Chcesz wiedzieć jak odkrywa się planety pozasłoneczne? Spróbuj sam!
Roger Ferlet (IAP); Olivier Marco, Ester Aranzana Martinez, Sandra Greiss, & Jeehae Chun (University Pierre Marie Curie, Francja
Ćwiczenie pozwala własnoręcznie opracować autentyczne obserwacje i „zobaczyć” pozasłoneczną planetę krążącą wokół odległej gwiazdy. Przeznaczone gimnazjów i szkół średnich, pozwala uczniom zapoznać się z pracą naukową w zakresie astronomii i astrofizyki. W ćwiczeniu wykorzystujemy przykładowe zdjęcia planety HD 189733b zrobione przez Teleskop Kosmiczny Spitzera. Zdjęcia dostarczą nam danych, które zostaną przeanalizowane z użyciem programu SalsaJ i zilustrowane na wykresie w Excelu.
Jak odkryć pozasłoneczną planetę |
Co to jest planeta pozasłoneczna?
Jest to planeta krążąca wokół jakiejś gwiazdy poza układem słonecznym.
Do grudnia 2008 r. odkryto 335 planet pozasłonecznych. Ich różnorodność sprawia, że klasyfikuje się je według masy, natury, wielkości itp.
Wykrywanie planet pozasłonecznych jest trudne ze względu na dużą odległość między obserwującym a planetą. Jest jednak kilka różnych metod detekcji, a najskuteczniejsze z nich to:
-prędkość radialna: pierwsza metoda stosowana do wykrywania planet pozasłonecznych(M. Mayor i D. Queloz w 1995 r.) ale nadal najskuteczniejsza. Pozwala na uzyskanie informacji o masie planety. Na stronie EU-HOU można znaleźć ćwiczenie dla uczniów szkół średnich, „W poszukiwaniu pozasłonecznych planet",w którym została wykorzystana właśnie ta metoda.
-tranzyt: metoda komplementarna do detekcji przez prędkość radialną. Uwidacznia zmianę jasności gwiazdy, gdy planeta ja przesłania. Dzięki tej metodzie można wyznaczyć również promień planety. Stąd ich klasyfikacja.
Schemat przedstawiający kolejne fazy tranzytu planety pozasłonecznej
Krzywa blasku tranzytu planety pozasłonecznej zaobserwowana przez teleskop Corota (maj 2007)
Oprogramowanie do obróbki zdjęć i danych: SalsaJ
SalsaJ to oprogramowanie EU-HOU pozwalające na obróbkę zdjęć ze SPITZERA.
Naszym celem jest analiza jasności gwiazd i uzyskanie informacji dotyczących istnienia krążących wokół nich planet.
Krok 1-szy: Uruchomienie programu i otwarcie zdjęć
Zapisz plik ze zdjęciami na swoim komputerze i rozpakuj zdjęcia.
Uruchom program ‘SalsaJ'.
Kliknij w przycisk otwierający pliki:
Następnie wybierz 20 kolejnych plików i prawym klawiszem
myszy kliknij na pasku pulpitu ‘Okna sąsiadujące w poziomie':
Wówczas wszystkie zdjęcia będą widoczne jednocześnie:
Krok 2-gi: Obróbka obrazów
W zakładce ‘Obraz' wybierz ‘Dostosuj' a następnie ‘Jasność/Kontrast...':
Drugi pasek ‘Maksimum' pozwala na uzyskanie jaśniejszego obrazu trzech gwiazd:
W ten sposób zmodyfikuj wszystkie 20 zdjęć:
Krok 3-ci: Pomiary fotometryczne
W zakładce ‘Analiza' otwórz ‘Ustawienia Fotometrii' i ustaw je następująco:
W zakładce ‘Analiza' otwórz ‘Fotometria' i nakieruj kursor na pierwszą gwiazdę, żeby zmierzyć jej jasność:
To samo trzeba zrobić ze wszystkimi gwiazdami na wszystkich zdjęciach. Trzy kolejne gwiazdy możemy nazwać następująco:
W końcowym rezultacie uzyskamy 60 pomiarów jasności.
Rysowanie wykresu jasności i identyfikowanie sygnału tranzytu.
Do rysowania wykresu przydatny będzie program EXCEL.
Krok 1-szy: Umieszczanie wyników pomiarów w Excelu.
W okienku fotometrii wybierz ‘Zaznacz wszystko' i zrób transfer wyników pomiarów do Excela:
| GWIAZDA 1 | GWIAZDA 2 | GWIAZDA 3 |
1 | 31040 | 39022 | 62343 |
2 | 30916 | 39018 | 62273 |
3 | 31075 | 39042 | 62313 |
4 | 30935 | 38971 | 62394 |
5 | 30694 | 38923 | 62290 |
6 | 30698 | 39107 | 62385 |
7 | 30990 | 38888 | 62299 |
8 | 31054 | 38859 | 62615 |
9 | 30574 | 38962 | 62184 |
10 | 30145 | 38971 | 62262 |
11 | 30145 | 39125 | 62121 |
12 | 30217 | 38953 | 62222 |
13 | 30207 | 38978 | 62416 |
14 | 30218 | 38961 | 62306 |
15 | 30538 | 39144 | 62314 |
16 | 30788 | 39057 | 62108 |
17 | 30773 | 38982 | 62325 |
18 | 30955 | 39067 | 62017 |
19 | 30927 | 39155 | 62098 |
20 | 31029 | 39027 | 62620 |
Komentarz: Części dziesiętne liczby można spokojnie pominąć, ponieważ skala jasności to 104 przez co pomiary nie są aż tak dokładne. Żeby uzyskać wartości całkowite należy użyć funkcji ‘Konwertuj...' w zakładce ‘Dane'.
Krok 2-gi: Rysowanie wykresu jasności
Ponieważ skala dla tych gwiazd różni się, należy zacząć od narysowania wykresu dla każdej gwiazdy.
Użyj funkcji ‘Wykres...'w zakładce ‘Wstaw', a następnie wybierz ze standardowych rodzajów taki, jak pokazany poniżej:
Wybierz ‘Dalej',
a następnie skasuj dwa pozostałe wykresy, żeby został tylko jeden:
Zrób to samo dla wszystkich gwiazd, a następnie uzyskamy dostęp do trzech kolejnych wykresów:
![]() |
![]() |
![]() |
Krok 3-ci: Analiza sygnału między gwiazdami
Na wykresie pokazującym zmiany jasności Gwiazdy 1 widzimy charakterystyczny kształt, który różni się od pozostałych. Można zauważyć, że spadek jasności utrzymuje się przez dłuższy czas, co jest cechą charakterystyczną tranzytu planety przesuwającej się z przodu gwiazdy. Natomiast jasność Gwiazdy 2 i 3 jest mniej więcej stała i wykazuje tylko standardowe wahania.
Porównanie wykresów
Z naukowego punktu widzenia należy wykazać nietypowość Gwiazdy 1 poprzez porównanie wykresu z dwoma pozostałymi w tej samej skali. Ponieważ każdy wykres ma zupełnie inną skalę, trzeba ją znormalizować.
Excel pozwala na bezpośrednie uzyskanie znormalizowanych wyników poprzez zastosowanie odpowiednich matematycznych funkcji.
Krok 1-szy: Uzyskanie wartości znormalizowanych
Dla każdej gwiazdy trzeba utworzyć dodatkową kolumnę z wartościami znormalizowanymi.
| GWIAZDA 1 |
| GWIAZDA 2 |
| GWIAZDA 3 |
|
| pomiary | normalizacja | pomiary | normalizacja | pomiary | normalizacja |
1 | 31040 | 114,75 | 39022 | 11,4 | 62343 | 47,75 |
2 | 30916 | -9,25 | 39018 | 7,4 | 62273 | -22,25 |
3 | 31075 | 149,75 | 39042 | 31,4 | 62313 | 17,75 |
4 | 30935 | 9,75 | 38971 | -39,6 | 62394 | 98,75 |
5 | 30694 | -231,25 | 38923 | -87,6 | 62290 | -5,25 |
6 | 30698 | -227,25 | 39107 | 96,4 | 62385 | 89,75 |
7 | 30990 | 64,75 | 38888 | -122,6 | 62299 | 3,75 |
8 | 31054 | 128,75 | 38859 | -151,6 | 62615 | 319,75 |
9 | 30574 | -351,25 | 38962 | -48,6 | 62184 | -111,25 |
10 | 30145 | -780,25 | 38971 | -39,6 | 62262 | -33,25 |
11 | 30145 | -780,25 | 39125 | 114,4 | 62121 | -174,25 |
12 | 30217 | -708,25 | 38953 | -57,6 | 62222 | -73,25 |
13 | 30207 | -718,25 | 38978 | -32,6 | 62416 | 120,75 |
14 | 30218 | -707,25 | 38961 | -49,6 | 62306 | 10,75 |
15 | 30538 | -387,25 | 39144 | 133,4 | 62314 | 18,75 |
16 | 30788 | -137,25 | 39057 | 46,4 | 62108 | -187,25 |
17 | 30773 | -152,25 | 38982 | -28,6 | 62325 | 29,75 |
18 | 30955 | 29,75 | 39067 | 56,4 | 62017 | -278,25 |
19 | 30927 | 1,75 | 39155 | 144,4 | 62098 | -197,25 |
20 | 31029 | 103,75 | 39027 | 16,4 | 62620 | 324,75 |
średnia | 30925,25 |
| 39010,6 |
| 62295,25 |
|
Żeby wyliczyć średnią wartość pomiarów wybierz ‘Funkcja...' w zakładce ‘Wstaw'. Znormalizowaną wartość można uzyskać po wpisaniu w odpowiednie kratki wyniku odejmowania wartości początkowej od średniej. Ze względu na spadek jasności należy uwzględnić tylko początkowe wartości (od 1 do 8).
Krok 2-gi: Nakładanie na siebie trzech nowych wykresów
Nowe wykresy należy umieścić na jednej stronie. Tworzy się je zgodnie z wcześniejszym opisem.
Można wówczas porównać je ze sobą i zidentyfikować sygnał powstały w wyniku tranzytu.
Wykresy dla Gwiazdy 2 i 3 charakteryzują się stosunkowo małymi zmianami jasności. Natomiast na wykresie dla Gwiazdy 1 widać specyficzny, rozciągnięty w czasie spadek jasności.
Krok 3-ci: Dodawanie szczegółowych danych do wykresu
W wyliczeniach należy uwzględnić również błędy mogące wynikać z kilku czynników. Można to zrobić przez zastosowanie funkcji Excela ‘odchylenie standardowe'.
Żeby wyliczyć wartość odchylenia standardowego dla Gwiazdy 1, wybierz ‘Funkcja...' z zakładki ‘Wstaw'. Ze względu na spadkek jasności warto oddzielnie uwzględnić początkowe wartości (punkty od 1 do 8) i wartości w minimum (punkty od 10 do 14).
W przypadku Gwiazdy 2 i 3 możemy zmienić ustawienia słupka błędów ze stałej wartości na odchylenie standardowe.
Ustaw kursor na wykresie, kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz ‘Formatuj serie danych...'. Przejdź do zakładki ‘Słupki błędów Y' i w okienku ‘Niestandardowe' wpisz położenie kolumny z odchyleniem standardowym w górnej i dolnej części słupka błędów.
INTERPRETACJA WYNIKÓW: METODA TRANZYTU
Analogie między spadkiem jasności ("Fotometryczna głębokość tranzytu") a tranzytem
Podczas tranzytu obwód planety styka się w jednym punkcie z obwodem gwiazdy czterokrotnie.
1)Pierwszy kontakt: Planeta jest całkowicie poza gwiazdą ale przemieszcza się w jej stronę
| ![]() |
2)Drugi kontakt: planeta jest całkowicie w obwodzie gwiazdy i przesuwa się ku jej środkowi
| ![]() |
3)Trzeci kontakt: planeta jest całkowicie w obwodzie gwiazdy i przesuwa się poza nią
![]()
| ![]() |
4)Czwarty kontakt: planeta jest całkowicie poza gwiazdą i oddala się od niej
![]() | ![]() |
Planeta krążąca wokół gwiazdy HD 189733 została odkryta 5-tego października 2005 r. Planeta została sklasyfikowana jako gazowy olbrzym typu jowiszowego o bardzo ciasnej orbicie o okresie 2,2 dni. Znajduje się w odległości około 63 lat świetlnych w gwiazdozbiorze Liska.
http://apod.nasa.gov/apod/ap080321.html
Jej położenie zostało pokazane na tym szerokokątnym obrazie nieba północnego przedstawiającym gwiazdozbiór Łabędzia. Fizyczne właściwości planety są następujące:
-grawitacja powierzchniowa: 21,2 m/s²
-temperatura: 1117 K
**Przyrząd do wykrywania planet pozasłonecznych: teleskop SPITZERA
Teleskop Kosmiczny Spitzera (dawniej znany jako SIRTF czyli Space Infrared Telescope Facility) został wystrzelony na orbitę 25 sierpnia 2003 r. z Przylądka Canaveral na Florydzie.
To jak dotąd największy teleskop na podczerwień (0,85 metra) umieszczony na orbicie wyposażony w bardzo wrażliwe urządzenia pomiarowe. Wykrywa energię podczerwoną lub ciepło emitowane przez obiekty w kosmosie w zakresie między 3 a 180 mikronów (1 mikron to jedna milionowa metra).
Spitzer to ostatni teleskop w programie Wielkich Obserwatoriów NASA. Program zakładał utworzenie czterech obserwatoriów na orbicie obserwujących Wszechświat w odmiennym świetle: Teleskop Kosmiczny Hubble'a HST (światło widzialne i podczerwień), Teleskop Kosmiczny Comptona CGRO (promienie gamma) oraz Teleskop Kosmiczny Chandra CXO (ultrafiolet).