9 - hubble laowocki/phys133/9 - hubble law.pdf · 2018-09-28 · phys133 lab 9 the hubble law udel...

8
UDel Physics 1 of 8 Fall 2018 PHYS133 – Lab 9 The Hubble Law Goals: Find the relationship between the redshift in spectra of distant galaxies and the rate of the expansion of the universe. Use observations of the redshifts of galaxies, along with their coordinates in the sky, to produce a three‐dimensional map of a nearby region of the sky. Understand how matter is distributed on the largest scales in the universe and appreciate some of the difficulties involved in making and interpreting large‐ scale maps of the universe. What You Turn In: Data section at the end of this manual. All printouts from the software. Answers to the questions in this manual. Background Reading: Background reading for this lab can be found in your text book (specifically, Chapters 16.2 and 18.3) and the notes for the course. Equipment provided by the lab: Computer with Internet Connection Project CLEA program “VIREO” Equipment provided by the student: Pen Calculator

Upload: others

Post on 13-Mar-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 9 - Hubble Laowocki/phys133/9 - Hubble Law.pdf · 2018-09-28 · PHYS133 Lab 9 The Hubble Law UDel Physics 4 of 8 Fall 2018 c. By default, you’re are looking through the finder

UDel Physics 1 of 8 Fall 2018

PHYS133 – Lab 9 The Hubble Law

Goals:  

Find the relationship between the 

redshift  in  spectra  of  distant 

galaxies  and  the  rate  of  the 

expansion of the universe. 

Use  observations  of  the  redshifts 

of  galaxies,  along  with  their 

coordinates in the sky, to produce 

a  three‐dimensional  map  of  a 

nearby region of the sky.  

Understand  how  matter  is 

distributed on the largest scales in 

the universe and appreciate some 

of  the  difficulties  involved  in 

making  and  interpreting  large‐

scale maps of the universe. 

 

What You Turn In: 

Data  section  at  the  end  of  this 

manual. 

All printouts from the software. 

Answers to the questions in this manual. 

BackgroundReading:Background reading for this lab can be found in your text book (specifically, Chapters 16.2 and 18.3) and the 

notes for the course.  

Equipmentprovidedbythelab: Computer with Internet Connection • Project CLEA program “VIREO” 

Equipmentprovidedbythestudent: Pen 

Calculator 

Page 2: 9 - Hubble Laowocki/phys133/9 - Hubble Law.pdf · 2018-09-28 · PHYS133 Lab 9 The Hubble Law UDel Physics 4 of 8 Fall 2018 c. By default, you’re are looking through the finder

PHYS133 Lab 9 The Hubble Law

UDel Physics 2 of 8 Fall 2018

Background:

TheHubbleRedshiftDistanceRelation The late biologist J.B.S. Haldane once wrote: “The universe is not only [weirder] than we suppose, but [weirder] than we can suppose.” One of the weirdest things about the universe is that virtually all the galaxies in it (with the exception of a few nearby ones) are moving away from the Milky Way.  This curious fact was first discovered in the early 20th century by astronomer Vesto Slipher, who noted  that absorption  lines  in  the  spectra of most  spiral galaxies had longer wavelengths (were “redder”) than those observed from stationary objects.  Assuming that the redshift was caused by the Doppler shift, Slipher concluded that the red‐shifted galaxies were all moving away from us.  In the 1920’s, Edwin Hubble measured the distances of the galaxies for the first time, and when he plotted these distances against the velocities for each galaxy he noted something even weirder: The further a galaxy was from the Milky Way, the faster it was moving away.  Was there something special about our place in the universe that made us a center of cosmic repulsion?  Astrophysicists readily interpreted Hubble’s relation as evidence of a universal expansion.  The distance between all galaxies in the universe was getting bigger with time, like the distance between raisins in a rising loaf of bread.  An observer on ANY galaxy, not just our own, would see all the other galaxies traveling away, with the furthest galaxies traveling the fastest.  This was a remarkable discovery.  The expansion is believed today to be a result of a “Big Bang” which occurred between 10 and 20 billion years ago, a date which we can calculate by making measurements like those of Hubble.  The rate of expansion of the universe tells us how long it has been expanding.  We determine the rate by plotting 

the  velocities  of  galaxies  against  their distances,  and determining  the  slope  of  the graph,  a  number  called  the  Hubble Parameter,  H0,  which  tells  us  how  fast  a galaxy at a given distance is receding from us.  So,  Hubble’s  discovery  of  the  correlation between velocity and distance is fundamental in reckoning the history of the universe.  Using modern techniques of digital astronomy, we will repeat Hubble’s experiment. 

The  technique  we  will  use  is  fundamental  to  cosmological  research  these  days.    Even  though  Hubble’s  first measurements were made three‐quarters of a century ago, we have still only measured the velocities and distances of a small fraction of the galaxies we can see, and so we have only a small amount of data on whether the rate of expansion is the same in all places and in all directions in the universe.  The redshift distance relation thus continues to help us map the universe in space and time.    

Figure 1: Hubble’s Constant

Page 3: 9 - Hubble Laowocki/phys133/9 - Hubble Law.pdf · 2018-09-28 · PHYS133 Lab 9 The Hubble Law UDel Physics 4 of 8 Fall 2018 c. By default, you’re are looking through the finder

PHYS133 Lab 9 The Hubble Law

UDel Physics 3 of 8 Fall 2018

Procedure

PARTI:TheHubbleRedshiftDistanceRelation UsingtheHubbleRedshiftProgram Open the CLEA lab titled “VIREO” by double clicking on the Icon labeled VIREO. 

1. Click on File ‐> Login. Enter the names of each group member and click OK and then YES. 

2. Click on File ‐> Run “The Hubble Redshift‐Distance Relation”. 

3. Click on Telescopes ‐> Optical and access the 4.0 m telescope. 

 

4. Open the Dome and Turn the Telescope Control Panel On. 

  

5. The telescope control panel will open (see below) 

a. You must turn Tracking “On” in order to have the telescope stay pointed at the same place in the sky (i.e. compensate for the Earth’s rotation). 

b. You can move the telescope by pressing the N, W, S, or E buttons. 

Page 4: 9 - Hubble Laowocki/phys133/9 - Hubble Law.pdf · 2018-09-28 · PHYS133 Lab 9 The Hubble Law UDel Physics 4 of 8 Fall 2018 c. By default, you’re are looking through the finder

PHYS133 Lab 9 The Hubble Law

UDel Physics 4 of 8 Fall 2018

 

c. By default, you’re are looking through the finder scope, you can change this by switching the View (right hand side).  The central red box in the Finder view shows the field of view of your telescope.  The small circle in Telescope view shows what data will be taken. 

d. There are various instruments for taking data.  We will use the Spectrometer. 

6. Move the telescope to its first target by selecting Slew ‐> Observation Hot List ‐> Select from List.  The galaxies will be listed. 

a. Right Click on target and choose Slew to Selection. 

b. Click OK in the Sky Coordinates box and confirm the slew. 

This moves the telescope to the target galaxy. 

7. Switch from Finder to telescope view.  The galaxy should be centered in the Spectrometer (between the red lines).  

8. Access the Spectrometer. 

a. Click “Go”. 

Depending  on  the  object’s  brightness  (visual magnitude),  it  may  take  some  time  to  build  up  a spectrum. 

b. Once the Signal to Noise Ratio reaches 50 (or greater) you can stop recording. 

c. Record the object name and its visual magnitude in your table. 

d. Choose  File  ‐>  Save  Spectrum.    You  can  keep  the default file name. 

9. Slew to the next target on the list and repeat step 8.  Continue until you have data for all galaxies 

10. Close the Spectrometer window. 

Page 5: 9 - Hubble Laowocki/phys133/9 - Hubble Law.pdf · 2018-09-28 · PHYS133 Lab 9 The Hubble Law UDel Physics 4 of 8 Fall 2018 c. By default, you’re are looking through the finder

PHYS133 Lab 9 The Hubble Law

UDel Physics 5 of 8 Fall 2018

11. On the main screen, go to Tools ‐> Spectrum Measuring.  The Spectrum Measuring Engine will open. 

a. Click  File  ‐>  Data  ‐  >  Load  Saved Spectrum,  and  load  the  first  of  your saved spectra. 

b. Choose  Comparison  Spectrum  ‐> Select… and pick  the “Absorption  lines in normal galaxies (H, K & G band)” 

c. Use  the  slider,  reset  and  controls  to alight the red lines  with the absorption bands. 

d. Click  File  ‐>  Data  ‐>  Record Measurements  and  click  OK” 

e. Complete this for all the spectra. 

f. When all of the spectra are analyzed, File ‐> Exit Spectrum Measuring. 

 

This will conclude the data taking part of the lab. 

Analysis1. Open the Excel File “Excel Data Sheet for Hubble Law”.  DO NOT EDIT OR CHANGE ANY CELLS WITH A BLUE 

BACKGROUND (i.e., the Distance and Velocity columns). 

2. You  need  to  fill  in  the  table  with  the  Apparent  Magnitudes  and  Redshifts  for  each  galaxy  you  have measured.    You  can  view  this  data  in  VIREO  under  Results  Editors  ‐>  Observational  Results  ‐> Display/Print/Save Text 

3. The excel file is setup such that it will calculate the Distances in Mega‐parsecs and Velocities in km/s.  It will then use that to plot the data and the slope of the line of best fit will be the Hubble Constant. 

4. You also need to set the absolute magnitude of the galaxies (the default is ‐20) 

5. You should manually calculate the distance and velocity for the first galaxy (or one selected by your TA) in the space provided.  You must submit your calculations. 

5 /5 6

5

10 1M pc 10 pc

c 3.00 10 km/ s

m Md

zc

v   

6. Print out this file when completed and submit with your lab report. 

Page 6: 9 - Hubble Laowocki/phys133/9 - Hubble Law.pdf · 2018-09-28 · PHYS133 Lab 9 The Hubble Law UDel Physics 4 of 8 Fall 2018 c. By default, you’re are looking through the finder

PHYS133 Lab 9 The Hubble Law

UDel Physics 6 of 8 Fall 2018

7. Use the Tools ‐> Isochrones tool to determine the age of your cluster by when the main sequence turnoff occurs. 

a. Use  all  three  parameters  –  Log(age/yr),  Adjust  B‐V  and Metallicity to find the best fit for the cluster’s age. 

b. Record this value (given in Gyr) in the upper right box. 

 

 

8. Looking at your HR diagram, there are clearly some stars off in the Red giant/supergiant range.  Identify them by using the B‐V color and V magnitudes. 

 

Print out your data tables, diagrams and analysis and attach to your Write – up!

Page 7: 9 - Hubble Laowocki/phys133/9 - Hubble Law.pdf · 2018-09-28 · PHYS133 Lab 9 The Hubble Law UDel Physics 4 of 8 Fall 2018 c. By default, you’re are looking through the finder

PHYS133 Lab 9 The Hubble Law

UDel Physics 7 of 8 Fall 2018

Names: _________________ Section: ______________ _________________ Date: ________________  

Manually calculate the recession velocity and distance of one galaxy below:  Determining the Age of the Universe 

The Hubble Law,  0H Dv , can be used to determine the age of the universe.  Using your average value of H, 

calculate the recessional velocity of a galaxy which is 800 Mpc away.        

Velocity of a galaxy 800 Mpc away: _______________________________km/sec  Verify your velocity by looking it up on your Hubble diagram. You now have two important pieces of information:  

1. How far away is the galaxy. 2. How fast it is moving away from us. 

 You can visualize the process if you think about a trip in your car. If you tell a friend that you are 120 miles away from your starting point and that you traveled 60 miles per hour, your friend would know you had been traveling TWO hours. That is your trip started two hours ago. You know this from the relationship:  

Distance equals Rate ( or velocity ) * Time  

Page 8: 9 - Hubble Laowocki/phys133/9 - Hubble Law.pdf · 2018-09-28 · PHYS133 Lab 9 The Hubble Law UDel Physics 4 of 8 Fall 2018 c. By default, you’re are looking through the finder

PHYS133 Lab 9 The Hubble Law

UDel Physics 8 of 8 Fall 2018

which we can write as  D t v   or D

t v  

Thus, 120 mi

2 hr60 mi / hr

Now let’s determine when the universe “started its trip”. The distance is 800 Mpc, but first convert Mpc into km because the rate, or velocity, is in km/sec. 

800 Mpc =   _____________________km  Determine how many seconds ago the universe started: 

_____________________secs  There are about 3.15 x 107

 seconds in one year.  Convert your answer into years:         

_____________________years   The age of the universe is ____________________ years.   SHOW MATH IN AN ORGANIZED FASHION.

MAKE SURE YOU ATTACH ALL DATA SHEETS AND GRAPHS