Astronomisch-Astrophysikalisches Praktikum an der Landessternwarte Heidelberg. Durchführung

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1 Astronomisch-Astrophysikalisches Praktikum an der Landessternwarte Heidelberg Durchführung & Einleitung zu den Versuchen Durchführung Jochen Heidt, Juli 2013 Das astronomisch-astrophysikalische Praktikum findet zwei mal im Jahr für jeweils 2 Wochen Anfang/Mitte Februar bzw. Oktober statt und wird für Bachelor-, Master- und PhD-Studenten angeboten. Die Bachelor- bzw. Master-Studenten besuchen das Praktikum für 1 Woche, die Doktoranden für 2 Wochen. Die Arbeitszeiten sind täglich von 9.15h bis 17.15h, Mittagspause ist von 12.30h h. Da die Sternwarte keine Kantine hat und die des MPIA nicht benutzt werden darf, müssen die Studenten sich selbst verpflegen. Die Anreise kann per PKW oder mit der VRN erfolgen. Letzteres am besten mit der Busline 39 um 8.43h ab dem Bismarckplatz und zurück um 17.32h. Alternativ geht auch der Sciencebus (Linie 30). Nach der Begrüssung zu Beginn des Praktikums werden den Studenten, die in 2-er Gruppen arbeiten, die Versuche zugewiesen. Die Skripten dazu erhalten Sie im Praktikum. Diese werden vorher nicht publik gemacht um zu verhindern, dass die Studenten mit fertigen Lösungen zum Praktikum kommen. Für jeden Versuch steht während des Praktikums ein Betreuer zur Verfügung. Dieser gibt zu Beginn eine Einführung in den Inhalt bzw. die Ziele des Versuchs und diskutiert am Ende des Versuchs dann die zu bearbeitenden Punkte mit der jeweiligen Gruppe. Danach wird der nächste Versuch zugeteilt. Es wird erwartet, dass die Studenten weitgehendst selbsständig arbeiten, wobei der Betreuer jederzeit bei Fragen oder Problemen zur Verfügung steht. Die Intensität der Betreuung hängt auch etwas vom Wissensstand der jeweiligen Gruppe ab. Die typische Dauer zur Bearbeitung eines Versuches ist ein Tag. Für die Bearbeitung der Versuche ist keine Vorbereitung zu Hause oder schriftliche Ausarbeitung der Versuche notwendig. Ziel des Praktikums ist neben dem Erlernen und praktischen Anwenden diverser astronomischastrophysikalischer Grundlagen das Interesse der Studenten an der Astronomie zu wecken. Dies geht nur, wenn die Studenten auch Spass am Praktikum haben. Daher ist das Prakikum nicht benotet. Ebenfalls gibt es keine Vorgaben, wie viele Versuche eine Gruppe erfolgreich bearbeitet haben muss. Wichtig ist, dass die Studenten konzentriert an ihren Versuchen arbeiten. Typischerweise bearbeiten die Studenten 3-5 Versuche pro Woche erfolgreich. Alles was die Studenten im Rahmen des Praktikums machen, machen sie in der/den Woche(n) an denen sie an der Landessternwarte sind. Im Rahmen des Versuches 1 werden Beobachtungen mit dem 70cm Teleskop an der Landessternwarte durchgeführt. Diese werden im Oktober während des Praktikums angeboten, da in dieser Jahreszeit das Wetter in der Regel sehr gut ist. Dies ist im Februar nicht praktikabel (während der letzten 3 Praktika im Februar gab es nur eine klare Nacht), daher werden die Beobachtungen während der Vorlesungszeit unmittelbar davor angeboten (typischerweise Ende Oktober bis Weihnachten - bei Bedarf auch noch im Januar). Das Verfahren dazu wird dann zu Beginn der Vorlesung Einführung in die Astronomie & Astrophysik I im WS vorgestellt. Im folgenden werden die Lernziele und Inhalte der Versuche, die während des astronomischastrophysikalischen Praktikums angeboten werden, beschrieben. Es sind ingesamt 10 Versuche, die die ganze Breite des Astronomie abdecken, von extrasolaren Planeten über Pulsare zu den Quasaren, von eigenen Beobachtungen der Sonne oder Nachts mit dem Teleskop bis hin zum Design von in der Astronomie gebräuchlichen optischen Elementen.

2 Einleitung zu dem Versuch 1: Photometrische Beobachtungen mit dem 70cm Teleskop In der experimentellen Astronomie gibt es zwei fundamentale Beobachtungstechniken - die Photometrie und die Spektroskopie. In vielen Fällen lassen sich mit Hilfe der Photometrie von Objekten direkt wissenschaftliche Fragestellungen beantworten. Allerdings ist die Photometrie oft die Voraussetzung für die Spektroskopie, die z.b. im Falle von photometrischen Durchmusterungen geeignete Kandidaten für die Spektroskopie zur Beantwortung von wissenschaftlichen Fragestellungen liefert. In dem Versuch Photometrische Beobachtungen mit dem 70cm Teleskop werden die Grundlagen von photometrischen Beobachtungen erlernt, d.h. ein kompletter Beobachtungszyklus eines Astronomen durchgeführt. Dazu gehört die Vorbereitung der Beobachtungen, die Durchführung dieser an sich und die Auswertung und Analyse der gewonnenen Daten. Bei der Vorbereitung der Beobachtungen werden alle Grundlagen wie z.b. Beobachtbarkeit der Objekte, notwendigen Kalibrationsmessungen und Design einer Beobachtungsnacht kennen gelernt, die für die erfolgreiche Durchführung eines Beobachtungsprogramms notwendig sind. Bei den Beobachtungen an sich wird die Bedienung eines Teleskopes sowie die Methodik von photometrischen Beobachtungen vermittelt. Dazu wird als Fallbeispiel ein periodisch variabler Stern beobachtet. Zur Auswertung und Analyse der gewonnen Daten wird die Nutzung eines dafür geeigneten Softwarepaketes selbstständig erarbeitet, Grundlagen der Datenverarbeitung vermittelt und mit Hilfe der Analyse der gewonnen Daten eine Charakterisierung des variablen Sternes vorgenommen. Dieser Versuch vermittelt die fundamentalen Grundlagen der beboachtenden Astronomie und ist daher für Bachelor-, Master- und PhD-Studenten geeignet.

3 Einleitung zu dem Versuch 2: Das virtuelle Observatorium Um ein Teleskop/Satellit nutzen zu können muss ein Astronom zunächst Beobachtungszeit erfolgreich beantragen. Die an modernen Observatorien durch ihn/für ihn gewonnen Daten sind zunächst geschützt, werden aber in der Regel nach einem Jahr für jedermann zugänglich (Teleskopzeit ist sehr teuer). Darüber hinaus gibt es grosse Himmelsdurchmusterungen, wie z.b. den Sloan Digital Sky Survey, in dem Daten von Millionen von galaktischen und extragalaktischen Objekten gewonnen werden. Diese gigantischen Datenmengen bieten eine hervorragende Möglichkeit damit direkt Wissenschaft machen zu können, wie z.b. die grossräumige Struktur des Universums zu studieren, oder aber sehr seltene Objektkandidaten wie z.b. Galaxien mit extrem hoher Rotverschiebung oder sehr kühle Sterne zu extrahieren. Um die grossen Datenmengen, die den gesamten Wellenlängbereich vom Radio- bis hin zum Gammabereich abdecken, für jedermann einfach zugänglich machen zu können wurde das Virtuelle Observatorium kurz VO ins Leben gerufen. Der deutsche Knoten dieser internationalen Initiative heisst GAVO (German astrophysical VIRTUAL observatory) und ist am astronomischen Recheninstitut in Heidelberg angesiedelt. Das VO ist bereits ein wichtiges Tool in der beobachtenden Astronomie und wird in naher Zukunft eines der Standbeine für beobachtende Astronomen. In dem Versuch Das virtuelle Observatorium werden die (vom VO) verfügbaren Tools und ihre grundlegende Funktionsweise vorgestellt. Anhand eines Fallbeispiels wird die systematische Extraktion eines exotischen Objektes erarbeitet. Im Folgenden soll dann anhand einer astrophysikalischen Fragestellung mit Hilfe des VO eigenständig eine Stichprobe von Objekten mit bestimmten Charakteristika selektiert werden. Der Versuch ist dynamisch aufgebaut. Bei Interesse (und es gab in der Tat schon mehrere Gruppen im Praktikum) können auch eigene Interessen/Fragestellungen aktiv und selbstständig bearbeitet werden. Dieser Versuch vermittelt die fundamentalen Grundlagen des VO und ist daher für Bachelor-, Master- und PhD-Studenten geeignet.

4 Einleitung zu dem Versuch 3: Sternspektren Durch Untersuchung der Spektren von Sternen kann man sehr viel über ihre Eigenschaften wie z.b. Effektivtemperatur, Metallizität oder Spektraltyp lernen; ihre Position im Hertzsprung-Russel Diagramm gibt auch ihren Entwicklungsweg und/oder Alter wieder. Wenn man die Spektren von Galaxien untersucht, die Integriert die Summe von einigen (hunderten) Millionen ihrer Einzelsterne wiedergeben, kann man damit z.b. das Alter der Galaxie eingrenzen In dem Versuch Sternspektren wird eine umfangreiche Einführung in die Klassifikation von Sternen nach Typen und Leuchtkraftklasse gegeben. Nach selbstständiger Erarbeitung der Klassifikation wird ein Satz von Sternen unbekannten Typs klassifiziert, die Bedeutung der Farbe für die Effektivtemperatur eines Sternes vermittelt und was man über den Farbindex lernen kann. Abschliessend wird das Hertzsprung-Russel Diagramm als das fundamentale Tool vorgestellt, mit dem Entwicklungswege von Sternen und Ihre Eigenschaften festgelegt sind. Dieser Versuch vermittelt die fundamentalen Grundlagen der Stellarastonomie und ist daher für Bachelor-, Master- und PhD-Studenten geeignet.

5 Einleitung zu dem Versuch 4: Optisches Design Um ein abbildendes optisches System mit Hilfe von optischen Linsen und/oder Spiegeln zu bauen, müssen eine ganze Reihe von Dingen wie z.b. erwartete Abbildungsfehler und deren Korrektur berücksichtigt werden. So war die Bildqualität des Hubble-Weltraumteleskops in den ersten Betriebsjahren durch einen Herstellungsfehler des Hauptspiegels begrenzt, konnte aber durch ein Korrektursystem zur Neutralisierung des Hauptspiegelfehlers namens COSTAR neutralisiert werden. Vom Prinzip her ähnelt das System einer herkömmlichen Brille, allerdings wurden hier Spiegel statt Linsen eingesetzt. In dem Versuch Optisches Design wird eine Einführung in das Design von optischen Systemen vermittelt. Dabei ist das sogenannte ray-tracing wichtig, welches den Weg des Lichtes durch ein optisches System berechnet. Dazu wird eine Software namens OSLO, die optisches Design erlaubt, erlernt und damit eigene optische Systeme konstruiert. Basierend darauf wird auch erarbeitet, warum das Hubble-Weltraumteleskops zunächst unscharfe Bilder geliefert hat und wie man dieses Problem korrigieren konnte. Dieser Versuch erfordert Grundlagen, die z.b. in der Vorlesung Beobachtungsmethoden vermittel werden und ist daher nur für Master- und PhD-Studenten geeignet.

6 Einleitung zu dem Versuch 5: Geographische Breite von Heidelberg Vor einigen hundert Jahren mussten die Seefahrer mit einem Sextanten mit Hilfe der Sonne oder von Sternen die Position ihres Schiffes über das nautische Dreieck bestimmen (daher der Name), welches eine spezielle Anwendung der sphärischen Geometrie ist. In dem Versuch Geographische Breite von Heidelberg werden zunächst die Grundlagen des nautischen Dreiecks erarbeitet und diese dann mit Hilfe eine Universalinstrumentes angewandt. Dazu wird zunächst die Bedienung des Universalinstrumentes kennen gelernt und dessen systematischer Fehler bestimmt. Dann wird mehrmals die Position des Sonnenrandes bestimmt und mit Hilfe von Korrekturen wie z.b. Refraktion, Luftmasse, Luftdruck, Temperatur und Parallaxe die geographische Breite ermittelt. In diesem Versuch kommt es vor allem auf sehr sorgfältiges Messen an. Je genauer gemessen wird und je sorgfältiger die anzubringenden Korrekturen erfolgen, desto exakter kann die geographische Breite ermittelt werden. Die bisher beste Gruppe hat die geographische Breite ihres Standorts (Königstuhl) bis auf 2.1km genau bestimmt! Dieser Versuch vermittelt einige fundamentalen Grundlagen der sphärischen Geometrie und ist daher für Bachelor-, Master- und PhD-Studenten geeignet.

7 Einleitung zu dem Versuch 6: Extrasolare Planeten Die Suche nach und Untersuchung von extrasolaren Planeten ist derzeit eines der heissesten Forschungsgebiete in der Astrophysik. Derzeit (Stand Juli 2013) sind fast 900 Planeten um andere Sterne bekannt, davon mindestens 130 Systeme mit mehreren Planeten. Es ist nur noch eine Frage der Zeit, bis der erste extrasolare Planet in einer sogenannten habitablen Zone (in einer Bahn um den Mutterstern der aufgrund der äusseren Bedingungen potentiell Leben ermöglicht) aufgefunden und dessen Atmosphäre spektroskopisch untersucht werden kann. In dem Versuch Extrasolare Planeten werden zunächst die verschiedenen Möglichkeiten erarbeitet extrasolare Planeten direkt und indirekt zu entdecken. Dann werden anhand des Sonnensystems projiziert in 20pc Entfernung die Stärken und Schwächen der zwei erfolgreichsten Methoden zur Entdeckung von extrasolaren Planeten - die Radialgeschwindigkeits- und Transitmethode - untersucht. Dies zeigt, wie leicht man im Prinzip extrasolare Planeten indirekt nachweisen kann (dafür genügt ein 70cm Teleskop) aber wie schwierig (und technisch anspruchsvoll) es ist, erdähnliche Planeten zu finden. Dieser anspruchsvolle Versuch erfordert Grundlagen, die z.b. in der Vorlesung Beobachtungsmethoden vermittelt werden und ist daher nur für Master- und PhD-Studenten geeignet.

8 Einleitung zu dem Versuch 7: Krebsnebel Pulsare sind recht exotische Objekte. Sie sind rotierende Neutronensterne, die einen Strahl an elektromagnetischer Strahlung vom Radio- bis hin zum Gammabereich emittieren. Im Falle des Binärpulsars PSR B konnten Hulse & Tayler (Nobelpreis Physik 1993) sogar indirekt das Vorhandensein von Gravitationswellen nachweisen, welches eine fundamentale Forderung der allgemeinen Relativitätstheorie ist. In dem Versuch Krebsnebel werden einige fundamentale Eigenschaften von Pulsaren an dem prominenten Krebsnebel - die Überreste einer Supernova aus dem Jahre erarbeitet. Im ersten Teil des Versuches werden einige Eigenschaften wie kinematisches Alter und Entfernung des Krebsnebels sowie Perioden und Dispersion von Pulsaren bestimmt. Im zweiten Teil werden im Detail einige Eigenschaften der von dem Pulsar emittierten Strahlung - Synchrotronstrahlung und inverse Comptonstrahlung erarbeitet. Mit Hilfe von Daten von verschiedenen Observatorien, die den gesamten Wellenlängenbereich vom Radio- bis hin zum hochenergetischen TeV-Bereich abdecken, wird ein Breitbandspektrum erstellt und an diesem verschiedene Charakteristika diskutiert. Dieser Versuch vermittelt einen der wichtigsten Strahlungsprozesse im Universum und ist für Bachelor-, Master- und PhD-Studenten geeignet. Diese Prozesse sind auch für die Monster im Unversum, den supermassiven schwarzen Löchern von fundamentaler Bedeutung. Die Bearbeitung und Interpretation von Breitbandspektren ist für Astronomen auf diesem Gebiet eines der Tools zur Erforschung der Eigenschaften von extrem kompakten Objekten.

9 Einleitung zu dem Versuch 8: Astrometrie mit den Hyaden Die Astrometrie, sprich die Lehre von den Positionen und Bewegungen von Himmelsobjekten ist ein wichtiger Aspekt der heutigen beobachtenden Astrophysik. So werden z.b. die astrometrischen Daten von Quasaren, die mit Hilfe von Radiobeobachtungen eine extreme Genauigkeit haben, für das sogenannte International Celestial Reference Frame (ICRF) herangezogen. Das ICRF bildet gewissermassen das Referenzystem für die Positionen aller Himmelsobjekte. Die Astrometrie wird für die Astrophysik in den kommenden 10 Jahren eine fundamental wichtige Rolle spielen. Voraussichtlich im Oktober 2013 wird der Satellit GAIA ins All geschossen, der seinen Vorgänger Hipparcos in seiner Messgenauigkeit um einen Faktor 100 übertreffen wird. Das Hauptziel der GAIA Mission ist die bisher grösste und genaueste 3-dimensionale Karte unserer Galaxie basierend auf astrometrischen Daten von einer Milliarde Sternen. Auch Heidelberger Astronomen sind z.t. federführend an GAIA beteiligt, so dass die gewonnen Daten für die Heidelberger Astronomie eine wichtige Rolle spielen werden. In dem Versuch Astrometrie mit den Hyaden werden einige Grundlagen der Astrometrie wie z.b. Sternstromparallaxen vermittelt. Mit Hilfe des Satelliten Hipparcos gewonnene astrometrische Daten werden benutzt um exemplarisch über eine spezielle Software einige fundamentale Eigenschaften der Hyaden zu bestimmen. Dazu gehören die Identifikation von Haufenmitgliedern, die Bestimmung der Entfernung der Hyaden sowie weitere Eigenschaften des Haufens und seiner Mitglieder. Dieser Versuch vermittelt fundamentale Grundlagen der Astrometrie und ist für Bachelor-, Masterund PhD-Studenten geeignet.

10 Einleitung zu dem Versuch 9: Galaxien und QSO Unsere Vorstellung davon, wie sich Galaxien als Funktion der Zeit bilden und entwickeln, hat mit dem Hubble Deep Field eine Revolution erfahren. Das Hubble Deep Field war 1996 die tiefste Aufnahme eines kleinen Himmelsausschnitts, die jemals gemacht wurde. Sie zeigte, dass Galaxien vor ca. 10 Milliarden Jahren deutlich andere morphologische Eigenschaften hatten, als heute. Zur gleichen Zeit hat die Entdeckung von aktiven Galaxien (QSOs) bis zu einer Rückblickzeit von ca. 13 Milliarden Jahren mit Hilfe des Sloan Digital Sky Survey gezeigt, dass auch supermassive schwarze Löcher für die Entwicklung des Universums eine wichtige Rolle spielen. Der Versuch Galaxien und QSO ist in 3 Teile gegliedert. Im ersten Teil wird die Morphologie von ca. 80 Galaxien im Virgohaufen per Auge bestimmt und daraus Kenntnisse über den Aufbau des Virgohaufens und Transformationsmechanismen der Galaxien im Haufen erarbeitet. Der Vergleich der morphologischen Eigenschaften der Galaxien im Virgohaufen zu Galaxien im Feld und der lokalen Gruppe dient dann zur Interpretation von Leuchtkraftfunktionen. Im Vergleich zu dem Hubble Deep Field werden basierend darauf mögliche Entwicklungswege von Galaxien von den Frühzeiten des Universums bis heute diskutiert. Im zweiten Teil wird dann das Galaxy Zoo Projekt vorgestellt, das in Teil eins erlernte angewandt und an dem Projekt aktiv mitgearbeitet. Das Galaxy Zoo Projekt ist eine internationale Kollaboration an dem ca Freiwillige Millionen von Galaxienaufnahmen per Auge klassifizieren (besser als jede Software dazu in der Lage wäre). Mit dieser enormen Anzahl an Daten können weitreichende statistische Untersuchungen durchgeführt und Modelle zur Galaxienentwicklung getestet werden. Im dritten Teil des Versuchs gibt es eine Einführung in die Welt der QSO. Dazu gehören die Bestimmung der Rotverschiebung mit Hilfe von Emissionslinien, basierend darauf Abschätzung von Leuchtkräften, Interpretation von Breitbandspektren von QSO, Leuchtkraftfunktion und potentieller Malmquist-Bias und scheinbarer Überlichtgeschwindigkeit. In dieserm Versuch werden einige Eigenschaften von Galaxien bzw. QSOs und deren Entwicklung vermittelt und ist für Master- und PhD-Studenten geeignet. Bachelor-Studenten können diesen Versuch auch durchführen, allerdings nur, wenn Sie bereits die Vorlesung Einführung in die Astronomie und Astrophysik I und II gehört haben.

11 Einleitung zu dem Versuch 10: Kosmologie Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem Ursprung, der Entwicklung und der grundlegenden Struktur des Universums. Sie hat nicht zuletzt durch die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universum (Nobelpreis Physik 2011 für Perlmutter, Schmitt und Riess) durch Supernovabeobachtungen eine neue Wendung erlangt. In dem Versuch Kosmologie wird eine Einführung in die Materie gegeben und vor allem die Bedeutung der drei fundamentalen Parameter der Kosmologie, die Hubble Konstante H 0, den Dichteparameter Ω M und den Parameter für die Dunkle Energie Ω Λ, diskutiert. Als das Tool zur Bestimmung der Parameter werden Messungen von Supernovae Typ I aber auch der Perioden-Leuchtkraft Relation von Cepheiden vorgestellt und damit direkt Kosmologie betrieben. Abschliessend werden in der sogenanten Fundamentalen Ebene der Kosmologie verschiedene kosmologische Modelle und ihre Einschränkungen basierend auf Supernovae, Galaxienhaufen und des kosmischen Hintergrundes diskutiert. Dieser Versuch liefert eine fundamentale Einführung in die Kosmologie und ist für Master- und PhD-Studenten geeignet. Bachelor-Studenten können diesen Versuch auch durchführen, allerdings nur, wenn Sie bereits die Vorlesung Einführung in die Astronomie und Astrophysik I und II gehört haben.