Die seltsamen Sterne des JWST, I: Einführung

 Post 1:

Helle Sterne bildet das JamesWebbSpaceTeleskop JWST mit seltsamen symmetrischen Mustern ab.

Das sind Beugungs- und Interferenzerscheinungen von Lichtwellen, so wie sie auch bei normalen Kameras und anderen Teleskopen beobachtet werden.

Hierzu drei Bilder:

Das erste zeigt eine Aufnahme des HubleSpaceTeleskops HST mit einem vierstrahligen Muster beim hellen Stern oben rechts. Das Bild zeigt eine Gezeitenstrom zwischen Galaxien (Post vom 22.11.).

Das zweite Bild ist eine Aufnahme von D.Gutermuth von seiner Privatsternwarte Calden aus. Es zeigt den Wizardnebel. Hier sieht man Strahlen ebenfalls um die helleren Sterne. (Post vom 18.11.).

Das JWST erzeugt aber ein viel komplizierteres Strahlenmuster. Dies zeigt Bild 3 bei den helleren Sternen, die vor einem weit entfernten Galaxienhaufen stehen.

Das man all das nur bei helleren Objekten sieht, liegt daran, dass Beugungserscheinungen nicht sehr leuchtkräftig sind und man noch länger belichten müsste, um sie auch bei lichtschwachen Sternen sichtbar zu machen.

Sie tauchen auch nicht um flächenhafte Objekte auf, wie Galaxien, da sich dort von jedem Lichtfleck der Galaxie erzeugten Beugungsstreifen letztlich wegmitteln.

In einer kleinen Postserie von Post 2 bis Post 6 möchte ich diese Erscheinungen erklären:

Teil 1: Was ist überhaupt Beugung?

Teil 2: Beugungsmuster und Beugungsobjekt sind ein und dasselbe, nur in unterschiedlichen Räumen betrachtet.

Teil 3: Beugungsmuster vom Hauptspiegel und der Linsenfassung

Teil 4: Beugungsmuster von den haltestreben des Sekundärspiegels

Teil 5: Die achtzackigen Sterne des JWST

Experimente mit einzelnen Photonen

 Eine Fehlinterpretation wird von Generation zu Generation weitergereicht...mehr dazu in diesem Extrafutter auf meiner Homepage.

Das berühmte Taylor-Experiment mit einzelnen Photonen konnte 1909 gar nicht so durchgeführt werden....

https://www.natur-science-schule.info/post/das-taylor-experiment-der-mythos-lebt

Zum Taylor-Mythos

Breaking News: Tanz um ein Schwarzes Loch, ganz nah

 Embargo bis 16.00 Uhr

Dem Nobelpreisträger Reinhard Genzel (2020) ist mit seinem Team ein neue Coup gelungen!

Zoom auf das Supermassive Schwarze Loch (SSL) im Zentrum der Galaxis: 30 mal näher und schärfer!

Seit 30 Jahren beobachtet Genzel mit immer besseren Techniken die Sterne in der Nähe des SSL im Zentrum der Milchstraße. Aus ihren Bewegungen kann man einmal die Allgemeine Relativitätstheorie ART überprüfen und die Masse des zentralen Objektes, dem SSL, bestimmen.

Mit dem Instrument GRAVITY am VLT in Paranal Chile kann man alle vier 8,4 m Teleskope zu einem großen Teleskop zusammenschalten. Dadurch lässt sich die räumliche Auflösung gewaltig steigern.

Im Interferometertunnel (siehe Bild) werden die unterschiedlichen Lichtwege durch fahrbare Spiegelwagen und Piezokristalle für die Feinkorrektur ausgeglichen und dann das von den vier Teleskopen kommende Licht in GRAVITY zur Überlagerung gebracht.

Damit konnte der Stern 29 beobachtet werden, der im Mai 2021 mit 13 Milliarden km (90 AE) bei einer Geschwindigkeit von 8740 km/sec (knapp 3% der Lichtgeschwindigkeit) seine kleinsten Abstand zum SSL hatte.

Ein weiterer Stern nahe des SSL, der Stern  300, wurde neu entdeckt.

Mit Hilfe von GRAVITY ist, unterstützt von einem Maschinen-Lern-Programm, das bisher detailreichste und schärfste Bild vom galaktischen Zentrum entstanden.

Die Bewegungsanalyse bestätigte nicht nur erneut die ART, sondern führte auch zu einer besseren Massenbestimmung des SSL: 4,3 Millionen Sonnenmassen.

Auch der Abstand zum galaktischen Zentrum konnte neu bestimmt werden: 27 000 Lichtjahre.

Die Arbeiten werden heute in zwei Paper in Astronomy&Astrophysics veröffentlicht.

credit: ESO/Gravity collaboration, Calcada

Bild 1: Bewegungen der Sterne von März bis Juli 2021, SgrA* ist die Position des SSL

Bild 2: Im Interferometertunnel unter dem VLT (eigene Aufnahme)

Video 1: Tanz der Sterne um das SSL

Video 2: Zoom auf das Zentrum unserer Galaxis, sehr empfehlenswert und beeindruckend

Stichwort 9: GRAVITY

 Das ist nicht nur der Name eines berühmten Science Fiction Films, sondern des neuen Interferometersystems beim VLT. Jetzt können vier Teleskope miteinander kombiniert werden. Alles funktioniert im kurzwelligen IR, aber für jedes Teleskop mit adaptiver Optik.

Damit kann man lichtschwächere Systeme untersuchen und erreicht Auflösungen von 0,004 Bogensekunden!

Weitere Infos unter Stichwort 8

Bild: ESO

Stichwort 8: AMBER

 AMBER steht für Astronomical Multi-BEam combineR, ein optisches System, das es erlaubt, das Licht von 3 Teleskopen des VLT in Chile zu kombinieren.

Es ist 2004 in Betrieb genommen worden. Damals konnte man Gasblasen auf Beteigeuze nachweisen.

AMBER war Teil des VLT-I, des Interferometersystems auf Paranal.

In einem großen unterirdischen Bereich wird das Licht der Teleskope zusammengeführt. Dabei werden Wegdifferenzen durch fahrbare Spiegelwagen mit über Piezos korrigierbare Spiegel ausgeglichen.

Es entsteht kein Bild, sondern ein System aus Interferenzstreifen, aus dem man Informationen über die Strukturen des Objektes gewinnt, die dann als Bild dargestellt werden2018 wurde AMBER außer Betrieb genommen.

Bilder:

Blick auf AMBER (ESO)

3 Spektrallinien und das Interferenzbild durch AMBER (ESO)

Beste Rekonstruktion über AMBER Messungen: Antares (2017) (ESO)

Strahlengang im Interferometer (ESO)

Im Interferometertunnel (KPHaupt)

Spektren 4): Gitterspektren

 Bisherige Posts dieser Serie:

15.10.: Brechung und Prismenspektren

16.10.: Drei Arten von Spektren

18.10.: Physik der Spektrallinien

19.10.: Ergänzung: Sonnenaufbau

Brechung tritt immer dann auf, wenn Licht das Medium wechselt, also von Luft in Glas oder umgekehrt.

Beugung tritt auf, wenn etwas dem Licht im Wege steht, sei es ein Fernrohrtubus oder dicht beieinander stehende Spalte, ein Gitter.

Früher mussten Gitter noch dadurch hergestellt werden, dass man mit einem Diamanten sehr dicht beieinander liegende Linien in ein Glas hineinritzte.

Das war sehr mühsam, die Anzahl der Öffnungen und die Größe der Gitter dadurch begrenzt.

Heute werden Gitter so wie integrierte Schaltungen hergestellt. Nahezu jede Größe, Strichzahl und nicht allzu teurer. Für wenige Euro kann man sich schon gerahmte Gitterdias kaufen.

 

amazon

Auch die Beugung ist wellenlängenabhängig.

Blaues Licht wird stärker gebrochen, aber wegen der kurzen Wellenlänge weniger stark gebeugt. Kurze Wellen lassen sich eben kaum vom Weg abbringen.

Ein Gitter sortiert dann das Licht nach Wellenlängen und bildet mehrere nebeneinander liegende Spektren.

Ein beachtlicher Teil des Lichtes kommt, wellenlängenunabhängig, vorbei und bildet das weiße 0. Maximum.

Blickt man z.B. durch ein  Gitter hindurch, so erkennt man die Deckenbeleuchtung als Spektrum.

 

 Die Deckenlampen strahlen nur in wenigen Farbbereichen. Für jede Wellenlänge entsteht z.B. ein eigenes 1. Maximum: Innen liegt das blaue 1.Maximum, außen, stärker gebeugt, das rote 1. Maximum.

Auch die Rillen einer CD oder DVD wirken wie ein (Reflexions-) Gitter. Jeder kennt die Farben, die man sieht, wenn man seitwärts auf die utnerseite sieht.

Da die Rillen einer DVD enger liegen, sind dort die Farben weiter auseinander gezogen als bei eienr CD.

Hochschule Düsseldorf

 Gitter sind nicht nur leichter und billiger herzustellen als Prismen, die Wellenlängen sind im Spektrum auch viel gleichmäßiger angeordnet.

wird fortgesetzt mit: "Das Sonnenspektrum"

Vertiefende Info:

Gitter: Formel für Maxima 

Gitterspektren

Wie entsteht die Vergütung einer Linse?

 Vergütung einer Linse

astroshop

 

Durch Bedampfen einer Linse mit (durchaus mehreren) dünnen Schichten sorgt man dafür, dass bestimmte Farbbereiche durch Interferenz an diewsen dünnen Schichten besonders gut durchgelassen werden oder besonders schlecht reflektiert werden.

Dabei wird das Licht sowohl an der Außenseite der dünnen Schicht als auch an der Innensetie reflektiert. Die beiden reflektierten Strahlen haben verschobene Wellen züge (man nennt das einen Gangunterschied), da eine Welle sich in der aufgedampften Schicht hin- und her bewegen mjuss und auch noch dabei langsamer ist.

Das Unterdrücken von reflektiertem Licht  nennt man das "Entspiegeln eines Brillenglases" (Reflexminderung):

Wenn man einem Brillenträger in das Gesicht sieht, erkennt man weniger Reflexe auf der Brille und kann der Person besser in die Augen sehen....

Optik Ripken

 Besonders gut sieht man die Vergütung an Objektiven von Ferngläsern.

Normale optische Linsen lassen nur etwa 60% des Lichtes durch. Möchte man besonders das rötliche Streulicht reduzieren, so muss die Vergütungsschicht dafür sorgen, dass rotes Licht besonders gut reflektiert wird, also nicht durchkommt. Dann verstärkt man das gelb/grüne und blaue Licht, das bis zu 95% durchgelassen wird.

Eine solche Vergütungsschicht schimmert dann rötlich.

Bresser Optik

Bei hochwertigen Objektiven arbeitet man mit bis zu 15 Vergütungsschichten.

Erklärung:

Man dampft eine Schicht auf die Linse, deren Brechungsindex kleiner als der des Glases ist.

Dann tritt sowohl bei der Reflexion an der Grenze Luft/Schicht als auch an der Grenze Schicht/Glas ein Phasensprung auf. Phasensprünge treten also bei A und B im folgenden Bild auf.

Das heißt hier wird ein Wellenberg als Wellental und umgekehrt reflektiert. Solche Phasensprünge erzeugen Gangunterschiede von einer halben Wellenlänge. Sie treten immer bei der Reflexion an einem dichteren Medium auf.

wikipedia commons

Wir  vereinfachen und betrachten nur den senkrechten Fall:

Alle Lichtstrahlen leigen eigentlich aufeinander, ich haeb sie hier nur versetzt gezeichnet.

Man erkennt: Möchte man eine bestimmte Wellenlänge im reflektierten Licht unterdrücken, so muss

für den Gangunterschied zwischen den beiden nach oben gehenden Strahlen A und B gelten:

∆xR = 2 n`*d + λ /2  - λ/2 = 2n`* d = λ /2.

 Nur so treffen immer Berge und Täler der Wellen aufeinander.

Im durchgehenden Licht ist dann diese Wellenlänge durch den Gangunterschied 2n`*d +  λ /2  =  λ /2 + λ /2 =   λ verstärkt.

n*d ist hier der sog. optische Weg, wegen der Abbremsung des Lichtes um den Faktor n im Glas, wird der Weg d scheinbar auf n*d verlängert.

Übungsaufgabe:

Auf eine Linse soll eine dünne Schicht der Dicke d = 100 nm aufgedampft werden. Dadurch soll Licht der Wellenlänge 550 nm besodners gut durchgelassen werden.

Welchen Brechungsindex n`muss diese Schicht bekommen?

(Antwort: 2 n`* 100 nm = 550nm/2 ergibt n`= 1,375)

 

 

Wer sich darüber mehr informieren möchte und eine grundlegende Einführung in Interferenzphänonene sucht, kann ab Montagmittag alles in meinem Blog über Licht und Quantenmechanik nachlesen:

 

Interferenz