Exobolygók és exobolygókutatás? A Naprendszeren kívüli bolygókkal a legtöbb tanterv nem foglalkozik, ugyanakkor az exobolygókutatás módszerei néhány fizika érettségi feladat kapcsán a középiskolai fizikaoktatásban is előkerültek már. Nem csoda, hiszen az exobolygókutatás napjaink csillagászatának egyik sikeres, modern és fejlődő területe, amivel bátran foglalkozhatunk a középiskolákban is.
Kedden (03.01.) reggel a Fazekasos diákok egy kreatív szakmai műhelyen vehettek részt, melynek célja az exobolygókutatás módszereinek bemutatása, valamint a tranzit (fotometriai) detektálási eljárás középiskolai modellezése volt. A workshop alkalmával a részt vevő diákok 4 fős csoportokban – tanári koordinálás mellett – újfajta tanulási módszerekkel, önállóan dolgoztak fel egy számukra ismeretlen tananyagot. Műhelymunkánk célja a fizika iránti kedveltségi mutató pozitív irányba lendítése volt. Ennek egyik lehetősége a tanulók aktivizálásában rejlik. Hiszem, hogy a cselekvésközpontú oktatás, a tanulók munkafolyamatokba való aktív bevonódása hozzájárulhat a tantárgy iránti pozitívabb attitűd kialakulásához. Így természetes, hogy a műhely résztvevőit is igyekeztem aktív munkára ösztönözni. A diákok jó hangulatban, befogadó környezetben egy Arduinóval [1] támogatott modellezési feladaton dolgozhattak irányított kérdések mentén, amelyek az alapoktól a kimeneti követelmények – fejlesztendő kompetenciaelemek – figyelembevételével vezették őket a logikai út lépcsőfokain az alkalmazható, minőségi tudás megszerzése felé.
Röviden az exobolygókról
Mik is azok az exobolygók, és miért fontos a kutatásuk? Exobolygóknak a Naprendszeren kívüli bolygókat nevezzük. Folyamatos kutatásukkal akár a csillagközi utazás is lehetővé válik. Minél több Naprendszeren kívüli bolygót fedeznek fel, annál több tesz eleget a lakhatóság feltételeinek – a kőzetbolygó felszínén a víz megtalálható cseppfolyós halmazállapotban –, és talán előfordul közöttük közelebbi lakható bolygó is. A csillagközi utazás kérdése egyelőre csak a filmekben megoldott, a jelen technológiák hosszú utazási időket jeleznek.
A diákok egy egyszerű számolási feladaton keresztül meghatározhatták, hogy az Apollo-10 mennyi idő alatt érne el egy tőlünk 10,5 fényév távolságra lévő bolygóhoz, valamint vizsgálták és elemezték a Nap lakhatósági zónáját. A bevezető feladatokat Gróf Andrea és Horváth Zsuzsa jegyzetéből [2] választottam.
Műhelyem középpontjában az exobolygókutatás állt, amelyre különböző módszereket alkalmaznak – direkt képalkotás, valamint közvetett módszerek segítségével vizsgálják a bolygót vagy annak valamilyen hatását. Részletesen a tranzit módszerrel [3] ismerkedtünk meg.
A tranzit módszer
Egy csillag fényessége csökken abban az esetben, amikor a bolygója éppen elhalad előtte. A csillag fényességében periodikus változás figyelhető meg (1. ábra). A tranzit módszer segítségével vizsgálható a csillaga előtt áthaladó bolygó keringési ideje, pálya menti sebessége, illetve a bolygó és a csillag méretének arányára is következtethetünk a felvett fénygörbe (a fényesség időbeli változása) alapján.
1. ábra: A csillag fényességének periodikus csökkenése a bolygó csillag előtt való elhaladásának következménye [4].
Ha egy mérési görbe (2. ábra) a csillagfény intenzitását ábrázolja az idő függvényében, könnyen leolvasható a fényintenzitás mértékének csökkenése, a csillag maximális fényintenzitása, valamint a kitakaráskor mérhető intenzitás . A két intenzitásérték arányából következtethetünk az exobolygó méretére [3].
2. ábra: HAT-P-7 b. exobolygó fénygörbéje [5].
A felvett grafikon alapján meghatározhatjuk a bolygó keringési idejét, valamint az is, hogy mennyi ideig tartózkodik teljes egészében a csillag előtt. Becsléssel következtethetünk továbbá a bolygó pálya menti sebességére is a csillag átmérőjének és a grafikonról leolvasott megfelelő időadatok ismeretében.
Mindezt tanulói mérés során felvett grafikonok kiértékelésével gyakoroltuk, közben izgalmas és hatékony munka során alkalmazható tudást szereztek a tanulók.
Modellezés
A modellezéssel úgy irányítottuk a jelenség lényeges tulajdonságaira a figyelmet, hogy közben mérésekkel további információk birtokába jutottunk a folyamattal kapcsolatban. A diákok néhány fős csoportokban Arduino-vezérelt fotoellenállás, valamint hétköznapi eszközök – LED fényforrás (a csillag modellje), hurkapálcára erősített kupakok különböző méretben (a bolygók modellje) és gyűjtőlencse (a lámpa fényét a fotoellenállásra fókuszálta) – felhasználásával mutatták be a bolygók csillag körüli mozgását. A mérési elrendezés a 3. ábrán látható.
3. ábra: Mérési elrendezés. Saját szerkesztés.
A tanulók a munka során megismerkedhettek az Arduinóval, illetve a fotoellenállás vezérléséhez szükséges alap programkóddal (programozási ismeretekre nincs szükség). A feladatok megoldása során bizonyították a csapatok a széleskörű szakmai készségeik meglétét, mint pl.: értelmezés, indoklás, tervezés, becslés, kiértékelés.
Pl.: Az ábrának megfelelően állítsd össze a kísérleti elrendezést, valamint a kapcsolást! A lámpa legalább 1 m-re legyen a gyűjtőlencsétől! A LED izzó előtt kb. 5 cm-re egyenletes sebességgel mozgasd a különböző átmérőjű kupakokat (hurkapálcára ragasztva), mérd a fényintenzitást, és az Excel Data streamer segítségével a mérési adatokat ábrázold grafikonon! Minden mérési eredményt külön fájlban ments el (pl.: mérés_nagykupak.csv néven)!
Rajzold meg a grafikont! Értelmezd a grafikont min. 3-5 mondatban!
A kapott grafikonok alapján határozd meg a csillag és a bolygók átmérőjének arányát! Válaszodat indokold!
A részletes tananyagot megtalálod a fizika.fazekas.hu [6] -n.
A kupakok lámpa előtti mozgatásával a fotoellenállás által mért érték lecsökkent. Egy lehetséges, diákok által felvett fénygörbét mutat a 4. ábra.
4. ábra: Grafikus kiértékelés. Diákok által felvett görbe.
A műhelyen bemutatásra került tanítványom, Homoki Gergely (12. D) saját készítésű szimulációja is, amely a méréssel egyidejűleg írja ki a csillag és a bolygó sugarának arányát (5. ábra).
5. ábra: Szimulációs program. Homoki Gergely munkája.
Diákszemmel
„Nagyon élveztem az előadást és a gyakorlatot is! Szimpatikus volt, hogy szinte semmi előzetes tudásra nem támaszkodott, így senki nem stresszelt azon, hogy esetleg kudarcot vall valamelyik feladatban. A változatos feladványokat hetedikes és tizedikes egyaránt könnyűszerrel megoldotta. Érdekes volt egy mérési feladaton keresztül megismerni azt a munkát, amit nagyobb léptékben a csillagászok is végeznek egy-egy bolygó felfedezésekor. Szerintem nagyon motiváló lehet mindenki számára a való életben alkalmazott módszerek megfogható, könnyebben elképzelhető kereteken belüli bemutatása.” (Nagy Krisztina, 10.D)
Köszönetnyilvánítás
A műhely sikeréhez hozzájárultak segítőim: Nagy Krisztina (10.D), Homoki Gergely (12.D) és Horváth Patrik (9.D).
A tananyag és az alkalmazott kompetenciafejlesztő módszer fejlesztésével kapcsolatos doktori kutatásomban témavezetőm, Hömöstrei Mihály működött közre.
A kutatás az Innovációs és Technológiai Minisztérium Kooperatív Doktori Program Doktori Hallgatói Ösztöndíj Programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatásával készült.
Schnider Dorottya – Budapesti Fazekas Mihály Gyak. Ált. Isk. és Gimn., ELTE TTK
Irodalom
- https://www.arduino.cc/ (utolsó letöltés dátuma: 2022. 03. 04.)
- Gróf, A. és Horváth, Zs. (2021): Exobolygók és űreszközök. Válogatott középiskolás feladatok a csillagászat és űrkutatás modern eredményeihez. http://fiztan.phd.elte.hu/files/kiadvanyok/Exobolygok_es_ureszkozok.pdf (utolsó letöltés dátuma: 2022. 03. 04.)
- Virág, D. (2013): A Doppler-erősítés. Szakdolgozat. Szegedi Tudományegyetem. http://astro.u-szeged.hu/szakdolg/viragdaniel_szd/ViragDaniel_BSc_szd.pdf (utolsó letöltés dátuma: 2022. 03. 04.)
- http://astro.u-szeged.hu/oktatas/csillagaszat/6_Naprendszer/0108exobolygok/tranzit_periodusa.jpg (utolsó letöltés dátuma: 2022. 03. 04.)
- https://avanderburg.github.io/tutorial/tutorial2.html (utolsó letöltés dátuma: 2022. 03. 04.)
- http://fizika.fazekas.hu/wp-content/uploads/pdf/Exobolyg%C3%B3.pdf?_t=1638886745 (utolsó letöltés dátuma: 2022. 03. 04.)
