4,03 Gyr 1,00 Side 9 af 13

I tabellen ses en oversigt over resultaterne for analyse af powerspektrum fra solen med tre forskellige datasæt. Det ses at disse datasæt stemmer meget godt overens. Afvigelserne på den store og den lille opsplitning i tabellen ovenfor er meget små. Ud fra disse afvigelser, kan et skøn på afvigelsen af alder, radius, masse og brintindhold dog ikke angives, da disse størrelser er baseret på aflæsning af en graf. Følgende grafer angiver præcisionen af den lille opsplitning. De to ovenstående plots består hver især af to datasæt som er den lille opsplitning for l = 1 skaleret med 1/6 og den lille opsplitning for l = 0 skaleret med 1/10, dvs. D 0. Som det blev nævnt i teorien burde der ikke være eksakt overensstemmelse, men det passer dog alligevel rimeligt overens, hvilket indikerer at dataene er gode. En oversigt over D 0 værdierne ses i nedenstående skema. Det bemærkes, at der er en meget lille relativ afvigelse på værdierne bortset fra den første værdi (se fejlkilder for forklaring på denne afvigelse). Da den relative afvigelse på de to beregnede værdier for D 0 fortæller omkring præcisionen på aflæsningerne af de to små opsplitninger, må disse siges at være udført med stor nøjagtighed og behøver derfor ikke nogen justering for at optimere resultatet. Sol 1 Sol 2 Sol 3 α-cen A α-cen B Side 10 af 13

D 02 1.38E-06 1.64E-06 1.67E-06 1.17E-06 1.87E-06 D 13 1.08E-06 1.67E-06 1.68E-06 1.11E-06 1.74E-06 Relativ afvigelse fra D 02 21.6% -1.7% -1.0% 4.5% 6.8% Oversigt over beregnede værdier for D 0 for de forskellige stjerner. For at danne et overblik over, hvor præcis målingerne, og udregningerne med den store opsplitning er, er nedenfor lavet såkaldte Echelle-diagrammer for alle tre stjerner. Diagrammerne er lavet ved at plotte den store opsplitning som funktion af modulus af samme. Dermed fremkommer to grafer for hver stjerne. Hvis disse to grafer med god tilnærmelse er lodrette siges den store opsplitning at være præcis nok til, at der ikke skal ændres på denne. Hvis det derimod viser sig, at graferne hælder til den ene side, så skal den store opsplitning justeres for at få graferne tilbage til at være lodrette. Dermed opnås et bedre resultat af den store opsplitning. Echellediagram over den store opsplitning for Solen. Den store opsplitning er plottet som funktion af modulus til samme. På echellediagrammet for Solen bemærkes det, at de to grafer er tilnærmelsesvis lodrette og dermed er det ikke nødvendigt at justere på værdien for den store opsplitning. Resultaterne bliver dermed optimale. Tilsvarende echellediagrammer fås for de to andre stjerner. Side 11 af 13

Fejl og usikkerheder Som mål for usikkerhederne på dataene anvendes et skøn og spredning på den store og den lille opsplitning. Som et skøn anvendes middelværdien af datapunkterne og standardafvigelsen udregnes med matlabs std funktion. Stjerne Skøn/Hz Afvigelse/Hz Afvigelse i % Solen 1.3593E-4 3.22E-6 2.4% α-cena 1.0536E-4 5.37E-6 5.1% α-cenb 1.612E-004 2.78E-5 17% I tabellen ses en oversigt over den store opsplitning for hver stjerne og deres standardafvigelse. Som man kan se er dataene fra Solen klart bedst. α-centauri A er rimelig god, men α-centauri B kunne godt have været bedre. Årsagen til de dårlige data kunne være at A overskygger B pga A s større lysstyrke. Der vil desuden være mere støj på α-centauri i forhold til Solen, da de er længere væk, og dataene er optaget fra et teleskop inden for jordens atmosfære. I det tidligere afsnit blev det bemærket, at der var en afvigelse på den beregnede værdi for D 0 for det første sæt data til Solen. Dette kan skyldes, at det første datasæt kun er taget over en tidsperiode på syv døgn, mens de resterende er taget over en tidsperiode på tredve døgn og dermed opnås en større præcision på datasættet. Konklusion Ved analyse af svingningsobservationer på overfladen af stjerner er det blevet muligt at fortælle om de indre forhold af stjernen, der observeres. Vi har i forbindelse med dette projekt fundet frem til massen, radius, brintindhold i kernen og alderen på tre forskellige stjerner inklusiv vores egen lokale stjerne, som vi yderligere kender meget store detaljer omkring. Med disse resultater er formålet med øvelsen opfyldt og forsøget er dermed lykkedes. Side 12 af 13

Det bemærkes desuden, at alderen for α-centauri A og B inden for usikkerhederne i forsøget, er meget tæt på hinanden. Da vi ved, at α-centauri systemet er et triplestjernesystem bør alderen på stjernerne være tæt på hinanden. Ud fra usikkerhederne i dette forsøg er alderen på disse to stjerner også tæt nok på hinanden til, at vi kan konkludere, at dette stemmer godt overens med virkeligheden. Side 13 af 13