Univerza v Ljubljani Fakulteta za matematiko in fiziko Lastno gibanje zvezd Primoˇz Cigler, Andrej Breˇsan, Andrej Dvornik, Luka Moˇcivnik, Bor Kavˇciˇc, Filip Agati´c 29. julij 2010 Povzetek Lastno gibanje zvezde je meritev spremembe njene lege na nebu skozi ˇcasovno obdobje, ko se izkljuˇcijo vsa nelastna gibanja, kot radialna hitrost zvezde (gibanje stran ali proti opazovalcu), ter premikanje zaradi geometriˇcne paralakse. Lastno gibanje se meri v tisoˇcinah loˇcnih sekundah na leto, kar se pozneje da prevesti kot spreminjanje deklinacije in rektascenzije skozi ˇcasovno obdobje. Tako vidimo, da zvezda spreminja svoj poloˇzaj na nebu. Lastno gibanje je pomembno za doloˇcitev razdalj do zvezdnih kopic, ter za odkrivanje ˇcrnih lukenj (npr. v srediˇsˇcu naˇse galaksije). Projekt smo naredili s pomoˇcjo teleskopa VEGA, s katerim smo posneli fotografije nekaterih zvezd in nato izvedli astrometrijo (doloˇcili natanˇcne poloˇzaje zvezd). Uporabili smo starejˇse posnetke in iz dobljenih podatkov izraˇcunali lastno gibanje zvezd. 1 Kazalo 1 Teoretiˇ cne osnove 1.1 Astrometrija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Razlogi za lastno gibanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Raˇcunanje lastnega gibanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 4 6 2 Opazovanja ˇ 2.1 Casovni pregled poloˇzaja nekaterih izmed opazovanih zvezd . . . . . . . . . . . . 7 8 3 Izraˇ cuni 11 4 Zakljuˇ cki in ugotovitve 13 2 1 1.1 Teoretiˇ cne osnove Astrometrija Astrometrijo razumemo kot vedo znotraj astronomije, ki se ukvarja z doloˇcanjem koordinat nebesnih teles. To pomeni, da se ukvarja z legami in razdaljami teles s katerimi imamo opravka, ter s spremembami njihovega poloˇzaja. Te so lahko navidezne, ki jih opazujemo z Zemlje ali prave spremembe lege v prostoru zaradi lastnega gibanja teles. Zaˇcetnik astrometrije je Hiparh, ki je prvi sestavil katalog vidnih zvezd in uvedel lestvico navideznega sija, ki je osnova danaˇsnje lestvice. Zaˇcetnik sodobne astrometrije je Friedrich Wilhelm Bessel, ki je navedel lego 32222 opazovanih zvezd. Astrometrija je v opazovalni astronomiji uporabna za doloˇcanje narave nebesnih teles na podlagi njihovega gibanja. Pomembna je tudi za doloˇcevanje ˇcasa, saj je ta povezan z vrtenjem Zemlje okoli svoje osi in okoli Sonca in se ga doloˇca na podlagi natanˇcnih opazovanj. Uporabna je tudi pri doloˇcanju kozmiˇcnih razdalj z uporabo metode paralakse. Primer uporabe astrometrije je tudi odkrivanje asteroidov, ki se lahko nevarno pribliˇzajo Zemlji, pa tudi tistih v asteroidnem pasu. V novejˇsem ˇcasu je priˇsla v uporabo tudi pri odkrivanju izvensonˇcnih planetov. Meri se namreˇc odstopanja navideznega sija analizirane zvezde in spremembe njene lege zaradi gibanja sistema okoli skupnega teˇziˇsˇca. Astrometriˇcne meritve se uporabljajo tudi v astrofiziki pri merjenju hitrosti pulzarjev za ugotavljanje nesimetrij v eksplozijah supernov in za doloˇcanje koliˇcine temne snovi v galaksijah. 3 1.2 Razlogi za lastno gibanje Lastno gibanje opazimo kot spreminjanje deklinacij in rektascenzij zvezd, kar pomeni, da zvezde !" spreminjajo svoj poloˇzaj na nebu, oziroma spreminajo svoj poloˇzaj glede na druge zvezde, ter " # $ # ostale objekte na nebu. Do tega pojava pride, ker zvezde ne mirujejo, ampak se gibljejo okoli % ! $% srediˇ sˇca galaksije, pri tem obiˇcajno dosegajo hitrosti do nekaj sto km/s, relativne hitrosti v " & primerjavi s Soncem so ustrezno manjˇse in dosegajo do nekaj deset km/s. Seveda se vse zvezde # ne gibljejo popolnoma v isti smeri okrog galaktiˇcnega centra. Na lastno gibanje torej ne vpliva prava hitrost zvezde v celoti ampak le njena tangentna komponenta, ter razdalja do zvezde, # # ki jo! #'( opazujemo (z merjenjem dopplerjevega premika lahko dobimo tudi radialno komponento vektorja hitrosti, ki jo vektorsko seˇstejemo z tangentno, da dobimo pravo hitrost zvezde) - slika )" % " 1. Poslediˇ cno imajo zvezde bliˇzje Soncu veˇcje lastno gibanje, kot tiste, ki so bolj oddaljene, # #!"!" saj '*+ # le te lahko z enako veliko hitrostjo v krajˇsem ˇcasu oriˇsejo veˇcji kot, na nebu - slika 15. To seveda ne drˇzi popolnoma, saj zvezda s pravo hitrostjo, ki leˇzi na zveznici s Soncem ne bo imela % % lastnega gibanja, ne glede na to kako blizu Sonca je (prav tako na svetlobo zvezde, ki potuje % popolnoma pravkotno na zveznico s Soncem dopplerjev premik ne bo uˇcinkoval) - slika 3 in " ', -." slika 4. Obiˇcajno je velikost lastnega gibanja za bliˇznje zvezde okrog ene loˇcne sekunde na leto, " "/ (0" # najveˇcje (Barnardova zvezda) pa je pribliˇzno 10 loˇcnih sekund na leto. Legenda k slikam: %1 2' φ lastno gibanje '# v prava hitrost ' vr radialna komponenta hitrosti ' # v tangentna komponenta hitrosti t %(1 #" 1 2 3 % Slika 1: Komponente hitrosti pri obiˇcajnem gibanju zvezde. 4 %*1 #" ## 1 %*1 #" ## 1 * ( 2 ( * ( 2 2 5 ( ( * * 5 ( 2 * % % * 3( 3* 3( 3* Slika 2: Gibanje dveh razliˇcno oddaljenih zvezd, ki se gibljeta z isto hitrostjo v isti smeri. %,1 % 1 250 5 250 5 %,1 % 1 % % %-14 1 50 50 3 3 %-14 1 Slika 3: Gibanje zvezde, katere tir gibanja leˇzi na zveznici s Soncem. 5 5 2 % 2 50 3 50 % 3 5 % 3 %-14 1 5 2 50 % 3 Slika 4: Gibanje zvezde, katere tir gibanja leˇzi pravokotno na zveznico s Soncem. 1.3 Raˇ cunanje lastnega gibanja Za izraˇcun lastnega gibanja potrebujemo minimalno tri osnovne podatke o dotiˇcni zvezdi. Poznati moramo natanˇcen poloˇzaj v trenutku, ko zvezdo opazujemo in natanˇcen poloˇzaj na nek starejˇsi datum, ter ˇcasovno razliko med opazovanji. Poloˇzaj je seveda podan v standarnih koordinatah, v obliki parov rektascenzije in deklinacije. Vzemimo na primer, da na dan opazovanja poznamo rektascenzijo neke zvezde in jo imenujmo α2 ter deklinacijo δ2 . Prav tako poznamo tudi rektascenzijo (α1 ) in deklinacijo (δ1 ) za starejˇsi datum. Iz tega lahko izraˇcunamo spremembo rektascenzije in deklinacije v kotnih sekundah (minutah, stopinjah, najpogosteje pa v mili loˇcnih sekundah (mas)). Pred raˇcunanjem vse podatke za rektascenzijo pretvorimo v pravilno obliko. Privzeti smemo tudi, da je takˇsno gibanje enakomerno. Lastno gibanje v smeri rektascenzije in deklinacije se tako izraˇcuna: µα = α2 − α1 t (1) in δ2 − δ1 (2) t Skupno velikost lastnega gibanja pa dobimo z vektorskim seˇstevanjem komponent lastnega gibanja v smeri rektascenzije in deklinacije. µδ = µ2 = µ2δ + µ2α · cos2 δ (3) Popravek cos δ (δ = trenutna deklinacija zvezde) je v enaˇcbi upoˇstavan zaradi tega, ker se radij nebesne krogle od severnega in juˇznega nebesnega pola spreminja enako kot cos δ (najveˇcji je na ekvatorju, niˇc na polih). Tako je komponenta hitrosti, ki je vzporedna hitrosti na ekvatorju manjˇsa, bliˇzje kot je objekt nebesnemu polu. Zvezde, ki imajo enako lastno gibanje v rektascenziji imajo tako drugaˇcno pravo hitrost, ki je odvisna od njihove lege na nebu. 6 2 Opazovanja Opazovanja za naˇs projekt smo izvedli na Astronomsko-geofizikalnem observatoriju Golovec s pomoˇcjo teleskopa VEGA. Za ta namen smo si izdelali seznam desetih zvezd z velikim lastnim gibanjem, ki smo ga nato na dan opazovanja prilagajali glede na zmoˇznosti teleskopa, zastrtosti zvezd z oblaki in presvetlosti nekaterih zvezd. Prvih nekaj rezerviranih dni je bilo veˇcinoma oblaˇcno, zato smo opazovali ˇsele 24.5.2010 med 22:00 in 01:00. Tudi na ta dan vreme ni bilo ravno najboljˇse (visoka oblaˇcnost, ob koncu opazovanja tudi rahel deˇz). Najprej smo posneli kalibracijske posnetke (dark in bias). Vsako zvezdo iz seznama smo poslikali z veˇcimi ekspozicijami, ki so se razlikovale po ˇcasu osvetlitve, kar nam je kasneje omogoˇcilo, da smo izbrali takˇsno, kjer zvezde niso preˇzgane in da nam ostane ˇse vedno dovolj temnejˇsih zvezd iz ozadja. Pred CCD kamero je bil ves ˇcas nameˇsˇcen filter V (visual - zajemali smo vidno svetlobo).1 Pri opazovanjih nam je pomagal demonstrator Teo Moˇcnik. Nato smo se lotili dela v raˇcunalniˇski uˇcilnici, kjer smo najprej obdelali vse fotografije. Povpreˇcili smo bias posnetke in jih odˇsteli od dark posnetkov. Nato smo te dark posnetke povpreˇcili in nato od vseh fotografij zvezd odˇsteli povpreˇcene bias ter povpreˇcene dark posnetke. Flat posnetkov nismo imeli.2 Tako smo se efektivno znebili ˇsuma na fotografijah. Nato smo izbrali najboljˇso fotografijo vsake zvezde in izvedli astrometrijo, t.j. doloˇcili natanˇcne poloˇzaje naˇsih zvezd. Program poiˇsˇce zvezdne vzorce iz obstojeˇcih zvezdnih katalogov (SIMBAD, USNO, ...), ki jih ˇse malenkost popravimo, da se zvezde natanˇcno ujemajo. Nato izberemo natanˇcno srediˇsˇce zvezde in izpiˇsejo se podatki za rektascenzijo in deklinacijo. Te podatke smo nato uporabili za raˇcunanje lastnega gibanja.3 1 Za doloˇcanje poloˇzajev zvezd je dovolj, da posnamemo zvezdo v vidni svetlobi bodisi preko filtra ali pa tudi brez. 2 Na samo kakovost fotografije to precej vpliva, saj so tako posnetki v centru bolj svetli kot na robu (vinjetiranje), vendar to ne pokvari naˇsih podatkov. Iz fotografije moramo doloˇciti samo poloˇzaje zvezd, ne pa tudi pravilno svetlobno reprodukcijo na celotnem polju, ki ga zajame CCD detektor. 3 Uporabili smo programa IRIS in Astrometrica. IRIS omogoˇca obdelavo astronomskih fotografij (odstranjevanje ˇsuma, zlaganje fotografij glede na zvezdne vzorce), Astrometrica pa dela najboljˇse kar zna - astrometrijo). 7 2.1 ˇ Casovni pregled poloˇ zaja nekaterih izmed opazovanih zvezd Slika 5: Barnardova zvezda leta 1957. POSS-1) (Vir: Slika 7: Barnardova zvezda na dan 24.5.2010. Slika posneta s pomoˇcjo teleskopa VEGA. 8 Slika 6: Barnardova zvezda leta 1980. POSS-2) (Vir: Slika 8: Zvezda G 12-16 leta 1957. (Vir: POSS1) Slika 9: Zvezda G 12-16 leta 1980. (Vir: POSS2) Slika 10: Zvezda G 12-16 na dan 24.5.2010. Slika posneta s pomoˇcjo teleskopa VEGA. Slika 11: Zvezda G 121-59 leta 1957. POSS-1) Slika 12: Zvezda G 121-59 leta 1980. POSS-2) (Vir: 9 (Vir: Slika 13: Zvezda G 121-59 na dan 24.5.2010. Slika posneta s pomoˇcjo teleskopa VEGA. Slika 14: Prikaz premika Barnardove zvezde v obdobju triinpetdesetih let. 10 3 Izraˇ cuni Na podlagi dobljenih podatkov iz opazovanj smo izraˇcunali lastno gibanje sledeˇcih zvezd. V tabeli so podani vsi podatki za leto 1950/1957 in za leto 2010, izraˇcuni (rezultati), ter primerjava s podatki iz zvezdnega kataloga. V prvih dveh tabelah, smo za starejˇse podatke uporabili SIMBAD, v drugih dveh tabelah pa smo koordinate izraˇcunali na starejˇsih fotografijah4 (na katerih je to bilo moˇzno) seveda z enakim postopkom, kot smo ga uporabili za lastne fotografije. ime/oznaka zv. Barnardova zv. G 121-59 G 12-16 LHS 348 LTT 14911 NLTT 24030 NLTT 44654 Sigma Volarja ↑ h 17 12 12 13 16 10 17 14 Ra 1950 min s 55 22,21 6 39,44 3 26,72 9 32,44 28 50,16 17 13,39 19 12,57 32 30,14 h 17 12 12 13 16 10 17 14 Lastno gibanje v rektascenziji Ra 2010 ∆ Ra vRa min s h min s mas/y 57 48 0 2 25,3 160,92 9 13,32 0 2 33,9 160,92 6 1,13 0 2 34,4 165,77 11 52 0 2 19,6 136,79 30 14,8 0 1 24,6 62,85 19 59 0 2 45,6 172,81 20 34 0 1 21,4 60,26 30 41 0 -1 -49,1 -105,06 vRa (SIMBAD) mas/y -798,71 201,98 243,87 -801,95 -93,86 306,4 207,18 188,32 ∆ vRa mas/y -959,64 41,06 78,1 -938,74 -156,71 133,59 146,92 293,38 r vRa % 120,15 20,33 32,02 117,06 166,96 43,6 70,91 155,79 5 ime/oznaka zv. Barnardova zv. G 121-59 G 12-16 LHS 348 LTT 14911 NLTT 24030 NLTT 44654 Sigma Volarja ime/oznaka zv. G 121-59 G 12-16 LTT 14911 NLTT 44654 ime/oznaka zv. G 121-59 G 12-16 LTT 14911 NLTT 44654 4 5 [o ] 4 19 14 28 48 20 48 29 h 12 12 16 17 [o ] 19 14 47 48 dec 1950 [’] [”] 33 14,1 44 59,5 55 53,2 7 52 3 47,6 5 40,4 14 14,3 57 41,2 Ra 1957 min s 7 12.6 6 00.46 30 15,62 20 32,67 dec 1957 [’] [”] 28 17,10 39 12,4 57 24,8 11 32,67 [o ] 4 19 14 27 47 19 48 29 Lastno gibanje v deklinaciji dec 2010 ∆ dec vdec [’] [”] [o ] [’] [”] mas/y 43 24 0 10 9,9 10165 28 0,4 0 -16 -59,1 -16985 38 53,4 0 -16 -59,8 -16996,67 52 51 0 -15 -1 -15016,67 57 5 0 -6 -42,6 -6710 50 28 0 -15 -12,4 -15206,67 11 20 0 -2 -54,3 -2905 44 43 0 -12 -58,2 -13000 h 12 12 16 17 [o ] 19 14 47 48 Lastno gibanje Ra 2010 min s h 9 13,32 0 6 1,13 0 30 14,8 0 20 34 0 v rektascenziji ∆ Ra vRa min s mas/y 2 0,73 34170 0 0.67 190 0 0,81 -230 0 1.34 380 Lastno gibanje v deklinaciji dec 2010 ∆ dec vdec [’] [”] [o ] [’] [”] mas/y 28 0,4 0 0 -16.7 -320 38 53,4 0 0 -19,08 -360 57 5 0 0 -19,61 -370 11 20 0 0 2,65 50 Vir: POSS1 Upoˇstevan popravek cos δ 11 vdec (SIMBAD) mas/y 10337,77 -287,28 -291,38 882,68 -275,89 -160,8 -3,35 132,72 vRa (SIMBAD) mas/y 201,98 243,87 -93,86 207,18 vdec (SIMBAD) mas/y -287,28 -291,38 -275,89 -3,35 ∆ vdec mas/y 172,77 16697,72 16705,29 15899,35 6434,11 15045,87 2901,65 13132,72 ∆ vRa mas/y -33968.02 53.87 136,14 -172,82 ∆ vdec mas/y 32,72 68,62 94,11 -53,35 r vdec % 1,67 5812,35 5733,16 1801,26 2332,13 9356,88 86616,42 9895,06 r vRa % 16817.5 22,1 145 83,4 r vdec % 11,39 23,55 34,1 1592,5 4.74 Koordinate 4.72 Deklinacija [decimalne locne stopinje] 4.7 4.68 4.66 4.64 4.62 4.6 4.58 4.56 4.54 17.92 17.925 17.93 17.935 17.94 17.945 17.95 17.955 17.96 17.965 Rektascenzija [decimalne locne ure] Slika 15: Graf poloˇzaja Barnardove zvezde med leti 1950 in 2010. Za leto 2010 smo uporabili podatek iz lastnih posnetkov. Naˇs podatek se v deklinaciji ne razlikuje dosti od resnice, je pa podatek za rektascenzijo obˇcutno izven poteka starejˇsih podatkov. Iz grafa se tudi vidi, da je lastno gibanje zvezd res enakomerno. 12 4 Zakljuˇ cki in ugotovitve Namen projekta je bil obravnava lastnega gibanja zvezd - do rezultatov smo priˇsli, sedaj je potrebna ˇse kritiˇcna presoja dobljenih rezultatov. Naˇs zajem podatkov in njih obravnava je seveda na amaterski ravni, kar nam zagotavlja nekakˇsno opraviˇcilo za odstopanja od precej trdnega temelja primerjave: profesionalnih meritev, zajetih v razliˇcnih katalogih (v naˇsem primeru SIMBAD). Naˇsa odstopanja so poveˇcini velika (v relativnem smislu), kar nekaj pove tudi o naravi podatkov s katerimi operiramo - izvajanje diferencialnih operacij naredi napake meritev ˇse veˇcje; podatek, ki nas je zanimal, torej razlika med deklinacijama in rektascenzijama oziroma njen ˇcasovni potek, se, kar se tiˇce velikostnega razreda, pribliˇza merski napaki. Kaj to pomeni v praksi? Sicer na prvi pogled majhna sprememba v osnovni meritvi (v naˇsem primernu izmerek ene izmed zvezdnih koordinat) se kaˇze kot veˇcja sprememba v ˇcasovnem odvodu te koliˇcine (v naˇsem primeru deklinativna oziroma rektascenzijska hitrost objekta). Naˇse prvotne meritve bremeni nekaj virov napak: manjˇsi deleˇz napak prispeva oprema za prvinski zajem podatkov - teleskop. Temu bi pripisali manjˇsi deleˇz napak, saj verjamemo v natanˇcnost same tehnike in izdelave le-te (kljub temu, da nas je nekajkrat pustila na cedilu), vendar ˇse vedno obstaja moˇznost, da je k napaki botroval slabo izostren teleskop, kar bi lahko pokvarilo doloˇcanje srediˇsˇc zvezd. Drugi vir nenatanˇcnosti meritev bi lahko delno pripisali tudi nenatanˇcnosti programskega doloˇcanja ustreznih koordinat nekega objekta. Dejstvo, da ne vemo, kakˇsen je algoritem doloˇcanja posameznih podatkov nebesnih teles, nam zamegli jasnost odloˇcitve, katere popravke smemo uporabiti (v izogib podvajanju). Varno je reˇci, da informacije, ki nam jih poraˇcuna program, dovolj natanˇcne za doloˇcanje samega poloˇzaja (izraˇcunane deklinacije in rektascenzije se niso drastiˇcno razlikovale od tistih iz katalogov), tla natanˇcnosti pa se zamajejo pri prej omenjenih diferencialnih operacijah. Tretji vir odstopanj je seveda pot svetlobe skozi atmosfero. Pri samem prehodu atmosfere se ˇzarki zaradi prehajanja v med optiˇcno gostejˇsimi plastmi ustrezno lomijo, sam pojav loma je pa najbolj oˇciten pri objektih z majhno viˇsino nad obzorjem. Sam popravek je majhen, ker pa so nas zanimale ˇze tako majhne koliˇcine, se ˇse tako droban vpliv precej pozna pri njihovih absolutnih poloˇzajih na nebu.6 Tu pride tudi do veljave prejˇsnja trditev, ki postavlja pod vpraˇsaj upoˇstevane popravke. Ugotovimo lahko, da je popravek ˇze upoˇstevan, ker programska oprema temelji na iskanju zvezdnih vzorcev, za katere se poznajo natanˇcne pozicije, rezultat pa izraˇcuna iz relativnih poloˇzajev teh zvezd. Na nenatanˇcnost rektascenzij (ter tudi deklinacij) lahko vpliva tudi geometriˇcna paralaksa zvezd, saj so te ene izmed bliˇznjih Soncu, za upoˇstevanje tega v izraˇcunih bi pa potrebovali veˇcletna zaporedna merjenja obeh koliˇcin soˇcasno. Tudi sama izbira teleskopa in opreme za fotografiranje vpliva na kakovost pridobljenih podatkov, predvsem natanˇcnost sledenja in efektivna goriˇsˇcna razdalja teleskopa. Pri dolgi goriˇsˇcni razdalji dobimo boljˇso resolucijo (en piksel pokrije manjˇsi del neba) in lahko bolj natanˇcno doloˇcimo poloˇzaje zvezd. Po navedenih problemih je zadovoljiv uspeh ˇze pravilno ugotovljen predznak lastnega gibanja: statistika pravi pri deklinativnih hitrostih 75% uspeˇsnost doloˇcanja predznaka, pri rektascenzijskih premikih pa je ta odstotek le 50%. Kljub temu smo si edini, da je projekt uspel, saj je sam koncept doloˇcanja teh majhnih koliˇcin ˇze v samem srˇzu obteˇzen z veˇcjo napako, ki smo ji svoj (poˇsten) deleˇz dodali tudi sami z bolj ali manj (ne)natanˇcno obdelavo podatkov. ˇ je objekt v zenitu ob ˇcasu opazovanja, ta loma Lom svetlobe je tesno povezan z viˇsino objekta na nebu. Ce ne ˇcuti in lahko reˇcemo, da poznamo njegovo toˇcno pozicijo. Proti kotu 45o je napaka velika ˇze okoli eno loˇcno minuto, za objekt na obzorju pa napaka znaˇsa ˇze kar 34 loˇcnih minut. 6 13 Literatura [1] Robert K. Buchheim: The Sky is Your Laboratory. - New York: Springer, 2007 [2] W. M. Smart: Spherical Astronomy. - Cambridge: Cambridge University Press, 1977 [3] Tomaˇz Zwitter: Naˇse in druga osonˇcja. - Ljubljana: Samozaloˇzba [4] http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/, pridobljeno dne, 17. 6. 2010 [5] http://archive.stsci.edu/cgi-bin/dss form, pridobljeno dne, 17. 6. 2010 14
© Copyright 2024