Galaxies,  Cosmology  and  the  Accelera6ng  Universe  

Steve  Bryson  

Class  2:  Distances  

h>p://stevepur.com/galaxies/  

Ques6ons?  

Look  Up  on  a  Clear  Night  

•  Small  points  of  light  – How  big  are  they?  – How  far  away  are  they?  

•  Look  down  – A  planet!  – Looks  bigger…  

Stars  are  Big!  

•  The  Sun  is  about  100  6mes  the  size  of  Earth  

Some  Stars  are  Bigger,  Some  Smaller  

•  The  Sun  is  on  the  small  side  •  Larger  stars  are  much  brighter  

The    Sun  

Clusters  of  Stars  

•  All  about  the  same  distance  – So  we  can  see  range  of  brightnesses  

•  Actually  can’t  see  the  dimmest  stars  

Stars  are  Really  Far  Away  

•  If  the  Earth  were  the  size  of  a  basketball…  – The  Moon  would  be  27  feet  away  

– The  Sun  would  be  about  85  feet  across  – The  Sun  would  be  1.7  miles  away  – The  nearest  star  would  be  417,000  miles  away  •  10,000  6mes  the  distance  to  the  moon  

– A  typical  star  in  the  sky  would  be  a  billion  miles  away  •  About  as  far  as  the  real  orbit  of  Uranus  

•  All  this  within  a  small  region  of  the  Galaxy  

Galaxies  are  Big  and  Far  

•  If  the  Earth  were  the  size  of  a  basketball  – The  center  of  our  Galaxy  would  be  2.86  billion  miles  away  •  About  the  real  orbit  of  the  planet  Uranus  

– The  Andromeda  galaxy  (a  neighbor)  would  be  220  billion  miles  away  •  About  1%  of  the  real  distance  to  the  nearest  star  

•  These  numbers  are  ge`ng  too  big  –  we  need  new  distance  units  

Astronomer’s  Big  Distance  Units  

•  Astronomical  Unit  (AU):  the  average  distance  from  the  Earth  to  the  Sun  –  93  million  miles  

•  Light  Year  (ly):  the  distance  light  travels  in  1  year  –  5.878  trillion  miles  

•  Parsec  (pc):  3.262  light  years  – We’ll  define  parsec  in  a  few  minutes  

•  The  closest  star  to  the  Sun  is  4.3  light  years  =  1.3  parsecs  

Powers  of  Ten  

How  Do  We  Measure  Such  Large  Distances?  

•  We  can’t  run  a  measuring  tape  from  here  to  there  

•  All  we  have  is  starlight  •  Starlight  shows  – Posi6on  and  brightness  (today)  – Chemistry  and  mo6on  (next  week)  

•  We’ll  use  posi6on  and  brightness  to  measure  very  large  distances,  to  the  furthest  galaxies!  

The  Cosmological  Distance  Ladder  

•  1st  rung:  the  distance  from  the  Earth  to  the  Sun  

•  Moving  from  one  rung  to  the  next  – Use  the  rung  we’re  on  to  determine  distance  to  the  special  type  of  star  on  the  next  rung  

– Observe  something  about  how  the  brightness  of  the  special  star  type  depends  on  something  we  can  observe  

2nd  Rung:  Parallax  

•  Parallax  measures  the  distance  to  a  star  in  exactly  the  same  way  that  you  measure  the  distance  to  something  in  arm’s  reach  

Stellar  Parallax  

•  Replaces  your  two  eyes  with  the  posi6on  of  the  Earth  six  months  apart  

Stellar  Parallax  

Defini6on  of  a  Parsec  

•  A  Parsec  is  the  distance  of  a  star  whose  parallax  is  one  second  of  arc  =  3.262  light  years  –  One  second  of  arc  =  1/3600  degrees  

•  A  really  small  angle:  the  moon  is  1800  seconds  of  arc  across  in  the  sky  

•  Because  the  angle  is  small,  the  distance  in  parsecs  =  1/parallax  in  arcseconds  

Modern  Parallax  Measurements  

•  Hipparcos  satellite  (1989  –  1993)  – Observed  100,000  stars  –  Capable  of  measuring  parallax  as  small  as  0.001  arcseconds,  for  distances  up  to  1000  parsecs  

•  Launched  Jan  8  2014:  the  GAIA  satellite  – Observing  about  a  billion  stars  (!)  –  Parallaxes  as  small  as  24  millionths  of  an  arcsec  (!),  for  distances  up  to    40,000  parsecs  

Standard  Candles  

•  A  “Standard  Candle”  is  a  star  type  where  I  know  the  intrinsic  brightness  of  the  star  – Usually  the  brightness  is  determined  by  something  I  can  directly  observe  

•  Once  I  know  a  star’s  intrinsic  brightness,  I  can  compare  that  with  its  apparent  brightness  to  determine  distance  – Simple  formula,  but  to  complex  to  show  here  

Standard  Candles  

•  A  “Standard  Candle”  is  a  star  type  where  I  know  the  intrinsic  brightness  of  the  star  – Usually  the  brightness  is  determined  by  something  I  can  directly  observe  

•  Once  I  know  a  star’s  intrinsic  brightness,  I  can  compare  that  with  its  apparent  brightness  to  determine  distance  – Simple  formula,  but  to  complex  to  show  here  

•  (oops!    D  =  10(1-­‐(M-­‐m)/5))  

3rd  Rung:  Normal  Star  Brightness  

•  Heavier  stars  are  brighter  (during  most  of  their  life6mes)  –  The  brightness  at  a  given  mass  has  a  very  narrow  range  

•  If  I  know  the  mass  of  the  star  I  can  predict  its  intrinsic  brightness  

Measuring  the  Mass  of  a  Star  

•  How  do  we  measure  the  mass  of  a  star?  – By  watching  it  orbit  other  stars!  – Half  the  stars  in  the  night  sky  are  actually  two  or  more  stars  orbi6ng  each  other  

– Observing  the  period  and  size  of  the  orbit  tells  us  the  masses  of  the  two  stars  

Masses  from  Binary  Star  Orbits  

•  We  can  directly  observe  the  orbital  mo6on  over  6me  

•  The  period  and  size  of  the  orbit  is  determined  by  the  masses  of  the  stars  – Kepler’s  and  Newton’s  laws  

Intrinsic  Brightness  from  Star  Mass  

•  For  most  of  a  star’s  life,  the  mass  determines  the  intrinsic  brightness  –  “Mass-­‐Luminosity  Rela6on”  –  Not  a  simple  linear  rela6on  

•  A  star  the  mass  of  the  sun  will  have  the  same  brightness  as  the  sun  

•  A  star  twice  as  massive  as  the  sun  will  be  16  6mes  as  bright  

•  So  we  can  measure  the  distance  to  many  binary  stars  – Works  out  to  a  few  thousand  light  years,  beyond  which  we  can’t  observe  the  individual  stars  in  the  binary  system  

4th  Rung:  Variable  Stars  

•  All  stars  vary  in  brightness  a  li>le  bit  •  A  “Variable  Star”  varies  a  lot  in  a  regularly  repea6ng  pa>ern  

•  Different  types  of  variable  stars  have  different  pa>erns  

•  It  turns  out  that  for  two  variable  types,  that  pa>ern  tells  us  the  star’s  intrinsic  brightness!  

Variable  Star  Light  Pa>erns  

•  We  make  a  graph  of  the  star’s  brightness  over  6me  

Useful  Variable  Stars  

•  For  two  kinds  of  variable  stars  the  period  of  the  pa>ern  determines  the  brightness  – RR  Lyrae  

•  Less  bright,  good  in  the  Galaxy  – Cepheid  

•  Very  bright,  good  for  nearby  galaxies  •  Polaris  is  a  Cepheid  variable  

Period-­‐Luminosity  Rela6on  

•  For  Cepheids:  –  Stars  of  the  same  period  are  the  same  brightness  

–  Stars  of  shorter  period  are  dimmer  

–  Stars  of  longer  period  are  brighter  

–  From  the  period  we  can  predict  the  brightness  

Cepheid  Period-­‐Luminosity  Rela6on  Discovery  

•  Henrie>a  Levi>  finds  variable  stars  in  the  Magellanic  Clouds  – Stars  that  vary  in  brightness  with  a  regular  period  

•  She  no6ces  that  the  variable  star’s  brightness  depends  on  the  period  (1908)  

Calibra6ng  the  Cepheid  Period-­‐Luminosity  Rela6on  

•  Done  in  various  ways  over  the  last  century  •  Surprise!    There  are  two  types  of  Cepheids  – Different  brightnesses,  period-­‐luminosity  rela6ons  

– Slightly  different  pa>erns  of  varia6on  – We’ll  see  later  that  this  was  the  cause  of  some  bad  first  es6mates  of  the  age  of  the  universe  

•  Best  values  from  2007  (Fritz  Benedict)  using  parallaxes  measured  by  Hubble  

Hubble’s  Andromeda  Variable  

•  Because  Hubble  didn’t  know  about  the  two  types  of  Cepheids,  his  distance  to  the  Andromeda  galaxy  was  half  the  correct  value  

5th  Rung:  Exploding  Stars  

•  An  exploding  star  is  called  a  nova  (for  “new”)  •  A  really  bright  exploding  stars  is  called  a  supernova  – Most  massive  stars:  collapse  because  they  run  out  of  fuel  at  the  end  of  their  lives  

– Binary  stars  exchanging  material  from  one  star  to  another  •  Type  1a  supernova  

Type  1a  Supernova  

•  A  binary  star  system  made  from  – A  big  gas  giant  – A  white  dwarf  heavier  than  the  sun,  size  of  the  Earth  

•  Very  strong  gravity  on  the  surface  

•  The  white  dwarf  pulls  ma>er  from  the  giant  star  

Type  1a  Supernova  

•  As  the  material  from  the  big  star  builds  up  on  the  smaller  star,  the  smaller  star  gets  heavier  and  heavier  

•  As  the  small  star  gets  heavier  it  gets  ho>er,  crea6ng  large  amounts  of  fusion  in  a  very  short  6me  –  Causing  an  explosion!  –  5  billion  6mes  brighter  than  the  sun!  

–  Bright  enough  to  see  in  very  distant  galaxies  

Type  1a  Supernova  

A  Supernova  in  2014!  

•  In  the  (rela6vely)  nearby  galaxy  M82  

Photos  taken  from  San  Rafael  

Intrinsic  Brightness  of  Type  1a  SN  

•  We  can  determine  the  intrinsic  brightness  of  a  type  1a  supernova  from  how  much  it  dims  from  its  maximum  brightness  in  15  days  

Type  1a  SN  Measures  Distances  to  Clusters  of  Galaxies  

•  Most  galaxies  do  not  have  type  1a  SN  –  A  couple  per  century  per  galaxy  –  Last  only  a  couple  months  –  Not  useful  to  get  distance  to  most  galaxies  

•  But  there  are  lots  of  galaxies  –  Supernova  surveys  have  been  a  major  effort  

for  the  last  few  decades,  hundreds  found  

•  Type  1a  SN  are  useful  for  determining  the  distance  to  clusters  of  galaxies  –  Lots  of  galaxies  in  a  cluster,  so  a  be>er  

chance  of  catching  a  type  1a  SN  –  The  Kepler  spacecraq  even  caught  one!  

6th  Rung:  Brightest  Galaxies  in  Clusters  

•  Based  on  previous  rungs,  we  find  that  the  brightest  galaxies  in  clusters  tend  to  be  about  the  same  size  and  brightness  – Very  approximate…  

The  Cosmic  Distance  Ladder  

•  1:  Earth-­‐Sun  distance  

•  2:  Parallax  

•  3:  Normal  stars  in  binary  systems  

•  4:  Variable  stars  

•  5:  Type  1a  Supernova  

•  6:  Largest  galaxies  in  clusters  

The  Cosmic  Distance  Ladder  

•  We’ll  discuss  the  last  rung,  redshiq,  next  week  

To  the  iPad  

•  Using  the  Exoplanet  app  

Light  Has  a  Finite  Speed  

•  Light  is  very  very  fast,  but  only  so  fast  – 186,262  miles  per  second  – 8.6  minutes  for  light  from  the  Sun  to  get  to  the  Earth  

– 4.1  hours  to  the  planet  Neptune  •  So  when  we  look  far  away  we  are  looking  backwards  in  6me  

•  The  distance  in  light  years  is  the  same  as  the  6me  it  takes  for  light  to  travel  that  distance  

Looking  Into  the  Past  

•  The  Andromeda  galaxy  is  2.2  million  light  years  away  – So  we’re  seeing  it  as  it  was  2.2  million  years  ago  

Looking  into  the  Past  

23  million  light  years  

11.4  million  light  years  

40  million  light  years  2.3  billion  light  years  

333  million  light  years  

Looking  into  the  Far  Past  

The  Observable  Universe  

•  If  the  universe  has  a  finite  age  (currently  believed  to  be  13.7  billion  years)  then  we  can  only  see  13.7  light  years  away  

•  This  is  the  limit  of  the  observable  universe  – And  near  this  limit  we  are  looking  at  the  universe  when  it  was  very  young  •  And  indeed  galaxies  look  different  then!  

•  The  universe  may  be  much  much  larger