AGA414 Radiação. Prof. Jorge Meléndez

Transcrição

1 AGA414 Radiação Fótons e outros mensageiros. Espectros astrofísicos, contínuo e linhas. Aspectos das medidas: posição, intensidade/fluxo, variabilidade, resolução espacial, resolução espectral, cobertura espectral, polarização, S/N. Prof. Jorge Meléndez 1

2 Photon astronomy Most astrophysics is based on photons (electromagnetic waves) Gemini North VLA HST Compton gamma-ray observatory 2

3 Electromagnetic spectrum Wavelength Frequency Energy From Astronomy Methods, H. Bradt 3

4 Wavelength (λ), Frequency (ν), Energy (E) λν = c c : speed of light in a vacuum, c = m/s m/s - 1 μm = Å (infrared/optical) - 1 nm = 10 Å (x ray) - Wavenumber σ = 1/λ vacuo (usually in cm -1 ) - Angular wavenumber k = 2p/λ E = hν (J) h = J s (Planck constant) - 1 ev = J From Astronomy Methods, H. Bradt 4

5 Multi-wavelength Astronomy HOT short wavelength COLD long wavelength 5

6 Continuous (optical) spectrum Line spectrum Infrared spectrum William Herschel (1800) Newon (1666) Fraunhofer (1817) 574 lines Emission spectrum John Herschel (son of William) and W.H. Fox Talbot (1826) Wollaston (1802) 7 lines

7 A Spectrum: Flux (or Intensity) vs. Wavelength Emission lines Continuum Absorption lines

8 Fluxo e Intensidade 8

9 Ângulo Sólido ângulo subtendido por um objeto de área A a uma distância r. = A/r 2

10 Ângulo Sólido = r 2 sendd d = da /r 2 d = sen d d Carroll & Ostlie, Introduction to Modern Astrophysics

11 Carroll & Ostlie, Introduction to Modern Astrophysics Intensidade específica I d = I d I dadd lim dt I : energia através de uma A à radiação (dacos), por unidade de d, por unidade de intervalo de frequencia (d), por unidade de tiempo (dt). I (erg cm -2 sr -1 Hz -1 s -1 ), I (erg cm -2 sr -1 Å -1 s -1 ) 0 cos E dadd dt

12 Radiação de corpo negro E = h = h/c Corpo Negro: Emissor ideal (absorve toda a energia incidente) 2hc 2 1 I B (T) 5 e ( hc/ kt ) 1 Carroll & Ostlie, Introduction to Modern Astrophysics

13 CMB: black body quase perfeito I B (T) 2hc 5 2 e 1 ( hc/ kt ) 1

14 Sun: center of the disk Fig. 1: Spectral intensity of the solar disk-center radiation in W m -3 ster -1 vs. wavelength in nm. The range λλ is the common for both series of the measurements (UV and visible, 1989: Burlov-Vasiljev et al. 1995; IR, 1992: Burlov-Vasiljev et al. 1997). The dotted curve corresponds to Neckel and Labs (1984). 14

15 Sun center-disk variation 15

16 Fonte resolvida: medida de intensidade específica Fonte não-resolvida: medida de fluxo Carroll & Ostlie, Introduction to Modern Astrophysics

17 Fluxo F F dad E dt F : energia que atravessa uma área (da), por unidade de comprimento de onda (d), por unidade de tempo (dt). F (erg cm -2 Hz -1 s -1 ), F (erg cm -2 Å -1 s -1 ) I cos E dadd dt F I cosd Carroll & Ostlie, Introduction to Modern Astrophysics

18 t A E I d d d d cos entra = 0 sai p p d d d F sin cos cos I I p p p p p d d d d F sin cos sin cos / / I I Carroll & Ostlie, Introduction to Modern Astrophysics

19 Considerando apenas a radiação de dentro para fora: Se I não tem dependencia com o ângulo azimutal (): E se I é independente do ângulo : F = p I p p d d F sin cos 2 / I p p d d F sin cos 2 / I p p d F sin cos 2 2 / 0 I

20 Aproximando uma estrela por um corpo negro, I = B Isto é, podemos aproximar o fluxo emitido na superficie da estrela por: F = p B

21 Fluxo e Luminosidade Luminosidade : energia total por unidade de tempo Fluxo : Luminosidade por unidade de área 21

22 O Fluxo (energia/área) não é constante: inversamente proporcional ao quadrado da distância

23 Fluxo Solar Superficial É a potência emitida por unidade de área do Sol. L R F R A Superficial = 4 p R 2 F R = L / (4 p R 2 )

24 Fluxo Solar à distância d É a potência medida por unidade de área a uma distância d do centro do Sol. A Expandida = 4 p d 2 L R d L: luminosidade F = F d = L / (4pd 2 )

25 Variação do Fluxo em função da distância d F d = L / (4pd 2 ) A Expandida = 4 p d 2 F R = L / (4pR 2 ) R d F d / F R = R 2 / d 2 F d. d 2 = F R. R 2

26 Aproximando uma estrela por um corpo negro, I = B Ou seja, o fluxo emitido na superficie da estrela (raio R): F = p B Então, o fluxo f a uma distância d: f = (R/d) 2 F = (R/d) 2 p B

27 Exemplo. Fluxo emitido na superficie do Sol (5777K): F = p B Lambda[Å] Fluxo na superficie do Sol π*b [erg/(cm 2.s.Å)] , , ,8 B (T) 2hc Sun 1UA [erg/(cm 2.s.Å)] 5 2 e 1 ( hc/ kt ) Fluxo a 1 U.A. (irradiância espectral) Sun 1UA [Watts / (m 2.nm)] 1,36E+02 1,361 1,70E+02 1,701 1,75E+02 1,754 1

28 Fluxo do Sol a 1 U.A. (irradiância espectral) F Comprimento de onda (nm) 28

29 Fluxo total a 1 U.A. (constante solar) F Comprimento de onda (nm) 29

30 Fluxo Temperatura efetiva (T eff ): a temperatura correspondente a um corpo negro com o mesmo fluxo total F (na superficie da estrela) F Teff 4 Lei de Stefan Boltzmann para um corpo negro Comprimento de onda (nm) 30

31 Fluxo da estrela 56 Ari Observações Modelos de atmosfera 31

32 Polarização 1669: Bartholinus discovers double refraction in calcite 32

33 Polarização devida a envoltorios ou discos 33

34 Aglomerado NGC 4755 observado com o polarímetro do IAG Marcelo Rubino 34

35 Non-photon astronomy Cosmic rays Solar system bodies + pre-solar dust grains Neutrinos Gravitational waves 35

36 Cosmic rays Matter (mostly p+ and heavier atomic nuclei) at high energies Galactic CR change direction due to F = q(v B) Some CR are very energetic (SN, AGN?) 36

37 Cosmic rays composition Li, Be, B are originated in cosmic rays!!! 37

38 Solar system bodies (e.g. Meteorites) and pre-solar dust grains 38

39 Adaptado de slide da Profa. Claudia (INPE) (e.g. proper motions, planets, parallax) Fluxo, (e.g. temperatures, stellar Populations, photometric redshift) (e.g., variable stars, microlensing, SN) (black Galactic center) (aim is to achieve maximum coverage and in some cases max spectral resolut.) (important to study different physical processes and geometry) 39

40 Espaço de parâmetros observacionais Wavelength coverage (+ spectral resolution) Flux or Intensity (absolute + relative) Spatial Resolution (+ absolute positions) Temporal Resolution (+ time series) Polarization 40 From Nordsieck (1996)