Методи за наблюдение
〰️ На 14 септември 2015 г. в 9:50 UTC, дни преди официалното начало на наблюденията с обновения детектор, LIGO в Луизиана засича странен сигнал: за 0,2 секунди му расте от 35 до 250 Hz – „чирп“. 7 милисекунди по-късно същият сигнал пристига и в другия детектор в щата Вашингтон. Вълната е пътувала 1,3 милиарда години от две сливащи се . Тя разтяга и свива 4-километровите ръце на детектора с няколкостотин пъти по-малко от размера на . Това е първият път, в който човечеството „чува“ Вселената с нещо различно от светлина.
1. Атмосферата: щит и пречка
Атмосферата ни пази от рентгеновите и ултравиолетовите лъчи – и затова ги крие от телескопите. Пропуска видимата светлина, и част от инфрачервеното в отделни „прозорци“ (виж „Светлина и спектри“). Но дори видимата светлина не минава безнаказано: турбулентността размазва образите. Затова обсерваториите са на високи и сухи планини – Атакама, Мауна Кеа, Ла Палма.
Seeing и дифракция
Пример
При (на 0,5 µm) колко е seeing във видимото и при 2,2 µm? Колко остро би виждал 8-метров телескоп при 2,2 µm?
- Видимо:
- При 2,2 µm:
- Дифракционна граница: – 13 пъти по-остро. Адаптивната оптика печели точно това
Трептенето на звездите и адаптивната оптика
Звезда през 8-метров телескоп. Турбулентните слоеве на въздуха разбиват образа на десетки „спекли“, които подскачат стотици пъти в секунда. Деформируемо огледало може да ги изправи.
Всяко „петънце“ е образ с дифракционна острота, но атмосферата ги разпилява. Пуснете анимацията: така изглежда звездата за милисекунди.
2. Вселената в различни цветове
Всеки диапазон показва вещество с различна температура и различни процеси. Студеният газ и прахът светят в радио и далечно инфрачервено, звездите – във видимото, а горещият газ около черните дупки – в рентгеново. Синхротронното излъчване на бързи електрони в обхваща целия .
Закон на Вин като пътеводител
Пример
В какъв диапазон да наблюдаваме: прах с 30 K, звезда с 6000 K и газ в купове галактики с ?
- Прах: – далечно инфрачервено (Хершел, ALMA)
- Звезда: – видимо
- Газ: – рентгеново (Чандра). Затова куповете галактики в рентгеново са огромни светещи облаци
Един обект – шест различни картини
Всеки диапазон на спектъра показва различни физични процеси. Сменяйте „очите“ си и вижте какво се появява и какво изчезва (схематично).
Нишките светят в линиите на водорода, кислорода и сярата – остатъци от звездата, избухнала през 1054 г. Вътре – синкав синхротронен „туман“.
3. Детектори: броене на фотони
Окото регистрира само няколко процента от и „експонира“ за около 0,1 s. Фотографската плака – 1–3%, но може да събира светлина с часове. Днешните ПЗС и CMOS матрици превръщат до 90% от фотоните в електрони и броят всеки от тях. Освен снимки (фотометрия) телескопите правят спектри – разлагат светлината, за да определят състава, температурата и скоростта (виж „Светлина и спектри“).
Отношение сигнал/шум
Пример
От звезда идват 50 фотоелектрона в секунда. Колко дълго трябва да снимаме за , ако другите шумове са пренебрежими?
- фотоелектрона
- За (точност 0,1%) – 100 пъти по-дълго: 5,6 часа
Фотони, шум и експозиция
ПЗС-матрицата брои фотоелектрони. Сигналът расте пропорционално на времето, а шумът – само като корен квадратен от него. Колко дълго трябва да снимаме, за да изплуват слабите звезди?
При кратки експозиции доминира шумът при отчитане (R = 5 e⁻), при дълги – светлината на самото нощно небе. Тогава S/N расте като √t: за да слезете с 1 звездна величина по-слабо, трябва ~6 пъти по-дълга експозиция (2,5² = 6,3). По-голямото огледало събира повече фотони и от звездата, и от небето – затова печели и тъмното място, далеч от градските светлини. Най-големият български телескоп е 2-метровият в НАО Рожен.
4. Отвъд светлината
Днес „пратениците“, които ни носят вести от Вселената, са четири вида. Когато видим едно събитие с няколко от тях, говорим за многовестоносна астрономия.
🌈 Светлина
От радиовълни до гама-лъчи – основният ни източник на информация от хилядолетия.
👻 Неутрино
Минават през цялата Земя. Идват от ядрото на Слънцето, от свръхновата SN 1987A (25 неутрино, часове преди светлината) и от далечни активни ядра. IceCube е лед под Южния полюс.
☄️ Космически лъчи
Протони и ядра с огромна енергия. Магнитните полета ги отклоняват, затова трудно разбираме откъде идват.
〰️ Гравитационни вълни
Вълнички в самото пространство-време. Носят информация от места, откъдето светлина не излиза – сливащи се черни дупки.
Гравитационна вълна
Пример
При GW150914 максималната деформация е . С колко се променя ръката на LIGO ()?
- Размерът на протона е ~ е ~400 пъти по-малко
- Лазерната светлина минава ~300 пъти напред-назад в ръцете, а огледалата (40 kg) са окачени като махала и изолирани от всякакви вибрации
„Чирпът“ на две сливащи се тела
Две черни дупки или неутронни звезди обикалят все по-близо и по-бързо, излъчвайки гравитационни вълни. Честотата и амплитудата растат до сливането – „чирп“, като чуруликане на птица. Формата му издава масите.
Първото засичане на гравитационни вълни – 14 септември 2015 г. Две черни дупки на 1,3 млрд. св. години се сливат за части от секундата; три слънчеви маси се превръщат в енергия на вълните. Нобелова награда 2017 г. Детекторите LIGO (САЩ), Virgo (Италия) и KAGRA (Япония) са лазерни интерферометри с ръце от 3–4 km. Досега са засечени стотици сливания.
Гравитационни вълни с много ниски честоти (нанохерци – периоди от години) се търсят по : вълните леко променят времето на пристигане на импулсите им. През 2023 г. няколко колаборации съобщиха за признаци на фон от такива вълни – вероятно от двойки свръхмасивни черни дупки в цялата Вселена.
5. Бъдещето
🔭 Extremely Large Telescope
Огледало от 39 m от 798 сегмента, в пустинята Атакама. Ще събира 15 пъти повече светлина от днешните най-големи телескопи. Очаква се в края на 2020-те.
📷 Обсерватория „Вера Рубин“
Камера от 3,2 гигапиксела снима цялото южно небе на всеки няколко нощи – „филм“ на Вселената за 10 години. Първите снимки – 2025 г.
📡 Square Kilometre Array
Хиляди антени в Южна Африка и Австралия – най-големият радиотелескоп. Ще търси първите звезди чрез линията 21 cm.
🛰️ LISA
Три космически апарата на 2,5 млн. km един от друг – детектор на гравитационни вълни от свръхмасивни черни дупки. Планирано изстрелване – 2035 г.
6. 🎯 Бърз тест
Защо звездите трептят?
7. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
8. Обобщение
- ✓ Атмосферата поглъща UV, рентгеново и гама и размазва образите ( ~ 1″)
- ✓ коригира вълновия фронт – най-добре в инфрачервено
- ✓ Различните диапазони показват различни температури и процеси ()
- ✓ ПЗС матриците броят до 90% от фотоните; , при небе –
- ✓ Четири „пратеника“: светлина, , космически лъчи, гравитационни вълни
- ✓ Гравитационни вълни: ~ ; „чирпът“ издава масите
- ✓ Бъдещето: ELT, Вера Рубин, SKA, LISA
💡Интересен факт
За адаптивната оптика често няма достатъчно ярка звезда близо до целта. Тогава телескопите изстрелват в небето мощен оранжев с на натриевата линия. На височина ~90 km той възбужда тънък слой натриеви атоми, оставени от изгорелите , и те светят като изкуствена звезда. Метеорите, за които говорихме в урока „Комети и метеори“, помагат на най-големите телескопи да виждат остро!