Campare sub stele – Tabăra de Astronomie ESO 2013 Teach article

Author(s): Davide Cenadelli, Cristina Olivotto, Oana Sandu, Lars Lindberg Christensen

Tradus de Mircea Băduţ. Pe 26 decembrie 2013, după un drum lung şi aventuros, 56 de elevi de ciclul secundar din 18 ţări au ajuns la destinaţie: pitorescul sat alpin din Saint- Barthélemy, Italia, acolo unde a fost construit Observatorul Astronomic al Regiunii Autonome a Văii Aosta…

Obsevatorul dinValea Aosta
Imagine obţinută prin
bunăvoinţa Paolo Calcidese

Pe 26 decembrie 2013, o perioadă din an când nopţile sunt lungi şi curate în Alpi, 56 de elevi de liceu din 18 ţări au ajuns la destinaţie: pitorescul sat alpin Saint-Barthélemy, Italia, ce strălucea uimitor sub ninsoarea proaspătă.

Participanţi la tabără ocupaţi
cu analizarea spectrului solar
Imagine obţinută prin
bunăvoinţa Mariona Isern

Participanţii la tabără au ajuns repede să se cunoască între ei, să-şi împărtăşească poveşti şi să râdă împreună. Erau cu toţii nerăbdători să înceapă această săptămână unică la prima Tabără de Astronomie a ESOw1, găzduită de Observatorul Astronomic din Regiunea Autonomă a Văii Aosta (OAVdA).

Din prima seară a fost atârnată în sala de lectură o hartă a lumii, şi fiecare participant şi-a marcat acolo ţara de origine. Cu toate acele etichete, harta a devenit foarte colorată – exact precum Universul despre care curioşii elevi porniseră să afle.

Observarea cerului de noapte
Imagine obţinută prin
bunăvoinţa Julian Durnwalder

Programul taberei a explorat tema Unviersului vizibil şi invizibil, prin lecturi (seminarii), prin activităţi practice şi prin observaţii de noapte cu telescopul şi cu instrumentele observatorului.

Activităţile sociale, sporturile de iarnă, o expoziţie planetarium şi întâlnirile multi-culturale din timpul ceaiurilor, toate au contribuit la a face din tabără o experienţă memorabilă pentru participanţi.

O parte a intensei lor trăiri a venit din oportunitatea de a se întâlni cu astronomi profesionişti, care nu doar că le-au împărtăşit elevilor din cunoştinţele şi entuziasmul lor, dar au şi fost copleşiţi de întrebări pe durata meselor, având astfel puţine şanse de a mânca hrana delicioasă preparată de gazde.

Urmărind temperatura

Programul a început cu o introducere în lumina vizibilă şi cu o explicaţie despre cum se poate interpreta lumina ce ne vine de la stele pentru a le calcula temperatura.

Spectrul luminii unei stele este un spectru de absorbţie: atmosfera stelară – stratul subţire unde gazul stelar suferă tranziţia de la opac la transparent lăsând lumina să treacă spre exterior – emite lumină la toate lungimile de undă, însă anumite lungimi de undă (anumite frecvenţe) sunt absorbite de elemente ale suprafeţei stelei. Această absorbţie creează linii negre de lungimi de undă lipsă în spectrul de lumină emis.

Punctaţi pe imagine pentru a o mări.
Spectru stelar prelevat de participanţii la Tabăra de Astronomie a ESO. Sub fiecare spectru este înscris numele, clasificarea spectrală şi tempertura stelei. Sunt marcate anumite linii şi benzi spectrale. Reţinem că liniile corespunzând heliului sunt tipice pentru temperaturi foarte înalte; liniile Balmer pentru hidrogen corespund temperaturilor moderat de înalte; liniile neutre de sodiu sunt specifice pentru temperaturi mai joase, iar benzile moleculare semnifică cele mai scăzute temperaturi. Culorile din această imagine nu sunt corelate cu temperatura deoarece nu au fost corectate în privinţa atenuării atmoserice şi a sensibilităţii spectrale a senzorului CCD.
Imagine obţinută prin bunăvoinţa Davide Cenadelli

În plus, culoarea unei stele – sau, pentru a fi mai precişi, maximul strălucirii în spectru – depinde şi de temperatura fotosferei stelare: se deplasează spre albastru dacă steaua este mai caldă, sau înspre roşu dacă ea este mai rece, aşa cum ne explică şi legile ‘corpului negru’ (vedeţi textul de mai jos).

 
Telescopul Faulkes din Hawaii
Imagine obţinută prin
bunăvoinţa ESA

Legile ‘corpului negru’ afirmă că un gaz fierbinte, dens şi opac emite un spectru continuu de lungimi de undă al cărui maxim de strălucire se deplasează spre lungimile de undă mai scurte (frecvenţe mai mari) când creşte temperatura. Deoarece lumina albastră are lungimea de undă mai scurtă decât lumina roşie, culoarea pe care o vedem la o stea se deplasează spre roşu în cazul stelelor mai reci, şi respectiv spre portocaliu, galben, alb (deoarece când vârful strălucirii este în verde steaua ne apare ca fiind albă), şi în final spre albastru în cazul stelelor şi mai fierbinţi.

 

Participanţi la tabără
rezolvând un puzzle
matematic
Imagine obţinută prin
bunăvoinţa Mariona Isern

Mai precis, lungimile de undă absorbite de elementele suprafeţei stelei corespund cantităţii de energie de care electronii din atomii acelor elemente au nevoie pentru a atinge stări superioare de energie pe orbitali. Nivelele energetice pe care le ocupă electronii variază de la atom la atom, dar depind şi de temperatura gazului stelar.

Deoarece stele diferite au compoziţie chimică similară, lungimile de undă absorbite depind în principal de temperatură. Astfel, într-o primă aproximaţie, putem considera că atât culoarea stelei cât şi lipsurile din spectrul său depind de temperatura proprie. Culoarea şi liniile spectrale sunt corelate: stelele albastre produc anumite linii, iar cele roşii altele.

Clasificarea Harvard

Astronomii au înţeles această corelaţie esenţială în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, şi au stabilit aşa-numitele clasificări spectrale. Cea mai importantă, numită Clasificarea Harvard, a fost creată la începutul secolului XX şi ea încă se mai foloseşte, cu câteva mici ajustări.

Câmpia Aosta
Imagine obţinută prin
bunăvoinţa Gerrit/Wikimedia

Clasificarea Harvard conţine şapte clase majore: O, B, A, F, G, K şi M, în ordinea temperaturii descrescătoare:

  • O şi B sunt stele albastre;
  • A sunt stelele albe;
  • F şi G sunt stele galbene;
  • K sunt stelele portocalii;
  • M sunt stelele roşii.

Fiecare clasă este mai departe divizată în 10 tipuri, identificate prin numere la 0 la 9, unde 0 estea cea mai fierbine iar 9 este cea mai rece din clasă. Astfel că, spre exemplificare, avem stele de tipul A0 (Vega), G2 (Soarele) şi K5 (Aldebaran).

Mai mult, stele de aceeaşi temperatură poat avea raze şi luminozităţi diferite. Pentru a reflecta şi aceste variaţii, s-a impus o clasificare a luminozităţii folosind cifrele romane, pentru a complementa Clasificarea Hardvard:

  • Ia sunt stelele supergigantice de strălucire mare;
  • Ib sunt stelele supergigantice cu strălucire mică;
  • II sunt stelele gigantice strălucitoare;
  • III sunt stelele gigantice mai puţin luminoase;
  • IV sunt stelele subgigantice;
  • V sunt stelele pitice.
Hartă a Italiei arătând
regiunea Văii Aosta
Imagine obţinută prin
bunăvoinţa
Gigillo83/Wikimedia

Chiar şi luminozitatea are un uşor impact asupra spectrului stelelor, dar aspectul nu a fost explicat în detaliu.

Corelaţia dintre culoarea stelei şi liniile spectrale (electrochimice) înseamnă că fiecare clasă din Clasificarea harvard este caracterizată de linii care sunt tipice pentru temperatura acelei clase:

  • stelele foarte fierbinţi prezintă linii de heliu;
  • stelele cu temperatură mai puţin fierbinte prezintă linii de hidrogen (aşa-numitele Serii Balmer, ale căror linii sunt indicate prin simbolurile Ha, Hb, Hg, Hd …);
  • stelele cu temperatură mai redusă prezintă linii de metale (neutre sau ionizate);
  • Stelele foarte reci prezintă linii şi benzi spectrale de metale neutre şi respectiv de molecule.

Şi tot mai departe…

În prima zi a taberei de astronomie elevii au fost încurajaţi să-şi aleagă steaua favorită dintr-o fotografie a cerului de iarnă, căreia să-I calculeze temperatura şi emisia maximă pe baza spectrului ei tabelar.

În acea seară, deja grupurile de elevi au putut folosi spectrograful şi camera foto cu senzor CCD ataşată la un telescop didactic, şi au putut capta spectrul unor stele favorite, printre care Aldebaran, Betelgeuse, Dubhe, Mirphak, Sirius.

A doua zi aceste nou-observate spectre au fost folosite pentru a calcula temperaturile stelelor şi pentru a le clasifica. Elevii au colaborat excelent. Puteţi descărca explicaţiile pas-cu-pas ce ajută la implementarea acestei activităţi în ora de clasă, dimpreună cu spectrele câtorva stele, de pe web-site-ul Science in Schoolw2.

Lectură după lectură şi activtate după activitate, astronomii au deschis noi ferestre spre Univers lăsând elevii să îl vadă într-o lumină diferită. În aer s-a simţit permanent curiozitatea, vehiculându-se multe întrebări şi răspunsuri, inclusiv despre radiaţiile infra-roşie, ultra-violet şi X din cosmos.

Pentru a facilita lucrul de echipă au fost folosite şi activităţi bazate pe o competiţie sănătoasă. Concursul Antares, de exemplu, a provocat elevii să folosească liniile de absorbţie din spectrul chimic pentru a clasifica o serie de stele celebre sau mai puţin faimoase, în concordanţă cu schema de Clasificare Harvard. Competiţia de tehnologie a micro-undelor „non-gastronomice” a fost o altă activitate interesantă, ce a angajat grupe de câte şase elevi în determinarea direcţiei din care vin semnalele recepţionate de antenă.

Finalul taberei a fost marcat de trecerea Staţiei Spaţiale Internaţionale pe deasupra capetelor participanţilor, de o cină festivă şi de înmânarea darurilor şi a premiilor de astronomie din partea ESO. Timpul a zburat, însă amintirea activităţilor din tabără şi prieteniile leagte acolo vor dura mult timp. Deja ne gândim la tabăra de anul viitorw3!

 

Tabăra a fost o experienţă minunată. A fost ceva unic şi excitant să întâlnim atât de mulţi oameni din alte culturi şi având moduri de gândire diferite, precum şi să avem şansa de a discuta subiecte fierbinţi cu ei.
Gabriele, 16 ani, Italia

Nu exagerez când spun că observaţiile nocturne au constituit partea cea mai excitantă a taberei! Am privit spectroscopia stelară împreună cu personalul observatorului – una dintre cele mai interesante părţi ale astronomiei, pentru mine. […] Sunt sigur că ceea ce am învăţat în tabăra ESO îmi va folosi pentru educaţia mea viitoare.
Daniil, 16 ani, Rusia

[…] Ne-am instalat curând într-o rutină minunată de lecturi şi activităţi legate de astronomie, întrerupte doar de mese şi de excursii hibernale. […] Până la finalul taberei am trăit unele dintre cele mai frumoase zile ale vieţii mele.
Hera, 16 ani, Suedia

Recunoştinţe

Mulţumiri speciale pentru supervizorii taberei, Emily, Koen, Lorenzo şi Mariona (cărora le mulţumim şi pentru textul de blog şi pentru fotografii), pentru astronomii din tabără şi pentru deosebitele lor lecturi şi activităţi: Davide Cenadelli (Observatorul din Valea Aosta), Enzo Bertolini (Observatorul din Valea Aosta), Lars Lindberg Christensen (ESO), Andrea Bernagozzi, Paolo Pellissier şi Paolo Recaldini (Observatorul din Valea Aosta), Anna Wolter (ESO/INAF), Juan Fabregat (Universitatea din Valencia), Aniello Mennella şi Paola Battaglia (Universitatea din Milano).

Web References

Resources

  • Pentru a afla mai multe despre analizarea spectrului stelar, citiţi:
    • Kaler JB (2011) Stars and their spectra: an introduction to the spectral sequence. (Stelele şi spectrele lor: o introducere în secvenţele spectrale) Ediţia a doua. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN: 9780521899543
    • Robinson K (2007) Spectroscopy: the Key to the Stars. (Spectroscopia: cheia către stele) London, UK: Springer. ISBN: 9780387367866
  • Ochii noştri sunt foarte limitaţi când privim spre Univers. Pentru a învăţa mai multe despre cum acoperirea întergului spectru al luminii ne poate schimba percepţia, citiţi:
    • Christensen LL, Bob Fosbury B, Hurt R (2009) Hidden universe (Universul ascuns). Berlin, Germany: Wiley-VCH. ISBN: 9783527408665
  • Observatorul European de Sud (ESO) constă dintr-o suită a celor mai avansate telescoape astronomice terestre.
  • Sterrenlab organizează tabere de ştiinţă şi şcoli de vară în toate lumea, şi oferă servicii de educaţia de ştiinţă şi în comunicare. 
  • Observatorul astronomic din Valea Aosta găzduieşte o serie de echipamente extrem de moderne folosite pentru cercetare, învăţământ şi pentru scopuri promoţionale.
  • Istituto Nazionale di Astrofisica (Institutul Naţional de Astro-fizică, INAF) este o importantă instituţie italiană de cercetare în astronomie şi în astro-fizică.
  • Universitatea din Milano este una dintre cele mai importante şi mai mari universităţi din Europa.
  • Societatea Astronomică Poloneză (Polskie Towarzystwo Astronomiczne, PTA), cu sediul în Varşovia, adună laolaltă mulţi astronomi profesionişti.
  • Urania – ‘Postępy Astronomii’ este o revistă poloneză de astronomie pentru amatori. Ea e una dintre cele mai vechi reviste de astronomie din lume.
  • Fondul Polonez al Copiilor este o organizaţie non-guvernamentală independentă, al cărei principal obiectiv este susţinerea copiilor dotaţi.
  • Ciência Viva (Ştiinţa Vie) este un program deschis pentru promovarea ştiinţei în Portugalia.
  • Sociedad Española de Astronomía adună laolaltă astronomi şi astro-fizicieni din Spania.
  • Université de Genève este o universitate publică de cercetare, fiind totodată cea de-a doua cea mai mare universitate din Elveţie, prin numărul de studenţi.

Institution

ESO

Author(s)

Davide Cenadelli a absolvit facultatea de fizică şi a obţinut titlul de doctor la Universitatea din Milano. Aria sa de inters acoperă astrofizica stelară, spectroscopia şi istoria şi filosofia ştiinţei. El face actualmente parte din grupul de cercetare implicat în căutarea de exoplanete în jurul stelelor pitice roşii în galaxia apropiată, la Observatorul Astronomic al Regiunii Autonome Valea Aosta.

Cristina Olivotto a absolvit facultatea de fizică la Universitatea din Milano şi a primit titlul de doctor în istoria fizicii. După absolvire ea a lucrat în domeniul comunicării şi educaţiei de ştiinţă la Muzeul Astronomic din Milano şi ca profesor de fizică şi de matematică la liceu. A lucrat apoi timp de patru ani la Agenţia Spaţială Europeană, înainte de înfiinţarea Sterrenlab în 2011.

Oana Sandu este coordonator comunitar la Departamentul pentru Comunicare şi Educaţie Publică (ePOD) al ESO. Este responsabilă cu promovarea de produse şi de evenimente publice şi de prezenţa mediatică atât pentru ESO cât şi pentru ESA/Hubble. Cu un titlul în comunicare şi relaţii publice, şi cu un masterat în marketing, ea a lucrat doi ani într-o renumită agenţie PR din Europa de Est.

Lars Lindberg Christensen este specialist în comunicare ştiinţifică, conducând Departamentul pentru Comunicare şi Educaţie Publică (ePOD) al ESO. El este responsabil cu relaţiile publice la Observatorul La Silla-Paranal, la componenta ESO din ALMA şi APEX, European Extremely Large Telescope, la componenta ESA a telescopului spaţial Hubble, şi la biroul de presă al IAU.


Review

Ca profesori, întâlnim uneori oportunităţi oferite tinerilor de 16 ani ce ne fac să regretăm că nu mai avem această vârstă.

Acest articol promovează Tabăra de Astronomie a Observatorului European Sudic (ESO), ocazie extraordinară la care, în decembrie 2013, au participat elevi de 16 ani din ţările Europei. Tabăra a împletit cu echilibru uimitoarele observaţii astronomice şi învăţarea de la astronomii profesionişti, cu sporturile sănătoase şi cu programul social.

Pentru profesorii de liceu, articolul constituie o resursă excelentă de utilizat pe durata lecţiilor de astronomie pentru elevii de 16-18 ani. Pentru elevii mai tineri, el furnizează o bună introducere în clasificarea stelelor. Partea stimulativă a articolului stă în aceea că oferă o procedură uşor de urmat pentru calcularea temperaturii suprafeţei stelelor prin analizarea spectrului emis folosind date reale, ceea ce constituie întotdeauna un bonus al lecţiei. Articolul propune şi provocări speciale prin calcularea acestor temperaturi, ca activitate complementară lecţiei.

Uitându-mă la referinţele web furnizate înacest articol, am putut vedea că următoarea tabără de astronomie a ESO este planificată pentru decembrie 2014. Ce bine ar fi să avem 16 ani!


Dr. Caroline Neuberg, Fulneck School, Marea Britanie




License

CC-BY-NC-SA