×
Log in to StudySoup
Get Full Access to Syracuse - ASTR 101 - Study Guide
Join StudySoup for FREE
Get Full Access to Syracuse - ASTR 101 - Study Guide

Already have an account? Login here
×
Reset your password

SYRACUSE / Astronomy / ASTR 101 / What are the patterns of stars on a celestial sphere?

What are the patterns of stars on a celestial sphere?

What are the patterns of stars on a celestial sphere?

Description

School: Syracuse University
Department: Astronomy
Course: Our Corner of the Universe
Professor: C. armendariz-picon
Term: Fall 2015
Tags: astronomy, AST 101, universe, Science, final, Study Guide, and syracuse
Cost: 50
Name: Final Exam Study Guide
Description: This is the final exam study guide for AST 101. Good luck!
Uploaded: 12/08/2015
20 Pages 82 Views 20 Unlocks
Reviews

Sam Rau (Rating: )

No all-nighter needed with these notes...Thank you!!!



1


What are the patterns of stars on a celestial sphere?



AST 101 Final Study Guide 

Celestial Sphere

Stars are so far away, to naked eye seem same distance

Imaginary “sphere” on which stars lie

“Star Theater”

Stars are projector that shine through screen (celestial sphere) to people

Constellations

Patterns of stars on celestial sphere

Represent regions of sky or celestial sphere (like counties or states of sky) Cannot see stars on celestial sphere below the horizon (where ground meets the sky)

Horizon in boundary of celestial sphere because the difference between a person’s perspective and the horizon are negligibly small compared to the size of celestial sphere

Motion of the Night Sky:


What is circumpolar?



Latitude: measured as North/South; lines go east/west

Distance from equator

Determines climate

Altitude (angle between celestial pole and horizon) of Polaris is equal to your latitude Longitude: measured as East/west; lines go North/south

Distance from prime meridian (Greenwich, England)

Stars move counterclockwise around Polaris (as seen from earth)

Stars rise in east and set in the west

Circumpolar—stars that are always visible; never rise or set

2

Motion of the Sun

The earth spins; celestial sphere is imaginary—it does not spin (stars in fixed position and earth  rotates underneath)

Earth spins counterclockwise

Sun:

Is also represented by celestial sphere


What phase of the moon where illumination gets smaller until the new moon?



Rises in the east, sets in the west as earth spins counterclockwise Don't forget about the age old question of What is osmolarity?

Noon: sun is at highest position in the sky, directly south

As year progresses, the sun travels counterclockwise along the celestial sphere Path the sun takes along the celestial sphere is known as the ecliptic

Zodiacal constellations—constellations ecliptic travels through

Difference between the ecliptic and the celestial equator 23.5 degrees

The Motion of the Night Sky (Continued)

Celestial sphere rotates once/day

Sun moves along ecliptic once/year

Sumer solstice—June 21; longest day of the year; sun highest in the sky We also discuss several other topics like Adding the capital account to the current account, always yields what?

Autumnal/fall equinox—September 21; 12 hours da, 12 hours night

Winter solstice—December 21; shortest day of the year; sun lowest in the sky Vernal/spring equinox—March 22; 12 hours day, 12 hours night

In reality, the orbit of the sun on the ecliptic is because of the orbit of the earth around the sun The difference between the ecliptic and the celestial equator is due to earth’s titled axis Earth revolves counterclockwise around the sun If you want to learn more check out What is a social science concerned with how individuals, institutions, and society make optimal choices under conditions of scarcity?

Two simultaneous motions:

3

Earth spins counterclockwise on axis, making the celestial sphere appear to spin  counterclockwise

Earth orbits sun counterclockwise, sun moves counterclockwise around celestial sphere Motion of the Planets

Sidereal day:

Time it takes stars to complete one full cycle through the sky

Time it takes the planet to rotate 360 degrees If you want to learn more check out What is the function of mitochondria?

23 hours 56 minutes on earth

Solar day:

Time it takes the sun to return to the highest position in the sky

24 hours on earth

Longer than sidereal day because earth has to rotate an extra amount to return to face the  sun (earth is orbiting as it rotates)

Wanderers:

Planets or “wanderers” rise in the east and set in the west, but also seem to move across  celestial sphere like the sun

“Planet” comes from Greek “planan”—to wander

Retrograde motion—when a planet appear to travel backwards across celestial sphere;  observed over weeks/months

“retro”—to go back

reveals illegitimacy of the celestial sphere

Early explanations for retrograde motion:

Ptolomaeic Model:

Earth centered (geocentric) Don't forget about the age old question of What is pangaea?

Epicycle—the planet does loops while rotating around the earth

Inaccurate—doesn’t explain the phases of venus We also discuss several other topics like Do stronger acids have the weakest conjugate bases?

Sun centered model (heliocentric):

Inner­planets orbit fast than outer­planets

4

Retrograde motion occurs because earth passes the other planets in orbit, making them  appear to travel backwards as earth gets closer, then back again as it 

passes

The Seasons

Origin of the seasons:

Due to tilt of earth’s axis

Winter—northern hemisphere points away, summer towards

Reversed for southern hemisphere (Winter in northern is summer in southern) Spring and fall—perpendicular to sun

Distance between sun and earth has no relation to seasons

In December, sun is closer to earth, summer sun is further—no correlation

Phases of the moon:

Moon is a natural staelite of earth

Orbits about once a month

Rises in east, sets west

Due to earth’s rotation

Phases:

Waxing: illumination getting bigger until full

Waning: illumination gets smaller until new moon

Crescent: illumination small

Gibbous: illumination bigger

Position of moon relative to sun and earth responsible for moon’s phases

New moon: dark moon (can’t see from earth)

5

Moon orbits earth counterclockwise

First quarter moon (first half after the new moon): right side illuminated

Full moon

Third quarter (first half moon after full moon): left side illuminated

Moon’s orbit tilted

Moon’s light moves clockwise—picture a cap covering the moon, it must be moved clockwise to simulate the shadows

Moon rises and sets in twelve hours (highest six hours after rising)

Rises on average 50 minutes later each day because the earth has to rotate a little bit more each day to bring it back to see the moon in its orbit

Phase

Rise

Highest Point

Set

New

6 a.m.

Noon

6 p.m.

First Crescent

9 a.m.

3 p.m.

9 p.m.

First Quarter

12 Noon

6 p.m.

Midnight

First Gibbous

3 p.m.

9 p.m.

3 a.m.

Full

6 p.m.

12 Midnight

6 a.m.

Last Gibbous

9 p.m.

3 a.m.

9 a.m.

Last Quarter

Midnight

6 a.m.

Noon

Last Crescent

3 a.m.

9 a.m.

3 p.m.

Eclipses:

Lunar eclipse: earth casts a shadow on the moon

Must be a full moon

Total lunar eclipse: moon is entirely in shadow

Partial lunar eclipse: part of moon in shadow

Penumbral lunar eclipse: moon passes through the penumbra (secondary shadow)

6

Solar eclipse: moon casts shadow on earth; can’t see the sun

Total: in umbra (main shadow)

Partial: occurs in penumbra

Annular: if moon’s shadow does not reach earth, an annular eclipse occurs in small  central region on earth

Doesn’t occur all over earth, only in specific region

Predicting eclipses proves that our model of the solar system is accurate

Force of Gravity:

Describing motion: 

Position: location of object

Velocity: speed with respect to direction and how position changes

Acceleration: speed that velocity changes and in what direction

Planets accelerate as they orbit because they constantly change direction (going in an ellipse) but remain at constant speed

Newton’s Laws of Motion

1.) In the absence of a net force, an object will move with a constant velocity 2.) Acceleration experienced by an object is proportional to the force acting on it (F=ma) 3.) For every action, there is an equal and opposite reaction

Gravity:

Force responsible for keeping celestial bodies in orbit

Keeps us on surface of the earth

Explains evolution of whole universe

Laws of nature are universal

Universal law of gravitation:

Tells us the strength of gravity between two objects (Fg=G[(M1M2)/d^2] D=distance between two objects

M=mass of objects 1 and 2

G=gravity constant

7

Greater distance, smaller gravitational force

Force Gravity II

Newton’s 2nd law: F=ma

Universal Law of Gravitation: F=(GMm)/d^2

Falling: ma=(GMm)/d^2

  a=(GM)/d^2

Powers of 10:

10^n=10*n­times

10^(­n)=1/10^n

10^n*10^m=10^(n+m)

10^n/10^m=10^(n­m)

(10^n)^m=10^(nm)

10^3=kilo—k 10^(­3)=milli—m 

10^6=mega—M 10^(­6)=micro—µ

10^9=giga—G 10^(­9)=nano—n 

10^12=tera—T  10^(­12)=pico—p 

1 mile=1.6 km

Parallax

Stellar parallax: star appear to change position 

Earth rotates around sun, so you see stars from different locations in orbit Parallax angle (p): measure of distance to nearby star

Angle you have to adjust telescope between its greatest periods is 2p (6 months apart)

8

Larger distance, less parallax

Angles: 1 degree=60’ (arc minutes)

 1’= 60” (arc seconds)

Stellar Parallax and Distance:

d(parsec)=1/p(arc sec)

1 parsec= 2*10^13 miles

Solar System

All planets orbit counterclockwise

Elliptical orbits, but practically a circle

Nearly all planets rotate counterclockwise, expect Venus

Terrestrial Planets—Mercury, Venus, Earth, Mars

Small in mass and size

Made of rock and metal

No rings, few moons

Jovian Planets—Jupiter, Saturn, Uranus, Neptune

Large mass and size

Mostly H and He

Rings and many moons

Asteroids

Small rocky bodies orbit sun

Mostly found in asteroid belt between Mars and Jupiter

Comets

Small icy bodies

Found in Kuiper Belt

9

Pluto—does not fit characteristics, dwarf planet

Terrestrial Planets

Metal core, mantle, rocky crust

Earth: Geological Activity

Seismic waves caused by earthquakes help us determine internal structure Core is part liquid and hot

Planets heated when formed

Radioactive decay also heat up interior

Cool down over time—smaller planets cool faster

Hot interior main driver for geological activity

Volcanoes and plate tectonics and earthquakes (p­waves)

P­waves—longitudinal waves travel through core

S­waves—stopped by core

Volcanoes:

Molten rock from earth’s interior reaches surface

Release lava, water vapor, CO2, N—outgassing

Atmosphere is a product of outgassing

Plate Tectonics:

Lithosphere divided in tectonic plates that float on mantle

Convection causes tectonic plates to shift—creates mountains, valleys, seas Magnetic Field:

Charged particles moving in molten, electrically charged metal core creates mag. Field Protects us from wind of charged particles coming from the sun

Some get trapped close to poles—cause auroras

Protects atmosphere from being stripped away

10

Atmosphere:

Protects from solar radiation

Captures part of energy coming from sun and warms planet

Visible light reaches earth, UV and X­rays are absorbed

Greenhouse gases capture heat and warm planet

Moon:

No atmosphere

No signs of present geo. Activity

Too small—cooled too fast

Density less than earth

Probably resulted from big impact with a Mars­Earth sized object

Craters:

Impact mark left by asteroid/comet hitting surface

Believed responsible for dinosaur extinction

Geo. Activity erases craters on earth

Shaping Planet’s Surface:

Impact of craters

Volcano eruptions

Disruption of planet’s surface by tectonic plates

Erosion by winds, water, ice

Mercury:

Smallest planet

Similar to earth’s moon

No atmosphere

No volcanic activity but signs of pat geo activity—cooled fast

Venus:

Earth sized

Rotates clockwise

11

Thick atmosphere—strong greenhouse effect

Day and night extremely hot

Air pressure same as .5 miles below earth’s ocean

Mars:

About half size of earth

Very thin atmosphere

Temp below freezing (­58 degrees F)

Most similar to earth

Evidence of water flows in past and present

Jovian Planets

Jupiter, Saturn, Uranus, Neptune

Jupiter Structure:

Under pressure of the material above it in its makeup (atmosphere down to core), H  changes phases as you get closer to core

Under increasing high pressure H heats up

Layers of Jupiter (from top to core): cloudy atmosphere, H gas, H liquid, metallic H, core Metallic H is liquid and conducts electrical charges

Jupiter under Pressure:

Like stacking pillows—adding more will increase height but will eventually condense  and increase density

Jupiter’s Magnetic field:

Strongest of planets in solar system

Auroras can be seen at the poles

Jupiter’s Atmosphere:

At least 3 distinct layers

Ammonia (yellowish), ammonium sulfate (red­orange), water vapor

12

Gives Jupiter its color

Jupiter Storms

Fast rotation (9 hour days) cause winds that reach 250 mph

Numerous storms can be seen on Jupiter

Great red spot—storm twice size of earth, has lasted for centuries

Jupiter moons: more than 60

Europa: large amount of iced water

Signs of geological activity and tidal heating suggest huge oceans below surface

Io: elliptical orbit causes continual changes in strength and direction of tidal force from  Jupiter

Flex Io’s interior and cause tidal heating

Saturn:

Rings: small water ice particles

Each particle orbits like moon

Ring formation:

Likely originate from small moons orbiting Saturn

New particles released from collisions between moonlets and other objects Saturn’s gravitational force prevents moons from forming larger bodies

Formation of Solar System

Important clues:

Patterns of Motion

Circular planetary orbits on same plane

Planets orbit sun in same direction

Most planets rotate in same direction as orbit

Tilts generally small

2 types of planets

13

Terrestrial: rocky and metal surface

Small and dense

Jovian: large and less dense

Mostly H and He

Asteroids and comets

Asteroids: small rocky bodies mostly found in asteroid belt

Comets: small icy bodies found mostly in Kuiper belt and Oort’s Cloud

Nebular theory: solar system formed from gravitational collapse of gas cloud Nebula: gas cloud produced from explosion from dead previous star

Diffuse and cold cloud of gas (mainly H and He but some heavier elements) Star Dust: origins of Universe

H and He only elements manufactured in early universe

Heavier elements produced by previous generations of stars

We are all star dust

Collapse:

Gravity causes cloud to collapse under own weight

As it collapses: temp increases (energy conversion)—hottest at center, coldest at  boundary

Rotate rate increases (angular momentum conservation)

It flattened

Sun and planets formed in this spinning disk

Flattens because it’s easier than collapsing inward (ball on spinning plate example) Pressure very large at center—increase temp (H and He will fuse and form star) When planets form they follow motion of spinning disk

Why Planets Form:

Condensation

Sun formed at center of cloud—increase temp ignites nuclear fusion

Planets developed from planetary seeds formed by condensation

14

Temp of disk determined materials able to condense and develop into planets  (highest temps needed to produce metals, then rocks, H 

compounds, H and  He gas)

Frost line

Heavier H rich planets able to form beyond frost line

Small, metal rich planets formed within frost line

Explains terrestrial and Jovian planets

Accretion

Encounters between condensed seeds led to larger objects “accretion”

Some of these planetesimals eventually grew into planets

Clean up

Radiation from sun and solar wind cleaned up remaining gas not bound to planets  in nebula

Asteroid belt is made from leftovers of planetary formation within frost line Jupiter too large for planet to form there (too large gravitational force)

Kuiper belt and Oort Cloud contain leftovers from beyond frost line

Light

Light is electromagnetic radiation: wave of electric and magnet fields

Light produced by moving electric charges (electrons)

Light changes motion of electric charges

Related to electric and magnetic fields

Light can be thought of as both wave and particle

Light as a wave:

Wavelength: distance between adjacent crests/troughs

15

Frequency: # of troughs/crests that pass through a point each second (measured in Hertz  [Hz]=1/sec)

Speed: how fast a crest moves forward (measured in m/s)

Speed of wave=wavelength*frequency

Speed of light: c=3*10^8 m/s

Longer wavelength means lower frequency (inverse relationship)

Light as particle:

Can also think of light as a beam of particles (photons)

Each photon has well­defined energy

Energy (E) of each photon is proportional to its frequency (v)

E=hv (h is constant)

Proposed by Albert Einstein

Colors of light:

Mix of different colors (frequencies)

Sorting out colors creates a spectrum—uses a prism

Matter and Spectra

Matter: made of atoms

Suggested by Greek philosopher Demoritus (460­370 BCE)

Individual, indivisible atoms

Atoms known to be divisible now

Atoms: all matter we are familiar with

Nucleus: contains the protons and neutrons

Cloud of electrons

16

Losing atoms causes ionization

Quantum mechanics: cannot tell where electron is in cloud—they travel too fast and  create cloud

Isotopes: same atoms, different number of neutrons and atomic mass; same # of protons

Light and Matter:

Light moves straight until it hits something

Reflects: specific direction change; comes off at same angle (like a mirror) Scatters: random direction; all different angles (like snow)

Snow scatters all wavelengths

Colored items (green tree) reflect only that color (green)

All other wavelengths absorbed

Light transmitted through window

3 types of spectra:

Continuous: produced by hot and dense body

From the form of spectrum we can infer the temperature of hot body

All wavelengths represented (all colors)

Emission: produced by hot and dilute gas

From emission lines we can infer chemical composition of the gas

Absorption: cold and dilute gas in front of hot and dense body

Can infer the chemical composition of dilute gas and temp of hot body

Understanding Spectra:

Continuous (Thermal) Spectrum (Blackbody spectrum)

Like an iron fire­poker—as it gets hotter it gets redder and glows

Hotter objects emit more radiation per unit surface area at every wavelength Peak further closer to violet is hotter on graph (shorter wavelength=increased E)

17

Understanding Emission and Absorption Spectra:

Atoms: energy “slots”

Energy for atom can only have specific values

# of protons determines element

Pattern of energy levels is exclusive of each element

Energy always conserved

Electrons jumping to lower energy level (excited state) gives off light

Absorption of photon causes electron to jump to higher energy level

Photon needs enough energy to equal higher energy level or it will pass 

through atom

The Sun

Radius: 108x earth’s

Know this due to angular size (parallax)

Mass: 333,000x earth

Know this due to Newton’s version of Keplar’s 3rd law 

Composition: all gases

Know because of sun’s spectrum

98% H and He, 2% other elements

Surface temp: 10,000 F 

Know because of spectrum

Sunspots darker because they are cooler than their surroundings (spectra)

18

Age: about 5 billion years

Know because we know the age of solar system by dating meteorites using radioactive  element

Life expectancy: about 10 billion years (calculations)

Structure:

Energy source is at its core

Photosphere: sun’s visible surface

Convection zone below photosphere

Keeping Balance:

In order to shine steadily, outward pressure in sun must balance inward pull of gravity To keep pressure steady, temp must be constant

To keep core temp constant, must be source of energy at core that replenishes energy lost  by the sun

Nuclear fusion: source of energy for sun; occurs in core

H smashes together to form He+energy

4HHe (atomic mass=4) + Energy

At higher temp, atoms are ionized

H nuclei have enough speed to avoid electrical repulsion 

Collide and fuse into heavier nuclei

Life of the Sun

sun made of plasma (ionized gas)

Solar Activity:

Sunspots—colder than surroundings

Magnetic fields prevent the surrounding hot plasma from entering sunspot region Solar flares—magnetic fields “snap” and reconnect, releasing huge amounts of energy Released energy leads to dramatic solar storms

19

Include x­rays, gamma rays, and highly energetic electrons and protons

Around earth, solar flares may: 

Damage satellites

Interfere with communications

Knock out power grid temporarily

Hazard to astronauts

Solar Patterns:

Number of sunspots on sun rises and falls

Cycle of 11 years

Some suggestions of a connection between solar activity and weather on earth Nuclear Fusion:

Electric charge conserved—four protons mash to produce He (2 protons and 2 neutrons)  neutrons, releasing two positrons and neutrinos

Mass Density:

Mass of proton is 938 MeV

Positron= 0.5 MeV

Neutrino negligible

Helium nucleus 3728 MeV

Final mass is less than initial mass

During nuclear fusion, mass is converted into energy, carried away by 

photons (light) and neutrinos

Mass and energy are two manifestations of the same thing—can be 

converted into each other (E=mc^2)

Charge conservation: a proton is converted into a neutron, a positron (and a neutrino)  Energy conservation: mass is converted into light (gamma rays)

Sun’s life expectancy= about 10 billion years

Life of the Sun:

1.) Sun began its life fusing H into He 

2.) After 10 billion years, H at the sun’s core will be exhausted

20

Core of sun is now made of inert helium 

3.) The pressure at the core diminishes—core contracts by the crush of gravity 

4.) The temperature increases again and fusion begins at a H shell surrounding the  He core 

5.) The additional pressure causes the outer shell of the star to expand into a red giant Radius is 100 times the solar radius

6.) As more H gets converted into He, the pressure at the core increases 7.) He fusion begins into carbon

8.) When the core He is depleted, the sun will expand even more due to He  burning in a shell surrounding the carbon core

 9.) The sun will eject its outer layers, leaving behind an inert C core  10.) The outer layers will form a planetary nebula

Page Expired
5off
It looks like your free minutes have expired! Lucky for you we have all the content you need, just sign up here