Два студента физика и один студент бакалавриата кафедры междисциплинарных естественных наук ETH Цюриха недавно завершили самостоятельный проект, в рамках которого они искали экстрасолнечные планеты с помощью учебного телескопа.
В астрофизике данные и математические методы имеют фундаментальное значение. Измерение экзопланеты, как ее еще называют экстрасолнечные планеты, включает в себя не только наблюдение с помощью телескопа, но и алгоритмы, анализ данных, модели и статистику. Сначала это звучит очень теоретически, но на практике каждое измерение - если оно проводится с Земли - также зависит от погодных условий и влияния окружающей среды. Этот практический опыт, как отметил один из студентов, был очень важен для последующей интерпретации данных.
От идеи к самостоятельному проекту
Несколько студентов бакалавриата ETH Цюриха самостоятельно связались с профессором ETH Сашей Куанц, руководителем исследовательской группы Exoplanets and Habitability с идеями для семестрового проекта по астрофизике. Студенты - Свен Кифер, Адриан Георге и Томас Бирбахер - теперь согласны, что оно того стоило. Студенты часто не решаются обращаться к профессорам с проектными идеями по собственной инициативе.
На самом деле, их идея наблюдения за экстрасолнечными планетами с помощью исследовательского телескопа на самом высоком здании кампуса ETH Hoenggerberg в Цюрихе вскоре нашла сочувствующие уши.
Что можно наблюдать?
Большие космические телескопы, такие как "TESS", не подвержены влиянию таких факторов, как облака, световое загрязнение и турбулентность воздуха. Наблюдение за экзопланетами с поверхности Земли представляет собой совершенно разные задачи.
Выбор в пользу студенческого семестрового проекта пал на наблюдение за уже известным большим "Горячим Юпитером", поскольку с помощью учебного телескопа вряд ли можно было бы наблюдать за планетой меньшего размера. Однако в поисках неизвестных экзопланет те же методы могут быть применены и в более мощных телескопах.
Будет ли наблюдение успешным?
Адриан Георге и Свен Кифер выбрали зимние месяцы для наблюдения за северным полушарием. Поскольку прошлая зима была почти непрерывно пасмурной, потребовалось много настойчивости и эффективной методологии, чтобы довести их проект до конца. В марте они наконец-то смогли провести замеры за десять ночей. Два из этих десяти проектов были успешными, несмотря на влияние близлежащего аэропорта!
Измерения ясно показали, что Горячий Юпитер, известный как "HAT-P-44 b", уменьшает яркость звезды, по орбите которой он вращается, примерно на два процента. Поддержка, которую студенты получили от докторанта Сильвана Гунзикера, а также свобода, которой они пользовались в течение семестра, мотивировали их придерживаться этого, как и их промежуточные успехи и эффективность их методологии.
Возможность наблюдения экзопланеты из кампуса ETH Hoenggerberg с помощью транзитного метода оставалась открытым вопросом в начале проекта.
Наблюдения, подкрепленные методологией и алгоритмами
После двух лет обучения в ETH студентам понравилось заниматься этим независимым исследованием. Они написали алгоритмы, которые помогли им в проведении наблюдений, объединив данные из справочных баз данных уже обнаруженных экзопланет с прогнозами погоды.
Всякий раз, когда алгоритмы предлагали возможность наблюдения, они проводили ночь у телескопа. Они делали от 100 до 200 снимков в сутки. Эти наблюдения были учтены в проекте Томаса Бирбахера, который осуществлялся в течение семестра и был направлен на улучшение анализа собранных данных.
Каждый вечер в ходе наблюдений собиралось от 30 до 50 ГБ данных. Томас Бирбахер проанализировал их в поисках примерно двухчасового транзита "Горячего Юпитера". Незначительное отклонение кривой блеска, происходящее во время транзита, слишком мало, чтобы человеческий глаз мог его обнаружить.
16 миллионов звезд - за какими из них мы охотимся?
Данные, охватывающие 16 миллионов звезд, можно найти в справочной базе данных. Студенты сравнили эти данные со звездами на снимках, чтобы узнать, какие звезды они сфотографировали. Специально созданные цифровые фильтры использовались для снижения фонового шума, вызванного неоптимальными погодными условиями. Томас Бирбахер запрограммировал эти фильтры специально для учебного телескопа.
В этом процессе быстро стала очевидной важность взаимодействия между наблюдениями, техническим оборудованием, продуманными алгоритмами, статистикой и конкретным анализом данных в процессе накопления научных знаний.
Хорошая подготовка: " Astrowoche" и Физическая лаборатория
Некоторые из студентов уже приобрели практический опыт во время курса "Astrowoche" на физическом факультете и в лаборатории "Физика 3+4". Там они быстро поняли, как их радуют эти испытания. Все трое в настоящее время специализируются на экзопланетных исследованиях и продолжают обучение в магистратуре.
