Program merytoryczny – fotometria

Program Operacyjny Kapitaª Ludzki
Benecjent: Województwo Kujawsko - Pomorskie
Projekt systemowy Odkrywamy Planety - zaj¦cia z kompetencji kluczowych
PROGRAM MERYTORYCZNY
dla programu zaj¦¢ pt."Fotometria i astrometria"
E. ‘wierczy«ski
Spis tre±ci
1 Wprowadzenie
2
1.1
Podstawy, opis i cele projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2
Zastane wyposa»enie Astrobaz
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3
Nowe wyposa»enie Astrobaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2 Szczegóªowy program zaj¦¢
4
2.1
Zalety pracy z kamer¡ CCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2
Wady pracy z kamer¡ CCD
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.3
Fotometria
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.4
Obserwacje
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1
1
Wprowadzenie
1.1
Podstawy, opis i cele pro jektu
Projekt Astrobaza ju» na dobre utrwaliª si¦ w ±wiadomo±ci mieszka«ców województwa
kujawsko-pomorskiego. W ramach jego realizacji, ponad dwa lata temu uruchomiono
czterna±cie bardzo dobrze wyposa»onych, przyszkolnych obserwatoriów. Obecnie dziaªaj¡ one jako lokalne centra popularyzacji astronomii, przyczyniaj¡c si¦ do wzrostu zaanga»owania caªych spoªeczno±ci wokóª wspólnych, nie tylko typowo astronomicznych
zagadnie«. Obserwacje astronomiczne od pocz¡tku byªy planowane jako wst¦p do odkrywania pi¦kna caªej gamy nauk matematyczno-przyrodniczych. Szczególnie wa»ne w pracy
Astrobaz jest to, aby rozbudzi¢ zainteresowanie naukami ±cisªymi w±ród mªodzie»y szkolnej. W przyszªo±ci powinno to skutkowa¢ bardziej ±wiadomymi wyborami ±cie»ki kariery
zawodowej.
Na bazie zdobytych do±wiadcze« postanowiono kontynuowa¢ zadania Astrobaz, jednocze±nie rozszerzaj¡c program dziaªa« o coraz bardziej zaawansowane projekty obserwacyjne. Powinna to by¢ odpowied¹ na wyzwania jakie niesie ze sob¡ szybki post¦p w
wi¦kszo±ci dziedzin nauki. Ubocznym skutkiem gwaªtownego rozwoju technologicznego
jest rosn¡ca przepa±¢ mi¦dzy naukowcami a reszt¡ spoªecze«stwa, niezdoln¡ do wchªoni¦cia tak du»ej ilo±ci nowej wiedzy. Jednocze±nie astronomia pozostaje dziedzin¡, gdzie
wci¡» bardzo du»y wpªyw na jej rozwój maj¡ obserwacje amatorskie. Nasz Wszech±wiat
jest najlepiej wyposa»onym laboratorium, ilo±¢ obiektów którym warto po±wi¦ci¢ uwag¦
jest ogromna i ich zbadanie na pewno przekracza mo»liwo±ci wszystkich o±rodków naukowych. Dzi¦ki doposa»eniu Astrobaz w dodatkowy sprz¦t, obok zada« czysto popularyzatorskich, b¦d¡ one w stanie podj¡¢ si¦ w peªni naukowych obserwacji. Du»y potencjaª
naukowy sieci obserwatoriów zlokalizowanych na terenie jednego województwa powinien
ujawni¢ si¦ dzi¦ki uruchomieniu projektu, pt.
petencji kluczowych .
Odkrywamy planety - zaj¦cia z kom-
Jednocze±nie podstawowe cele projektu pozostaj¡ takie same,
jakie legªy u podstaw uruchomienia Astrobaz. Realizowane w ramach projektu zaj¦cia
maj¡ pobudzi¢ zainteresowanie naukami ±cisªymi, rozwin¡¢ my±lenie analityczne, nauczy¢
planowania i pracy w grupie.
Nazwa projektu jest w pewien sposób podsumowaniem osi¡gni¦¢ wspóªczesnej astronomii obserwacyjnej. Obserwacje nowych planet jeszcze do niedawna byªy domen¡ najwi¦kszych teleskopów na ±wiecie. Dzisiaj, ten sam temat zawiera w sobie ±miaª¡ ale
osi¡galn¡ wizj¦ pracy Astrobaz, które odpowiednio doposa»one b¦d¡ zdolne obserwowa¢ planety spoza naszego Ukªadu Sªonecznego. Jednocze±nie uczestnicy projektu musz¡
posiada¢ odpowiednie umiej¦tno±ci i wiedz¦, przede wszystkim dobrze pozna¢ instrumentarium, jego mo»liwo±ci i ograniczenia oraz zna¢ specyk¦ obserwowanych zjawisk. Znacznym uªatwieniem dla realizacji projektu b¦dzie wykorzystanie wspomnianych ju» dwóch
lat do±wiadcze« w dziedzinie wspóªczesnych metod obserwacji. Uczniowie, nauczyciele i
koordynatorzy Astrobaz poznali tajniki obserwacji teleskopowych, równie» przy u»yciu
kamer CCD. Zaj¦cia ju» przeprowadzone w Astrobazach oraz szkoªach gwarantuj¡ tak»e
dobr¡ znajomo±¢ nieba i zjawisk astronomicznych.
Sam projekt zakªada uruchomienie czterech innowacyjnych programów. Zostaªy one
tak skonstruowane, »e jedna Astrobaza w ramach projektu b¦dzie realizowa¢ tylko jeden
z programów. Jest to wynik kompromisu i nale»y oczekiwa¢, »e w miar¦ zdobywania
nowych ±rodków nansowych kolejne Astrobazy b¦d¡ poszerzaªy swoj¡ ofert¦. Docelowo
2
powinny one pracowa¢ jako jedna sie¢ obserwatoriów o zbli»onych mo»liwo±ciach, gdy»
tylko wtedy w peªni b¦dzie wykorzystany ich potencjaª. Natomiast obecnie omawiany
projekt okre±la zamierzenia zaplanowane tylko na okres od kwietnia 2015 do wrze±nia
2015 i uzgodniony na ten czas podziaª programów mi¦dzy Astrobazy przedstawia si¦
nastepuj¡co:
•
STACJE BOLIDOWE: Jabªonowo Pomorskie, Dobrzy«, Gostycyn, ›nin
•
ZJAWISKA ZAKRYCIOWE: ‘wiecie, Gniewkowo, Unisªaw, Radziejów
•
FOTOMETRIA I ASTROMETRIA: Inowrocªaw, Kruszwica
•
AKTYWNO‘‚ SŠO‹CA: Brodnica, Rypin, Golub - Dobrzy«, Zªawie± Wielka
Kolejne rozdziaªy tego opracowania b¦d¡ dotyczy¢ tylko przedostatniego, z wypunktowanych wy»ej tematów. Zostan¡ w nim przedstawione konkretne dziaªania jakie mo»na
podj¡¢ w formie zaj¦¢ w grupach szkolnych w Inowrocªawiu i Kruszwicy. W tym przypadku nadrz¦dne cele projektu b¦d¡ osi¡gane poprzez nauk¦ pomiaru jasno±ci i poªo»enia obiektów na niebie, wykonanie obserwacji fotometrycznych oraz odpowiedni¡ interpretacj¦ wyników. Takie lekcje b¦d¡ si¦ odbywa¢ na terenie dwóch szkóª, gªównie w
Astrobazach, wykorzystuj¡c tak»e specjalnie zakupiony na potrzeby tych zaj¦¢ sprz¦t
astronomiczny.
1.2
Zastane wyposa»enie Astrobaz
Budynki Astrobaz speªniaj¡ wszystkie funkcje standardowego obserwatorium astronomicznego. Centralnym instrumentem w ka»dej Astrobazie jest zautomatyzowany w wysokim stopniu teleskop MEADE 14 LX200 ACF o ±rednicy zwierciadªa 356 mm i ogniskowej 3560 mm. Znajduje si¦ on w odpowiednio wydzielonej cz¦±ci budynku, pod sterowaln¡ kopuª¡. W osobnym pokoju zorganizowano sterownie z trzema stanowiskami
komputerowymi. Cz¦±¢ zaj¦¢ odbywa si¦ tak»e na ciekawie pomy±lanym, wyniesionym
ponad poziom gruntu, tarasie. Z tego miejsca mo»na obserwowa¢ korzystaj¡c z mniejszych, przeno±nych teleskopów lub lornetek. Gªówny teleskop pracuje w trybie obserwacji
wizualnych, fotogracznych lub z wykorzystaniem kamery CCD ATIK ATK-16IC.
Wymieniony model kamery cechuje wzgl¦dnie maªy rozmiar matrycy, co w standardowej konguracji z teleskopem przekªada si¦ na maªe pole widzenia (4'x3'). Ogranicza
to mo»liwo±ci kamery, zwªaszcza je±li chodzi o obserwacje obiektów rozciagªych. W przypadku obserwacji pól gwiazdowych generuje to problemy z utrzymaniem gwiazd w polu
widzenia. Dotyczy to zwªaszcza dªu»szych serii ekspozycji, gdy chcemy obserwowa¢ jednocze±nie gwiazdy oddalone od siebie o 3-4 minuty k¡towe. Dla jak najwi¦kszej precyzji
pomiarów fotometrycznych i astrometrycznych najlepiej stosowa¢ jak najwi¦cej gwiazd
porównania i odniesienia. Znalezienie odpowiedniego zestawu gwiazd w obr¦bie klatki
obrazu jest tym ªatwiejsze, im wi¦kszy fragment nieba zostaª na niej zarejestrowany. Nale»y pami¦ta¢, »e obserwacje obecn¡ kamer¡ s¡ tylko cz¦±ci¡ szerokiej oferty edukacyjnej
w Astrobazach, opartej przede wszystkim na obserwacjach wizualnych i fotogracznych.
3
1.3
Nowe wyposa»enie Astrobaz
Natomiast dla wªa±ciwej realizacji programu FOTOMETRIA I ASTROMETRIA niezb¦dny byª zakup dwóch nowych, wysokiej klasy kamer o odpowiednio dopasowanych do
celów programu parametrach. Najwa»niejszym kryterium wyboru kamery byªa wielko±¢
matrycy, nast¦pnie efektywno±¢ kwantowa oraz rozmiar pikseli.
Zestaw ltrów LGBR Baadera zamontowany razem z detektorem, pozwoli wydoby¢
maksimum u»ytecznych informacji ze ±wiatªa obserwowanych obiektów. Obserwacje z
ltrami pozwol¡ jednocze±nie ograniczy¢ wpªyw nieporz¡danych efektów zwi¡zanych z
jasnym tªem nieba czy czuªo±ci¡ matrycy kamery. Bardziej szczegóªowe zasady wyboru
optymalnego sprz¦tu wraz z dopasowaniem odpowiednich modeli dost¦pnych na rynku
do mo»liwo±ci i oczekiwa« realizatorów projektu zostaª przedstawiony w doª¡czonej specykacji sprz¦towej.
2
Szczegóªowy program zaj¦¢
Ostateczny ksztaªt listy zakupów sprz¦towych byª tak»e zale»ny od opracowywanego
równolegle programu zaj¦¢. Szczegóªowy program, zawieraj¡cy list¦ konkretnych dziaªa«
edukacyjnych ujetych w odpowiednich ramach czasowych powinien by¢ istotnym uªatwieniem w realizacji projektu. Pomo»e on osi¡gn¡¢ zaªo»one cele w przewidzianym na jego
realizacj¦ czasie. Przedstawiony poni»ej program skªada si¦ z czterech moduªów podzielonych dodatkowo na bloki tematyczne.
Pierwszy moduª obejmuje zaj¦cia, które u±wiadomi¡ przewag¦ obserwacji fotometrycznych z u»yciem kamery CCD nad innymi metodami mierzenia jasno±ci. Drugi moduª
zostaª opracowany jako pomoc w najlepszym wykorzystaniu kamery, poprzez poznanie
i usuni¦cie nieporz¡danych efektów zwi¡zanych z jej prac¡. Zrealizowanie kolejnego moduªu pozwoli na wydobycie naukowych informacji z odpowiednio przetworzonych obrazów
i wykorzystanie tej wiedzy do analizy caªych serii obserwacji. Ostatni moduª zostaª pomy±lany jako cz¦±¢ sprawdzaj¡ca i utrwalaj¡ca zdobyte umiejetno±ci i wiedz¦. Zakªada on
przeprowadzenie obserwacji obiektu z listy proponowanych, nast¦pnie redukcj¦ surowych
klatek oraz wykonanie fotometrii. Taka sekwencja dziaªa« powinna by¢ w miar¦ mo»liwo±ci powtórzona dla wielu obiektów i po pewnym czasie sta¢ si¦ czym± rutynowym w pracy
Astrobaz. Pozwoli to na wª¡czenie si¦ Astrobaz do wielu mi¦dzynarodowych projektów
obserwacyjnych, np. projektu realizacji alertów satelity GAIA.
Jak ju» wspomniano, zaj¦cia b¦d¡ si¦ przede wszystkim odbywa¢ w Astrobazach, wynika to z praktycznego charakteru wi¦kszo±ci zagadnie«. Niezb¦dne b¦dzie zainstalowanie
na jednostkach komputerowych w sterowniach Astrobaz odpowiedniego oprogramowania
do przetwarzania i analizowania obrazów z kamery CCD. Cz¦±¢ zaj¦¢ musi zosta¢ przeprowadzona wieczorem i w nocy, koniecznie w dobrych warunkach pogodowych. Wymaga
to od opiekunów grup elastycznego podej±cia do harmonogramu, ±ledzenia prognoz pogody i uaktualniania planów zaj¦¢ na najbli»sze dni. Z kolei tematy teoretyczne b¦d¡
mogªy zosta¢ zrealizowane w sali lekcyjnej.
Zaj¦cia s¡ przygotowywane z my±l¡ o starszych uczniach, czªonkach kóª astronomicznych oraz ka»dym, kto posiada ju» pewne do±wiadczenie w obserwacjach nieba wyniesione z Astrobaz. Caªkowita liczba godzin przeznaczona na realizacj¦ wszystkich zada«
wynosi 96 godzin lekcyjnych z czego 36 godzin jest przewidziana na zaj¦cia w trybie
4
stacjonarnym z wykorzystaniem infrastruktury Astrobaz, 48 godzin na zaj¦cia w trybie e-learningowym, a 12 godzin zagospodarowane b¦dzie na warsztaty prowadzone w
trakcie Astrofestiwalu. Opisywane moduªy s¡ przedstawione w kolejnych podrozdziaªach
w postaci tabel, wyszczególniono w nich liczb¦ godzin potrzebn¡ do realizacji konkretnych tematów. Gwiazdk¡ zaznaczono tematy do zrealizowania w Astrobazach, dwiema
gwiazdkami wyrózniono tematy do zrealizowania dodatkowo wieczorem lub w nocy przy
dobrej pogodzie. Pozostaªe, jako tematy mog¡ by¢ omówione w sali lekcyjnej lub podj¦te
poprzez platform¦ e-learningow¡.
2.1
Zalety pracy z kamer¡ CCD
blok tematyczny
opis zaj¦¢
•
•
atmosfera i fotometria
ro»nicowa
podª¡czenie kamery do
teleskopu, program do
obsªugi, konguracja
zliczenia, zakres pracy
kamery
•
•
•
•
•
•
•
idea wykorzystania gwiazd porównania
wªa±ciwy dobór gwiazd porównania
techniki fotometrii ró»nicowej
jasno±¢ tªa nieba
podª¡czenie kamery do komputera*
uruchomienie software do obsªugi kamery*
ustawienie chªodzenia, test koªa ltrów, ustawie-
nie katalogu zapisu danych*
wykonanie obrazu testowego i
zapoznanie si¦ z formatem zapisu FIT*
2
2
3
1
1
2
• specyka pracy z kamer¡ monochromatyczn¡, odczytanie warto±ci zlicze« i wspóªrz¦dnych dowol-
2
nego piksela
•
•
stabilno±¢ kamery
zale»no±¢ jasno±ci gwiazdy od jej wysoko±ci nad
horyzontem
•
wykonanie obrazu,
wpªyw atmosfery na obserwacje
pr¡d zerowy pracy kamery
wykonanie wielu klatek typu bias i
2
zmierzenie ilo±ci zlicze« z dowolnego piksela*
•
zbadanie stabilno±ci pracy kamery na podstawie
pomiarów wielu klatek bias
5
2
2.2
Wady pracy z kamer¡ CCD
•
•
pr¡d ciemny pracy kamery*
analiza ilo±ci zlicze« dla ró»nych czasów
wpªyw temperatury na
ekspozycji przy zamkni¦tej migawce, klatki typu
obserwacje
dark
•
u±rednianie klatek dark, redukcja poziomu
2
2
szumu
• wpªyw defektów matrycy i efektu winietowania na
obserwacje
•
3
wykonanie obrazów jednorodnego tªa i opis
utrwalonych artefaktów**
obrazy jednorodnego
•
tªa, at
uzyciu ro»nych ltrów
•
•
ró»nice pomi¦dzy obrazami wykonanymi przy
1
optymalna liczba zlicze« dla obrazów typu at
optymalna
sekwencja
wykonania
obrazów
tªa
1
nieba
•
algorytm usuwania pr¡du zerowego,
ciemnego i wykorzystania obrazów jednorodnego tªa
•
•
•
redukcja
3
wybór pola gwiazdowego, gwiazdy badanej
stworzenie klatek naukowych**
wykonanie odpowiedniej sekwencji klatek typu
3
bias, dark, at dla skutecznej reducji klatek naukowych*
• odejmowanie ±rednich klatek bias i dark od klatek
at i naukowych
•
•
odpowiednie przygotowanie klatek at
porównanie zredukowanych klatek naukowych z
niezredukowanymi
6
2
1
1
2.3
Fotometria
•
wielko±ci gwiazdowe
fotometria
czuªo±¢ oka i naturalna skala wielko±ci gwiazdo-
wych
•
4
obserwacje wizualne
• czuªo±¢ kamery, zliczenia i jasno±ci instrumentalne
• znajdowanie gwiazdy badanej na obrazie nauko-
1
wym**
3
•
wybór gwiazd porównania
•
znajdowanie wªasciwych
apertur wokóª gwiazdy badanej i gwiazdy porówna-
4
nia
•
sekwencja obserwacji jednego pola
3
gwiazdowego**
krzywa blasku
•
od redukcji i fotometrii do krzywej zmian blasku
gwiazdy
•
odczytanie czasu obserwacji, czas uniwersalny,
data julia«ska
gwiazdy zmienne
tranzyty planetarne
•
wybrane typy zmienno±ci
•
przykªady obserwacji z bazy danych AAVSO
•
planety wokóª gwiazd innych ni» Sªo«ce
•
metody odkrywania planet pozasªonecznych
•
•
przewidywalno±¢ tranzytów efemeryda
10
1
5
odchylenia od przewidywa« nieznana planeta w
ukªadzie
•
ksztaªt krzywej blasku i gª¦boko±¢ tranzytu
•
obserwacja wybranych tranzytów planetarnych**
2
5
10
Razem: 84 godziny
7
2.4
Obserwacje
Cz¦±¢ przeznaczonego czasu zostanie zarezerowana na uruchomienie programu obserwacyjnego gwiazd zmiennych oraz tranzytów planetarnych. Tylko wielogodzinna praktyka,
podczas której badane b¦d¡ konkretne obiekty pozwoli utrwali¢ w peªni umiej¦tno±ci
i wiedz¦ zdobyt¡ podczas realizacji wcze±niej opisanych moduªów. Kolejne obserwacje
oznaczaj¡ podj¦cie rutynowych kroków, ale mo»na sie spodziewa¢, »e b¦d¡ tak»e stawia¢
przed obserwatorami nowe, nieoczekiwane wyzwania. W miar¦ upªywu czasu uczniowie
powinni z coraz wi¦ksz¡ samodzielno±ci¡ i ±miaªo±ci¡ anga»owac si¦ w fotometri¦.
Na pocz¡tek zostan¡ zaproponowane obserwacje gwiazd zmiennych o stosunkowo du»ej amplitudzie zmian blasku, wymienionych w Tabeli 1. Pozwoli to tak»e okre±li¢ mo»liwo±ci kamery, zbadany zostanie próg jasno±ci gwiazd, dla którego obserwacje kamer¡ s¡
jeszcze u»yteczne. B¦dzie to istotne dla przygotowania obserwacji o wiele trudniej uchwytnych zmian jasno±ci podczas tranzytu planety pozasªonecznej. Gª¦boko±ci tranzytów planet s¡ bardzo maªe (Tabela 2), lecz do±wiadczenia innych podobnej klasy obserwatoriów
(Zielona Góra) dysponuj¡cych identycznym teleskopem pokazuj¡, »e ich zbadanie jest w
zasi¦gu mo»liwo±ci Astrobaz.
nazwa
obiektu
typ
zmien-
max
min
okres [d]
rodzaj obserwacji
no±ci
SZ Lib
EB
12.5
13.5
6.65
jeden pomiar ka»dej nocy
RZ Lyn
EB
10.6
11.3
1.146918
jeden pomiar ka»dej nocy
V874 Her
EB
9.9
10.9
0.2554
kilka godzin w jedn¡ noc
V2282 Cyg
EW
12.02
12.30
0.33595
kilka godzin w jedn¡ noc
CC Com
EW
11.30
12.21
0.22068
kilka godzin w jedn¡ noc
VY Cnc
EW
11.9
12.4
0.71942
kilka godzin w jedn¡ noc
SS Cyg
UGSS
7.7
12.4
0.26948
reakcja na alert
SU UMa
UGSU
10.8
14.96
0.076351
reakcja na alert
Tablica 1: Proponowane gwiazdy zmienne do przeprowadzenia pomiarów jasno±ci wraz z
ich krótk¡ charakterystyk¡, wedªug GCVS. Wszystkie obserwacje powinny si¦ odbywa¢ z
u»yciem kompletu ltrów LGBR
Najbardziej obiecuj¡cym terminem, na jaki trzeba by¢ przygotowanym, jest sam koniec maja. Wtedy w sprzyjaj¡cych do obserwacji okoliczno±ciach dojdzie do tranzytu
m .67). Wyniki wszyst-
planety HD189733 b na tle bardzo jasnej gwiazdy macierzystej (7
kich obserwacji b¦d¡ mogªy by¢ doª¡czone do mi¦dzynarodowych baz danych, dzi¦ki
czemu mog¡ stanowi¢ istotny wkªad w poszerzenie wiedzy o Wszech±wiecie.
8
czas
nazwa obiektu
okres
obiegu
planety [d]
trwania
jasno±¢
gª¦boko±¢
tranzytu
[mag]
[mag]
[min]
TrES-3b (Her)
1.30618608
77.4
12.4
0.029
TrES-1 b (Lyr)
3.03007
149.8
11.79
0.0208
HD189733b (Vul)
2.2185733
109.6
7.67
0.0282
HAT-P-32 b (And)
2.150008
186.5
11.29
0.0244
WASP-52b (Peg)
1.7497798
108.58
12.00
0.0290
WASP-39b (Vir)
4.055259
168.2
12.1
0.0215
WASP-6b (Aqr)
3.361006
156.4
11.9
0.0236
WASP-11b (Ari)
3.722469
159.0
11.89
0.0254
Tablica 2: Lista najªatwiejszych do detekcji planet metod¡ fotometrii tranzytów planetarnych oraz niektóre parametry tranzytów.
9