Elever påviser eksoplaneter

Fem elever ved forskerlinja på Horten videregåendeskole undersøkte eksoplaneter med Nordisk Optisk Teleskop på Kanariøyen La Palma.

Bildet kan inneholde: Sosial gruppe, Mennesker, Ferie, Moro, Vennskap.

Elevgruppen med NOT i bakgrunnen. Fra venstre: Willong Zhao, Iver Oknes, Helene Fjeldstad, Didrik Nohre Lønvik, Sindre Herstad. Foto: Jan Kåre Trandem Qvam.

Skolekurset i Observasjonsastronomi ble opprettet i faget Teknologi og forsknigslære-2 (TOF2) på Horten videregående skole, og er tiltenkt elever med meget sterk interesse for astronomi. Siden 2013 har kursene inneholdt en ekskursjon til La Palma der elevene fra Horten og faglærer Jan Kåre T. Qvam utfører observasjoner ved det 2.56-meter store Nordisk Optisk Teleskop(NOT). 

Denne gangen var målet med turen å bekrefte en eksoplanetformørkelse. Dette ble bekreftet utfra elevenes observasjoner 16 oktober 2018 ved NOT, og et etterarbeid før endelig innlevering av rapport i januar 2019. Slik opplevde de årets forskning.

Møt de fem "unge forskerne"

Årets "unge forskere" hadde forhørt seg om dette skoleprosjektet gjennom faglæreren og tidligere elever som har vært med på prosjektet før. Iver Oknes, 18 år, interesse for datateknologi, teknologi generelt, fysikk & matematikk. Sindre Herstad, 18 år, Historie, videospill, teknologi og forskning. Didrik Nohre Lønvik, 18 år, interesse for matematikk, fysikk og teknologi. Willong Zhao, 18 år, interesse for teknologi, matte, arkitektur, anvendt mattematikk. Helene Fjeldstad, 18 år, interesse for klima, fornybar energi, geofysikk.

I utgangspunktet startet tilbudet for skolens elever men vi har også hatt elever fra andre skoler som har deltatt og gjennomført kurset i forbindelse med deres eget prosjekt i teknologi og forskerfaget, sier faglærer Qvam.

Prosjektene er basert på samarbeid mellom skolen og ulike forskergrupper. Kursene er lagt opp på en slik måte at selve undersøkelsene er forskningsaktuelle samtidig som det faglige nivået er tilpasset nivå videregående skole trinn 3 og med god dekning av de ulike kompetansemålene

Gjennomføre en vitenskapelig undersøkelse der også praktisk arbeid med observasjoner også inngår som en betydelig del av arbeidet. Belyse spesielt variabelkontroll, valg av forskningsdesign, bruk av statistikk, analyse samt presentasjon av resultatene.  Dekker meget godt flere kompetansemål i læreplanen for TOF2 under hovedområdet: «den unge forskeren» og «naturvitenskapelige arbeidsmetoder», forklarer Qvam.

I forkant av ekskursjonen får elevene undervisning i teori (astronomi, måleteknikk, halvlederteknologi, statistikk og metode) samt øvingsobservasjoner ved et 0.5m teleskop plassert i  et observatorium på Nykirke utenfor Horten.

På jakt etter eksoplaneten KOI 0401.01

Gjennom de siste årene har tema i undersøkelsene variert fra søkeprogram etter nye variable kompakte stjerner (i samarbeid med Prof. Erika Pakstiene, Universitetet  i Vilnius), høyoppløst spektroskopi med målinger av radialhastigheter i forbindelse dobbeltstjernesystemer til kosmologi (gravitasjonslinser, i samarbeid med Håkon Dahle ITA, UiO).  Årets prosjekt (2018) var å bekrefte en eksoplanetformørkelse. 

– Observere en eksoplanetformørkelse, bestemme tidspunkt  for formørkelsens start, middel og slutt, påpeker studentene.

En formørkelse registreres ved hjelp av fotoelektriske målinger der man over tid registrerer en mikroskopisk svekkelse i lyset fra stjernen idet planeten passerer foran sett fra jorden, (formørkelsesmetoden). Det aktuelle objektet KOI 0401.01 har en lysstyrke på magnitude 14,5 og svekkelsen av lyset er ca. 4 promille av lysstyrken. Dette er såpass lite at det er nødvendig med et stort teleskop for å gjøre tett med målinger (korte eksponeringer med detektoren) og samtidig samle mye lys fra objektet i hver enkelt måling.

– Oppgaven ble gjennomført med hjelp av differensialfotometri ved Nordisk Optisk Teleskop. Vi korrigerte så observasjonene for påvirkning av atmosfæren. Benyttet først en statistisk test for å avgjøre om formørkelsen var tydelig/signifikant sammenliknet med usikkerheten i målingene. Deretter brukte vi den ferdige behandlede lyskuven til å bestemme formørkelsens tidspunkt, forklarer de.

Elevenes oppgave angår spørsmålet om det den aktuelle kvelden inntreffer en formørkelse. Betydningen av tidspunktene sammenliknet med tidligere observasjoner er derimot kun relevant for astronomene som som følger dette eksoplanetsystemet over tid. Observasjonene fra 16 oktober kan sammen med mange andre observasjoner av samme eksoplanet påvise flere planeter i systemet. Elevens arbeid i ettertid har vært å korrigere tidsserien fra formørkelsen for bl.a. atmosfærisk påvirkning samt å tidfeste selve formørkelsen sammen med å angi usikkerheter i måleserien. Elevgruppen leverer en sluttrapport i januar i år.

Bildet kan inneholde: Tekst, Font, Plott, Linje, Diagram.
Figur på venstre viser 4 timer med observasjoner den 16 oktober2018. Formørkelsen synes som et minimum i kurven. Formørkelsens «U» form er statistisk signifikant og lite trolig et resultat av tilfeldige fluktuasjoner. Figur på høyre viser resultater av dette datasettet behandlet av oppdragsgiver Carolina Von Essen, KOInet. Tidsserien gir et meget detaljert bilde av formørkelsen 16 oktober. Den fotometriske presisjonen under en tusendel, noe som er svært presist på en magnitude 14.5 lyskilde. 

Et internasjonalt samarbeid

Observasjonene av formørkelsen som ble observert 16 oktober 2018 inngår i et større prosjekt i regi av forskernettverket: Kepler Objects of Interest (KOInet) (Esssen, 2014). Nettverket KOInet som består av et stort antall forskere fra ulike institutter, også Sven Wedemeyer fra Institutt for teoretisk astrofysikk, fokuserer b.l.a. på bakkebaserte observasjoner av eksoplanetsystemer som tidligere har blitt oppdaget og observert av romteleskopet Kepler. Observasjon av en enkelt planetpassasje er godt egnet som et skoleprosjekt, samtidig er data fra denne passasjen sett sammen med et stort antall observasjoner av samme system over flere år er nyttigefor KOI nettverket i forskningssammenheng.   

Skolen har i tillegg til samarbeid med institutt for teoretisk astrofysikk også et samarbeid med Stellar Astrophysics Centre ved universitetet i Aarhus, prof. Carolina Von Essen, både i forhold til observasjoner av eksoplaneter og med testing av ny teknologi. Spesielt i år er det at elevene også var med på å teste bruk av en optisk diffuser som nylig er montert på NOT. En optisk diffuser er en enhet som sprer lyset rett før det treffer den fotoelektriske detektoren, måten lyset spres på demper avbildning av ujevn innstråling som oppstår når lys fra stjernen passerer igjennom atmosfæren, med dette kan den fotometriske presisjonen forbedres betraktelig (Stefansson, 2017).

Utfordringer og opplevelser ved NOT

Utfordrende (Helene), motiverende (Iver), interessant (Didrik), lærerik (Sindre), spennende (Willong). Slik fellesord defineres gruppens opplevelsen ved NOT: lærerikt​. 

Vi har jo selvfølgelig lært en god del om astronomi og hvordan å måle og behandle astronomisk data, men minst like viktig har vi lært om vitenskapelig metode, og begrunnelse av vitenskapelige metode/valg.

Bildet kan inneholde: Design, Rom, Skrivebord, Personlig datamaskin.
Arbeid i kontrollrommet ved NOT. I år med liten gruppe var alle i kontrollrommet samtidig, når gruppen er større deler vi vanligvis inn i grupper på tre elever av gangen og gruppene jobber på skift. Foto: Erika Pakstiene.

Mange utfordringer var også under vei:

– OS plattformen Windows har uten tvil vært den største utfordringen. Vel, programvare generelt var problematisk. Windows skapte problemer med henting av filer fra teleskopet mens vi jobbet der. Diffuseren var også en kilde til utfordringer, men kun i samhandling med programvare som ikke var laget for å jobbe med diffusere, kommentarer elevene.

– På den andre siden var den beste opplevelsen i forbindelse med prosjektet var å være på observatoriet (og hele turen til La Palma), legger studentene til, fornøyde.

Videre fremover – større teleskop og optisk diffuserteknologi, også i Norge? 

Til nå har øving i praksis ved lokalt skoleobservatorium vært begrenset til bruk av teleskop med kun 0.5 meter lysåpning. Skolen skal i 2019 bytte ut dette systemet med et robotstyrt teleskop med en fordobling av arealet på lysåpningen (Qvam, 2018). Med dette vil observasjonsastronomien ved skolen kunne utvides ytterligere.

I dag testes diffusere med teleskopet på Nykirke, dersom resultatene også her blir gode vil det bli lagt til rette for diffuser også på det nye teleskopet, sier Qvam.

Vi ønsker å utvide observasjonsastronomien ved skolen og tilby flere elevaktiviteter på ulike nivå i skolen (som ikke nødvendigvis innebærer reise til NOT). Dette gjelder også elevaktiviteter som er tilpasset bruk i fagene Fysikk og Naturfag. Fra høst 2019 tas et robotteleskop i bruk, plassert i Horten som erstatning for det eksisterende 0.5m teleskopet. Selv om dette nye teleskopet samler dobbelt så mye lys som 0.5m teleskopet er det fortsatt beskjedent i forhold til 2.56m teleskopet ved NOT, men det nye skoleteleskopet vil kunne nyttiggjøres til mange nyttige og lærerike observasjoner. Hovedinstrumentet på det nye teleskopet er en spektrograf, sammen med ulike fotoelektriske detektorer. 

I disse dager pågår et forprosjekt der en diffuser testes på 0.5m teleskopet. Dersom resultatene viser seg å være gode vil dette overføres det nye teleskopet og vil da forbedre mulighetene til å utføre oppfølgingsobservasjoner av eksoplaneter.

Bildet kan inneholde: 3d modellering, grafisk design.
Figuren over viser en sammenlikning mellom standard avbildning i fotometri og ved bruk av optisk diffuser. Plottet til venstre er fra standard avbildning med fotometrisk rødt filter, bildet til høyre viser samme mengde lys fra samme teststjerne avbildet med rødt filter og optisk diffuser. Små variasjoner i lyset som passerer igjennom atmosfæren skaper fluktasjoner som kan sees som toppene i kurven, endringer av disse bør være så liten som mulig i løpet av måleserien. Målingene er fra 0.5m teleskopet på Nykirke utenfor Horten

Referanser

Av Jan Kåre Trandem Qvam og Martina D'Angelo
Publisert 17. juni 2019 13:01 - Sist endret 17. juni 2019 13:51