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第3課:等級 平成16年10月25日 星の光をどう表現するか?

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1 第3課:等級 平成16年10月25日 星の光をどう表現するか? 等級=「基準星よりどのくらい明るい」     実用的なので広く用     という方法                   いられている。    紀元前2世紀にギリシアのヒッパルコスが目で見える星の明るさを1等から6等までの6グループに分けた。(と、プトレマイオスのアルマゲストに書いてあるらしい。) その後、1830年にジョンハーシェルが等級の定量的な研究を行い、1856年ポグソンが定式化した。 ハーシェルは大小の望遠鏡を使い、同じ明るさに見える2つの星を探した。    口径         Da  Db    星の明るさ     A   B    とすると、望遠鏡で同じ明るさに見えるので、     A×Da2 = B×Db2     したがって、     A / B =Db2 /Da2 こうして、等級が1等上がると明るさは                       約 (1/2.5)倍に落ちることを見出した。                     

2 ちょっと、ハーシェルの真似をして、1等差が明るさで何倍かを推定して見よう。
1等が明るさ(1/A)倍に対応し、星の本当の明るさは皆同じと仮定する。見かけの 明るさは距離Dと1/D2の関係だから、明るさが1/A倍になると距離は(√A)倍、 体積はA3/2倍になる。太陽の周りの星の密度を一定とすると、体積はその等級 までの数に比例するから、1等増える毎に星の数が何倍になるかを調べればA が決まるはずである。 ヒッパルコスの等級の表はしらないので、ややいんちきだが、理科年表から、 実視等級  -1  0  1   2   3   4     5     6    個数      2  7  12  67 190 710  2000  5600 累積      2  9  21  88 278 988  2988  8588  Log 累積

3 ハーシェルの求めた2.5と近いか 外れたか、どちらだろう?
Log 累積 =0.95  +0.5等級 =(3等級/2)log A Log A=1/3 A=2.2 ハーシェルの求めた2.5と近いか 外れたか、どちらだろう? -1 A=2.2と2.5より少し小さくなったのは、遠方にある巨星が一様等方分布からずれているためかも知れない。

4 3.1. みかけ等級 見かけ等級(apparent magnitude)は、 F=対象天体を観測した際のフラックス
3.1. みかけ等級 見かけ等級(apparent magnitude)は、 F=対象天体を観測した際のフラックス Fo=基準天体のフラックス       とすると、 見かけ等級 m=ー2.5 log10( F / Fo ) 注意: フラックスではFλとFνが異なる、      ディメンジョンも値も、Fλ≠Fνと言ったが、      等級では、       mλ=mν F(λ) λ log Fo(λ) logF(λ) m(λ) なぜなら、 m(λ)=-2.5 log[F(λ)/Fo(λ)] m(ν)=-2.5 log[F(ν)/Fo(ν)] F(ν) ν log Fo(ν) log F(ν) m(ν) m(λ) =-2.5 log[λF(λ) / λFo(λ)]     =-2.5 log[νF(ν)/ νFo(ν)]     =-2.5 log[F(ν)/ Fo(ν)] = m(ν)

5 等級と距離 フラックス=F2 F2=L/(4πD22) F1=L/(4πD12) 等級=m2 D2 m2 ーm1
=ー2.5log(F2 /Fo)+ 2.5log(F1 /Fo)   =5log(D2 /D1) フラックス=F1 等級=m1 D1 注意: 2つの天体の等級差は、距離の比を表わす。距離の絶対値ではない。      maーmb=10 だと、5 log(Da/Db)=10 より、Da/Db=100 は正しい。      しかし、Da-Db=10m とか、Da-Db=100pc と考えてはいけない。

6 等級とフラックス (1) Fo(λ)=見かけ等級 0 のフラックス =αLyrae(ベガ)のフラックス(に近い)
(1) Fo(λ)=見かけ等級 0 のフラックス =αLyrae(ベガ)のフラックス(に近い) したがって、 等級 m(λ)の星のフラックス F(λ)= 10ーm(λ)/2.5 Fvega(λ) 例1. m=-1    F= Fvega×101/ 2.5=2.512 Fvega      m=+5    F= Fvega×10-5 / 2.5=0.01 Fvega (2) Δm<<1 のとき、  F(m+Δm)/F(m)=10-Δm/2.5=exp (-Δm×ln10 / 2.5 ) = exp(-Δm×2.302/2.5)=exp(-0.921Δm) ≒(1-Δm ) 上の関係は概算の際に便利。 例えば、等級が0.1大きい星は、フラックスで約1割小さい。

7 写真システム 北極星の周りの96星(周極星)のセットが標準星。 (IAU1922)
3.2. UBVシステム 眼視等級     Hipparcos catalogue 前2世紀               1等=最も明るい星。   6等=目で見える最も暗い星。            Pogson  1856   ma-mb=-2.5log(Ea/Eb)                           m=等級   E=入射エネルギー 口径 D m の望遠鏡を覗いた時、何等まで見えるか?    暗い晩の人間の瞳孔径=7mm  mb=6等   D m                    Eb×( 7mm)2 =Ea ×(D m)2  ma = mb-2.5log(7mm/D m)2 =6+2.5log(D2106/49)                          =16.8+ 5logD 写真システム 北極星の周りの96星(周極星)のセットが標準星。 (IAU1922)       Pg : photographic magnitude  0.43 μm Pv : photovisual magnitude   0.54 μm

8 UBV Response CurveとA0型星のスペクトル ( )
UBVシステム=最も広く使われていた。      H.L.Johnson and W.W.Morgan, 1953, Ap.J. 117, U Corning 3384                   350 nm B Corrning Schott GG P21 フォトマル 430 nm  V Corning 9863           (RCA)   550 nm UBV Response CurveとA0型星のスペクトル (     )  3, , , ,000 λ(A) B V A0星 透過率

9 UBV Primary Standard Stars (次ページの )
UBVシステムの標準星 ゼロ等の決定 (次ページの   ) V B-V Sp V B-V Sp.      αLyr A0V     γUMa  0.00 A0V 109 Vir A0V    α CrB A0V γ Oph A0V HR A0V B-V=-2.5 log (B出力/V出力)+1.040、 U-B=-2.5 log (U出力/B出力) A0V 6星のカラーの平均値=U-B=B-V=0 UBV Primary Standard Stars   (次ページの   ) V B-V Sp V B-V Sp. α Ari K2III HR A1V β Cnc K4III η Hya B3V β Lib B8V α Ser K2III ε CrB K3III τ Her B5IV 10 Lac O9V HR8832  K3V

10 UBV 標準星 H.Johnson in Basic Astronomical Data 1963
K2III K2III B8V K4III B5IV K3III B3V O9V A1V K5V -0.4 1.6

11 標準星と色補正(1) A B 二つの観測システム A:標準 (例えばJohnson) B:例えばハワイ があった時
標準星と色補正(1)  二つの観測システム  A:標準 (例えばJohnson)  B:例えばハワイ  があった時 AとBでは同じバンドでも感度曲線が異なる。 感度 赤い星 (長波長側が強い) 青い星 (短波長側が強い) λ λA λB 図の赤い星と青い星は、Aシステムでは同じ等級だが、Bシステムでは異なる等級となる。 Bシステムの観測値をA(標準)システムでの値に直す必要がある。

12 標準星と色補正(2) A B mA-mB 感度 星1 星1 星1 星2 β 星2 λ 0 1 カラー(B-V)A λA λB
標準星と色補正(2)  mA-mB 感度 星1 星1 星1 星2 β 星2 λ カラー(B-V)A λA λB mA=mB+α(B-V)A+β  普通、1次式を仮定して補正する。    αを決めるためには、 (B-V)Aが青(≒0)と赤(≒1.5)の両方欲しい。 ーー> 標準星がO,B,A型(青星)とK型(赤星)から選ばれている。

13 UBVシステムの拡大 RIJKLMN Johnson/Mitchell 1962 Comm.Lunar Plantary Lab.1,73
Johnson et al Comm.Lunar Plantary Lab.4,99   バンド R I J K L M N Q     λc Cousins 1976, Mem.RAS 81, 25 バンド Rc Ic λc H (1.63μ) Glass MNAS SA,33, 53  注意   λ(R)=0.7μ、λ(Ⅰ)=0.9μ、         λ(Rc)=0.66μ、 λ(Ⅰc)=0.81μ 実際の観測にはもっと大きな標準星表を使う。 UBVRcIc  Landolt 1992、Astron.J. 104,340  JHK Elias et al. 1982、AJ, 87, 1029.

14 その他のシステム(1) U B V A0星 u b v y 0.3 0.4 0.5 0.6 λ(μ)
Stromgren 4-color system uvby   1960年代   バルマー不連続、金属量、温度をより正確に測る。A-F型星向き B V 透過率 A0星   λ(μ) u: 完全にバルマージャンプより短波長側。  b: メタル吸収の影響をBほどは受けない。 y: 基本的にはVと同じで、巾が狭い。

15 その他のシステム(2) Stromgren 4-color system 続き
m1=(v-b)-(b-y) :  金属量 c1=(u-v)-(v-y) : バルマー不連続 b―y : 温度 DDO system          McClure 1976 AJ 81、182                      G,K型星 35フィルター  4-colorのu 38フィルター  vより金属吸収によい 41フィルター  CNバンド測定 42,45,48  連続光 B V 透過率 A0星 48 45 38 41 35 42   λ(μ)

16 その他のシステム(3) DDO続き U B V A0星 0.3 0.4 0.5 0.6 λ(μ)0.7
その他のシステム(3)   DDO続き (35-38)カラー: バルマージャンプ (38-42)カラー: 金属量 (42-45)カラーと(45-48)カラー: 重力と温度  Thuan-Gunn システム     Thuan/Gunn1976 PASP 88, 543 市街地の水銀線と夜光の[OI]線 を避ける。 B V 基準星は。 CD+174708 (G型矮星) で、この星の g=9.50 g-r=u-v=v-g=0 と独特の定義。 透過率 A0星 u v g r   λ(μ)0.7

17 その他のシステム(4) AB等級 Fν(0等)=3631Jy SDSSで採用
その他のシステム(4)   AB等級 Fν(0等)=3631Jy SDSSで採用 AB=-2.5 log [fν/3631Jy]= 8.900-2.5 log [fν(Jy)] 旧来のゼロ等がABで何等になるか? F(mag=0,ν) バ ンド U B V Rc Ic J H K L M N Q λ(μ) Fo(Jy)  AB –

18 0等フラックス(1) 単純には、αLyr (A0型) のフラックス = 0等
0等がIAU(International Astronomical Union)1922年総会で定義された時代は 写真等級で、光電管、CCDは存在しなかった。 ーー> 同じバンドでも、研究者によって、有効波長、 0等フラックスが異なる。 現在ではCCD画像の星像のカウントを規準に測光する。 ゼロ等のフラックスは、多数の標準星のセット+精密な大気モデルから、    例えば、 V(ベガ)=0.03、A0V星のカラー=0 として決める。 F(mag=0,ν) バ ンド U B V Rc Ic J H K L M N Q λ(μ) Fo(Jy) Bessell, Castelli,Plez 1998 Rieke,Lebofski,Low 1985

19 0等フラックス(2) αLyr αLyr のスペクトルは10000Kの黒体輻射に近い。 しかし、次の2点で 黒体輻射からずれる。
0等フラックス(2) αLyr αLyr のスペクトルは10000Kの黒体輻射に近い。 しかし、次の2点で 黒体輻射からずれる。 IRASが採用した、Fo(ν)を近似する 黒体フラックスと比較すると。    FIRAS= B(10,000K,ν)= ^3 [ x 3 /(exp x - 1) ] Jy            x= hν/kT=hc/kλT =1.4388/ λ(μm)(T/104K) 1) UBVバンドでずれが大きい。後の課で説明する。 2) 下に示すように遠赤外でフラックス超過が見られる。ダスト円盤がついていた バ ンド U B V Rc Ic λ(μ)     Fo(Jy) Vega     FIRAS    

20 B B V R I J U H K L Fo(Vega) F(IRAS) 1 4 log F(ν) (Jy) 3 2
2  B B V R I J Fo(Vega) U H F(IRAS) K L 1     1.5 log λ(μ)

21 3.3. 絶対等級 同じ星を距離D1とD2に置く。 F1=L/4πD12   F2=L/4πD22   m1=-2.5log (F1/Fo) m2=-2.5log (F2/Fo) m1-m2=-2.5log(D2/D1) 2 =5log(D1/D2)       絶対等級( Absolute Magnitude )= 距離10pcからの等級 記号は、見かけ等級: V、 K または、 mV、mK        絶対等級: MV,MK   ある天体のmとMとの関係は、 m-M=5log(D/10pc) 途中で光が吸収されると、見かけ等級mはA等大きくなるので、        m-M=5log(D/10pc)+A        mo=m+A=吸収補正したみかけ等級

22 mo-M=(m-M)o=5log(D/10pc)= 5log D(pc) -5
距離指数 mo-M=(m-M)o=5log(D/10pc)= 5log D(pc) -5 距離指数( Distance Modulus )= (m-M)o =DM    2MASSサーベイはK<17まで観測できる。大マゼラン雲中のRR Lyr     型変光星を2MASSで研究できるか? 典型的なRR Lyr星はA-F型の準巨星で、MK=0.5程度。 LMCの距離指数=18.5. したがって、2MASSの観測には2等暗すぎる。

23 3.4.輻射等級 見かけ輻射等級 Apparent Bolometric Magnitude :
mBOL=-2.5 log [∫F(λ)dλ / FoBOL]=-2.5 log (F / FoBOL) FoBOL : mV=0のF3Vの星の全フラックス        =2.5 10-8 W/m2 通常の等級はA0V星で決めるが、ここだけF3V星が登場する。 その理由は次の輻射補正で考える。 絶対輻射等級 Absolute Bolometric Magnitude MBOLは10pcから見た輻射等級。

24 輻射補正 (1) logλF(λ) 1 F= ∫F(λ)dλ=共通 B型 暗い A型 やや明るい F型 F型 明るい M型 M型 暗い
輻射補正 (1) F= ∫F(λ)dλ=共通 Vバンド logλF(λ) 1 B型 スペクトル V A型  B型   暗い  A型 やや明るい F型  F型   明るい M型  M型   暗い -1 -0.5 V 0 logλ(μ) 同じ総フラックス同士でV等級をくらべると、F3V型星が最も明るい。 そこで、V=0のF3V星の輻射等級mBOL=0と定めた。 すると、V=0の星のmBOLは全て0より小となる。mBOL(V=0)=BCと呼ぶ。

25 輻射補正(2) 輻射補正 Bolometric Correctionは、下式で定義される。 mBOL = mV+BC
ここに、見かけ輻射等級 Apparent Bolometric Magnitude : mBOL=-2.5log[∫F(λ)dλ/FoBOL]=-2.5log(F/FoBOL) FoBOL : mV=0のF3Vの星の全フラックス=2.5 10-8 W/m2 BCは、mV と、あとカラー[B-V]か温度T程度の情報しかない天体の全フラッ クスを推定するために使用される。

26 3.5.カラー 黒体輻射のカラー カラー = M(λ1)-M(λ2)
=-2.5 log[F(λ1 )/Fo(λ1 )] +2.5 log[F(λ2 )/Fo(λ2)] =-2.5 log[F(λ1 )/F(λ2 )] +2.5 log[Fo(λ1 )/Fo(λ2)] =-2.5 log[F(ν1 )/F(ν2 )] +2.5 log[Fo(ν1 )/Fo(ν2)] 黒体輻射のカラー  [B-V]BB=-2.5 log[B(T,B )/ B(T,V )] +2.5 log[Fo(B ) /Fo(V)] F,B を ν表示で計算すると、  Fo(ν=B )=4063Jy,Fo(ν=V)=3636Jy  B(T, ν)= 7 T(K) 3 [ X3 / (expX- 1) ] Jy       X=1.4388/λ(μ)/T4   λ(B) =0.44 λ(V) =0.55   T4 =T/10,000    

27 黒体輻射のカラー(続き) したがって、 [B-V]BB=-2.5 log[f(XB)/f(XV)]+2.5 log(4063/3636)
 黒体輻射のカラー(続き) したがって、 [B-V]BB=-2.5 log[f(XB)/f(XV)]+2.5 log(4063/3636)  f(X)=X3/[exp(X)-1]、 XB=1.4388/ 0.44 /T4、  XV=1.4388/ 0.55 /T4 =-0.83+ 2.5 log{[exp(3.27/T4)- 1] / [exp(2.616/T4)- 1]} Uバンド(λ=0.35μm)も考えると、    Fo(ν=U )=1790Jy、 XU=1.4388/ 0.35 /T4 [U-B]BB =ー2.5 log[f(XU)/f(XB)]+2.5 log(4063/1790) =0.890+ 2.5 log{[exp(4.00/T4)- 1] / [exp(3.27/T4)- 1]} T→∞では、 Bν=2kT(c/ν)2=2kT/λ2 なので、 [B-V]=-2.5log(0.55/0.44)2+2.5log(4063/3636)= =-0.363 [U-B]= -2.5log(0.44/0.36)2+2.5log(1790/4063)= =-1.326

28 二色図 (Two Color Diagram)
二色図 (Two Color Diagram) B0V 30,000 -1 U-B 1 10,000 6,000 A0V G0V 4,000 黒体輻射 主系列星 M0V 3,000 B-V

29 問題3 出題10月25日 提出11月1日 3-A A,Bのどちらかに答えよ。天文学部生はなるべくBを選ぶよう。
問題3    出題10月25日 提出11月1日 A,Bのどちらかに答えよ。天文学部生はなるべくBを選ぶよう。 3-A 温度Tの黒体輻射に対する輻射補正BCを考えよう。BCの定義は、 mbol=mv+BC であった。     mBOL=-2.5log[∫F(ν) dν/FoBOL]、 mv= -2.5log[Fv(ν) /FoV] なので、  F(ν) =BB(ν、T)  ∫F(ν) dν =(σ/π)T4           Fv(ν) =3636Jy、 FoBOL =2.5 10-8 W/m2 を代入すればBCが求まるはずである。 下の表と同じ温度の黒体輻射スペクトルの輻射補正BCを求め、星に対するBCと比較せよ。 Sp  B F M5 Te 30, , ,170 BC  

30

31 B.大マゼラン雲(LMC)の星の近赤外色等級図(Color Magnitude Diagram)   を示す。破線領域の縦に伸びた指は、銀河系内の様々な距離の星+LMCの   青・黄超巨星である。A-B-C-D の系列はLMCの赤色巨星枝である。  点   J-Ks   Ks  A    0.8  14.0  B    1.2  11.1  C    1.9  10.2  D    3.7  11.2  バンド 波長(μm) Fo(Jy)    J   1.215 1630    Ks  2.157  667 LMCまでの距離は80Kpc

32 A-B-C-D が黒体スペクトルを持つとして以下の問に答えよ。
(B-1) A、B,C,D の温度 T(K) を推定せよ。 (B-2) A-B-C-D の系列を log T 対 log (L / Lo)  のHR図で表わせ。        log の底は10. Lo=3.845×1026 W である。 (B-3) A-Dの星は漸近巨枝星(AGB星)で、中心にC/O核を持ち、核の       質量Mcと星の光度Lとの間には Paczynski の関係       L/Lo=59,250(Mc/Mo)-30,950       が成立する。       A-DのMcを求めよ。(核はその後、白色矮星となる)  


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