lecture Mar 13,2014.docx

85 Pages
Unlock Document

Astronomy & Astrophysics
Michael Reid

January 07, 2014 01/07/2014 Astronomical images are interesting because for  some of the galaxies we see the light has taken 9 billion  years to reach us People thought that 100% of the universe were stars, galaxies and dust (1960) Fritz Zwicky In the 30s he looked at a cluster of galaxies He looked at those galaxies, how big they were and how they moved They move in response to each other’s gravity He used math to figure out how fast they were moving depending on their size But when he measured he found that the rate they were moving at were much faster 2 reasons: calculations were wrong (the only assumption he used was the theory of gravity which was  correct) OR Much of the galaxy cannot be seen with the telescopes we build Most of what is in the galaxy cluster is invisible Zwicky’s colleages though his “missing mass” idea was a bit nutty He wasn’t really happy about that His missing mass idea was shelved Vera Rubin: ▯ Radio telescope Looked at single galaxies and how fast clouds of gas were spinning around in those galaxies The farther you are from the centre of galaxy, the slower you will orbit – Kepler’s Third Law  BUT this is not true for other galaxies In general, the things in the centre of the galaxy orbit slower, it then reaches a plateau So either the law of gravity was wrong (not likely) Or upto 90% of the masses of the galaxies was invisible Invisible regardless of light/telescope "In a spiral galaxy, the ratio of dark­to­light matter is about a factor of ten. That's probably a good number  for the ratio of our ignorance­to­knowledge. We're out of kindergarten, but only in about third grade. "Universe– 90% dark matter (it has gravity) , 10% stars.. Matter is that which produces gravity 1998: Universe : 70% Dark energy, 27% Dark matter, 5% stars, galaxies We can’t find 95% of the universe and even the 5% we can find, stuff is still missing (so technically we can’t  see 97.5%) 4.9% luminating (light emitting) matter Quantum Mechanics: To paraphrase the great physicist  We know that it isn’t likely that the law of gravity is wrong because this law has worked for many many  years and we use it successfully There isn’t any other independent evidence to suggest the existence of dark energy/matter – and this is  why some people believe it’s the law of gravity that is incorrect Dark matter: pulls things together Dark energy: pushes things apart We don’t know how big the universe is BUT we know how big the observable universe is If the  observable universe was a tank, it would hold atleast 340,000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000,  000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 liters of  water Jan 09, 2014 01/07/2014 You fall asleep on a train and when you wake up you see another train. One of the trains is moving (yours or the other). How do you tell which one is moving? Vibration Force against your body (when the train is starting/stopping/changing speed) Watch for a fixed point outside the train What if there’s no vibration, the train is moving at a constant speed and the windows are blacked out Roll a ball and see which way it rolls­ but the earth is moving and balls roll staright Experiment:  Airplane is travelling at 900km/h. You roll a ball up the aisle of the plane and it rolls at 10 km/hr Clicker qs: How fast does the person on the plane see the ball moving? 10km/h Clicker qs How fast does the person on the ground see the ball moving? 10km/h – this is relative to the floor  of the plane OR 910 km/h – this is relative to the ground Who is correct? There is no one correct answer We can only measure motion relative to a given frame of reference All motion must be described relative to something I am moving  relative to  the people in the floor Repeat the experiment with light instead of a ball Airplane is travelling at 900km/h. Light is moving at speed ©. Someone shone a flashlight up the aisle Jan 09, 2014 01/07/2014 Clicker: If the beam of the light behaved the same way as the ball. What would a person on the ground  measure the speed to be? ©+ 900km/h IT cannot be 900km/h because otherwise the light is moving at the same speed of the plane (that would be  weird – it wouldn’t shine down the aisle) But reality doesn’t work that way – the answer is © in real life No matter how the experiment is done, all observers measure the same speed of light. Regardless of the movement of the plane As long as you are measuring light, everyone will measure the same speed With the ball the person on the plane and the person on the ground disagree at the speed of the ball But with the light the movement of the person/source of light is irrelevant The speed of the ball is different in different “frames of reference”. The speed of light is invariant. The speed of light is the same in all frames of reference. (any two observers in the same setting (vacuum) The speed of light changes in water but ALL the people in the water will perceive the same speed Tenets of Special Relativity 1.  We can only measure speeds of objects relative to one another. (The laws of physics apply equally in all  reference frames.) 2.  The speed of light is invariant. These two facts undo our thoughts about space and time Jackie is moving away from you at 0.9©. You shine a beam of light at her (at speed ©), How fast does  Jackie measure the light to be moving? © You are moving toward Jackie at speed 0.9©. You shine a beam if light toward her. What speed does she  measure it to be moving? © Jan 09, 2014 01/07/2014 This observed fact of nature has bizarre consequences. Let’s look at motion on a train, from the perspective of two different observers. Person on the train says the ball went up 1 m and came down 1 m in 1 s, for a speed of 2 m/s. Person on the tracks (not moving with the train) says that the ball went up 2 m and came down 2 m in 1s,  for a speed of 4 m/s. You were at point A when you threw it but as the train moved, you moved so you were at point B when you  caught it The person saw the ball move up and down AND a little forward (so there more speed) Clicker: What do the two observes agree on the ball’s motion? The time between throwing and catching 1. Again, what happens if we do this with light? Clicker: If we repeat the experiment with a laser beam bouncing off a mirror on the roof of the train, what do  the two observers have to agree on? The speed of the light ray Frame reference inside the train Distance = time X speed Time=distance/speed Time = distance/© Time = (1m + 1m)/© Time 6.7 nanosec Frame reference outside the train Time = (2m + 2m)/ © =13.4 nanosec We must ALL agree on the speed of light which allows us to disagree about the time Because two observers moving relative to one another must agree about the speed of light, they must  disagree about the time between events! Jan 09, 2014 01/07/2014 Time literally flows at different rates for any two people in motion relative to one another! This is called time dilation. Observers in motion relative to one another also disagree about their lengths. IF you have a barn that is 10m and if you have a ladder that is 20m long, if you move very quickly you can  fit the ladder into the barn but for a very short time This is called length contraction. You have two clocks that are in sync. You put one on a train and one on the floor. When you come back and  check more time will have passed on the clock on the floor/ Tutorial, Jan 13 01/07/2014 Alice is moving towards you at 50km/h. You throw a baseball in her direction at 50km/h. What does she see  the ball doing? Moving towards her at 100km/h Suppose that an object is moving with constant acceleration. What best describes its motion with respect to  time? In equal times its speed changes by equal amounts What is the difference between speed, velocity and acceleration? If an object is moving with constant  velocity, can you say anything about its acceleration? Speed: how fast something is going Acceleration: change in velocity/time Velocity: change in speed and direction There is no acceleration Feng is travelling away from you at 99% the speed of light when he turns on his flashlight. How fast will the  beam of light be going when it reaches you? Speed of light is constant so © What is a “frame of reference”? When do two people share the same frame of reference? When do two  people share different frames of reference? Speed of objects relative to one another Suppose your friend is moving by you at some constant speed. Explain why your friend can equally say that  she is stationary and you are moving by her. Depend on your frame of reference In relativity, two people share the same frame of reference, if and only if: They are not moving relative to one another (they don’t have to be stationary) Tutorial, Jan 13 01/07/2014 Two key absolutes: The laws of physics are the same in references that are not accelerating (they can be moving but are not  accelerating) The speed of light is invariant Throw a bean bag up and down. The path of the bean bag is up and down.  Accoridng to the person throwing the bean bag it is going up and down. The two paths agree If the person tosses the bean bag up and down and walks forward. We see it moving forward AND going up  and down. But the person throwing it only sees it going up and down. The two paths do not agree. The person throwing it (Path A) The path we see (Path B) Path B has the greatest distance travelled Assuming we don’t have a clock we need distance and velocity to figure out how much time has passed  (time = distance/speed) If you ran at the same speed beside the person throwing it you would see it going up and down (same) The person running and the stationary person would agree about how much time the bean bag has spent in  the air If the bean bag had to travel at the same speed (light) the stationary person and the person running which  path would take more time:  Path B (longer distance would take more time) Time dilation Time runs more slowly in the reference frame of anyone moving relative to you The faster the other reference is moving, the more slowly time passes within it Tutorial, Jan 13 01/07/2014 Suppose Laila is on a space ship moving past you at a constant speed close to the speed of light. How  would you view time (a clock) on Laila’s spaceship as it goes by? Laila’s clock is ticking slower than yours (the faster the other frame of reference is moving, the more slowly  time passes within it for us) For her, her own time is the same for herself Suppose Laila is on a space ship moving past you at a constant speed close to the speed of light. What  would Laila see when she looks at your clock.  Your clock is ticking slower than Laila’s (in Laila’s frame of reference she is stationary and you are moving) Astronauts on the International Space station are in orbit around the Earth, travelling at the speed of  7,660m per second. From our perspective here on Earth, how are the astronaut’s bodies again? The astronauts are aging more slowly than us January 14, 2014 01/07/2014 Relativity: The speed of light is invariant The laws of nature are the same for everybody regardless how they are moving relative to each other Time dilation Time literally flows at different rates for any two people in motion relative to one another.  Moving clocks run slow Length contraction Observers in motion relative to one another also disagree about their lengths If someone is moving, you will see them shorter in the direction they are moving relative to you  The faster an object is moving relative to you, thshorter  (in its direction of motion) you will measure it to  be. Twin Paradox (not really a paradox) Imagine you get in a spaceship and travel to the star Vega at 99.9% of the speed of light Distance from Earth to Vega­ 25 light years Light year is a measurement of distance = distance light travels in one year Light year is NOT a measurement of time There is nothing a light year from the Earth – the Sun is a light minute away from the Earth Stars are a few light years away from each other One light year is in the middle of our solar system and another one 1 light year = 9.5 trillion km Clicker: According to special relativity, if someone on Earth measures Vega to be 25 light years away, you in  your ship headed to Vega at 0.999c will measure the distance to be  January 14, 2014 01/07/2014 Less than 25 light years (compared the person not moving relative to Vega)  In relativity, when someone is moving, they are shorter in the direction of travel as perceived by a person  who is not moving (relative to them) The spaceship has shrunk in our perception But the person in the spaceship doesn’t see themselves as short Clicker: The person on Earth sees you travel 25 light years at 0.99c. They think your trip takes A little more than 25 years Nothing with mass can go the speed of light Clicker: You measure the distance between Earth and Vega as only 1 light year. Thus, for you the trip to  Vega takes only: About one year If you were going much faster (than 0.999c) the answer would be less than one year Grandfather paradox: You can’t use this to go into the past because let’s say you do something that affects your existence – who  was it that went back But you can go into the future If you travelled to the center of our galaxy and back at the 99.999999% of the speed of light, you would age  8 days but the Earth would’ve aged 50,000 years If you reach the speed of light it’s like time stops If one person takes the subway regularly, vs one person stays at home the person in the subway ages more  slowly but this difference isn’t measureable Stefan’s Quintet Everything in the universe can be described in terms of 4 forces Four fundamental forces (everything that happens in the universe is due to these forces Strong nuclear force January 14, 2014 01/07/2014 The strongest force in the world Holds atomic nuclei together because two protons are both positive; they should repel but this force holds  them together Electromagnetism Every force (apart from gravity) that is relevant to us is a form of electromagnetism Makes atoms cling to each other It’s range is infinite Ex. friction, the force holding the tables together, etc. Weak nuclear force Breaks atoms together Gravity Makes masses attract to one another Gravity barely exits and yet it dominates  It’s range is infinite Clicker: Do stars on one side of our galaxy feel gravity from stars on the other side? Yes The range of gravity is infinite Every atom in the universe is feeling the gravity January 16, 2014 01/07/2014 Term Project A common misconception people have about astronomy Go deep into that misconception What’s wrong with it and how can you fix it Misconception: black holes are cosmic vacuum cleaners Misconception: The sun is a planet Find a way to resolve it the misconception without just telling them then answer Poster Video Audio Has to be concise Get right to the heart of what is wrong with the misconception 2% bonus on final grade All of nature is shaped by four forces – of those gravity is the most weak force yet it is the most important in  astronomy because it acts over an infinite distance Every star/atom feels the gravity of every other star/atom Gravity does not cancel out (it only has a positive charge) More mass = more gravity Gravity is not very well understood Clicker: Imagine a universe which is empty except for you and a baseball. If we ignore gravity, what will  ultimately happen to the baseball IT will keep moving forever at a constant speed Newton’s First Law (Law of Inertia) January 16, 2014 01/07/2014 Objects move with a constant speed and direction unless acted on by an external force Clicker: The moment the baseball loses contact with your hand, it stops : Accelerating, changing speed, feeling a force A force by your hand produces acceleration, acceleration is change of speed Newton’s 2  Law: Force = mass X acceleration Clicker: After you throw the ball, what will happen to you? You will move in the direction opposite to the ball’s direction motion, but slower than the ball Human has a bigger mass than the ball so the force the ball exerts on the human has less of an effect –  human moves slower Newton’s 3  Law If one body exerts a force on another body, the other body will exert a force of equal strength but opposite  direction Every action has an equal and opposite reaction What keeps the moon in orbit around the Earth? The force of gravity is exerted on both the earth and moon Clicker If we could shut off gravity, what path would the moon follow? Going in a straight line (upwards/forward)  It is the Earth’s gravity that makes it turn into a circle The moon is already moving upwards For it to go ▯ there would have to be another force January 16, 2014 01/07/2014 Newton’s Law of Gravity Gravity is a force that depends on the masses of the two objects/ the square of the distances between them F gravityMm/r 2 Clicker: If the distances between two stars triples, the force of gravity between them: Decreases by a factor of 9 Newton: From 1687 until 1916, Newton’s description of gravity held sway Einstein question’s Newton’s logic Although we agree with Einstein, we agree neither was completely correct How do you know if you are moving? You can only tell if you are moving relative to something (Einstein) He wanted to know that how can you know for sure that you are feeling a force of gravity Feel our own weight? (we feel our weight on our feet because the floor is pushing up – it’s a consequence  of gravity but it’s not gravity) Jump? (you come back down) Clicker: Imagine you’re in a spaceship, far from any object with mass (no gravity). The spaceship  accelerates upwards. You let go of a baseball at shoulder height. What happens to the ball? You do feel something when you accelerate (you need force to accelerate­ so you feel pressed against your  feet) It falls towards your feet TO make it hover and accelerate along the ship there needs to be a force to make the ball move with the  ship Doesn’t matter if the ball is inside or outside the ship But if there is no gravity what is pulling the ball down January 16, 2014 01/07/2014 The Equivalence Principle You have no way of knowing if the force of gravity is acting on something Ex. you are sitting in your living room and your cup falls. You have no way of knowing if its because of  gravity or the room is being pulled up In a small area of space the effects of acceleration is indistinguishable from the force of gravity or if  someone is pulling the room up No experiment can distinguish a gravitational force from a corresponding acceleration of the whole  reference frame The equivalence of acceleration and gravity has profound consequences Jackie falling down while you are being pulled up are indistinguishable General relativity does away with gravity and replaces it with curved spacetime Anything with mass bends space and time (more mass = more bending) Objects follow the straightest possible path through curved spacetime If you send two people to walk on the surface of the Earth in space they would meet up; we would say it’s  because of the Earth’s curvature. Not because of gravity.  IF satellites do the same thing we would say it’s because of gravity No gravity­ just bent space time Clicker: If everything follows a curved spacetime, which of the following would you expect from general  relativity, but not from Newton’s theory of gravity.  Light bends as it approaches massive objects Remember: Gravity and space time curvature is not the same thing­ space time curvature is Einstein’s alternative  to gravity.  Tutorial January 21, 2014 01/07/2014 Clicker : The red ball is sitting in an accelerating train. Ignoring the effects of friction, how does the ball  react to the train’s acceleration? Relative to the train floor, the ball Accelerates right (because the train is moving to the left) Clicker : Madhula is feeling weightless. Which of the following is the most correct? She is in free due to  gravity OR: Moving at constant velocity in an empty universe with no gravity Clicker : Which escape velocity below is the highest? The escape velocity On the surface of the Earth Clicker: Ike just passed the event horizon of a black hole. At the moment he passes through he will: The event horizon of a black hole is not a physical boundary and there will be no sudden change due to  crossing the event horizon General relativity Replaces gravity with curved space­time What does “escape speed” of Earth mean? What determines the escape speed of the Earth at its surface? The escape speed is the speed an object needs to go to get out of the Earth’s orbit Determined by mass of the planet Can the escape speed of a body be larger than the speed of light? If so, what can from such a body? Yes (blackhole) – blackholes can have a higher than light escape speed Escape speed is determined by mass and gravitational pull The higher the gravitational force, the faster it needs to go to escape nothing What is the “Schwarzchild radius” of a black hole? What is special about the Schwarzchild radius? The distance from the centre to the event horizon Tutorial January 21, 2014 01/07/2014 The closer you are to the event horizon, the faster you need to travel faster (than the speed of light to  escape it) What is the “event horizon” of a black hole? What is special about the event horizon? What is physically  located at the event horizon? It is not physically located anywhere The closer you are to the event horizon, the faster you need to travel faster (than the speed of light to  escape it) Imaginary line Black holes are dangerous and suck up matter? They can suck up matter that is close (not sure how close) But something can orbit it If you are at the event horizon and you are going at the speed of light. You will not get sucked in, you’ll be in  orbit – you won’t be able to enter, you will drop back outside If you take the sun and replace a blackhole with the same mass­ the Earth WILL NOT get sucked in –  people will die because no sun but we won’t get sucked in The force of gravity depends on mass As long as the mass doesn’t change, Earth’s orbit does not change 1. Do the following situations feel different? A) You are on Earth feeling 9.8m/s  acceleration 2  B) you are on a spaceship that is accelerating at 9.8m/s No 2. Do the following feel different? A) You are in free fall towards the Earth (no physical object pushing against you except gravity; you feel  weightless) B) You are travelling at a constant velocity in an empty universe with nothing in it No they feel the same 3. How would Newton explain why a satellite is orbiting Earth? Tutorial January 21, 2014 01/07/2014 The satellite is moving less than the escape speed so the gravitational force is making it orbit the Earth The satellite is moving and the gravity makes it turn 4. How would Einstein explain why a satellite is orbiting Earth? Curved spacetime causes the satellite to turn The curve changes the direction  The curve is created by mass Gravity depends on the mass and distance – greater mass = stronger gravity Mercury feels the gravity of the sun more than Pluto­ even though the range of gravity is infinite, the  strength of the pull decreases with distance January 21, 2014 01/07/2014 General relativity replaces the idea of gravity – it gives the same prediction Objects influence one another by bending space and time (rubber sheet) Anything travelling through the space has to alter its path due to the bent space Clicker – If everything follows a curved spacetime, which of the following would you expect from general  relativity, but not from Newton’s theory of gravity.  Light bends as it passes near massive object Bending of light due to bent spacetime – gravitational lensing  The blue galaxy is behind the yellow but the light of the blue galaxy is coming towards us and encounters  the bent space of the yellow galaxy and it bends around the yellow galaxy – this enables us to see it The yellow galaxy is focusing the light of the blue galaxy towards us General relativity enables this Dark matter has matter therefore it curves space Anything with mass curves space We can measure dark matter The blue galaxy light bends but the mass of the yellow galaxy is not enough to bend it in the way it does  therefore dark matter must be there to distort it in that way If I throw a water bottle into the air it won’t orbit­ It’ll hit the Earth. However, if you throw the water bottle fast  enough (where the ground is not there) it will orbit ­ elipse At vorbite ball “misses” the far side of Earth and complete an orbit  The slowest speed in which you can throw it so that it orbits the Earth – minimum speed (depends on the  height you throw it from) If we just throw it faster it will miss the Earth by an equal distance on all sides (it becomes a circle where the  Earth is exactly in the centre) If you throw it really really fast you can escape Earth’s gravitational pull (it won’t make an orbit) – escape  speed Minimum speed to orbit : v=v orbit January 21, 2014 01/07/2014 Elliptical orbits :orbitv black hole An object with an escape speed of © is a black hole A black hole bends spacetime infinitely – you’ve bent space as much as it can bend or more January 21, 2014 01/07/2014 Anything that has such a density that its escape speed has reached the speed of light You can go in but never come back out If you fall into a blackhole, the person outside would think your time has stopped – it wouldn’t seem like that  to you it has stopped No one knows what happens inside a blackhole At the end of a black hole, space itself is whirling into the blackhole at the speed of light A black hole has nothing significant in it It just has what it was formed from People say at the centre of the blackhole there is something called “singularity”­ the density is infinite – but  we don’t really know what’s in there There is no physical boundary The sphere is a the point where the escape speed = © (the speed of light  ­ event horizon Inside the circle (event horizon) the escape speed is the speed of light:  v escape © Outside the escape speed is less than © :  v escape  There is nothing worse than the singular­ the event horizon is what it keeps us away from it There are theories  At the event horizon of a black hole © =v escape Clicker: If you are just outside the event horizon of a black hole, can you get away from the hole? Yes, if you move quickly enough The radius of the event horizon (i.e the size of the black hole) is called the  2  Schwarzschild radius: R SchwarzchildGM/c The distance from the singularity to the event horizon Clicker : If we add mass to a black hole, the black hole will: It gets bigger   Clicker : If we replaced the Sun with a black hole having exactly the same mass as the Sun, what would  happen to the Earth? Earth would continue to orbit as normal, but it would get very cold If it has the same mass, the curvature would be the same January 23, 2014 01/07/2014 Selected Supernovae January 23, 2014 01/07/2014 Galaxy M82 One single star is able to output the same amount of light as the entire solar system Supernovae is probably the second most biggest explosion There is so much light you can see it as a flicker of light from the other side of the observable universe Uoft.me/astrotours This galaxy is 12 million light years away, so technically this star blew up 12 million years ago but we just  see it today Clicker: Which of the following would allow us to locate a black hole today? We  could look for objects which appear to be orbiting an invisible object You can’t watch light unless is coming to you – if there’s a black hole the light would go into a blackhole and  you wouldn’t be able to see it Black holes: Suck up things in their event horizon Don’t emit light The first­ever conclusive observation was made at UofT They were looking at Cygnus – the swan And they found a reasonably bright star that was orbiting something but they couldn’t see anything They changed their telescope but there was still noting visible So by seeing the orbit of the visible star, you can calculate the mass of the black hole because the orbit  depends on gravity which depends on mass NOTHING escapes a black hole The –rays we see coming from Cygnus X­1 were emitted by hot material just outside the event horizon IT IS NOT COMING FROM THE BLACKHOLE! It is coming from the thing that is falling into the black hole January 23, 2014 01/07/2014 Cygnus X­1 is about 15 times the mass of the Sun, so its Schwarzschild radius is only about 44 km Clicker: The black hole, Cygnus X­1, is emitting X­rays False Cygnus X­1 is a stellar­mass black hole Formed when a star blows up Stellar­mass black holes   form when very large stars die in supernova explosions    Every galaxy probably has thousands or millions of stellar­mass black holes    There is a much larger kind of black hole, found only at the centers of galaxies               The stars in the middle of a galaxy are so  dense    There is a big cloud of gas that orbits this black hole According to the orbit of the gas cloud they figured out that the thing in the middle has to be 4 million times  that mass of the Sun and has an orbit less than the Earth      The only thing that reaches this description is a black hole – super massive black hole Jet: material that came close to the disc and close to the black hole but was shot away The supermassive black hole in our galaxy has a mass 4 million solar masses That doesn’t mean 4 million stars collided We are almost certain that they originated with the universe, even before they actually became stars The black hole gets bigger as it eats stuff Black holes can absorb a black hole Sometimes in the disc that forms around the black hole, a new star is formed but it doesn’t live very long – it  gets sucked it if it in the event horizon Hawking radiation talks about radiation that comes from the stuff around the black hole There might be another kind of black hole, the size of an atom or smaller!  January 23, 2014 01/07/2014 These primordial black holes would have formed just after the Big Bang. No one has ever seen one. Stars are kinda simple It’s just a big ball of gas We understand the Sun better than anything in nature The Sun is really big The Sun’s diameter is about 100 times Earth’s diameter But compared to all the other stars, the sun isn’t that big Clicker: A light year is the distance light travels in one year through empty space. How far do you think the  Sun is from the Earth? Much less than one 1 light year The Sun is about 8 light minutes from Earth. What’s the Sun made of? Until 1925, people assumed the Sun was made of similar material to the Earth In 1925, Cecelia Payne showed that, in fact, the Sun was made mostly of hydrogen, a little helium, and tiny  amounts of other elements. First ever female chair at Harvard At first she was convinced not to publish the paper because it was so bizarre She did it by looking at the light the sun emits Everything we learn about celestial objects, we do it by looking at it Jan 28, 2014 01/07/2014 Midterm MCQ + SAQ/diagram Not on Con Hall Material only discussed in class (if it appears in the textbook and not class, it won’t be on the test) Everything from the beginning of semester to the class before the midterm Stephen Hawking: The event horizon of a black hole isn’t as sharp as we’ve been saying That line between the outside and inside is a bit fuzzy This is due to quantum mechanics It is possible that some things that go into the event horizon can come out HE IS NOT SAYING BLACK HOLES DO NOT EXIST Cecelia Payne The first person to determine what the sun is made of She taught us how to take the light from an object, break it and see what something is made of She helped put the pieces together You take light and pass it through a prism and you’ll get a rainbow – Diffraction (breaking light)  Spectrograph is a crude version of this When you pass sunlight through a spectrograph, it appears to separate into a perfectly smooth rainbow.  White light is just a notion in our head Astronomers don’t use colours­ they use wavelengths for visible light Short wavelength : violet Longest wavelength : red Green is more redder than violet (logically violet has more red) but it is closer to red on the spectrum Jan 28, 2014 01/07/2014 Clicker: Which of these colours have the longest wavelength? Orange not blue, yellow, brown or green Brown, grey, pink are not a colour of light – that is a phenomon our brain comes up with The Sun appears to have a continuous spectrum: one with some of every colour of light (rainbow). Any spectrum that has every colour in some amount is called a continuous spectrum – there are no holes Clicker: Which of the follow is not a continuous spectrum? D – it has a black gap in it They can vary in the amount of each colour Clicker: Which one of the graphs is not a continuous spectrum? D – the graph has a dip in it – there’s a hole Dense objects, such as solids, liquids, or dense gases, emit a particular kind of continuous spectrum.  No matter how dense or whether it is a solid, liquid or gas A spectrum with this shape is called a blackbody spectrum. (SEE SLIDES, 18) They absorb all the light that hits them   As you heat a dense object (“blackbody”) up, it emits more light. The hotter you make it, the more it will glow The dashed line is a cool object, the solid line is the hot object (SEE SLIDE 19) As you heat a blackbody, the wavelength at which it emits the most light shifts to shorter wavelengths.  When you initially heat it goes from red ▯orange ­> blue The wavelengths at which it is emitting more light shifts to blue Jan 28, 2014 01/07/2014 You heat it, you get more light and more light at a shorter wavelength Red stars are cooler than blue stars If we spread the light from the Sun out a whole lot, we see that the solar spectrum is NOT strictly  continuous. If it is continuous we would not be bale to tell what it is made of Only if the object deviates a little from the curve then only can we tell what it is made of The Sun’s spectrum has a few holes in it These holes/gaps are different and important They are important because different gaps in the spectrum of two objects means that the chemical  composition of those two objects is different All those spectral lines tell us what the Sun is made of.  But where do all the little lines come from? Electrons can ONLY orbit in the orbitals allowed for that atom. Cannot orbit in the gap between orbitals The orbitals have different energies. The orbitals closer to the centre have lower energy Orbitals do not have colour but the transitions between orbitals do You can see how much energy the atom needs to emit/absorb to move orbitals If electrons want to move then they have to absorb or emit light high energy to low energy it needs to lose energy – emit light Electrons can drop to a lower­energy orbital by emitting light low energy to high energy – absorb light Electrons can jump to a higher­energy orbital by absorbing light. It can only absorb/emit light that is needed for that specific orbital Jan 28, 2014 01/07/2014 If they want to go to the red wavelength (close to centre­ low energy) they have to have the same energy as  red – not orange To transition between two orbitals, an electron has to absorb or emit exactly the right  energy/wavelength/colour of light. Red= longer wavelength and lower energy Violet = shorter wavelength and more energy Any atom can only absorb some light Different elements have different orbitals Clicker: If different elements have different orbitals, they must also differ in the : Energies of light they can absorb and emit can also be colours of light they can absorb/emit In this case colour = enegry Orbitals do not have colours hence they cannot have wavelengths It is the differences between orbitals that have colour Orange compared to blue : means the gap between the orange is smaller than the blue line (SEE SLIDE  46) Clicker: Which color(s) can this atom emit, starting from the state shown? None If you are emitting light, you are going to a lower energy orbital – it is already at the lowest energy Clicker: Which colors(s) can this atom absorb, starting from the state shown? Both green and blue Technically the Sun is not only a dense object – it is surrounded by a network of floating atoms that can  only absorb/emit some light colours These atoms absorb some light hence the spectrum of the Sun is technically not a continuous spectrum Due to these atoms, some colours will be missing Based on the colours that are we can tell which atoms the sun is made of Jan 28, 2014 01/07/2014 Abosrbtion spectrum: It is missing some parts of the spectrum  By looking at the gaps that are missing and comparing those to the atoms on the earth we can tell what the  sun is made of So, we can determine what a star or any gaseous celestial object is made of by matching its spectral lines  to the spectra of substances we know!  Jan 30, 2014 01/07/2014 The sun is made of gas but it is not a cloud – It is very very dense Being dense (like every other dense objects) it emits ALL colours of light Humans reflect light – they do not emit visible light Hot things, like the sun emit visible light If the sun was only a perfect dense object we would see ALL the visible colours of light – we would get  more green because of the temperature of the sun The Sun is a ball of gas, but there isn’t a clear cut line­ there are whisps of gas near the sun (let’s think of  them as separate atoms – they would emit certain colours) So when the light coming from the sun passes through these atoms, it absorbs certain colours They are kind of like a filter By indentifying the missing colours, we can determine which atoms are present Clicker: How might the spectrum change if we added atoms of a different chemical element to the Sun’s  outer layer? Same black lines + more black lines (more colours missing) The gaps stay the same There is a lot of hydrogen in the Sun so it absorbs a lot of red colour Stars all produce energy in a different way To a good approximation, the Sun is a dense object Black body spectrum (a few are missing) Recall: to a good approximation, stars are blackbodies Orion’s shoulder (Betelgeuse): it is dense, but it is a bit cooler than the sun The peak of the wavelength depends on how hot the star is – it peaks at red Less blue/violet Orion’s other shoulder is visibly blue – it is hotter than the sun It’s spectrum peaks in the sun But this is not enough to determine colour – It is emitting more blue light than red You can figure out how hot a star is based on where the spectrum peaks and the wavelength Jan 30, 2014 01/07/2014 Clicker: Which of these spectra corresponds to a star that would appear visibly green? (Hint: remember to  account for ALL of the colours of light emitted by the star) None – There are no green stars If the graph peaks at green it means it’s kind of equal (it would appear white) In pictures we can see green stars because artists draw them like that Clicker: Which of these spectra could correspond to an orange star? One of them is not a black body spectrum therefore it cannot be a star Most of the stars in the sky appear white because they are so dim and so far away What powers the sun? For a very long time no one was sure It was figured out by process of elimination It seemed that the Sun was made of the same things as Earth and was simply on fire It can’t be burning – it’s made of hydrogen It’s the process of combining oxygen with other elements (combustion) – here it’s not doing that The Sun is made of hydrogen but it’s not neutral Electron + proton = an atom of hydrogen It is a plasma There are a lot of atoms but protons and electrons have been knocked off their parent nuclei It’s basically protons and electrons flying around  Clicker : If the Sun is made of plasma, why doesn’t it gravity crush it into a tiny ball? The plasma particles are moving very quickly Overall, the electromagnetic force does not play a huge role here because it is neutral The Sun is in hydrostatic balance or hydrostatic equilibrium between gravity and pressure. Jan 30, 2014 01/07/2014 One day that force of gravity will win, but for now the sun produces a lot of energy that in turn produces  outward pressure The Sun’s surface—the photosphere—is about 5800 K (Kalvin is similar is Celcius) To maintain the pressure balance in the center (core), the Sun must be much hotter there— about 15 million  K.  What could sustain such an immense temperature? E=mc 2 E: energy M: mass C: speed of light Clicker: In any reaction that produces energy using E=mc , how would the mass of the output compare to  the mass of the input? You can destroy mass (can convert it to energy) Less than Nuclear reactions* can convert matter to energy (or the reverse). *Remember the weak and strong nuclear forces? This is where they come into play. Ex. You take a proton and an anti­ proton (exactly the same as a proton except for the charge) You would destroy the mass and just create light/energy You can do the opposite Matter and energy and interconvertible both ways 01/07/2014 The hydrogen in the sun is NOT neutral, so how is the sun neutral? Do the other gases balance it out? 2 Clicker: In any reaction that produces energy using E=mc , how would the mass of the output compare to  the mass of the input?  Did not really understand this  Less than You can destroy mass (can convert it to energy) Is black hole counted as dark matter Sun loing mss – so eventually no mass? 14. Imagine you're in a spaceship, looking at a star from a distance of 0.5 light years. You then  move your ship to a distance of 1.5 light years from the star. By what factor will the brightness  of the star appear to change? (a) the brightness will increase by a factor of 3 (b) the brightness will increase by a factor of 2 (c) you are so close to the star in both cases that it's brightness will not appear to change at all (d) the brightness will fall by a factor of 3 (e) the brightness will fall by a factor of 9 * 01/07/2014 17. If you find a cluster of 1000 mostly main­sequence stars, ALL of which are red, you know that  those stars are: (a) hot (b) short­lived (c) massive (d) mainly made of helium (e) old * 9. BONUS: We can't measure the luminosities of stars directly, so we have to measure other  properties of stars and combine them to estimate the star's luminosity. Which set of properties  listed below could NOT be combined to give an estimate of a star's luminosity? (a) surface temperature, luminosity class known to be V 01/07/2014 (b) apparent brightness, distance (c) spectral class, luminosity class (d) apparent brightness, surface temperature * (e) mass, luminosity class known to be I we see a star as it was 12 billion yrs ago – but what if someone is on that star looking at us 6. Compared to the force of gravity that Earth exerts on a satellite, the force of gravity the satellite  exerts on Earth is: (a) more than a million times smaller (b) about a thousand times smaller (c) the same  (d) about a thousand times larger (e) more than a million times larger 01/07/2014  The International Space Station (ISS) orbits Earth at a speed of about 28,000 km/h. If an  astronaut on a space walk were to let go of the station while outside it, she would: (a) fall towards the Earth (b) have to grab the station quickly before it moved away from her (c) float away from the Earth (d) continue orbiting with the ISS  (e) be able to get back to the station, but only if she had a jet pack  As you heat a blackbody, the wavelength at which it emits the most light shifts to shorter wavelengths.  8. If we decrease the temperature of a blackbody (also called a thermal emitter), it will: (a) emit more light overall and less at short wavelengths (b) emit less light overall and more at short wavelengths (c) emit less light overall and less at short wavelengths  (d) emit more light overall and more at short wavelengths 01/07/2014 Compared to the force of gravity that Earth exerts on a satellite, the force of gravity the satellite  exerts on Earth is: (a) more than a million times smaller (b) about a thousand times smaller (c) the same  (d) about a thousand times larger (e) more than a million times larger . The International Space Station (ISS) orbits Earth at a speed of about 28,000 km/h. If an  astronaut on a space walk were to let go of the station while outside it, she would: (a) fall towards the Earth (b) have to grab the station quickly before it moved away from her 01/07/2014 (c) float away from the Earth (d) continue orbiting with the ISS  (e) be able to get back to the station, but only if she had a jet pack Feb 4, 2014 01/07/2014 Gia is important because it will map thousands more stars L2: Earth’s gravity and Sun’s gravity is the same The European space station often send stuff to the L2 The last time anyone has done this was the European space program in 1989 There are two reactions that give energy to the sun Combustion (chemical) or  Nuclear (this is the only plausible one) Chemical reactions just rearrange matter Nuclear reactions destroy mass by exchanging it with energy It is possible to destroy mass as long as it exchanges it with energy Nuclear reactions* can convert matter to energy (or the reverse).  *Remember the weak and strong nuclear forces? This is where they come into play. Two particles of light (photons) are smashed together – they spit out mass (anti­matter) The humble proton has a mass of 1.00728 u Ex: the weight of 4 grapefruits smashed together = 4X the mass of one grapefruit  But for photons you get less mass + get energy What comes out has less mass than what went in! 4 protons smashed together = anti­electron (positron), neutrons, anti matter ad neutrino The anti­electrons smash with other electrons 41H →  2He +2e  +2υ +2γ + e   = anti electron y = light H = hydrogen/helium? Feb 4, 2014
More Less

Related notes for AST201H1

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.