Exoplaneter. 34 LMFK-bladet, nr. 2,marts Matematik. Fysik. Niels Erik Wegge, Birkerød Gymnasium, HF og IB

Relaterede dokumenter
Fysik 2 - Den Harmoniske Oscillator

Projektopgave Observationer af stjerneskælv

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Dynamik. 1. Kræfter i ligevægt. Overvejelser over kræfter i ligevægt er meget vigtige i den moderne fysik.

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

Løsninger til udvalgte opgaver i opgavehæftet

Arbejdsopgaver i emnet bølger

Mørk energi Anja C. Andersen, Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet

Studieretningsopgave

Dæmpet harmonisk oscillator

Exoplaneter fundet med Kepler og CoRoT

Resonans 'modes' på en streng

Arbejdet på kuglens massemidtpunkt, langs x-aksen, er lig med den resulterende kraft gange strækningen:

Exoplaneter og stjerner - med specielt fokus på de fordampende varme exoplaneter

Svingninger. Erik Vestergaard

Videnskabskronik: Jagten på jordlignende planeter

Fysik 2 - Oscillator. Amalie Christensen 7. januar 2009

MODUL 1-2: ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

Vektorfunktioner. (Parameterkurver) x-klasserne Gammel Hellerup Gymnasium

Forsøg del 1: Beregning af lysets bølgelængde

Afstande i Universet afstandsstigen - fra borgeleo.dk

Harmonisk oscillator. Thorbjørn Serritslev Nieslen Erik Warren Tindall

Fysik A. Studentereksamen. Torsdag den 27. maj 2010 kl

En sumformel eller to - om interferens

Exoplaneter. Hans Kjeldsen Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus Universitet

Lysets hastighed. Navn: Rami Kaddoura Klasse: 1.4 Fag: Matematik A Skole: Roskilde tekniske gymnasium, Htx Dato:

Formelsamling i astronomi. Februar 2016

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Teoretiske Øvelser Mandag den 13. september 2010

Udledning af Keplers love

Elementær Matematik. Trigonometriske Funktioner

Teoretiske Øvelser Mandag den 31. august 2009

Skråplan. Esben Bork Hansen Amanda Larssen Martin Sven Qvistgaard Christensen. 2. december 2008

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Rækkeudvikling - Inertialsystem. John V Petersen

Exoplaneter. Rasmus Handberg. Planeter omkring andre stjerner end Solen. Institut for Fysik og Astronomi Aarhus Universitet

Theory Danish (Denmark)

Undersøgelse af lyskilder

Heisenbergs Usikkerhedsrelationer Jacob Nielsen 1

Transit af XO-2b. Jonas Bregnhøj Nielsen. Lars Fogt Paulsen

Rapport uge 48: Skråplan

Brydningsindeks af luft

Den frie og dæmpede oscillator

Danmarks Tekniske Universitet

1. Bevægelse med luftmodstand

Mælkevejens rotation

Spektroskopi af exoplaneter

Trigonometri og afstandsbestemmelse i Solsystemet

Hubble relationen Øvelsesvejledning

1. Kræfter. 2. Gravitationskræfter

Projektopgave 1. Navn: Jonas Pedersen Klasse: 3.4 Skole: Roskilde Tekniske Gymnasium Dato: 5/ Vejleder: Jørn Christian Bendtsen Fag: Matematik

DIFFERENTIALREGNING Hvorfor er himlen blå?

Mini SRP. Afkøling. Klasse 2.4. Navn: Jacob Pihlkjær Hjortshøj, Jonatan Geysner Hvidberg og Kevin Høst Husted

Denne pdf-fil er downloadet fra Illustreret Videnskabs website ( og må ikke videregives til tredjepart.

1. Vibrationer og bølger

Lavet af Ellen, Sophie, Laura Anna, Mads, Kristian og Mathias Fysikrapport blide forsøg Rapport 6, skråt kast med blide Formål Formålet med f

Nedenfor er tegnet svingningsmønsteret for to sinus-toner med frekvensen 440 og 443 Hz:

Øvelse 1.5: Spændingsdeler med belastning Udført af: Kari Bjerke Sørensen, Hjalte Sylvest Jacobsen og Toke Lynæs Larsen.

VUC Vestsjælland Syd, Slagelse Nr. 1 Institution: Projekt Trigonometri

Formelsamling i astronomi. November 2015.

Anvendelse af matematik til konkrete beregninger

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2005

Gruppemedlemmer gruppe 232: Forsøg udført d. 21/ Erik, Lasse, Rasmus Afleveret d.?/ LYSETS BRYDNING. Side 1 af 10

Matematik og Fysik for Daves elever

Teoretiske Øvelser Mandag den 30. august 2010

Stjerners udvikling og planeter omkring stjerner. Hans Kjeldsen Aarhus Universitet

Eksamen i fysik 2016

Harmoniske Svingninger

MATEMATIK A-NIVEAU. Anders Jørgensen & Mark Kddafi. Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012.

Danmarks Tekniske Universitet

Røntgenspektrum fra anode

MATEMATIK A-NIVEAU. Anders Jørgensen & Mark Kddafi. Vejledende eksempler på eksamensopgaver og eksamensopgaver i matematik, 2012

Fysikrapport Joules lov. Gruppe Nr. 232 Udarbejdet af Nicolai og Martin

En fysisk model skabes Toner i en flaske

Dopplereffekt. Rødforskydning. Erik Vestergaard

Kvalifikationsbeskrivelse

Newtons love - bevægelsesligninger - øvelser. John V Petersen

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Afleveringsopgave 1

Kulstofnanorør - småt gør stærk Side i hæftet

Tilstandskontrol. ved hjælp af vibrationsanalyse

En harmonisk bølge tilbagekastes i modfase fra en fast afslutning.

SUPPLERENDE AKTIVITETER GYMNASIEAKTIVITETER

Rela2vitetsteori (ii)

Keplers Love. Om Kinematik og Dynamik i Renæssancens Astronomi. Folkeuniversitetet 9. oktober 2007

Impuls og kinetisk energi

9. Øvelse: Demonstration af osmose over en cellemembran

David Kallestrup, Aarhus School of Engineering, SRP-forløb ved Maskinteknisk retning 1

Danmarks Tekniske Universitet

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2004

Enkelt og dobbeltspalte

GUX. Matematik. A-Niveau. Fredag den 31. maj Kl Prøveform a GUX191 - MAA

π er irrationel Frank Nasser 10. december 2011

Termin Termin hvor undervisnings afsluttes: maj-juni skoleåret 12/13 Thisted Gymnasium og HF-kursus Uddannelse

Opgaver i kosmologi - fra

Danmarks Tekniske Universitet

Matematik A. Højere teknisk eksamen

Pointen med Funktioner

Danmarks Tekniske Universitet

Transkript:

Matematik Exoplaneter Niels Erik Wegge, Birkerød Gymnasium, HF og IB Artiklen behandler bestemmelse af grundlæggende banedata for exoplaneter ved hjælp af radialhastighedsmetoden, samt en illustrerende, eksperimentel lydsimulering. Et velegnet emne til SRP i fysik og matematik. Der er adskillige metoder i brug, når astronomer finder og beskriver exoplaneter. Den helt klassiske er radialhastighedsmetoden, som her gennemgås dels med 47 UMa 1) som eksempel, dels i en lydanalogi, der i modsætning til normale kosmologiske eksperimenter kan udføres i laboratoriet med variabelkontrol og det hele. Emnet er velegnet til behandling i et SRP med matematik og fysik. 1. Radialhastighedsmetoden Exoplaneter røber deres tilstedeværelse bl.a. ved den påvirkning, de har på den stjerne, som de kredser om. I den simpleste situation og det er Planet t r V CM R y t Stjerne Retning til observatør Figur 1: Stjerne og exoplanet kredsende i jævn cirkelbevægelse om fælles massemidtpunkt CM. Stjernens position i forhold til CM er R, og den bevæger sig med hastigheden V. x kun den vi vil diskutere er der tale om et rent tolegemeproblem, hvor både stjerne og planet kredser i cirkulære baner om deres fælles massemidtpunkt, se figur 1. Idet T er den fælles omløbstid for planet og stjerne, altså et år, M og m er massen af hhv. stjerne og planet, og R og r de tilsvarende afstande fra massemidtpunktet, er situationen i fig. 1 beskrevet ved Keplers 3. lov og massemidtpunktsætningen: (R + r) 3 T 2 = G M + m 4π 2 (1) RM = rm (2) Det er en fin lille øvelse for eleverne at udlede (1) ud fra de to jævne cirkelbevægelser og Newtons gravitationslov. Ideen i radialhastighedsmetoden er som bekendt, at en fjern observatør ser den kredsende stjernes absorptionsspektrum blive dopplerforskudt periodisk frem og tilbage og herudfra umiddelbart kan beregne såvel omløbstiden T som stjernens banefart V og baneradius R. Med kendskab til stjernens masse M viser det sig, som vi skal se, at også planetens baneradius r, og dermed dens afstand r + R fra stjernen, samt dens masse m kan beregnes 2). Med yderligere viden om stjernens udstrålingseffekt kan man herefter overveje sager som beboelig zone og muligheden for forekomst af flydende vand samt eksistensen af liv, hvis man har lyst. Diskussionen om temperatur og klima på planeten kan udvides ad libitum med antagelser om planetens egenrotationshastighed samt tilstedeværelsen af en atmosfære med drivhuseffekt. En simpel udregning, som jeg overlader til læseren eller læserens elever, giver fornemmelse for den krævede målenøjagtighed: Jupiters træk i Solen får denne til at udføre en cirkelbevægelse med periode T = 11,9 år og radius R = 742.000 km, og dermed fart V = 12,4 m/s. Bemærk, at systemets massemidtpunkt ligger lige uden for Solens overflade. Med den lave fart kan en spektrallinje med bølgelængden λ 0 = 600 nm forventes at variere mellem 599,99998 nm og 600,00002 nm. Man får respekt for de eksperimentelle astronomer som skal og kan måle så præcist. 34 LMFK-bladet, nr. 2,marts 2010

Figur 2: Radialhastighedsdata for 47 UMa med harmonisk fi t svarende til ligning (5). 2. Model for dopplerforskydningen af den modtagne frekvens Vi betragter et stjerne-planetsystem der overordnet set bevæger sig med konstant fart v 0 bort fra os, og indlægger et koordinatsystem med begyndelsespunkt i systemets massemidtpunkt og akseretninger i forhold til synsretningen til os som vist i figur 1. Det antages uden nogen form for indskrænkning 3), at vi befinder os så langt fra stjernen, at synsretningen til denne er konstant. Idet vinkelfrekvensen for den jævne cirkelbevægelse er ω = 2π 2πR T og den konstante fart er V = T = R ω, kan stjernens position og hastighed relativt til massemidtpunktet beskrives ved R (t) = ( R cos(ωt) R sin(ωt) ) (3) V (t) = R (t) = ( -R ω sin(ωt) R ω cos(ωt) ) = ( -V sin(ωt) V cos(ωt) ) (4) Stjernens radialfart V r relativt til os er v 0 plus y- komposanten af hastighedsvektoren V i figur 1 og svinger altså harmonisk omkring værdien v 0 med periode T og amplitude V: V r = V cos(ωt) + v 0. (5) I praksis observerer vi jo ikke radialfarten direkte, men holder øje med den dopplerforskudte frekvens f af en bestemt absorptionslinje i stjernens spektrum. Hvis den udsendte frekvens er f 0, og stjernen på et given tidspunkt har radialfarten V r i forhold til os, vil Δf = f f 0 = f 0 V r c. (6) Ved hjælp af (5) bliver (6) til f = Δf + f 0 = f0 V c cos(ωt) + f0 ( c v 0 + 1). (7) Den observerede frekvens vil altså svinge harmonisk med periode T og amplitude f 0 V c = f0 Rω c. I specialtilfældet v 0 = 0 foregår svingningen omkring f 0. 3. Eksempel på anvendelse af modellen: 47 UMa På hjemmesiden nsted.ipac.caltech.edu/, der et samarbejde mellem NASA og CalTech, findes tabeller med radialhastighedsdata for en lang række stjerner. I figur 2 ses et LoggerPro-fit af data for 47 UMa. Ud fra fittet i fig. 2 kan vi umiddelbart se at 47 UMa overordnet bevæger sig med farten 11,2 km s i forhold til os, og derudover foretager en jævn cirkelbevægelse med fart V = 56,5 m s, forudsat at vi betragter systemet direkte fra siden. At der er tale om en cirkelbevægelse ses af grafens symmetri. En elliptisk bevægelse ville for hver periode have en smal, høj top svarende til den hurtige bevægelse gennem periastron, jf. Keplers anden lov, og en bredere, lav top svarende til apastron. Af fig. 2 ses endvidere, at den exoplanet der formodes at forårsage 47 UMa s cirkelbevægelse, har omløbstiden T = 2π B = 1100 dage, og at radius i 47 UMa s cirkelbevægelse derfor er R = VT 2π = 855.000 km. Idet massen af 47 UMa er kendt, M = 1,08 solmasser, er der kun to ubekendte tilbage i (1) og (2), nemlig planetens ba- LMFK-bladet, nr. 2, marts 201035 Matematik

neradius r og masse m, og det burde derfor være ligetil at løse dem. Jeg har prøvet at solve på TI89 uden held! I stedet kan man benytte sig af følgende trick: Indføres forholdet mellem stjernens og planetens masse som ny variabel x, bliver (2) til x = M m = R r, (8) og så kan (1) omskrives til R 3 (1 + x) 3 T 2 = G 4π 2 M (1 + 1 x ). (9) Ganges (9) igennem med x og reduceres, fås x (1 + x) 2 = G T 2 3 = ξ. (10) 4π 2 M R Talværdien af den dimensionsløse konstant ξ i (10) kan umiddelbart udregnes, da alle de indgående parametre er kendte; i tilfældet 47 UMa er ξ = 5,28 10 7. Ligningen x(1 + x) 2 = ξ kan nu løses numerisk: x = 374,5, hvorved vi finder planetens masse m = M x = 5,34 1027 kg = 2,8 M Jupiter. Afstanden mellem planeten og stjernen er R + r = (1 + x) R = 2,1 AE. Det ville være dejligt at kunne kontrollere dette resultat med en uafhængig bestemmelse, men det er af gode grunde ikke ligetil. 4. Lydanalogi I lydanalogien benyttede jeg en metronom som stjerne. Ud over at slå takt kan min metronom nemlig frembringe en konstant og særdeles gennemtrængende tone på 440 Hz, altså kammertonen, som kan høres på lang afstand. Metronomen blev monteret for enden af en lang arm og sat i rotation af en motor med stabil, regulerbar fart, samme udstyr, som vi bruger til undersøgelse af jævn cirkelbevægelse. Man hører allerede ved relativt lave hastigheder, at grundfrekvensen f 0 = 440 Hz, der repræsenterer en bestemt spektrallinje i lyset fra stjernen, dopplerforskydes op og ned for hvert omløb. Stjernens baneradius og omløbstid kontrolmålte jeg direkte med et målebånd og et stopur. Herefter var opgaven, om man udelukkende ud fra en analyse af tonen kunne reproducere disse to parametre. Det kunne man! Hele opstillingen blev monteret udendørs, fjernt fra mure og vægge, der frembringer generende ekkoer. Som analogi til teleskopet placerede jeg en mikrofon i passende stor afstand fra stjernen, så retningen hertil var stort set konstant. Med mikrofonen blev lyden optaget i LoggerPro. Med en sampling på 15 khz og ca. tre hele omløb blev det til tre sekunders lydfil af Matematik Figur 3: Forsøgsopstilling med en cirkelkredsende metronom, der er fastspændt for enden af en målestok, som vist på det indsatte nærbillede i øverste venstre hjørne. 36 LMFK-bladet, nr. 2,marts 2010

Figur 4: Kort udsnit af den tre sekunder lange lydoptagelse af den kredsende metronoms kammertone, f 0 = 440 Hz. ganske betydelig størrelse; et udsnit svarende til de første 10 ms ses i figur 4. Efter de tre sekunder er forsøget slut, og resten er dataanalyse, som starter med at bestemme frekvensen ved fouriertransformation i LoggerPro af et passende antal 0,13 s lange bidder af lydfilen. Valget af t = 0,13 s er naturligvis et kompromis mellem en passende lille værdi, så stjernen ikke når at flytte sig for meget, og en passende stor værdi, så LoggerPro har svingninger nok til en præcis bestemmelse af frekvensen. Alle de fouriertransformerede bidder fittes tålmodigt med en gausskurve i intervallet fra 420 Hz til 460 Hz den ønskede frekvens er gaussklokkens centralværdi, se fig. 5. Nu har vi datamateriale til den endelige graf af frekvens som funktion af tid. Denne fittes i overensstemmelse med modelformlen (7) med den Figur 5: Bestemmelse af den øjeblikkelige frekvens ved gaussfit af fouriertransformeret lyd. Grafen foroven har Δt = 0,1 s, grafen for neden Δt = 0,13 s. Bemærk, at centralfrekvensen fi ttets B-tal er meget robust, trods den forskellige opløsning. prædefinerede LoggerPro-funktion A sin(bx + C) + D, se figur 6. Bemærk, hvor smukt fittet læg- Figur 6: Varierende lydfrekvens med harmonisk fi t. Frekvensen er bestemt som gennemsnit i 0,13 s lange perioder for den roterende stjerne. LMFK-bladet, nr. 2, marts 2010 37 Matematik

ger sig omkring 440 Hz. Bemærk også, at der er en ganske stor usikkerhed i de enkelte frekvensmålinger. Faktisk må man smide nogle målinger ud, fordi gaussfittet af den ene eller anden grund ikke er tydeligt. En kraftigere lydkilde ville være at foretrække! Vi er nu næsten i samme situation som i 47 UMa-eksemplet figur 2 men også kun næsten. I praksis kan vi jo slet ikke observere den øjeblikkelige frekvens; vi er nødt til at tælle svingninger i et stykke tid t i løbet af hvilket radialhastigheden og dermed den observerede frekvens ændrer sig. Frekvenserne i figur 5 og figur 6 er derfor gennemsnitsfrekvenser. Vi arbejder videre med (7) i specialtilfældet v 0 = 0 og udregner middelfrekvensen f for tidsrummet [t ; t + Δt]: f = Δt 1 t+δt t f (t)dt = f V 0 cωδt [ sin(ωt) ] t t+δt + f 0 = f R 0 cδt (sin(ω(t + Δt)) sin(ωt)) + f. (11) 0 Med brug af passende additionsformler for sinus fås efter lidt arbejde sin(ωt + ωδt) sin(ωt) = ωδt ωδt 2sin( 2 ) cos(ωt + 2 ), (12) som ved indsættelse i (11) fortæller os, at ikke bare den øjeblikkelige frekvens, men altså også gennemsnitsfrekvensen, forventes at variere harmonisk med periode T dog nu med den lidt mindre amplitude A = 2 sin ( ωδt 2 ) f R 0 cδt. (13) Bemærk, at når ωδt 2 er lille, så vil sin ( ωδt 2 ) ωδt 2, og så bliver udtrykket (13) for amplituden i frekvensvariationen A f Rω 0 c ligesom i (7). 5. Konklusion Kontrolmålingerne fra det anførte eksempel var R = 0,98 m og T = 1,04 s målt over ti omløb. Ved analyse af fittet i figur 6 fås f 0 = 440 Hz som forventet, samt T = 2π AcΔt ω = 1,00 s og R = 2 f 0 sin ( ωδt = 0,86 m, 2 ) idet vi naturligvis benytter c = lydens fart 4). Vi konstaterer altså, at radialhastighedsmetoden i denne lydanalogi faktisk er i stand til at reproducere de kendte baneparametre R og T med god præcision. Den beregnede R-værdi burde have været større, men som det ses på figur 6, er amplituden i LoggerPro-fittet faktisk lidt for lille, og i det hele taget burde usikkerheder på fitteparametre selvfølgelig tages med i beregningerne. Forsøget kan udbygges til en hel måleserie med variabelkontrol på R og T, men som det ses er databehandlingen ganske omfattende. Matematik Noter 1) Ursae Majoris 47, en soltvilling 46 lysår fra os i konstellationen Store Bjørn en exoplanet blev påvist i 1996. 2) Da vi ikke nødvendigvis betragter stjerne-planetsystemet set lige fra siden, er der naturligvis kun tale om minimalværdier for såvel R som r og m. 3) I lydsimuleringen er antagelsen mere diskutabel. 4) Men hvilken? Jeg glemte at måle temperaturen. På stjernekortet til venstre er placeringen af Ursae Majoris 47 mar keret med en rød ring. 38 LMFK-bladet, nr. 2,marts 2010