Astronomy Notes 101

8/20/2019 Astronomy Notes 101

1/9

1 I n t r o d u c t i o n

1 . 1 A s t r o n o m y a n d A s t r o p h y s i c s

1 . 1 . 1 W h a t d i s t i n g u i s h e s t h e m W h a t a r e t h e y

A s t r o n o m y i s

t h e a r t o f o b s e r v a t i o n a n d t h e m e a s u r e m e n t s i d e o f t h e s u b j e c t

r a d i o o p t i c a l I R U V x r a y r a y n e u t r i n o g r a v i t y w a v e s t u d i e s

m e a s u r e p o s i t i o n s b r i g h t n e s s e s s p e c t r a s t r u c t u r e o f g a s c l o u d s p l a n

e t s s t a r s g a l a x i e s g l o b u l a r c l u s t e r s c l u s t e r s o f g a l a x i e s s u p e r c l u s t e r s

q u a s a r s e t c .

A s t r o p h y s i c s i s

t h e a p p l i c a t i o n o f p h y s i c s t o t h e s e o b s e r v a t i o n s t o u n d e r s t a n d a n d i n

t e r p r e t t h e m

t h e s u b j e c t o f t h i s c o u r s e

1 . 1 . 2 C h a r a c t e r i s t i c s o f a s t r o p h y s i c s

a L a r g e r a n g e o f s c a l e s f r o m n u c l e a r s c a l e s 1 f m 1 0

1 5

m 1 F m

1 0

1 3

c m t o c o s m o l o g i c a l s c a l e s 1 0 G p c 1 0

1 0

p c 3 1 0

2 6

m

3 1 0

2 8

c m a r a n g e 3 1 0

4 1

. S o m e p r o b l e m s i n v o l v e l a r g e a n d

s m a l l s c a l e s f o r e x a m p l e t h e C h a n d r a s e k h a r m a s s

M

C h

1

m

2

p

h c

G

3 2

3 7 1 0

3 3

g

2 M

i n v o l v e s s m a l l s c a l e p h y s i c s h a n d y e t d e s c r i b e s s o m e t h i n g w i t h a

m a s s a b o u t t w i c e t h e m a s s o f t h e S u n .

1


2/9

b S y s t e m s a r e o f t e n c o m p l i c a t e d a n d w e c a n n o t a l w a y s c o n d u c t e x p e r

i m e n t s t o i s o l a t e t h e r e l e v a n t v a r i a b l e s p a r a m e t e r s . T h e o b s e r v a t i o n s

t h a t a s t r o n o m y p r o v i d e s a r e o f t e n v e r y i n a c c u r a t e a n d i n c o m p l e t e s o

w e o f t e n n e e d o n l y w o r k t o l o w a c c u r a c y o r d e r o f m a g n i t u d e c a l c u l a

t i o n s . A f a c t o r 2 e r r o r i n t h e t h e o r y i s e x c e l l e n t i n s o m e a r e a s a f a c t o r

1 0

2

i s g o o d i n o t h e r s . S o m e t i m e s t h e d a t a a r e e m b a r r a s s i n g l y p r e c i s e

a n d w e h a v e t o d o m u c h b e t t e r e . g . i n s o l a r s y s t e m s t u d i e s .

c A s t r o p h y s i c s c o v e r s a b r o a d s p r e a d o f p h y s i c s i n c l u d i n g t o p i c s t h a t

n o r m a l l y d o n o t a p p e a r i n a p h y s i c s c u r r i c u l u m e . g . u i d m e c h a n i c s

m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s r a d i a t i v e t r a n s f e r e t c . M a n y p h e n o m e n a t h a t

c a n n o t b e r e p r o d u c e d i n t h e l a b o r a t o r y o c c u r i n a s t r o p h y s i c s e . g . u x

f r e e z i n g g r a v i t a t i o n a l c o l l a p s e s o a s t r o p h y s i c a l i n t e r p r e t a t i o n s m a y

o e r t h e o n l y p a t h s t o s o m e p a r t s o f p h y s i c s .

d B u t n o t e w e d o n o t a l l o w n e w p h y s i c s t o b e i n v o l v e d v e r y o f t e n . A s

t r o p h y s i c s c o r r e s p o n d s t o a n a p p l i c a t i o n o f t h e s t a n d a r d l a w s o f p h y s i c s

t o t h e U n i v e r s e a s a w h o l e . W e a s s u m e t h e u n i v e r s a l i t y l i t e r a l l y o f

t h e l a w s o f p h y s i c s i n o r d e r t o m a k e a n y p r o g r e s s a t a l l a n d t o b e

a l l o w e d t o c a l l t h e s u b j e c t a s t r o p h y s i c s T h e e x t e n t t o w h i c h o u r

l a b o r a t o r y l a w s e x t e n d t o t h e d i s t a n t o b j e c t s i n t h e U n i v e r s e a n d p r o

v i d e e x p l a n a t i o n s o f p h e n o m e n a t h e r e p r o v i d e s e v i d e n c e f o r t h i s p o i n t

o f v i e w .

e A s t r o p h y s i c s i s i n t i m a t e l y c o n n e c t e d w i t h w h a t a s t r o n o m y i s a b l e t o o b

s e r v e . U n t i l r e c e n t l y t h e r e w a s l i t t l e h i g h e n e r g y a s t r o p h y s i c s b e c a u s e

t h e r e w a s n o h i g h e n e r g y x r a y a n d r a y a s t r o n o m y . N o w t h e r e i s

a n d w e c a n s e e m u c h h o t t e r p a r t s o f o b j e c t s t h a n w e k n e w a b o u t b e f o r e .

2


3/9

f A s t r o n o m y a n d a s t r o p h y s i c s g e n e r a l l y a s s u m e s t h e C o p e r n i c a n p r i n c i

p l e

W E A R E I N N O F A V O R E D P O S I T I O N I N T H E U N I V E R S E .

s o t h e U n i v e r s e n e a r u s a n d p h y s i c s n e a r u s a r e t y p i c a l o f c o n t e m p o r a n e

o u s p a r t s o f t h e U n i v e r s e u n l e s s o f c o u r s e w e n d f a c t u a l e v i d e n c e

t o t h e c o n t r a r y a n d t h i s s h o u l d b e i n e a c h s u c h c a s e o n l y b y r a r e

g o o d o r b a d l u c k .

W h e n d o e s a s t r o n o m y t u r n i n t o a s t r o p h y s i c s N o h a r d a n d f a s t l i n e b u t

w h e r e p h y s i c a l l a w s n o t j u s t g e o m e t r i c a r g u m e n t s o r l o g i c a r e a p p l i e d .

1 . 2 Q u i c k h i s t o r y o f s o m e p r e a s t r o p h y s i c s d i s c o v e r

i e s

1 . 2 . 1 C o p e r n i c u s g e t s S o l a r S y s t e m g e o m e t r y b u t n o s c a l e

C o p e r n i c u s e a r l y 1 5 0 0 s m e a s u r e d t h e r e l a t i v e s i z e o f t h e p l a n e t a r y o r b i t s

t o 1 . H i s u n i t t h e a s t r o n o m i c a l u n i t A U w a s o f u n k n o w n s i z e . T h e

t e c h n i q u e w a s g e o m e t r y

Greatest

eastern

elongation

Elongation (~30 )

Earth SunConjunctionOpposition

Quadrature

East

Inferior conjunction

Sun

Superior

conjunction

East

Greatest

western

elongation

Earth

Quadrature

I f o n e a s s u m e s c i r c u l a r o r b i t s a n d c o n s t a n t v e l o c i t i e s a l o n g o r b i t s c a n

c h e c k t h i s o b s e r v a t i o n a l l y t h e n t h e d a t e s o f o p p o s i t i o n q u a d r a t u r e g r e a t e s t

e l o n g a t i o n c o n j u n c t i o n g i v e t h e r e l a t i v e g e o m e t r y .

3


4/9

1 . 2 . 2 P a r a l l a x o f M a r s t r a n s i t s o f V e n u s d e t e r m i n e s c a l e

P u t t i n g a s c a l e o n t h i n g s r e q u i r e s t h a t a n y o n e d i s t a n c e b e k n o w n b o t h i n

A U a n d i n k m .

1 6 7 1 F r e n c h e x p e d i t i o n t o C a y e n n e F r e n c h G u i a n a h o m e o f h o t p e p

p e r s m e a s u r e d p a r a l l a x o f M a r s a t o p p o s i t i o n

MarsFrance

Cayenne

B a c k gr o un d s t a r s

Not to scale

O f c o u r s e w h a t i s a c t u a l l y s e e n i s

Mars Mars

France: Cayenne:

T h e y g o t t h e a n s w e r w r o n g o r r i g h t t o 1 0 .

T e c h n o l o g y a s i d e M i c r o m e t e r s i g h t s w e r e r s t u s e d i n t h e 1 6 7 0 s .

H a l l e y i n 1 7 1 6 a g e 6 0 p o i n t e d o u t t h a t t h e t r a n s i t o f V e n u s i n 1 7 6 1

a n d 1 7 6 9 c o u l d b e u s e d . H e k n e w h e w o u l d b e d e a d b y t h e n a n d t o l d a l l

y o u n g a s t r o n o m e r s a b o u t i t . T h e s e t r a n s i t s a r e q u i t e i n f r e q u e n t n e x t o n e s

w e r e 1 8 7 4 1 8 8 2 J u n e 7 2 0 0 4 J u n e 5 2 0 1 2 .

E a r t h

V e n u s

SunD

d

1 AU

0.72 AU

4


5/9

N o t e t h e r e i s a g e o m e t r i c a l m a g n i c a t i o n f a c t o r t h a t h e l p s

D

d

0 7 2

0 2 8

S o f r o m d i e r e n t l a t i t u d e s o n o n e s e e s d i e r e n t t r a c k s .

Sun

Separation is here

exaggerated!

It is only

~ 1 Venus diameter.

H o w t o m e a s u r e s m a l l s e p a r a t i o n f r o m o p p o s i t e s i d e s o f g l o b e N o t b y

s u b t r a c t i n g m e a s u r e m e n t s o f h e i g h t f r o m t o p o f s u n t o o i m p r e c i s e .

R a t h e r t a k e t h e a v e r a g e h e i g h t t o g e t t h e g e o m e t r y a n d u s e t h e d i e r e n c e

o f t r a n s i t i n g r e s s e g r e s s t i m e s o r d u r a t i o n s t o i n f e r t h e s m a l l d i e r e n c e s .

O r d e r o f m a g n i t u d e i g n o r i n g m a g n i c a t i o n f a c t o r s g e o m e t r y e t c .

a n d

d i a m e t e r s 1 2 0 0 0 k m 1 0

4

k m

d i a m e t e r 1 5 1 0

6

k m 1 0

6

k m

v e l o c i t y 1 0 k m s

1 0

3

s t o m o v e

d i a m e t e r 1 0

5

s 1 d a y t o m o v e a c r o s s

I n 1 7 6 1 a n d 1 7 6 9 v a r i o u s d i s c r e p a n t r e s u l t s 1 0 w e r e o b t a i n e d . N o t

u n t i l 1 8 3 5 w a s a n a c c u r a t e v a l u e o b t a i n e d b y E n c k e f r o m t h e s e s a m e m e a

s u r e m e n t s G a u s s h a d i n t h e m e a n w h i l e d i s c o v e r e d l e a s t s q u a r e s t t i n g f o r

c o m b i n i n g o b s e r v a t i o n s

5


6/9

A m o d e r n v a l u e i s

1 A U 1 4 9 5 9 7 8 7 0 1 k m

1 . 2 . 3 N e w t o n s L a w o f G r a v i t a t i o n g i v e s m a s s o f S u n

G i v e n t h e A U w e c a n u s e N e w t o n s L a w o f G r a v i t a t i o n t o g e t t h e m a s s o f

t h e S u n . T h i s i s p r o b a b l y t h e r s t e x a m p l e o f t r u e a s t r o p h y s i c s

ω

Earth

Sun

F

G M

m

R

2

F m

2

R

g r a v i t y c e n t r i p e t a l a c c e l e r a t i o n

S o

M

2

R

3

G

2

1 y r

2

1 y r

3 1 6 1 0

7

s

2

1 5 0 1 0

1 3

c m

3

6 6 7 1 0

8

c m

3

g

1

s

2

2 0 0 1 0

3 3

g

a m o d e r n v a l u e i s 1 9 8 9 1 0

3 3

g

1 . 2 . 4 C o m p a r e S u n t o c a n d l e t o g e t i t s c a n d l e p o w e r

W h a t i s t h e s o l a r l u m i n o s i t y L

p o w e r o r e n e r g y p e r t i m e e m i t t e d b y

U s e i n v e r s e s q u a r e l a w f o r r a d i a n t u x a f o r m o f c o n s e r v a t i o n e n e r g y

Candle

12 3

H o w t o c o m p a r e t o a c a n d l e N o t e a s y b e f o r e e l e c t r i c a l m e a s u r e m e n t s

I n m o d e r n u n i t s s o l a r i l l u m i n a n c e i s 1 2 7 0 0 0 l u x .

6


7/9

1 l u m e n l i g h t e m i t t e d b y

1

6 0

c m

2

b l a c k b o d y

a t t h e m e l t i n g p o i n t o f p l a t i n u m 2 0 4 4 K

1 l u x 1 l u m e n m

2

1 c a n d l e a t 1 m

A b r i g h t m

V

0 s t a r i s 2 5 1 0

6

l u x .

A g o o d V C R c a m e r a w i t h a c h a r g e c o u p l e d d e v i c e C C D w o r k s d o w n

t o 5 l u x . U s e a p i n h o l e t o g e t i n t o c a n d l e c o m p a r i s o n r a n g e

L

angle

1/2

(size of sun)

o

pinhole image

of sun.

Area A'area A

A l l l i g h t i n c i d e n t o n a r e a A a p p e a r s s p r e a d o u t o v e r a n a r e a

A

0

D

2

4

4

L

1

2

1 r a d

5 7 3

2

L

2

6 0 1 0

5

S o b r i g h t n e s s d i m i n i s h e d b y a f a c t o r 1

A

0

A

L

2

A

6 0 1 0

5

T a k i n g L 2 0 m 2 1 0

3

c m A 1 c m

2

1 0

2

c m

2

. T h i s g i v e s

A

0

A 2 4 0 0 0 w h i c h g e t s s u n d o w n t o 5 c a n d l e s a t 1 m o r 1 c a n d l e a t

4 5 c m .

S o b y t h i s a n d s i m i l a r t e c h n i q u e s a r o u n d t i m e o f H u y g e n s 1 6 5 0 p e o p l e

k n e w t h e c a n d l e p o w e r o f t h e S u n

1 2 7 0 0 0 c a n d l e s

1 A U

1 m

2

1 2 7 0 0 0

1 5 1 0

1 1

m

1 m

2

c a n d l e s

2 8 1 0

2 7

c a n d l e s .

7


8/9

H u y g e n s a l s o t h o u g h t t h a t S i r i u s m o d e r n m

V

1 4 5 w a s a s b r i g h t a s a

c a n d l e a t 8 0 m . S o i f i t w a s s a m e i n t r i n s i c b r i g h t n e s s a s S u n

D

S i r i u s

D

S u n

s

1 2 7 0 0 0

1 8 0

2

2 9 0 0 0 A U

1

2

l i g h t y e a r .

W e n o w k n o w t h a t t h e a c t u a l d i s t a n c e t o S i r i u s i s 5 5 0 0 0 0 A U 8 . 8 l . y . .

I t i s m u c h b r i g h t e r i n t r i n s i c a l l y t h a n t h e s u n a n d H u y g e n s c a l i b r a t i o n o f

i t i n c a n d l e s w a s a l s o n o t a c c u r a t e .

1 . 2 . 5 S t e l l a r d i s t a n c e s f r o m P a r a l l a x a c r o s s E a r t h s o r b i t

T h e r s t a c c u r a t e s t e l l a r d i s t a n c e s c a m e f r o m p a r a l l a x a c r o s s t h e E a r t h s

o r b i t

Earth

6 months

later

Earth

Sun

1 AU

If this angle is 1 arc sec

_

the star is at a distance

of 1 parsec_ [parallax second]

close star

Di s t a n t s t a r s

S i n c e

1 a r c s e c 1 a r c s e c

1

3 6 0 0 a r c s e c

r a d

1 8 0

1

2 0 6 2 6 5

r a d .

S o 1 p c 2 0 6 2 6 5 A U 3 2 6 l y .

W i t h m o d e s t a s t r o m e t r i c t e l e s c o p e s a n d l o t s o f e o r t d i r e c t p a r a l l a x e s

a r e p o s s i b l e o u t t o 1 0 5 0 p c 0 . 1 t o 0 . 0 2 a r c s e c . B e y o n d t h a t i n d i r e c t

m e t h o d s m u s t b e u s e d .

8


9/9

F i r s t p a r a l l a x e s d a t e f r o m 1 8 3 9 1 8 4 0 B e s s e l v o n S t r u v e . T e c h n o l o g y

n o t e b o t h u s e d l e n s e s m a d e b y F r a u n h o f e r B a v a r i a .

1 . 2 . 6 L u m i n o s i t i e s i n m o d e r n u n i t s w a t t s

W e n e v e r d i d g e t L

i n w a t t s o r e r g s b e c a u s e w e g o t s i d e t r a c k e d i n t o

c a n d l e s . H i s t o r i c a l l y t h i s o f c o u r s e h a d n o m e a n i n g u n t i l J o u l e d i s c o v e r e d

t h e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t o f h e a t c a l o r i e s p e r j o u l e i n 1 8 4 7 b e f o r e t h a t

w e c o u l d o n l y d i s c u s s L

i n c a l o r i e s s

Sun

Measure rate of temp.

increase when Sun is

overhead.

1 m pan of

water with black

bottom and known

depth of water

2

C o r r e c t i n g f o r a b s o r p t i o n i n a t m o s p h e r e

1

t h e a n s w e r t h e s o l a r c o n s t a n t

i s a b o u t 1 4 0 0 W m

2

. S o

Sun

1 AU

L

4 1 A U

2

1 4 0 0 W m

2

L

4 1 4 0 0 1 4 9 1 0

9

m

2

3 9 1 0

2 6

W 3 9 1 0

3 3

e r g s

1

H o w T r y d i e r e n t t i m e s o f d a y a n d m e a s u r e s e c a n t e e c t e . g .

9

Documents

Astronomy Notes 101