39
AST 4320 – Kosmologi og ekstragalak6sk astronomi Høsten 2013 Ins6tu= for teore6sk astrofysikk, UiO

AST$4320$– Kosmologi$og$ ekstragalak6sk$astronomi$folk.uio.no/hdahle/AST4320_Lecture1.pdf · AST$4320$– Kosmologi$og$ ekstragalak6sk$astronomi$ $ Høsten2013 Ins6tu=for$ teore6sk$astrofysikk,UiO$

  • Upload
    hadung

  • View
    217

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

AST  4320  –  Kosmologi  og  ekstragalak6sk  astronomi  

 Høsten  2013  

Ins6tu=  for  teore6sk  astrofysikk,  UiO    

Tider  •  Forelesninger:    Tirsdager  14:15-­‐16:00  Fredager  12:15-­‐14:00  •  Øvelser:  Tirsdager  12:15-­‐14:00  (starter  27.08)  (Oppgaver  legges  ut  6rsdagen  før)    •  Midtveiseksamen:    08.10  kl.  15:00  (3  6mer)  –  teller  30%  av  slu=karakter  •  Avslu=ende  skriSlig  eksamen:    12.12    kl.  14:30  (4  6mer)  –  teller  70%  av  slu=karakter  •  ~5  obligatoriske  oppgaver  (innleveringfrister  kunngjøres  

senere)      

Læremidler  •  Lærebok:    

Galaxies  in  the  Universe  –  An  introduc5on      (second  edi6on),  Linda  Sparke  og  John    Gallagher,  Cambridge  University  Press    Boka  dekker  mesteparten  av  kurset  (ihver`all  6l  slu=en  av  oktober).  I  6llegg  kommer  forelesningsnotater  (legges  ut  i  pdf  –  format  på  ne=sidene  6l  kurset),  spesielt  om  strukturdannelse  og  gravitasjonslinsing    h=p://www.uio.no/studier/emner/matnat/astro/AST4320/  h=p://www.uio.no/studier/emner/matnat/astro/AST4320/h13/6meplan/index.html    Jeg  foreleser  (inn6l  videre)  på  norsk  og  skriver  notater  og  oppgaver  på  engelsk.        

Undervisere  

•  Håkon  Dahle,  rom  501,  [email protected]    h=p://folk.uio.no/hdahle  Telefon:  22  85  75  31  •  Gruppelærer  (tom.  10.09)  :  Amir  Hammami,  [email protected]  

•  (Gruppelærer  17.09:  Håkon  Dahle)  •  Gruppelærer  (fom.  24.09)  :  Max  Grönke,  [email protected]  

 

Main  topics  in  the  course  •  The  Milky  Way  as  a  galaxy  •  Galaxies:  Different  types,  their  structure/content,  dynamics,  scaling  

rela6ons,  and  evolu6on  •  (Ac6ve  galac6c  nuclei,  gas  and  dust  in  the  interstellar  and  

intergalac6c  medium,  and  their  evolu6on)    •  The  physics  of  galaxy  clusters,  and  their  use  as  a  cosmological  

probe  •  Dark  ma=er  and  large-­‐scale  structure  forma6on  and  evolu6on  •  Using  gravita6onal  lensing  to  study  the  physics  of  galaxies  and  

clusters  (including  dark  ma=er)  and  the  evolu6on  of  structure  in  the  universe    

•  I  will  discuss  relevant  observa6onal  methods  (op6cal,  IR,  sub-­‐mm,  X-­‐ray)  and  the  most  important  past  and  future  surveys  to  the  extent  necessary/as  6me  allows.    

   

Context  •  These  topics  could  easily  fill  3-­‐4  courses,  but  I’ll  try  to  focus  on  

things  that  will  be  par6cularly  important  and  relevant  for  Master  students  at  ITA,  while  also  providing  basic  background  knowledge  on  other  key  topics  in  extragalac6c  astronomy    

•  Current  cosmology  research  at  ITA  includes  theory  (dark  energy,  modified  gravity,  neutrinos),  N-­‐body  simula6ons  beyond  the  “standard”  (ΛCDM)  model,  studies  of  the  Cosmic  Microwave  background  radia6on  (Planck++),  using  galaxy  clusters  as  gravita6onal  lenses,  and  will  soon  include  radia6ve  transfer  modeling  of  early  galaxies  

•  My  aim  is  to  give  you  background  knowledge  (not  covered  by  earlier  or  subsequent  courses)  needed  to  start  a  master  degree  in  one  of  these  topics.  I  will  assume  background  knowledge  from  AST  4220  (Cosmology  I)    

•  Another  goal  is  to  get  an  ini6al  exposure  to  reading  relevant  scien6fic  literature,  e.g.  papers  in  Astrophysical  Journal,  Astronomy  &  Astrophysics,  and  Monthly  No5ces  of  the  Royal  Astronomical  Society          

 So  let’s  get  started…  

Lecture  I:  preliminaries    (Chapter  1,  sec6ons  1.1,  1.3.1)      

•  Stars  and  their  spectra  •  Photometry:  Measuring  light  • Galaxy  photometry  •  Photometric  redshiSs      

Basics  •  Apart  from  a  handful  of  neutrinos  from  SN1987a,  all  we  know  

about  other  stars  than  the  Sun  are  based  on  measuring  electromagne6c  radia6on  

•  Measured  flux  F  à  luminosity    L                                                                                                                                                F  =  L  /  (4  π  d2)  •  Recall  that,  for  cosmological  distances,  d  is  here  (by  defini6on!)  the  

luminosity  distance,  dL    •  Small-­‐angle  formula:  An  object  of  physical  size  D  and  distance  d  has  

apparent  angular  size  (measured  in  radians):                                                                                                                                                                α  =  D/d  •  Recall  that,  for  cosmological  distances,  d  is  here  (by  defini6on!)  the  

angular  diameter  distance,  dA      •  For  the  6me  being,  we  will  focus  on  local  galaxies  and  neglect  the  

difference    •  In  the  astronomical  literature,  masses  and  luminosi6es  are  

normally  given  in  terms  of  the  mass  and  luminosity  of  the  sun:                                                                      Msun  =  2x1030  kg                      Lsun  =  3.86x1026  W  

Stellar  spectra  have    ~blackbody  shape  Stefan  –  Boltzmann:                    

L  =  4  π  R2  σSB  T4,  where  σSB  =  5.67  x  10-­‐8    W  m-­‐2  K-­‐4    Blackbody  spectrum  peaks  at  λmax  =  [2.9/T(K)]  mm          (Wien  law)  

Flux  per  unit    wavelength  Fλ =  (ν2/c)  Fν

Fraunhofer  lines  in  the  solar  spectrum  (historical  nota6on)  

From  early  1800s,  purely  phenomenological.  Some  of  the  nota6on  s6ll  retained  today:    Ca  (H+K),  Mg  b,  Na  D,  and  the  G-­‐line                The  plot  shows  an  uncalibrated                  spectrum  of  the  blue  sky  with  the                          Fraunhofer  lines  marked  

Early  classifica6on  of  stellar  spectra        •  Ini6ally  ordered  into  series  A,B,C,…,Q  (not  to  be  confused  with  Fraunhofer’s  spectral  line  nota6on)    

•  In  the  1880s,  A.J.  Cannon  and  A.  Maury  realized  that  spectral  lines    change  smoothly  and  con6nously    along  the  sequence  OBAFGKM    (RNS  partly  discon6nued)  •  For  historical  reasons,  stars  at  the    beginning/end  of  this  sequence  are    called  “early-­‐type”/”late-­‐type”    

Spectral  classes/line  strengths  correlate  with  surface    temperature,  and  thus  color      

Infrared  surveys  have  added  classes  LTY  at  the    red  end  (objects  beyond  L5  are  brown  dwarfs)  

Second  dimension:  luminosity  

Stars  spend  most  of  their  life  6mes    on  the  main  sequence  (V).        But  overall  6me  scales  for  stellar  evolu6on    vary  drama6cally  with  stellar  mass        

 MS  stars  have  hydrogen  burning  in  the    stellar  core,  with  an  efficiency  of  0.007      When  ~10%  of  the  hydrogen  is  used    up,  the  star  starts  moving  away  from    the  MS.      The  total  energy  produced  on  the    MS  is  EMS  =    0.1  x  Mc2  x  0.007    The  MS  life6me  is  then  approximately      tMS  =  EMS  /  L      =  10  Gyr  M/L  (Msun/Lsun)-­‐1    =  10  Gyr    (M/Msun)-­‐2.5      

Stellar  masses  are  in  the  range    100  Msun  >  M  >  0.075  Msun  

(MS  denoted  by  hatched  area)  

Third  dimension:  Metallicity.      Do=ed  curves  denote  stars  with  solar  metallicity.    Solid  curve  denotes  star  with  1/20  solar  metallicity.  

Photometry  •  Hipparchus  (ca.  190-­‐120  BC)  divided  the  naked-­‐eye  stars  into  six  classes  according  to  brightness  

•  Modern  defini6on:  m1  –  m2  =  -­‐2.5  log  (F1/F2)  •  Standardized  photometric  systems  define  a  set  of  reference  filter  bandpasses  (e.g.,  Johnson-­‐Cousins  UBVRI,  with  JHK  extension  into  infrared,  SDSS  u’g’r’i’z’),  where  the  transmission  curve  which  defines  the  passband  is  given  by  TBP(λ).  The  apparent  magnitudes  of  two  objects  are  then  related  by  

Photometry  •  Colors  are  always  given  with  the  bluest  filter  first,  e.g.  B-­‐V,  V-­‐I,  g-­‐i,  J-­‐K  …etc.,  so  that  higher  numbers  always  imply  redder  colors  (recall  that  higher  numbers  imply  fainter  objects).  Table  1.4  gives  values  for  MS  stars,  and  the  (rest-­‐frame)  colors  of  “normal”  galaxies  should  be  expected  to  cover  the  same  ranges      

•  Zero  point  originally  defined  A0  star  Vega  such  that  V=0  =B=U…  for  this  star.  Current  defini6on  based  on  ensemble  of  A0  stars.  In  prac6ce,  sets  of  secondary  (fainter)  “standard  stars”  are  used  for  calibra6on.    

•  AB  magnitudes  are  instead  calculated  with  reference  to  a  flat  spectrum  (i.e.,  with  constant  flux  at  all  frequencies)  rather  than  an  A0-­‐type  stellar  spectrum.  The  zero  point  of  the  AB  system  is  chosen  such  that  VAB  =  Vvega  for  A0-­‐type  stars.      

Absolute  magnitudes  •  Magnitude  values  calculated  from  measured  fluxes  are  apparent  magnitudes.    •  The  intrinsic  brightness  of  an  object  is  given  by  the  absolute  magnitude,  which  is  

the  apparent  magnitude  at  a  standard  distance  of  10  pc;                                                                              M  =  m  –  5  log(d/10pc)    •  The  sun:  MB  =  5.48,  MV  =  4.83  •  Supergiant  stars:  MV  =  -­‐6  •  Type  Ia  supernovae:  MV  =  -­‐19.3;    Core-­‐collapse  supernovae  are  1-­‐2  magnitudes  

fainter    •  The  Milky  Way:  MV  =  -­‐20.5  •  The  brightest  ellip6cal  galaxies  (typically  found  in  cluster  centers):  MV  =  -­‐23.5  •  The  brightest  quasars:  around  MV  =  -­‐30  (some  are  gravita6onally  lensed)    •  Gamma-­‐ray  bursts  of  MV  =  -­‐36  have  been  recorded,  but  these  emit  radia6on  in  a  

narrow  beam    Bolometric  magnitudes  are  calculated  from  the  total  energy  emi=ed  at  all  wavelengths  Mbol  =  MV  –  BC  (where  BC  is  a  bolometric  correc6on)        

The  Earth’s  night  sky  is  never  really  dark:      Atmospheric  emission    

Airglow  banding  at  La  Silla    

With  an  iphone  you  can  measure  the  sky  brightness  yourself  !    Table  1.9  gives  average  sky  brightness  in  UV,  op6cal  and  IR  wavebands      Truly  dark  sites  have    >  21.6  V  mag/  arcsec2      A  square  region  of  size  D  within  a  galaxy  at  distance  d  subtends  an  angle  α  =  D/d  on  the  sky.  If  the  luminosity  of  this  region  is  L  then  the  surface  brightness  is      I(x)  =  F/α2  =  [L  /  (4  π  d2)]  /  [D2/d2]  =  L  /  (4  π  D2)            i.e.  independent  of  distance  (at  small  redshiSs)      The  peak  (central)  surface  brightness  of  normal  galaxies  is  typically  around    IB  =  18  mag/arcsec2    

At  wavelengths  longer  than  K  (~2.2µm)  the  atmosphere  gets  very  bright.  Observing  from  space  is  a  huge  advantage  at  these  wavelengths.      

Zodiacal  emission  (solar  system  dust)    has  spectrum  with  a  double  peak  :      Reflected  sunlight  at  Teff~5700K    +  absorbed  sunlight  re-­‐radiated  as    thermal  emission  at  T~300K    

Note  that  the  IR  filter  transmission  curves  are  tailored  to  atmospheric  transmission    

Sloan  Digital  Sky  Survey  (SDSS)  system  transmission  curves    (filter  +  detector  QE  +  op6cs),    with  (upper  curves)  and    Without  atmospheric    absorp6on        

Another  commonly    used  filter  system:    

More  red-­‐sensi6ve  detectors  à  Y  filter  added    

The  Hubble  Space  Telescope  has  its  own  filter  set,  e.g.:    

More  examples  of  broad-­‐,    intermediate-­‐,  and  narrow-­‐band  filters:      h=p://www.not.iac.es/instruments/filters/filters.php      

Empirical  template  spectra  for  different  galaxy  types  (Kinney  et  al.  1996)      

Stellar  popula6on  synthesis  Predicted  spectra  of    a  coeval  stellar  popula6on    at  different  ages,    given  in  Gyr                        Assumes  solar    metallicity  and  a  Salpeter    ini6al  mass  func6on  (IMF)      (from  S.  Charlot)      

Padmanabhan  (2007)  

No6ce  4000Å  break  !    No6ce  that    g-­‐i  color    increases    monotonically    with  redshiS      

Photometric  redshiSs:  Rough  redshiS  measurements  for  galaxies    too  faint  for  spectroscopy,  based  on  broadband  photometry  

Same  as  previous  plot,  but  adding  two  more  filters