Astronomische Facharbeit in Physik / Erdkunde

Hallo Marius,

normalerweise kann man astronomische Facharbeiten besser in Physik unterbringen, aber das hängt natürlich auch immer davon ab, ob der jeweilige Lehrer da zustimmt. Was genau du dir für ein Thema aussuchst, würde ich davon abhängig machen, welche Ausrüstung dir auf der Sternwarte zur Verfügung steht (und wenn du beim praktischen Teil jeweils ein paar Vorkenntnisse in Bildbearbeitung, Videoastronomie tc mitbringst, ist das natürlich auch nicht verkehrt). Ein paar gute Ideen hast du ja auf jeden Fall schon.

Beispiel Sonne: Für Protuberanzenbeobachtungen bräuchtest du H alpha. Wenn ihr an der Sternwarte dann noch eine modifizierte Webcam (IR-Sperrfilter muß raus, sonst ist H alpha bei den Teilen tot und die Belichtungszeiten werden zu lang) oder eine DMK dahabt, dann könnte man dokumentieren, wie sich Protuberanzen oder aktive Regionen im Laufe von Minuten und Stunden verändern. Die Theorie dahinter beinhaltet Plasmen (also ionisierte Gase) und Magnetfelder.

Es ist es mit Amateurmitteln möglich, Exoplanetentransits zu messen. Du kannst dir ja mal http://brucegary.net/book_EOA/x.htm und die dort verlinkten Webseiten anschauen. Mit einer DSLR ist das grenzwertig, wenn eine CCD-Kamera vorhanden ist, hat man deutlich bessere Datenqualität. Eine solche Facharbeit betreue ich gerade am Haus der Astronomie hier in Heidelberg. Die vereinfachte Version davon wäre die Vermessung der Lichtkurve eines Veränderlichen.

Hier mal ein Beispiel für Parallaxenmessungen, also Entferungsbestimmung: http://www.erwinschwab.de/pdf/…eRoss248imVdS-Journal.pdf Um da genügend Meßpunkte zu haben, müßtest du ümindestens ein Jahr lang Daten aufnehmen, das wäre wahrscheinlich zu lange für die Facharbeit.

Ein anderes Schülerprojekt, was ich zur Zeit betreue, ist die Dokumentation des SEB-Revivals auf dem Jupiter, also prinzipiell die Beobachtung von Veränderungen in der Jupiteratmosphäre über Tage und Wochen.

Diese Beispiele sind nun auch Beispiele für schon einigermaßen anspruchsvolle Projektideen. Du bringst ja aber auch schon einiges an astronomischem Vorwissen mit, könntest dich also sicher an soetwas wagen. Die meisten Lehrer geben sich mit experimentell einfacheren Projektideen zufrieden, zum Beispiel Galaxien klassifizieren anhand eigener Aufnahmen, Vermessung von Mondkratern (Tiefe anhand von Schattenlängen), und so weiter. Wie hoch deine Ansprüche an dich selber sind, spielt also auch noch mit rein[;)]

Wenn du mal schreibst was genau an Ausrüstung vorhanden ist und in welche Richtung es in etwa gehen soll, dann fällt mir sicher auch noch viel mehr an Projektideen ein.

Viele Grüße,
Caro

Hallo!

In welchen Zeitraum würde denn der Praxisteil der Arbeit fallen, und welches Eqipment steht Dir zur Verfügung?

CS
Heinz

Ich hab damals in der 12ten Klasse eine Facharbeit über "Das Leben der Sterne im Hertzsprung-Russel-Diagramm" geschrieben.
Dafür hab ich mit meinem Teleskop Sternspektren aufgenommen und ausgewertet.

moin,
ich schrub über das Leben von Sternen und habe des dann am Sirius-System angewandt.
War bei uns aber ein Witz, die Arbeit hat fast ncihts gezählt und durfte maximal 10 Seiten lang sein.
In Niedersachsen ist man leider auf dem besten Wege, nur noch soft-skills, Kunst, Geschichte und Sport ernsthaft zu unterichten.

Was soll das ganze für einen Umfang haben?

Hi Jonas,

danke für Deinen Beitrag! Ich bitte jedoch im Interesse des Fragestellers darum, das hier _nicht_ zu einer Gesamtdiskussion über den Platz der Naturwissenschaften in Schulen abgleiten zu lassen.

Viele Grüsse,
Dominik

moin,
das sollte es auch nicht, die Frage nach dem Umfang bezog sich auf die Arbeit die der Fragesteller plant.

Hi Marius,

meine Facharbeit habe ich über planetarische Nebel geschrieben, war so halbe halbe was Praxis und Theorie betraf. Ich habe mir Fotos (mangels eigener Möglichkeiten) von anderen Amateuren besorgt und diese dann mit meinen eigenen Zeichnungen verglichen. Meine Facharbeit hatte dann so um die 12 Seiten Umfang, das hatte mir schon ausgereicht. [;)]

Es kommt eben echt drauf an, was für Möglichkeiten du hast und bedenke auch, dass praktische Sachen immer vom Wetter abhängen, wenn du also nur ein paar Wochen Zeit hättest, dann kann das auch gewaltig in die Hose gehen. Hast du dagegen fast ein Jahr Zeit (wie ich), dann sollte das schon eher hinhauen.

Gruß und CS

Stefanie

Hallo!

Etwa in die Zeit Deiner Arbeit fällt die Wieder-Aufhellung des Sterns Epsilon Aurigae, der sich nur alle 27.1 Jahre (!) verdunkelt und in diesem Frühjahr wieder zu seiner normalen Helligkeit zurückkehrt. Der Stern ist so hell (3.0 ...3.8 mag) dass man seine Helligkeit relativ leicht mit einer DSLR und einem Teleobjektiv messen kann.

Das schöne ist: da dieses Phänomen so selten vorkommt wird es derzeit von sehr vielen beobachtet. Wenn bei einem selbst die klaren Beobachtungsnächte ausbleiben kann man immernoch auf eine große Datenbasis anderer Beobachter zugreifen.

Natürlich bieten sich auch andere veränderliche Sterne für ähnliche Projekte an.

Speziell zu eps Aur findest Du viele Informationen unter dem Projekt Citizen Sky ( http://www.citizensky.org ). Dort gibt es auch ein Team dass sich speziell mit Photometrie mittels DSLRs beschäftigt.

Photometrie mit DSLRs ist noch relativ jung und es gibt dort noch viel auszuprobieren und zu verfeinern.

Clear Skies
Heinz

Hallo Marius,

eigentlich sollte das alles gehen. Von der praktischen Durchführung sind Messungen in Sachen Exoplaneten am schwierigsten. Mit der Sonne hat man vermutlich vom Wetterstandpunkt her noch die besten Chancen, innerhalb eines überschaubaren Zeitraums genug Meßdaten zusammenzubekommen. Rotationsdauer anhand von Sonnenfleckenpassagen, eventuell mit Nachweis der differentiellen Rotation, sollte sehr gut gehen. Bei Veränderlichen kann man eigentlich immer einen finden, der zu einer bestimmten Jahreszeit gut sichtbar ist und in einem bestimmten Zeitfenster (geschickt sind maximal ein paar Tage) eine oder mehrere Perioden durchläuft. Bei den Exoplaneten kann man mit Amateurmitteln nur Transits nachweisen (hab ich ja oben auch schon verlinkt), das ist aber mit einer DSLR schon echt schwierig. Eine auf eine fixe Temperatur gekühlte CCD ist da echt von Vorteil. Beobachtungsanhaltspunkte bekämst du bei http://var2.astro.cz/ETD/index.php

Auswerteprogramme zur Photometrie mit DSLRs gibt es, zum Beispiel Iris. Bei CCDs häufig verwendet wird Muniwin. Dann wäre da noch Aip4win, das gabs mal als Beilage zum Handbook of Astronomical Image Processing.

Viele Grüße,
Caro

Hi,

ich habe damals(tm) in meiner Facharbeit die differentielle Sonnenrotation beobachtet. Das funktionierte richtig gut. Der einzige kleine Haken ist momentan vielleicht die Sonne selbst: Sie zeigt ziemlich wenig Flecken, und ohne diese geht das Verfahren ja leider nicht...

Viele Grüsse,
Dominik

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">
Und kann man mit einer DSLR eigentlich die Helligkeit von Veränderlichen messen (Histogramm)?
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Hallo!

Im Prinzip genauso wie mit professionellen CCD Kameras: Man zählt quasi die Photonen aus, die von dem Stern während der Belichtung auf den Sensor geworfen wurden.

Das Raw-Image liefert Dir für jedes Pixel einen digitalisierten Helligkeitswert (für Photometrie nimmt man i.d.R. nur die "grünen" Pixel).

Wenn man die Werte aller Pixel, die den gewünschten Stern abbilden, zusammenaddiert hat man schon mal einen ersten Näherungswert. Man zieht davon aber noch die Hintergrundhelligkeit des Himmels ab (indem die Helligkeit eines "dunklen" Bereichs in der Nähe des Sterns gemittelt wird).

Dieser korrigierte Helligkeitswert ist schon mal ziemlich gut proportional zu der besagten Photonen-Anzahl.

Eine beliebte Methode ist es solche Messungen in einem Bild an mehreren Sternen zu machen: An dem Variablen Stern, und an mind, einem weiteren Stern der nicht variabel ist und dessen Helligkeit man kennt (aus einem Sternenkatalog).

Durch Vergleich der Messwerte weiß man dann, dass der variable Stern gerade (sagen wir) doppelt so hell ist wie der bekannte Vergleichsstern. Umgerechnet auf die Magnituden-Skala bedeutet doppelte Helligkeit dann eine um 0,8 geringere Magnitude. Wenn der Vergleichsstern 4.5 mag hell ist, ist unser var. Stern also 3.7 mag hell.

==&gt; Voila, wir haben die Helligkeit unseres variablen Sterns bestimmt.

Natürlich ist es mühsam die Pixel-Werte der einzelnen Pixel händisch aufzuaddieren und dafür gibt's Software die einem dabei hilft, z.B. das von Caro erwähnten Iris (kostenlos) oder AIP4Win.

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">
Dann wäre da noch Aip4win, das gabs mal als Beilage zum Handbook of Astronomical Image Processing.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Gibt's immernoch, das Buch ist aber nicht ganz billig. Der Autor entwickelt die Software auch unabhängig von neuen Ausgaben des Buchs weiter, gerade ist eine neue Version fertig geworden. Man kann die aus dem Internet herunterladen aber zur Benutzung braucht man den Registrierungscode aus dem Buch. Ohne Buch kein Aip4Win. In die neueste Version 2.4.0 hat der Autor Richard Berry dankenswerter weise speziell neue Funktionen für die Photometrie mit DSLRs eingebaut.

CS und viel Erfolg mit Deinem Projekt

Heinz

Hallo,

Caro hat bereits viele konkrete und aus meiner Sicht gute Vorschläge thematisiert! Einen grundsätzlichen Aspekt finde ich persönlich -u.a. auch bei Facharbeiten- in diesem Zusammenhang noch erwähnenswert. Das Thema und die daraus erwarteten Leistungen (in diesem Fall deiner Lehrerin) sollten in einem Gespräch präzisiert werden. Die Inhalte, welche du im Folgenden dann erarbeitest und auswertest, müssen für beide Seiten transparent sein.

Spielt der praktische Teil eine elementare Rolle der Facharbeit, bietet die Sonne ein gutes Beobachtungsprojekt. Bei der derzeit geringen Anzahl von Sonnenflecken (vgl. z.B. http://www.meteoros.de/polar/polwarn.htm) könnten diese aber zu einem "Problem" werden, insbesondere, wenn die Rotation der Sonne auf unterschiedlichen Breiten bestimmt werden soll.

Darüber hinaus spielen Wetterbedingungen immer eine große Rolle bei astronomischen Beobachtungen und drei Monate Bearbeitungszeit kann auch schon einmal eine "Schlechtwetterphase" bedeuten. Hier könnten aber Teleskope, welche über das Internet gesteuert werden, eine Hilfe darstellen. Auf dem letzten Vereinsabend des Astronomischen Vereins der Grafschaft Bentheim e.V. (Sternwarte und Planetarium Neuenhaus) wurde diese Thematik fokussiert. Gerne kann ich dich an das entsprechende Vereinsmitglied weiterleiten.

Sollten praktische Beobachtungen (aus welchen Gründen auch immer) nicht möglich sein, wäre es wichtig zu wissen, was deine Lehrerin in diesem Fall erwartet -&gt; literaturbasierte Auswertungen!?

Liebe Grüße

Christoph Lohuis.

http://www.avgb.de (Sternwarte Neuenhaus)

8. Praktischer astronomischer Samstag - PaS am 15. Oktober

Hallo Marius,

das mit den drei Kreisen bei der Aperturphotometrie funktioniert so:

Der innerste Kreis ist der Stern, den du vermessen möchtest, oder ein Referenzobjekt. Den darfst du nicht zu klein wählen (dann schneidest du Signal nach außen weg), aber auch nicht zu groß, dann fängst du dir zuviel Hintergrund ein und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wird schlechter.

Mit den beiden äußeren Kreisen legst du eine ringförmige Region rund um den Stern fest, aus der der Hintergrund bestimmt wird. Die Region sollte nicht zu klein werden und darf vor allem auf keinen Fall weitere Sterne enthalten. Es ist nicht zu empfehlen, die innere Begrenzung des Hintergrundringes auf die äußere Begrenzung des Quellringes zu legen, da sollte immer ein wenig Abstand dazwischen sein. Man spart also den Bereich aus wo noch ganz leichtes Signal der Quelle zu finden ist, aber auch schon viel Hintergrund.

Den Rest machen Programme in denen ein Tool zur Aperturphotometrie implemetiert ist dann von alleine: Die Größe von Hintergund- und Quellregion aufeinander skalieren, Flüsse extrahieren und die Helligkeit des Objektes relativ zu den Vergleichsquellen bestimmen.

Google mal nach Aperturphotometrie, da gibts auch viele Anleitungen, die das nochmal ausführlich erläutern.

Viele Grüße,
Caro

Hallo!

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: Ascan</i>
<br />Hallo,
also als Thema habe ich jetzt Veränderliche gewählt.
Dazu möchte ich im Idealfall mehrere Veränderliche messen.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Willkommen in der Photometrie!
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">
Was muss ich noch genau beachten? Ein Newton ist wohl nicht empfehlenswert wegen den Spikes, oder?
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Vor allem dürfen die Pixel des Stern nicht gesättigt sein (maximaler Helligkeitswert überschritten). Wenn Du an Sternen Spikes siehst ist der Stern selbst in der Mitte garantiert "ausgebrannt" also gesättigt. Die Profi-Teleskope, mit denen Photometrie betrieben wird haben auch alle Fangspiegelstreben und damit Spikes, das macht nichts.

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">
Und wie lange sollte ich belichten (vermutlich verwende ich die 400D)? Klar, kommt auf den Stern an, aber eher lang oder kurz? [8D]
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Da gibt es mehrere Sachen zu beachten:

1) siehe oben: nie solange belichten, dass Pixel gesättigt sind. Es hilft das Bild leicht unscharf zu stellen. und damit ein kleines Scheibchen abzubilden sattt eines wenige Pixel scharfen "Punkt-Sterns".

2) Andereseits muss pro Messung selbst bei ganz hellen Sternen über einen Zeitraum von mindestens einigen Sekunden, sagen wir mindestens 20 Sekunden gemessen werden. Ansonsten wird die Messung zu ungenau, denn atmosphärische Störungen lassen das Bild des Sterns "flackern" und das mittelt sich erst raus wenn man genügend lange misst.

Bei hellen Sternen (wie Eps Aur) kann man 1) und 2) nur dann erreichen, wenn man die Daten aus mehreren kurzen Belichtungen zu einem Messwert mittelt.

Beispiel: An Eps Aur (derzeit 3.7 mag hell) verwende ich eine DSLR mit einem 50 mm (Brennweite) Objektiv mit Blende 2.0 (=25 mm Öffnung). Bei ISO 200 belichte ich nicht länger als 4 Sekunden (sonst habe ich gesättigte Pixel). Aus jeweils mind. 5 Einzelbildern gewinne ich einen gemittelten Messwert.

Bei einem viel dunklerem Stern (Beispiel 9 mag) muss ein Teleskop her. Dann belichte ich vielleicht bei ISO 400 10 Sekunden pro Einzelbild.

Aber hier gilt: probieren, experimentieren, vergleichen

CS
Heinz

Hallo Marius,

noch als Ergänzung zu dem was Heinz geschrieben hat:
- Du brauchst immer Vergleichssterne von in etwa ähnlicher Helligkeit im Bild, daher auch die Empfehlung für epsilon Aurigae zum Normalobjektiv. Ist der Helligkeitsunterschied Vergleichssterne-Zielobjekt sehr groß, holt man sich systematische Ungenauigkeiten dazu.
- Je mehr Vergleichssterne desto besser. So kannst du über die normierten Helligkeiten der Vergleichssterne mitteln und hast einen stabileren Vergleichswert. Außerdem kann dir die Software bei der Gelegenheit auch gliech analysieren, ob du bei einem deiner Vergleichssterne ausversehen einen gegriffen hast, der im Laufe der Zeitserie selber variabel ist.
- Ganz wichtiger Tip bei sehr hellen Sternen, die schnell überbelichtet sind: Leicht unscharf stellen! Damit verteilt sich das Sternlich über mehr Pixel, die dann nicht so schnell gesättigt sind. Damit kannst du dann länger belichten und bekommst ein besseres Signal-zu-Rauschen. Für die Aperturphotometrie dann noch ein scharfes Bild dazu aufnehmen, damit du weißt wo die schwächeren Sterne sind, die im unscharfen Bild nicht mehr zu erkennen sind, die aber trotzdem nciht in den Aperturen liegen sollten.

Viele Grüße,
Caro

Hallo Ascan,

du kennst den Variablenkatalog bei CdC (bei V2.76 heisst er Generic Catalog of Variable Stars)?
Wenn du bei CdC nur diesen Katalog anwählst, zeigt dir die Objektliste jedes Himmelsausschnitts eine Unmenge Variable, meist auch genug mit Perioden von wenigen Stunden. Da suchst du dir dann die passenden Ampitudenbereiche aus.
Du kannst in der Liste auch gezielt nach Variablentypen suchen.

Gruss
Günter

Hallo!

Die Lichtkurve sieht schon mal sehr gut aus, Glückwunsch.

Was man typischerweise macht, um das eigentliche "Signal" noch besser herauszuarbeiten ist, jeweils die Datenpunkte in einem Intervall um jeden einzelnen Datenpunkt zu mitteln und den Durchschnittswert dann wieder in das Diagramm einzufügen. So erhält man eine "geglättete" Kurve. Da deine Messungen in ziemlich gleichen Abständen erfolgt sind kannst Du auch im ersten Ansatz einfach mal (sagen wir) jeweils 5 Messwerte zusammenmitteln. Aber jetzt nicht die ersten 5 Messwerte (Wert 1 ...5) und dann die nächsten 5 (6...10) sondern (1..5) , (2..6) , (3..7)....ein gleitender Durchschnitt eben.

Wenn man ohnehin weiß/vermutet, dass das eigentliche "Signal" eine Sinusfunktion ist, würden sich jetzt auch Methoden anbieten die versuchen, eine Sinusfunktion optimal in die Datenpunkte einzupassen (vergleichbar mit linearer Regression die du vielleicht kennst, nur eben mit Sinuskurven statt mit Geraden).

Das ist jetzt aber schon etwas fortgeschrittene Numerik. Falls es dich trotzdem interessiert: Stickworte für betreffende Algorithmen wären: Date Compensated Discrete Fourier Transform (DCDFT), Lomb Periodogram, Fast Chi-Squared . Für den Fast-Chi-Squared Algo gibt's eine quelloffene Implementierung hier:

http://public.lanl.gov/palmer/fastchi.html

Aber wie gesagt, das wäre jetzt quasi ein Sahnehäubchen.

CS
Heinz-Bernd

EDIT: Schau dir mal IM Tau an, der könnte vielleicht auch gerade relativ günstig stehen, ist vergleichsweise hell und die Amplitude ist mit ca 0.2 mag auch machbar.

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: Ascan</i>
<br />
Hier mal die geglättete Kurve, genau so erstellt, wie du es beschrieben hast:
http://www.yourupload.de/di-8129977834812.png

<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Cool, so sieht man den sinusförmig Lichtwechsel wirklich gut.

CS
Heinz

Übrigens,

Bei einem Web-Chat der AAVSO, bei dem ich zum Thema DSLR-Photometrie auch auf Deine Messungen hingewiesen hatte, war dem AAVSO Direktor Arne Henden aufgefallen dass der Eintrag für V351 Ori im Variable Star Index VSX voll daneben ist (Amplitude 3.3 ....hmmm....eher nicht). Du könntest jetzt an die AAVSO schreiben und um eine Korrektur des Eintrags bitten. Dabei kannst Du auf Deine eigenen Messungen und auf fremde Messungen verweisen, z.B.

http://arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0306/0306549v1.pdf

Wäre ja auch ein schönes Ergebnis

CS
HB