PlanetQuest-Hintergrund

Die Herausforderungen

PlanetQuest nahm im Jahr 2000 als Antwort auf zwei wichtige Probleme seinen Anfang.

© Lynette Cook, http://extrasolar.spaceart.org

Die grossen Planeten in unserem Sonnensystem haben alle Ringe und ziemlich grosse Monde. Manche der kürzlich entdeckten Planeten, solche wie hier abgebildet auf dieser schönen, künstlerischen Darstellung, könnten ebenfalls Ringe und Monde besitzen, vielleicht sogar genügend grosse, um bewohnbar zu sein. Im Gegensatz zu allen anderen Methoden zur Erkennung von Planten kann die Transitmethode auch potentielle Ringe und Monde um grosse Planeten erkennen.

Die Bildung in Mathematik und Wissenschaft ist überall auf der Welt in der Regel mangelhaft - insbesondere in Nordamerika - aber die Astronomie kann beide dieser Gebiete in einer Wissen schaffenden Weise vereinen. Wir glauben, dass die Ausbildung der nächsten Generation von scharfsinnigen Denkern oberste Priorität hat. PlanetQuest greift auf weltberühmte Sachkenntnisse zurück, um eine Vielzahl von Möglichkeiten zu bieten, mehr über Astronomie und andere Naturwissenschaften, Mathematik, die Geschichte der Wissenschaft und andere Themen zu lernen, bei denen Sie einen sichtbaren Forschritt erkennen können. Wir bieten auch kostenlose Stundenpläne für Schulen an und Vorschläge, wie Sie das PlanetQuest Collaboratory in den Lehrplänen von Primar- bis Hochschulen einsetzen können. Für Studenten und Promotivierte bieten wir eine grosse Vielfalt an interessantem Praktikum an - eine unglaublich praktische Lernmöglichkeit! Wir bei PlanetQuest sind hauptsächlich Pädagogen, abgesehen von den anderen Tätigkeiten, die wir ausüben.

Es existieren einige astronomische Datensammlungen, welche eine grossangelegte Bildaufbereitung von Millionen von Sternen über lange Zeiträume enthalten - und dies ist die optimalste Methode zur Erkennung von extrasolaren Planeten (Planeten um andere Sterne): der photometrische Transit. Um einen extrasolaren planetarischen Transit in riesigen Datensammlungen zu finden, wir vorausgesetzt, dass Millionen von Modellen von möglichen Transits mit aktuellen Lichtschwankungen eines jeden Stern über lange Zeiträume verglichen werden. Wir sahen hierbei grosses Potenzial im verteilten Rechnen (Distributed Computing), bei welchem grosse virtuelle Netzwerke geschaffen werden, indem man sich die bescheidene Rechenleistung von normalen, mit dem Internet verbundenen Heimcomputern zu Nutze macht. Unser Ziel ist es, jedermann für das Entdecken zu begeistern, indem man das verteilte Rechnen und die astronomische Forschung durch unsere Sachkenntnis auf eine neue Stufe bringt, um das weltgrösste astronomische Observatorium zu erschaffen - die Menschen dadurch, dass man ihnen ermöglicht, teilzunehmen und zu lernen, für Wissenschaft und Astronomie zu begeistern.

Spitzenforschung

PlanetQuest ist eine direkte Folge unserer Pionierarbeit im Gebiet der Planetenerkennung in den letzten fünfzehn Jahren. (Die für PlanetQuest arbeitenden Wissenschaftler haben im Ganzen über 100 Arbeiten zur Erkennung von extrasolaren Planten in angesehener wissenschaftlicher Fachliteratur veröffentlicht.

Die photometrische Transitmethode, die von PlanetQuest für die Suche nach Planeten um andere Sterne benutzt wird, misst einen Abfall in der Helligkeit des Sterns, wenn ein Planet sich vor ihm durchbewegt ("ein Transit stattfindet"). Die Planetenumlaufbahn muss sich sehr genau auf unserer Sichtlinie befinden, um erkannt zu werden, da der Planet in Wirklichkeit einen Schatten auf die Erde werfen muss. Zwischen 0.5 und 10 Prozent dieser planetarischen Umlaufbahnen sollten sich auf diese Art und Weise verhalten, abhänging von der Grösse der Planetenumlaufbahn und der Grösse des Zentralgestirns selbst.

Ein grosser Vorteil dieser Methode liegt darin, dass anstatt zu versuchen, einen Planeten um einen Stern nur zu einer bestimmten Zeit zu suchen (wie beispielsweise in der radialen Radialgeschwindigkeits-Methode, welche bis heute zu den meisten Entdeckungen extrasolarer Planeten geführt hat), zehntausende Sterne zur gleichen Zeit beobachtet werden können. Dies kann erreicht werden durch das Abbilden (Aufnehmen von photografischen Bildern) von dichten Sternregionen wie jene, welche sich in der Richtung der Ebene der Milchstrasse befinden. Die Bilder werden von einer auf einem Weitwinkelteleskop mit einem Meter Durchmesser montierten grossen CCD-Kamera aufgenommen.

Eine dichte Sternenansammlung in unserer Galaxie. Aufgenommen von PlanetQuest-Astronomen (Baade's Fenster in der 3. Region). Wir haben die Lichtkurven von über 64'000 Sternen in dieser Aufnahme gemessen.

Jede Aufnahme dieser Regionen ergibt eine Abbildung von tausenden von Sternen. Durch die Analyse aller Abbildungen zusammen können die Helligkeitsschwankungen eines jeden Sterns (dessen "Lichtkurve") zu jeder Zeit in drei Schritten untersucht werden. Dies ist die Aufgabe des Transit-Erkennungsalgorithmus (kurz TDA) im PQ-Collaboratory, welches von der Webseite heruntergeladen und auf den Computern der PlanetQuester eingesetzt werden können wird.

1. Der erste Schritt umfasst die Trennung der Helligkeit eines Sterns von seinen Nachbarn. Dies kann erreicht werden durch die Berechnung einer Blende um jeden Stern und das Zusammenrechnen der Helligkeit innerhalb dieser Blenden. Dies funktioniert vor allem dann gut, wenn sich der Stern gut sichtbar von den anderen abhebt und die Wetterbedingungen beim Observatorium in der Nacht ziemlich gut sind. Andernfalls muss der Stern mit einer sogenannten "Punktverteilungsfunktion" ("psf") versehen werden, mit der der Flächenschwerpunkt eines Sterns berechnet wird, um ihn von anderen Sternen, die sich nahe zu befinden scheinen, abzusondern, damit dann die eigentliche Helligkeit ermittelt werden kann.
   
2. Beim zweiten Schritt wird die Helligkeit eines jeden Sterns (die Lichtkurve eines Sterns) einer eingehenden Prüfung unterzogen, um sich zu vergewissern, ob es sich um einen variablen Stern handelt und, sollte dies der Fall sein, herauszufinden, um welche Art es sich handelt. Dies ist wichtig, weil es sowohl die Einstufung der Art des Sterns (wenn es beispielsweise eine Bedeckungsveränderliche ist) ermöglicht, als auch die Unterscheidung jeder periodisch auftretenden Veränderung der Flächenhelligkeit, welche durch Planetentransits verursacht werden. Es gibt ungefähr 200 bekannte Typen von variablen Sternen, und die von einem PlanetQuester gemachte Entdeckung irgendeiner dieser Arten wird ein wissenschaftlicher Beitrag darstellen - ihre Namen und ihre Entdeckung werden im PlanetQuest-Katalog für Entdeckungen aufgezeichnet und Teil der Geschichte astronomischer Forschung werden. Stabile Sterne werden des weiteren grosse Bedeutung haben als Referenzen von Standardhelligkeiten und wegen ihrer dauernd bewohnbaren Zonen (DBZ) als mögliche Ziele für SETI (Suche nach ausserirdischer Intelligenz) gehandhabt werden.
   
   

3. Tatsächlicher Abfall in einer Lichtkurve, welche auf einen Transit eines riesigen Planeten um den Stern HD209458 (HST STIS-Photometrie) hindeutet. Die Daten stammen von Brown et al. 2000. Die Tiefe eines theoretischen terrestrischen Planeten ist zum Vergleich dargestellt.

   Der dritte Schritt besteht aus dem Angleichen von Modellen verschiedener möglichen Planetenumlaufszeiten mit den viel kleineren Helligkeitsschwankungen in der Lichtkurve, welche durch eine Planeten verursacht werden könnten, der einen kleinen Teil des Sternlichts verdeckt, wenn er die Ekliptik passiert. Da aufgrund der irdischen Atmosphäre, Abweichungen in den Beobachtungskameras und auch stellarer Veränderungen selbst viele verschiedene Arten von "Funkeln" (Schwankungen in der Lichtkurve) eines Sterns hervorgerufen werden, müssen zum Aufspüren eines Planeten Millionen planetarischer Transitmodelle getestet und der Lichtkurve des Sterns angeglichen werden. Nur so kann herausgefunden werden, ob ein einzelner Abfall in der Helligkeit tatsächlich durch einen Transit eines Planeten verursacht worden ist. Diese Technik liefert Informationen über die Umlaufbahn des Planeten, dessen Umlaufzeit, Grösse und Zeitabschnitt (Anfangsstandort in seiner Umlaufbahn). Die Transitmodelle imitieren Abfälle verschiedener Grösse und Formen in der Lichtkurve und der TDA findet denjenigen, der am besten passt.Wenn eine wirklich gute Übereinstimmung gefunden wird, bedeutet dies die Entdeckung eines Planetenkandidaten und der PlanetQuester wird benachrichtigt, dass er einen möglicherweise einen Planeten entdeckt hat. Dessen Computer wird dann die PlanetQuest-Verwaltung kontaktieren, und der PlanetQuester wird (als ein Collaborator) für seine Entdeckung geehrt werden, sobald der Planet bestätigt wird.

Der Ansatz von PlanetQuest

Alle drei dieser Schritte können erheblich von einer Distributed Computing-Anwendung profitieren, welche die ungenutzte CPU-Leistung auf einem mit dem Internet verbundenen Computern ausnutzt, um daraus einen virtuellen Supercomputer zu erschaffen. Die daraus entstandene Computerplattform ist um vieles leistungsfähiger als alle konventionelle Supercomputer, da sie eine viel grössere Anzahl komplexer Berechnungen pro Sekunde bewältigen kann. Auch andere computergestützte komplexe wissenschaftliche Projekte wie SETI@home, Genome@home und Folding@home setzen diese Methode äusserst erfolgreich ein.

Während der letzten drei Jahre sind die Technologien hinter Distributed Computing weit fortgeschritten und erlauben eine eine effizientere Kommunikation und bessere Hilfsprogramme. PlanetQuest macht sich diese Möglichkeiten und Erfahrungen anderer Distributed Computing-Projekte zu Nutzen. Aber PlanetQuester verhelfen nicht nur anderen zu Entdeckungen; PlanetQuester werden selber zu Forschungsreisenden und Entdeckern! Das PlanetQuest-Collaboratory wird Sie dabei unterstützen, zu verstehen, was Sie, aber auch andere, entdeckt haben.

Eine Erklärung zur Funktionsweise des Collaboratories. Sie laden ein kleines Programm von der PlanetQuest-Webseite herunter, welches, sobald Sie es installiert haben, als Hintergrundprozess ausgeführt wird. Als Hintergrundprozess befindet sich der PlanetQuest-Browser solange im Leerlauf, bis er erkennt, dass Ihr Computer nicht mehr in Verwendung ist. Nun wird das PlanetQuest-Programm ein kleines Paket zusammenhändender Daten planetarischer Aufnahmen vom zentralen PlanetQuest-Server holen. Ihr Computer beginnt dann mit der Analyse dieser Daten - aber auch nur dann, wenn Sie PlanetQuest die Erlaubnis erteilen anzufangen, oder erkannt wird, dass der Computer gerade keine Verwendung findet. Das PlanetQuest-Collaboratory wird die Eigenschaften des Sterns, welchen Sie gerade untersuchen, zusammen mit einer Aufnahme der Gegend des Sterns, sowie anderen Informationen zum Stern, wie seine Farbe, Grösse, Entfernung, Spektraltyp, Art der Variabilität usw. anzeigen. Sie können mit Hilfe in das Collaboratory integrierter Werkzeuge mehr über Ihren Stern und seine nähere Umgebung herausfinden.

Internetverweise ermöglichen es Ihnen, noch mehr Hintergründe über den Stern und sein näheres Himmelsgebiet, welchen Sie untersuchen, herausfinden und mehr über verwandte Themen der Astrophysik auf vielen verschiedenen Schwierigkeitsgraden - von sehr grundsätzlichem Text zu Kopien technischer Schriften aus renomierten Fachzeitschriften - erfahren. Ob Sie nun ein Grundschüler oder ein Professor sind, Sie werden bestimmt etwas finden, dass Ihre Neugier befriedigt. Sie werde auch in der Lage sein, zusätzliche Premium-Inhalte zu abonnieren, indem Sie der PlanetQuest-Akademie beitreten. Dies wird Video- und Audio-Streamings aus dem Internet umfassen, Verfahren der PlanetQuest-Akademie, Zertifikate von Entdeckungen, spezielle astronomische und wissenschaftliche Reisemöglichkeiten, sowie Sonderpreise für PlanetQuest-Kleidungsstücke und Caps. Wir werden auch spezielle Geschenke der PlanetQuest-Mitgliedschaften anbieten, damit Sie nicht allein suchen müssen! Bringen Sie einen Freund für dieses Abenteuer mit!