Auf der Jagd nach Asteroiden

Introduction

Asteroiden oder Kleinplaneten sind steinige, staubige, metallische Objekte, die die Sonne umkreisen, aber zu klein sind, um als Planeten zu gelten. Zehntausende Asteroiden wurden bislang entdeckt, 12.000 von ihnen haben einen offiziellen Namen.

Der größte Asteroid, Ceres, hat 1.000 km Durchmesser. Die kleinsten sind nur von der Größe eines Kieselsteins. Nur 15 von ihnen sind größer als 240 km im Durchmesser. Könnte man alle zusammenpacken, wäre das entstehende Objekt noch immer kleiner als unser Mond (Durchmesser 3.500 km)

Die meisten Asteroiden befinden sich im Asteroidengürtel zwischen den Orbits von Mars und Jupiter. Einige haben jedoch Orbits, die sie manchmal sehr nahe an die Erde heranführen: diese nennt man NEOs (vom englischen „Near Earth Objects“). NEOs auf Kollisionskurs mit der Erde nennt man Meteoriden. Trifft dieser mit hoher Geschwindigkeit auf die Erdatmosphäre, verglüht er wegen der Reibungshitze und zieht eine helle Spur hinter sich her, die Meteor genannt wird. Verglüht der Meteorid nicht vollständig, fällt der Rest auf die Erde und wir nennen diesen Rest dann Meteorit.

Die Erde wird täglich viele kleine Asteroiden auf die Erde, aber sie sind zu klein, um irgendeinen Schaden anzurichten. In der Vergangenheit hat es jedoch deutlich größere gegeben: der 1,186 km große „Barringer Crater“ in Arizona, USA, wurde durch einen Meteor verursacht, der vermutlich nur 40 m groß war. Solche Einschläge ereignen sich ungefähr alle 1.000 Jahre. Die meisten Krater sind aber nicht mehr sichtbar. Der Grund dafür liegt entweder an den Witterungseinflüssen, oder weil sie im Meer liegen.

Es ist sehr unwahrscheinlich ist, dass ein großer Asteroid während unserer Lebensspanne die Erde trifft. Dennoch setzen die Astronomen alles daran, möglichst viele erdnahe Asteroiden zu finden und zu verfolgen^w1. Wenn man diese früh genug entdecken kann, könnte es möglich sein, sie „aus dem Weg zu schieben“ und so einen Einschlag auf der Erde zu verhindern.

Wie finden wir sie? Die Position der Sterne bleibt von Nacht zu Nacht praktisch unverändert. Aber der Mond, die Planeten und die Asteroiden bewegen sich langsam zwischen ihnen. Im Gegensatz zu den meisten Planeten sind Asteroiden zu lichtschwach, um sie mit freiem Auge sehen zu können. Wir benötigen daher ein Fernglas oder ein Teleskop.

Die folgende Übung ist vom englischen “National School’s Observatory”^w2 (NSO, siehe Kasten) entwickelt worden. Mit ihr können Schüler von 7 - 19 Jahren Asteroiden aufspüren. Es werden dabei Bilder verwendet, die vom weltgrößten automatisierten Teleskop aufgenommen wurden, dem „Liverpool Telescope“ auf La Palma, einer der kanarischen Inseln. Das Teleskop verfügt über einen Spiegeldurchmesser von 2 m, es wiegt 25 Tonnen und ist 8 m hoch. Die Schüler lernen, echte Asteroiden aus echten Beobachtungsdaten herauszufiltern. Sie verwenden dabei dieselben Techniken wie professionelle Astronomen. Jüngere Schüler brauchen vielleicht Unterstützung durch ihre Lehrer, für die wiederum unterstützdendes Material online zur Verfügung steht^w3. Ältere Studenten können die Aufgabe erweitern, indem sie die Geschwindigkeit der entdeckten Asteroiden messen (siehe Erweiterte Aufgabe unten) und diese Daten zurückmelden. Der Workshop kombiniert Informationstechnologie, Physik und Mathematik zu einer vergnüglichen Stunde der Entdeckungen.

Asteroidenjagd

Vorbereitung

Alle notwendigen Materialien sind online verfügbar^w3, ohne Registrierung. Jeder Schüler (bzw. jede Zweiergruppe) benötigt einen Computer mit MS Windows^®. Eine Internetverbindung ist nicht nötig, falls die Dateien vorab heruntergeladen werden.

1. Laden Sie die LTImage Software herunter und installieren Sie sie. Diese Bildverarbeitungssoftware wurde vom NSO entwickelt und für die Anwendung in Schulen adaptiert. LTImage arbeitet mit allen Bilddateien im FITS Format, d.h. mit Bildern von den meisten professionellen Teleskopen auf der Erde. Ein Video Guide zur Benutzung der Software ist online verfügbar.
2. Laden Sie die Unterlagen für Lehrer herunte, die einführende PowerPoint Präsentationen und einen Satz von Schüler-Unterlagen (verfügbar für die Altersstufen 7-11 und 11-16; ältere Schüler benötigen diese Unterlagen wahrscheinlich nicht).
3. Stellen Sie die Übung anhand der PowerPoint Präsentation vor.
4. Geben Sie jedem Schüler eine Kopie der Schüler-Unterlagen.

Details zur Benutzung von LTImage in den einzelnen Schritten finden Sie in den Lehrer Unterlagen.

Beobachtungen durchführen

Um die Bewegung von Asteroiden nachweisen zu können, benötigen wir Bilder des Nachthimmels. Diese müssen in einem gewissen Zeitabstand voneinander aufgenommen worden sein, um sicherzustellen, dass die Asteroiden zwischenzeitlich die Position gewechselt haben. Wir werden vier Bilder verwenden, die im Abstand von 30 Minuten aufgenommen worden sind.

Sie finden die Bilder im Abschnitt “Data Files” der “Hunting for Asteroids” Übung^w3.

Die Dateien ah_demo-1.fits bis ah_demo-4.fits enthalten simulierte Bilder, um üben zu können. Die Dateien ahunt-10-1-1.fits bis ahunt-10-1-4.fits sind echte Beobachtungen eines NEO mit dem Namen 2001 GQ2. Die Bilder wurden am 5. April 2009 kurz vor Mitternach aufgenommen.

1. Speichern Sie alle acht Bilder auf Ihrem Computer. Verwenden Sie für einen ersten Versuch die Demo-Bilder (ah-demo-1, ah-demo-2 usw.) mit den simulierten Asteroiden.

Asteroiden entdecken

2. Starten Sie LTImage und laden Sie das erste Bild.

Sie werden vielleicht enttäuscht sein, da das Bild wahrscheinlich sehr dunkel ist. Aber keine Angst, das ist normal und kann korrigiert werden: die Kamera am Liverpool Teleskop wurde konstruiert, um Photonen zu zählen, und weniger, um schöne Bilder zu machen. Einige der Details im Bild könnten im Vergleich zu den Sternen so dunkel sein, dass wir sie anfänglich gar nicht sehen können. Um mehr Details von den schwachen Objekten sichtbar zu machen, müssen wir die beiden Schieberegler in TLImage benutzen.

3. Laden und skalieren Sie die anderen drei Bilder.

4. Um nach Asteroiden Ausschau zu halten, verwenden wir eine Technik, die blinken genannt wird. Um Bilder zu blinken, schauen Sie einfach auf das Bildfenster in LTImage und schalten Sie schnell zwischen den vier Bildern hin und her. Schauen Sie zum Beispiel für eine halbe Sekunde auf Bild 1, dann auf die Bilder 2, 3 und 4, gehen Sie dann zurück zum Bild 1 und wiederholen Sie das Ganze.

Sterne bewegen sich nicht, Asteroiden aber schon. Das war schon alles - holen Sie sich mehrere Bilder, blinken Sie sie, und falls sich etwas (in einer geraden Linie) bewegt, ist es ein Asteroid.

In den Demo-Bildern sollten Sie zwei Asteroiden sehen können (einer ist schwieriger zu sehen als der andere). Blinken Sie die Bilder, bis Sie ganz sicher sind. Vielleicht möchten Sie die Zeit variieren, mit der Sie auf die einzelnen Bilder schauen. Beachten Sie, dass die Sterne wegen Wind und Ausrichtefehlern etwas „wackeln“ können, aber die Bewegung der Asteroiden ist leicht davon zu unterscheiden.

5. Wenn Sie zumindest eines der sich bewegenden Objekte in den Demo-Bildern gefunden haben, versuchen Sie es mit den vier „echten“ Bildern. Können Sie den Asteroiden entdecken?

Die Position eines NEO vermessen

6. Sobald Sie ein NEO durch Blinken gefunden haben, muss die Position vermessen werden. Um die Pixelkoordinaten des Objekts in jedem Bild zu finden, benutzen Sie das „Image Examine“ Werkzeug von LTImage. Im Abschnitt ‚Measuring the position of near-Earth objects (NEOs)‘ der Asteroid Watch Website^w3 finden sich genauere Anleitungen.
7. Um die X- und Y-Koordinaten festzustellen, bewegen Sie den Mauszeiger genau unter das Fadenkreuz im ‚Examine‘ Fenster.
8. Wiederholen Sie das für jedes NEO und jedes Bild. Vergessen Sie nicht, alle Ergebnisse niederzuschreiben.

Jetzt geht's zur Sache

Jetzt wissen Sie, wie es funktioniert. Wir können nun einige Beobachtungen von NEOs aus der jüngeren Zeit, über die Astronomen gerne mehr erfahren möchten, downloaden. Die Bilder sind Aufnahmen von Himmelsgegenden, an denen sich wahrscheinlich kürzlich entdeckte NEOs aufhalten. Die Beobachtungen sind nötig, um Genaueres über deren Umlaufbahnen herauszufinden. Weil es sich um Echtdaten handelt, wissen wir nicht genau, ob wir einen NEO im Bild haben, aber es ist sehr wahrscheinlich. Eine gewisse kleine Chance besteht auch darin, im gleichen Bild einen neuen, bisher unbekannten Asteroiden zu finden.

9. Gehen Sie zum Abschnitt ‘Download some recent observations to analyse’ auf der Asteroid Watch activity Website^w3, und laden Sie sich einen Satz von vier Bildern herunter. Vergessen Sie nicht, den „group ID code“ zu notieren - man wird ihn später brauchen, um die Ergebnisse zu berichten.
10. Skalieren und blinken Sie die Bilder, messen Sie die Positionen jedes entdeckten NEOs. In den meisten Bildern ist zumindest einer zu finden. In einem Zehntel der Fälle ist kein NEO im Bild, in einem Hundertstel sind es zwei.

Ergebnisse übermitteln

Um die Ergebnisse zu übermitteln (die X- und Y-Koordinaten der identifizierten NOEs), gehen Sie zu ‘Report your results’ auf der Asteroid Watch activity Website. Alle brauchbaren Ergebnisse werden an das ‚Minor Planet Center‘^w4 der Internationalen Astronomischen Gesellschaft weitergeleitet, um die Daten der Umlaufbahnen zu verbessern.

Für Fortgeschrittene: die Geschwindigkeit eines Asteroiden berechnen

Falls Zeit bleibt, und man den Schülern ein wenig Mathematik zutrauen kann, können Sie die Demo-Bilder und einige der LTImage Werkzeuge dazu benutzen, um herauszufinden, wie weit der Asteroid gewandert ist und wie schnell er ist. Das Arbeitsblatt ‚More able tasks‘ auf der ‚Hunting for Asteroids‘ Website^w3 gibt dazu eine Anleitung.