ESPECTROSCOPIA: LOS - Cida
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<strong>ESPECTROSCOPIA</strong>: <strong>LOS</strong><br />
CODIGOS DE BARRAS DE<br />
OBJETOS CELESTES
El tipo espectral =><br />
Temperatura Efectiva<br />
QUE PODEMOS<br />
OBTENER<br />
La clase Luminosa =><br />
Gravedad Superficial<br />
Metalicidad<br />
Velocidad Radial<br />
Efecto Doppler<br />
<strong>ESPECTROSCOPIA</strong><br />
Velocidad Rotacional<br />
Vientos<br />
(lineas Prohibidas)<br />
Formación Estelar<br />
(Halpha)<br />
Juventud<br />
(LiI)<br />
Campos Magnéticos<br />
Efecto Zeeman
ESQUEMA<br />
1. Historia<br />
2. Componentes de un espectro celeste<br />
3. Naturaleza de la Luz y Radiación de<br />
cuerpo negro.<br />
4. Formación de lineas<br />
5. Sistema de clsificación espectral<br />
6. Instrumentación
1870-1872 Issac Newton demostró que la luz blanca estaba formada<br />
por una banda de colores que podían separarse por medio de un<br />
prisma. Este trabajo lo llevo a concluir que los Telescopios Refractores<br />
sufren aberración cromática e inventó el Telescopio Reflector<br />
(Newtoniano).<br />
1802 William Hyde Wollaston realizó observaciones de líneas oscuras<br />
en el espectro solar que finalmente condujo al descubrimiento de los<br />
elementos en el Sol.<br />
1814-1823,Joseph von Fraunhofer: estudio sistemático de las<br />
lineas espectrales del sol (líneas de Franhofer). También lineas<br />
espectrales en Venus y estrellas brillantes.<br />
CaII<br />
CH<br />
1. HISTORIA<br />
Hβ<br />
FeI<br />
NaI<br />
Hα<br />
O 2<br />
(telluric)
HISTORIA<br />
1823 William Herschell, infirió que las líneas observadas provienen<br />
de componentes de la materia estelar. Usando un espectroscopio<br />
descubrió el Infrarrojo.<br />
1860 Kirchhoff y Bunsen: lineas de absorción son el reverso de<br />
las lineas en emisión observadas en flamas de laboratorio. La<br />
intensidad se relaciona con la abundancia de algunas especies.<br />
1860 Angelo Secci y Huggins: Primera exploración espectroscópica<br />
del cielo y primer sistema de clasificación: estrellas blancas (BA),<br />
estrellas amarillas (GK), estrellas coloradas (M), estrellas rojas<br />
(estrellas de Carbono), Estrellas con lineas en emisión.<br />
1890 Edward Pickering y su grupo de calculistas (Williamina<br />
Fleming, Antonia Maury, Annie Cannon, Henrieta Swan Leavitt y<br />
otras 10 calculistas más) clasificaron un gran numero de estrellas con<br />
placas fotográficas (prisma Objetivo). Definieron la secuencia Harvard<br />
OBAFGKM.
Edward Pickering y su grupo de mujeres calculistas.<br />
SECUENCIA HARVARD
HISTORIA<br />
1890 Henry Draper, publicó el tipo espectral de 10000 estrellas, luego<br />
con los trabajos de Pickering y su grupo de calculistas (principalmente<br />
A. Cannon) se amplió el catalogo en 1918 y 1924.<br />
Diagrama H-R (Hertzsprung, 1908; Russell, 1913).<br />
Morgan, Keenan y Kellman 1943: Introducción de clases<br />
luminosas I II III IV V VI. Estas clases luminosas en<br />
conjunto con la secuencia de Harvard definieron el<br />
Sistema MK (o MKK) el cual es usado actualmente.<br />
Nancy Houk (actualmente emeritus en la Universidad de<br />
Michigan) ha creado 5 Tomos de estrellas HD clasificadas<br />
(1975, 1978, 1982,1988,1999). Ha clasificado 161472<br />
estrellas HD en el sistema MK localizadas a declinaciones <<br />
+5 grados.
2.- Componentes de un espectro<br />
Continuo=> ligado-libre, libre-libre y dispersión de electrones.<br />
Lineas=> ligada-ligada
3. NATURALEZA DE LA LUZ:<br />
RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA<br />
Al rededor de 1860 James Clerk<br />
Maxwell describió las ondas<br />
electromagnéticas como fluctuaciones<br />
de campos magnéticos y eléctricos.<br />
Sugirió que los rayos de luz son ondas<br />
electromagnéticas.<br />
v=f*λ<br />
La velocidad depende del medio, en el vacío<br />
v=c~300000 Km/s<br />
La naturaleza corpuscular de la luz se representa con el modelo del fotón.<br />
Según su longitud de onda, estas partículas poseen una temperatura<br />
asociada y llevan consigo una cantidad de energía.<br />
ε=h*f<br />
ε=kT=h*f<br />
h es la constante de Planck 6.63e-34 J.s o 4.14e-15 eV.s<br />
Donde k es la constante de Boltzmann 1.38e-16 erg/K
CAMPO DE RADIACION<br />
Intensidad de radiación<br />
Cuantos fotones emite la fuente<br />
Que cantidad de fotones<br />
atraviesa un área dada<br />
Cuantos fotones<br />
Hay en un cierto<br />
volumen<br />
Presión. Que cantidad de<br />
fuerza (momentum) transfiere<br />
los fotones al golpear una<br />
cierta área.<br />
Y todo depende de la longitud de onda y la interacción<br />
de la radiación con el medio donde se traslada.
RADIACION DE CUERPO NEGRO<br />
(Gustav Kirchhoff, 1862)<br />
Toda la energía incidente del exterior es<br />
absorbida y toda la energía interna es emitida.<br />
No existen fotones reflejados. La densidad de<br />
energía del campo electromagnético en la<br />
cavidad es constante.<br />
Aproximación de un cuerpo negro: poder<br />
absorbente ~ 1.0.<br />
En equilibro térmico:<br />
poder absorbente= poder emisor.
RADIACIÓN DE CUERPO NEGRO<br />
Un cuerpo negro está en equilibrio térmico y la interacción entre<br />
fotones es despreciable. No hay ley de conservación de fotones;<br />
el # de fotones se auto-ajusta con la temperatura del cuerpo. El<br />
campo de radiación de cuerpo negro es homogénea e isotrópica.<br />
Catastrofe UV<br />
La distribución de energía espectral (SED) de cuerpo<br />
negro es descrita por una función que depende solo de la<br />
temperatura I λ<br />
=B λ<br />
(T) (Función de Planck).
FUNCION DE PLANK<br />
Aproximación<br />
de Reyleight-<br />
Jean.<br />
Wilhelm Wien<br />
Aproximación<br />
de Wien<br />
Ley de desplazamiento Wien<br />
Ley de Stefan-Boltzman
4. FORMACION DE ESPECTROS<br />
Lineas y Continuos
Números cuánticos y lineas de Hidrógeno<br />
n=número cuántico principal<br />
(1,2,3,4...)<br />
l= número cuántico del momento<br />
angular (0,1,...n-1) => (s,p,d,f,g,h..)<br />
m = número cuántico magnético<br />
(-l, -l+1,-l+2..0..l-2,l-1,l)<br />
s = número cuántico espín<br />
(1/2,-1/2)<br />
Transiciones en resonancia se dan entre el nivel base y otro<br />
nivel. Son lineas muy fuertes. Ejemplo, la seria Lyman de H.
TRANSICIONES<br />
Dispersión de electrones<br />
(F. Coulomb)<br />
Transiciones intercombinadas<br />
se dan entre el niveles de<br />
energías de diferentes multipletes<br />
(diferente s).<br />
transiciones semi-prohibidas<br />
se dan cuando se viola la regla de<br />
selección DeltS=0 (CaI 6573).<br />
Transiciones Prohibidas:<br />
se da cuando se viola la<br />
regla de selección Deltl+-1<br />
Siendo l el numero<br />
cuántico momento angular.<br />
E.j. [O I] 6300A
Lineas espectrales<br />
E= h λ<br />
Fotón tiene<br />
la energía<br />
para excitar<br />
un átomo<br />
particular<br />
El fotón es transparente al material y<br />
no afecta su trayectoria ni propiedades<br />
Continuo<br />
Lineas<br />
N<br />
N<br />
m<br />
Longitud de Onda<br />
Longitud de Onda
ENSANCHAMIENTOS DE LA LINEA<br />
1.- Ensanchamiento Natural: El electrón en un nivel excitado ocupa la<br />
orbita por un breve instante de tiempo (Δt), su valor de energía no es<br />
precisa según el principio de incertidumbre de Heisenberg (2*π*ΔE~h/Δt)<br />
2.- Ensanchamiento Doppler: A una temperatura<br />
T la distribución de velocidades está dada por la<br />
ley de Maxwell-Boltzmann, combinando esto<br />
con el efecto Doppler tenemos:<br />
3.- Ensanchamiento Doppler Rotacional: Se debe al movimiento global de la<br />
fotosfera estelar. De manera similar existen fenómenos de microturbulencia<br />
4.- Ensanchamiento Colisional (efecto Stark). Los<br />
niveles de energía son afectados por el campo<br />
electromagnético de partículas vecinas. Estas<br />
partículas no están fijas espacialmente y por lo<br />
tanto el campo electromagnético local fluctua.<br />
3.- Ensanchamiento Zeeman: El campo magnético de una estrella puede<br />
desdoblar los niveles de energía debido al efecto Zeeman.
Lineas en absorción y emisión<br />
Linea de emisión<br />
Linea de<br />
absorción
dA<br />
ds<br />
Coeficiente de absorción<br />
dA<br />
Coeficiente de absorción (α ) es la perdida de Intensidad de un haz que viaja una distancia ds<br />
α depende del numero y la sección eficaz de las partículas absorbentes<br />
El camino libre medio (l) es la distancia<br />
media de un fotón antes de ser afectado<br />
Un medio posee una profundidad óptica dada por:<br />
Un medio es opticamente grueso o opaco si τ>1, ó<br />
opticamente fino o transparente si τ
A diferencia del interior estelar, en la fotosfera el campo de radiación no esta<br />
acoplado al estado térmico del gas. Se puede asumir LTE en la fotosfera de estrellas<br />
enanas, y esta aprox. puede ser aceptable para gigantes y super gigantes.<br />
l~Kms<br />
l~cms<br />
Los rayos de alta energía<br />
creados en el centro<br />
(gamma) sufren multiples<br />
interacciones antes de<br />
escapar de la estrella como<br />
fotones UV, ópticos o<br />
infrarrojos.<br />
El espectro es formado en<br />
la fotosfera, aunque la<br />
corona y cromosfera<br />
pueden contribuir,<br />
especialmente en el rango<br />
UV de estrellas frías.<br />
T Fotosfera<br />
Mayor opacidad,<br />
Menor opacidad ,<br />
mayor profundidad<br />
optica<br />
menor profundidad<br />
optica
En equilibrio<br />
Termodinámico<br />
(ET):<br />
Opacidad de<br />
linea<br />
Radiación:<br />
.- Ley de Kirchhoff (e=a)<br />
.- Ley de Planck (Wien and Stefan Boltzmann)<br />
Materia<br />
.- Maxwell-Boltzmann (distribución de velocidades)<br />
.- Boltzmann (distribución de niveles de energía)<br />
.- Saha (distribución de estados de ionización)<br />
.- Abundancia del elemento<br />
.- proporción de átomos en el nivel de excitación (Boltzmann)<br />
.- proporción de átomos en el estado de ionización (Saha)<br />
.- probabilidad de transición. Función de Partición, reglas de<br />
selección, pesos estadístico de los niveles (gi), coeficientes<br />
de Einsteins.<br />
Existe una gran diversidad de estrellas cuyos espectros reflejan un<br />
amplio rango de fenómenos físicos de la fotosfera estelar. Sin embargo,<br />
la mayoría de espectros estelares se pueden aproximar con dos<br />
variables físicas: La temperatura efectiva (el tipo espectral) y la presión<br />
del gas (gravitación superficial o Luminosidad), esto define el sistema<br />
de clasificación bidimensional MKK (1943)
Ejemplo de espectros estelares<br />
Fotosfera<br />
Campo<br />
de<br />
radiación<br />
continuo
Espectro de una Galaxia Espiral<br />
El campo de radiación<br />
de las estrellas<br />
masivas en formación,<br />
es dispersado por las<br />
nubes moleculares<br />
vecinas.
Espectro de una nebulosa<br />
planetaria<br />
Un objeto extendido generalmente<br />
tiene espectros con lineas en<br />
emisión, en baja densidad se crean<br />
líneas prohibidas<br />
Luz dispersada por el<br />
material circumestelar
SISTEMA DE CLASIFICACION ESPECTRAL<br />
(Morgan Keenan y Kellman)<br />
La clasificación estelar no necesita<br />
conocimiento teórico de la formación de líneas y<br />
del continuo, sin embargo, este conocimiento<br />
teórico es necesario para la interpretación de los<br />
espectros estelares.<br />
En otras palabras, la clasificación espectral es un método cualitativo<br />
para agrupar un gran número de estrellas en grupos o tipos conociendo<br />
algunas características físicas de las estrellas patrones usadas para<br />
calibrar el método de clasificación.
Sistema MKK<br />
Secuencia de temperatura:<br />
O B A F G K M L T<br />
C S<br />
Clase de Luminosidad<br />
0: Hipergigantes<br />
Ia y Ib : Supergigantes.<br />
II: Gigantes Brillantes<br />
III: Gigantes<br />
IV: Sub Gigantes<br />
V: Enanas<br />
VI: Subenanas<br />
Ejemplo:<br />
G0V, M5III, A0IV, K8Ia
La Clasificación no requiere el conocimiento<br />
teórico de formación de lineas. Pero, es<br />
necesario estudios detallados de las estrellas<br />
patrones que conforman la base de cualquier<br />
sistema de clasificación.<br />
Además de seleccionar las estándares<br />
adecuadas, un sistema de clasificación se basa<br />
en la metodología de comparación entre el<br />
problema y el patrón.<br />
1) Ancho Equivalente<br />
( una banda continua)<br />
flux 1 flux 2<br />
eq. width = (1 - flux1 / flux2) * width1<br />
2) Ancho Equivalente ( dos banda continuas adyacentes)<br />
3) Comparación directa (todo el espectro)
Las tendencias observadas se<br />
atribuyen a procesos físicos<br />
asociados a la fotosfera estelar.<br />
Algunas de estas son:<br />
1.- Porque en estrellas de la secuencia<br />
principal, existe un máximo de<br />
intensidad de las lineas del Hidrógeno,<br />
el cual está a 10.000 K. En estrellas<br />
supergigantes el máximo se encuentra<br />
en estrellas más frías.<br />
2.- Porqué no se ven metales ionizados<br />
en estrellas calientes y solo se observa<br />
principalmente HeII y HeI<br />
3.- Porque se observa un crecimiento<br />
notable de algunas lineas metálicas<br />
hacia tipos espectrales más tardíos.<br />
4.- Porque el hierro y el titanio aparecen<br />
con intensidad similar siendo el hierro<br />
2.5 ordenes de magnitud mas abundante<br />
que el titanio.
1.- En estrellas de la secuencia principal el máximo de intensidad del Hidrógeno<br />
esta a 10.000 K y en estrellas supergigantes el máximo se encuentra en estrellas<br />
más frías<br />
Combinando la ecuación<br />
de Boltzmann y Saha<br />
n=2 (Serie de Balmer), E(2)=10.2eV, Ei=13.6eV<br />
Ne=1e14 cm^-3 (enanas),<br />
Ne=1e11cm^-3 (supergigantes)
Hacia estrellas<br />
calientes, la<br />
población n=2<br />
disminuye como<br />
consecuencia de<br />
hidrogenos<br />
ionizados.<br />
En las estrella frías existen menor<br />
población de H en el nivel n=2, al<br />
incrementar la temperatura esta<br />
población incrementa.<br />
La opacidad del<br />
continuo posee un<br />
máximo alrededor<br />
de 10000K
2.- Porqué se ven pocos metales ionizados en estrellas calientes y solo se<br />
observa principalmente HeII y HeI<br />
Al igual que el hidrógeno el helio se puede tratar con las ecuaciones de Boltzmann y<br />
Saha. Particularmente, el HeII y H son sistemas monoeléctricos, y los niveles de<br />
energía de HeII se escalan por un factor de Z^2=4 (Serie de Pickering n=4 ~ serie de<br />
Balmer n=2). El máximo de intensidad de HeI ocurre a Teff~20000K
Debido a la energía requerida para realizar transiciones, elementos como CaI,<br />
CaII, FeII, FeII TiI, Mg... aparecen en estrellas G, K y M.<br />
.- En estrellas alrededor de A0 la opacidad del continuo juega un papel fuerte en<br />
el debilitamiento de lineas metálicas.<br />
.- En estrellas más calientes se esperan que los metales ionizados estén<br />
presentes (FeIII, CaIII,C,N,O, Ne....), ellos en realidad aparecen pero no en el<br />
visual sino en el UV.<br />
.- Algunas lineas como las del Si y Mg, pueden aparecer en el óptico en<br />
estrellas más calientes que A0, pero debido a su baja abundancia, las lineas<br />
son débiles y se necesita gran señal/ruido.
2.- El crecimiento monotónico de algunas lineas metálicas fuertes hacia tipos<br />
espectrales más tardíos.<br />
Ultravioleta<br />
Las líneas más fuertes son<br />
las de resonancia (desde<br />
estado base). Hacia estrellas<br />
más frías (FGK) la población<br />
de iones y átomos con n=1<br />
se incrementa.<br />
4226<br />
5890<br />
La energía del primer estado<br />
excitado (mayor lambda) escala<br />
con la energía de ionización. Es<br />
por eso que en óptico podemos<br />
ver solo algunas lineas<br />
metálicas fuertes en estrellas<br />
relativamente tardías.<br />
Muchas lineas metálicas en<br />
resonancia aparecen en el<br />
UV.
Lineas en resonancia usada en SPTCLASS
4.- Porque el FeII y TiII aparecen con intensidad similar siendo el hierro 2.5<br />
ordenes de magnitud mas abundante que el titanio. Similarmente, porqué el CaII<br />
es mucho más fuerte que el FeII siendo Fe 10 veces más abundante que el Ca<br />
.- La energía de ionización del Ti y<br />
del Ca es menor que la del Fe,<br />
esto implica mayor abundancia<br />
relativa de TiII y CaII con respecto<br />
a FeII.<br />
.- La diferencia en el factor de<br />
Boltzmann parcialmente cancela<br />
el factor de abundancias. El factor<br />
de Boltzmann es una ponderación<br />
que determina la probabilidad<br />
relativa de un estado i en un<br />
sistema con multiples estados en<br />
equilibrio TD a temperatura T.<br />
FB= gi exp(-Ei/kT).<br />
Ti<br />
gi=> peso estadístico del nivel<br />
más bajo<br />
Ei=> energía del nivel de<br />
excitación i
Ensanchamiento de las lineas de Hidrogeno con gravedad superficial mayor<br />
(=> luminosidad menor, => densidad del gas mayor).<br />
Efecto Stark:<br />
Los niveles de H son degenerados 2n^2<br />
veces debido al campo eléctrico de<br />
iones y electrones vecinos . Los iones y<br />
electrones poseen una velocidad<br />
característica (data por la relación de<br />
Maxwell a temperatura T). Esto implica<br />
que el campo electro-magnético<br />
alrededor de una partícula fluctúa, lo que<br />
implica que el ensanchamiento es<br />
proporcional a la velocidad característica<br />
(Δλ~Vel(ion, e-)<br />
Mayor densidad => Mayor interacción<br />
=> Mayor ensanchamiento.<br />
En estrellas enanas el<br />
ensanchamiento es mayor que en<br />
estrellas supergigantes<br />
Debido a la dependencia con la<br />
distribución de velocidades, en estrellas<br />
más frias la dependencia de las lineas<br />
de H con la gravedad superficial<br />
disminuye.
6. INSTRUMENTACION<br />
Prisma Objetivo (T. Stock - OAN)<br />
Espectros de rendija+red de difracción<br />
Espectrógrafo MKIII- T. Reflector-OAN<br />
Grisma (T. Reflector – OAN futuro)<br />
Espectros multi-objetos (HECTOSPEC)
FUENTE<br />
OBSERVACION<br />
ESPECTROSCOPICA<br />
(Espectros ópticos de rendija)<br />
RENDIJA<br />
COLIMADOR<br />
DISPERSOR<br />
(red)<br />
CAMARA<br />
PLANO<br />
FOCAL<br />
.- BIAS<br />
(5 al principio y 5 al final)<br />
.- FLAT<br />
Lampara de quarzo<br />
.- TARGET<br />
Centrar el objeto en la rendija<br />
.- Lampara de Comparación<br />
No estable => una por target,<br />
Estable > al principio y final<br />
.- ESTANDAR ESPECTRO-<br />
FOTOMETRICA (2 o 3)<br />
Para realizar calibración en flujo<br />
ESPECTROS DE CIELO<br />
(USO DE FIBRAS)
TARGETS<br />
Señal de<br />
estrellas<br />
brillantes o<br />
vecinas<br />
Estrella<br />
principal<br />
LINEAS DE CIELO
IMAGENES DE<br />
CALIBRACION<br />
BIAS<br />
FLAT<br />
LAMPARA DE<br />
COMPARACION
CALIBRACION DE UN ESPECTRO<br />
1) EXTRAER UN ESPECTRO Y CORREGIRLO POR EL FONDO<br />
DE CIELO<br />
a.- Chequear el ancho del perfil (imexam) y la fuente de interés (aparición de<br />
múltiples fuentes)<br />
b.- Correr la tarea apall<br />
c.- Si es necesario cambiar los parámetros de extracción de la fuente y del<br />
cielo (opciones gráficas)<br />
2) CALIBRARLO EN LONGITUD DE ONDA<br />
a.- extracción de la Lampara de Comparación (apall con referencia al objeto)<br />
b.- Identificar las lineas para calibrar la lampara (identify y reidentify)<br />
c.- Asignar la lampara a un objeto (hedit o refspec)<br />
d.- calibrar en longitud de onda el espectro (dispcor)<br />
3) CALIBRACION EN FLUJO<br />
a.- Definir parámetros generales (epar kpnoslit)<br />
b.- Chequear masa de Aire (setairmass)<br />
c.- Definir estrellas estándares (standard)<br />
d.- Obtener la función de sensibilidad (sensfunc)<br />
e.- Aplicar la función de sensibilidad (calibrate)
A CLASIFICAR ESPECTROS
Las líneas TiII y FeII son indicadores de Luminosidad en estrellas F, y son más<br />
fuertes hacia baja gravedad superficial.<br />
En equilibrio de Ionización: FeI<br />
FeII +e-<br />
Al ser Ne menor hacia baja<br />
gravedad superficial, la<br />
probabilidad de recombinación<br />
es menor y la abundancia<br />
relativa de FeII es mayor que en<br />
FeI<br />
Algunas lineas FeII y TiII azules y<br />
UV, son metaestables, es decir<br />
vienen desde un nivel de muy<br />
baja probabilidad de transición<br />
(prohibidas). Esas lineas se<br />
generan por colisiones. En<br />
enanas y gigantes colisiones<br />
son muy frecuentes y estan<br />
ligadas al estado térmico<br />
(Boltzmann), en supergigantes<br />
existe una sobre población de<br />
atomos con niveles<br />
metaestables.