Astronomische Smartphone-Experimente rund um die Exoplaneten-Lichtkurve
In diesem Workshop lernen die Teilnehmenden im Anschluss an einen kurzen theoretischen Input Analogieexperimente im Kontext der Exoplaneten-Lichtkurve kennen. Dabei nutzen sie unterschiedliche Lichtsensoren wie den integrierten Lichtsensor in Android Smartphones, aber auch externe Sensoren wie den SensorTag, Puck.js oder einen Arduino, um Messwerte aufzunehmen und die Daten in der App Phyphox zu visualisieren. Die Experimente und die Vor- und Nachteile der einzelnen Sensoren werden gemeinsam kritisch reflektiert. Im Ausblick werden weitere Smartphone-Experimente zur Exoplaneten-Thematik unteranderem dem Drucksensor und dem Temperatursensor vorgestellt.
Bei der Transitmethode wird die Beleuchtungsstärke eines Sterns über einen längeren Zeitraum hinweg kontinuierlich gemessen, um periodische Abnahmen der Helligkeit zu identifizieren. Periodisch auftretende Schwankungen in der Lichtkurve deuten auf die Existenzeines Exoplaneten vor dem Stern hin und ermöglichen Rückschlüsse auf die Größe und Umlaufbahn von Exoplaneten. Zusätzlich können diese Messungen auch Hinweise auf die Zusammensetzung der Exoplaneten-Atmosphäre sowie auf das Vorhandensein von Sternenflecken oder Exomonden geben.
Vorbereitung auf den Workshop
Die Teilnehmenden werden gebeten, bereits vor dem Workshop die kostenfreie App Phyphox auf ihrem Smartphone zu installieren. Darüber hinaus sollten sie im Vorhinein den QR-Code in der App scannen (siehe Bilder unten), um die relevanten Experimente zu installieren.
Download Phyphox
Direktdownload der Experimente
für die Nutzung am Smartphone oder Tablet: Hier klicken (Hinweis: phyphox wird geöffnet)
QR Code für die Experimente
Hinweis: Sollten Sie den Fehler „XML Error in Line 1: Expected a Quote string“ unter phyphox in Android erhalten, laden Sie bitte die folgende zip-Datei lokal auf Ihr Gerät: DOWNLOAD ZIP
Navigieren Sie dann zum Download der zip-Datei und wählen Sie „Mit phyphox öffnen“ und „Nur diesmal“.
Alternativ können Sie das zip-Archiv entpacken und die einzelnen .phyphox-Dateien einzeln „Mit phyphox öffnen“.
Die Experimente stehen ab dann in phyphox unter der Kategorie „Astronomie LeFoBi 2023 Jena“ für die Offline-Nutzung zur Verfügung
Durchführung von Experimenten
Die Messung in phyphox wird über das Abspielsymbol ▶ gestartet. Ab diesem Zeitpunkt werden die aktuellen Intensitätswerte von phyphox erfasst und automatisch visualisiert, während der Planet um den Stern rotiert (wird).
Erkundungs- und Experimentierphase
In der Erkundungs- und Experimentierphase stehen den Teilnehmenden verschiedene Sensoren für die vier Stationen zur Verfügung, darunter:
- Android Smartphone
- TI SensorTag CC2650STK
- Espruino Puck.js
- Arduino Nano 33 BLE Sense (Rev1, non-lite)
- Owon B35T Bluetooth Multimeter mit Solarzelle
Die Sensoren werden für die Messungen mit der phyphox-App mit den Smartphones (Tablets) der Teilnehmenden verbunden.
Für die vier vorbereiteten Stationen stehen den Teilnehmenden jeweils 20 Minuten zur Verfügung. In diesen kann die Station frei erkundet und mit dem jeweiligen bereitgestellten Sensor Messungen durchgeführt werden.
Die empfohlene Vorgehensweise ist bei allen Stationen ähnlich, unterscheidet sich jedoch in der Wahl des Sensors und der jeweiligen Fragestellung.
Durchführung der Experimente (mögliche Vorgehensweise)
- Verschaffen Sie sich einen Überblick über die zur Verfügung stehenden Materialien und Sensoren.
- Wählen Sie einen Sensor, der auf Basis der technischen Informationen für das Vorhaben geeignet sein könnte.
- Bauen Sie das Experiment auf.
Optional: Nutzen Sie die Vorlage, um Stern und Exoplanet zu platzieren. - Schalten Sie die Gartenleuchte (Stern) ein.
- Richten Sie den Sensor in eine geeignete Richtung aus.
- Verbinden Sie an Ihrem Smartphone (dem bereitgestellten Smartphone), wie zuvor beschrieben, den gewählten Sensor mit der phyphox-App.
- Rotieren Sie die Kugel (Exoplanet) um die Gartenleuchte (Exoplanet) und nehmen währenddessen mit dem Sensor in der phyphox-App Messwerte auf.
- Beachten Sie die Besonderheiten/Zielsetzungen der jeweiligen Stationen:
Station 1: Transitmethode zur Detektion von Exoplaneten
Erkennen der periodischen Schwankungen in der aufgenommenen Lichtkurve und Erarbeitung der daraus ableitbaren Informationen über den möglichen Exoplanet.
Phyphox-Experiment: SensorTag (einfach) bzw. Puck.js (einfach).
Station 2: Atmosphäre von Exoplaneten mit der Lichtkurve
Verwenden von verschiedenen Filtern und Analyse des Einflusses auf die RGB-Werte und Erarbeitung der daraus ableitbaren Informationen über die Atmosphäre des Exoplanet.
Phyphox-Experiment: Arduino RGB.
Station 3: Exomonde mit der Lichtkurve detektieren
Nutzen eines Exoplanet-Exomond-Systems statt eines Exoplaneten zum Vergleich mit der reinen Exoplanet-Kurve und Erarbeitung der charakteristischen Signaturen, die auf einen Exomond hindeuten könnten.
Phyphox-Experiment: Arduino (einfach) bzw. SensorTag (einfach).
Station 4: Sternenflecke mit der Lichtkurve detektieren
Ergänzung des Sterns um einen Sternenfleck und Erarbeitung des Einflusses des Sternenflecks auf die aufgenommene Lichtkurve.
Phyphox-Experiment: Android interner Sensor (einfach).
Sollte nach einem Durchlauf noch Zeit zur Verfügung stehen, können auch weitere Varianten, Sensoren bzw. die erweiterten Experimente in den Stationen erkundet werden.
Ergebnisse der Experimentierphase
Die Teilnehmenden werden währenddessen bzw. im Anschluss gebeten, auf den bereitgestellten Karten die Stationen anhand der folgenden Merkmale zu bewerten:
Grüne Karten: Was hat Ihnen am jeweiligen Experiment (Aufbau, Durchführung, Auswertung) gut gefallen?
Rote Karten: Welche Probleme sind aufgetreten?
Gelbe Karten: Sammeln Sie Ideen für Möglichkeiten zur Weiterentwicklung der Stationen.
Abschluss und Diskussion
Nachdem umfangreiche Erkenntnisse gesammelt und technischer sowie fachlicher Input berücksichtigt wurden, erfolgt eine ausführliche Diskussion über die Ergebnisse, Chancen, Grenzen und potenzielle Ansatzpunkte zur Weiterentwicklung der Lernarrangements.
Weitere Informationen
- Präsentation zum Workshop
- Transitmethode im Unterricht
- Arduino und Phyphox
- Physik Uni Jena: Bundesweite Lehrerfortbildung Astronomie 2023
Literaturhinweis
Spicker, S. J. & Küpper, A. (2023, im Druck) Exoplanet Hunting in the Classroom: An Easy-to-Implement Experiment based on Video-Aided Light Curve Analysis with Smartphones. The Physics Teacher. DOI: 10.1119/5.0125305
Küpper, A. & Spicker, S. J. (2023). Ein Analogieexperiment zur Suche nach Exoplaneten, MNU-Journal, 3, S. 223-227.
Spicker, S. J. & Küpper, A. (2022) Die Transitmethode – Einsatz von Smartphones in Experimenten zur Suche nach Exoplaneten, MINT-Digital, Joachim Herz Stiftung. MINT-DIGITAL.de