Projektkurzfassung

Spektroskopiepreis Nachwuchsförderung
Die zwei Fragezeichen und das
Geheimnis der Dunklen Materie
– Spektroskopische Bestimmung von
Galaxienrotationskurven
Spektroskopiepreis Nachwuchsförderung 2015 – VDS Fachgruppe Spektroskopie
von Tobias Schepers und Kevin Hoffmann
Spektroskopiepreis Nachwuchsförderung I VDS FG Spektroskopie
INHALTSVERZEICHNIS
1. EINLEITUNG
3
2. ARBEITSGRUPPE
2.1 Gruppenmitglieder
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2.2 Durchgeführte Projekte
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2.3 Projektbetreuer
5
3. DAS PROJEKT
3.1 Projektfindung
5
3.2 Spektroskopische Bestimmung von Galaxienrotationskurven
6
3.3 Zeitlicher Rahmenplan
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3.4 Theoretischer Hintergrund
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3.5 Der Spektrograph GRAVES
8
4. AUSBLICK
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5. ANHANG
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KURZFASSUNG
Ein seit über 40 Jahren bestehendes Problem der astronomischen Forschung ist das anormale
Rotationsverhalten von Galaxienscheiben. Anders als auf Keplerbahnen zu erwarten, rotieren Sterne
in weiter Entfernung vom Galaxienzentrum mit nahezu derselben Bahngeschwindigkeit wie Sterne,
die sich nahe am Galaktischen Kern befinden.
Mittels eines selbstkonstruierten Spektrographen beabsichtigen wir, Galaxienrotationskurven am
Himmel zu messen und diese auszuwerten. Die Datenauswertung basiert auf der Bestimmung der
Dopplerverschiebung entlang der Galaxienebene.
Anschließend sollen die beobachteten Ergebnisse mit dem aktuellen Stand der Forschung verglichen
werden.
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1. EINLEITUNG
Heutzutage hat fast jedes Schulkind den Begriff der „Dunklen Materie“ schon einmal gehört und auch
im Alltag begegnet uns dieser Ausdruck immer wieder in den Nachrichten, wissenschaftlichen
Zeitschriften oder sozialen Netzwerken. Es lässt sich jedoch erahnen, dass wirklich nur die Wenigsten
mit diesem Thema etwas anfangen können.
Noch vor wenigen Jahrzehnten war die „Dunkle Materie“ auch unter Kreisen der Wissenschaftler ein
vollkommen neues und hochinteressantes Thema. Daran hat sich auch bis heute kaum etwas
geändert, da die Existenz der Dunklen Materie noch immer eines der größten ungelösten Rätsel der
aktuellen Astrophysik darstellt.
Die vorausgesagte Existenz der Dunklen Materie führt in Galaxien zu einer größeren
Rotationsgeschwindigkeit, als wie es durch die sichtbare, leuchtende Materie zu erwarten wäre.
Ziel des Projektes ist es, durch eigene Messungen von Rotationskurven innerhalb von Spiralgalaxien
einen möglichen indirekten Nachweis von der Existenz der Dunklen Materie zu erbringen.
Nichts verrät uns so viel über die verschiedenen zu beobachtbaren Objekte im Universum wie die
Spektroskopie und so ist es nicht verwunderlich, dass fast 85% der gesamten astronomischen
Entdeckungen mittels dieser Beobachtungstechnik gemacht wurden(1). Für uns wurde schnell klar,
dass die Spektroskopie den effektivsten Weg darstellt, um Antworten zu den verschiedensten
astronomischen Phänomenen zu erlangen.
Wir sind schon bis jetzt sehr überrascht, welche vielen interessanten und lehrreichen Erfahrungen
wir allein durch die Beschäftigung mit diesem Forschungsgebiet erlangen konnten und sind gespannt,
was in kommender Zeit noch folgen wird.
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2. DIE ARBEITSGRUPPE
Dieses Projekt führen wir am Bildungs- und Forschungszentrum Berlin (BFZ) durch, wobei wir hier
auch fachlichen Rat finden können und die notwendigen Mittel, wie ein Teleskop, zur Verfügung
gestellt bekommen, um das Projekt in diesem Maße durchführen zu können. Zudem steht uns dort
eine gut ausgestattete Werkstatt zur Verfügung, um die notwendigen Konstruktionen realisieren zu
können. Seit Beginn der Themenfindung arbeiten wir zu zweit an diesem Projekt und führen es
gemeinsam durch, da sich in Gruppenarbeit manche Aufgaben einfacher lösen lassen und durch
Arbeitsteilung ein schnellerer Fortschritt erzielt werden kann.
2.1 Gruppenmitglieder
Wir haben uns im Sommer 2014 im Bildungs- und Forschungszentrum Berlin kennen gelernt,
während wir an dem Schülerforschungszentrum an Projekten für Jugend forscht arbeiteten. Nach der
diesjährigen Wettbewerbsrunde entschieden wir uns, aufgrund der gemeinsamen Interessen an der
Astronomie ein gemeinsames Projekt durchzuführen. Somit nehmen wir mit diesem Projekt auch an
der kommenden 51. Wettbewerbsrunde von Jugend forscht teil. Außerdem stellt die diesjährige
Teilnahme unsere letzte mögliche Gelegenheit dar, im Rahmen solcher Wettbewerbe ein eigenes
Projekt durchzuführen, da für uns im kommenden Jahr eine Teilnahme leider nicht mehr möglich ist.
Des Weiteren haben wir auch schon gemeinsam nächtliche Beobachtungen mit Teleskopen
durchgeführt und führen am BFZ verschiedenste Experimente und Versuche anderen Schulklassen
vor. Darüber hinaus sind wir selbst als Betreuer anderer Jugend forscht Projekte am BFZ tätig und
unterstützen die Schüler bei deren Durchführung und beim Experimentieren.
Tobias (achtzehn Jahre) hat diesen Sommer das Abitur fertig abgeschlossen und beginnt zum
Wintersemester 2015/16 mit dem Studium von Maschinenbau an der Technischen Universität Berlin.
Kevin (einundzwanzig Jahre) wird voraussichtlich im Sommer 2016 sein Abitur am
Oberstufenzentrum Lise-Meitner abschließen.
2.2 Durchgeführte Projekte
Wir haben bisher an verschiedenen naturwissenschaftlich-technischen Wettbewerben teilgenommen
und uns in diesem Zusammenhang mit astronomischen Fragestellungen beschäftigt.
Im Jahr 2013 beschäftigte sich Tobias beim 4. Bundesweiten Wettbewerb Astronomie mit dem
Problem der Lichtverschmutzung, wobei diese dokumentiert und die durchgeführten Beobachtungen
ausführlich ausgewertet wurden (2. Platz).
Beim 5. Bundesweiten Wettbewerb Astronomie wurde die Photosphäre der Sonne an der WilhelmFoerster-Sternwarte mittels Projektionsmethode und im H-Alpha-Licht von Tobias beobachtet, wobei
diesmal sogar der erste Platz belegt werden konnte. Hierfür wurden die aufgetretenen Phänomene
auf der Sonne fotografisch sowie zeichnerisch dokumentiert und ausgewertet. Basierend auf den
eigenen Beobachtungen konnte die Rotationsdauer der Sonne berechnet werden. Ein Artikel zu
dem Projekt ist unter folgendem Link zu finden:
https://www.bresser.de/c/de/news/item/archive/2014/08/01/article/bresser-unterstuetzt-doppelt1/
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Die Veröffentlichung der schriftlichen Arbeit lässt sich hier finden:
http://archive.bresser.de/fileadmin/News/5._BWA_Tobias_Schepers_Sonne.pdf
Im Rahmen des Wettbewerbs Jugend forscht konnte Tobias mit dem Projekt „PREGES Prediction
System of Geomagnetic Storms – Ein alternatives System zur Vorhersage von Sonnenstürmen“ im
Fachgebiet Geo- und Raumwissenschaften den ersten Platz auf dem Regionalwettbewerb Berlin Nord
sowie den zweiten Platz auf dem Landeswettbewerb Berlin belegen. Hierfür wurde ein
Antennensystem konstruiert, welches erhöhte Ultraviolett- und Röntgenstrahlung von der Sonne
nachweisen kann. Die registrierten Daten wurden nach Zusammenhängen zu anderen
Sonnenerscheinungen untersucht und ein Vorhersagemodell für geomagnetische Stürme entwickelt.
Gleichzeitig konnte mit dem Projekt beim Schülerwettbewerb TECCI 2015 der zweite Platz belegt
werden.
Darüber hinaus ist es Kevin im Fachgebiet Physik bei Jugend forscht gelungen, Plasma mit einfachen,
kostengünstigen Mitteln selbst zu erzeugen. Bei einer späteren Wettbewerbsrunde beschäftigte er
sich mit der Erzeugung und Simulation von Protuberanzen mittels starken Magnetfeldern.
2.3 Projektbetreuer
Sobald wir auf fachliche Fragen stoßen, die wir vorläufig alleine nicht lösen können, oder wenn es um
allgemeine, organisatorische Themen geht, können wir uns zu jeder Zeit vertrauensvoll an unsere
Betreuer wenden. Wir sind der Meinung, dass bei der Umsetzung eines Schülerprojektes auch die
Betreuer einen wesentlichen Beitrag zum Gelingen beitragen, weshalb wir sie an dieser Stelle
erwähnen möchten. Seit Beginn des Projektes haben uns Herr Christopher Förster und Herr Roland
Lederer vom Bildungs- und Forschungszentrum Berlin in schwierigen Situationen motiviert, an
diesem Projekt festzuhalten und es weiter zu verfolgen.
3. DAS PROJEKT
3.1 Projektfindung
Im Frühjahr diesen Jahres waren wir auf der Suche nach einer neuen Projektidee für den
kommenden Jugend forscht Wettbewerb 2016. Uns war schnell klar, dass wir ein Projekt im Bereich
der Astronomie durchführen möchten, da wir beide schon lange Zeit von dieser faszinierenden
Wissenschaft begeistert sind.
Im Mai diesen Jahres haben wir uns dazu entschieden, das im Folgenden beschriebene Projekt
durchzuführen, und haben zeitgleich mit den dazugehörigen Planungen begonnen. Wir haben schnell
festgestellt, dass die Spektroskopie unerlässlich ist, um wissenschaftlich die Astronomie ausführlich
betreiben zu können, um am Ende an aussagekräftige Daten zu gelangen. Somit stand für uns fest,
dass wir uns auf jeden Fall an dieses interessante Fachgebiet wagen wollen. Die Idee zu diesem
Projekt entstand, als wir darüber nachgedacht haben, ob es möglich sei, lichtschwache
Flächenobjekte wie Galaxien mit amateurtypischen Instrumenten spektroskopieren zu können. Nach
ersten Recherchen wurde uns klar, dass das Thema der Dunklen Materie einen spannenden Anreiz
darstellt, um sich im Rahmen eines Spektroskopieprojektes mit einer wissenschaftlich relevanten
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Fragestellung zu beschäftigen. Nach einigen fachmännischen Gesprächen mit Experten von der
Wilhelm-Foerster-Sternwarte und vom Leibniz Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) stand für uns
schließlich fest, dass die Spektroskopie von Spiralgalaxien und die eigenständige Messung von
Rotationskurven Forschungsgegenstand unseres neuen Projektes werden sollte.
Bei der Themenfindung war uns besonders wichtig, dass das Projekt auch von Amateuren auf dem
Gebiet der Spektroskopie noch nicht allzu ausführlich behandelt worden ist. Bevor wir dieses Projekt
begannen, musste ausführlich recherchiert werden, wie der aktuelle Wissensstand der modernen
Forschung hierzu aussieht.
Während unserer Recherchen zu diesem Projekt sind wir im April 2015 auf die Fachgruppe
Spektroskopie der Vereinigung der Sternfreunde e.V. gestoßen. Hierdurch sind wir auch auf den
„Spektroskopiepreis Nachwuchsförderung“ aufmerksam geworden.
3.2 Spektroskopische Bestimmung von Galaxienrotationskurven
Unser Projekt mit dem Titel „Die zwei Fragezeichen und das Geheimnis der Dunklen Materie –
Spektroskopische Bestimmung von Galaxienrotationskurven“ beinhaltet die verschiedensten
Herausforderungen: Von dem Verständnis der Theorie von Galaxienrotationskurven über die
Berechnung eines geeigneten Spektrographen und dessen Bau bis hin zum Messverfahren und der
Auswertung der eigenen Daten. Genau diese Vielseitigkeit stellt für uns einen besonderen Reiz dar.
Zur Messung von Galaxienrotationskurven wird ein Spektrograph benötigt. Im Handel erhältliche
Spektrographen fallen für uns jedoch aufgrund der hohen Kosten und groben Spezifikationen nicht in
Betracht. Somit stand für uns schnell fest, dass wir selber einen entwerfen und bauen werden, der
auf die wissenschaftlichen Anforderungen genauestens abgestimmt sein muss. Hierfür müssen u.a.
die geforderte Wellenlänge, Auflösung und Empfindlichkeit bekannt sein. Außerdem spielen dabei
noch die Randbedingungen, wie das zur Verfügung stehende Teleskop, die Kamera oder auch das
Gitter, eine wichtige Rolle. Letztendlich werden aber auch das mögliche Budget und die
Realisierbarkeit ein entscheidender Faktor sein.
Ziel des Projektes ist die Bestimmung von Rotationskurven von Spiralgalaxien mittels
spektroskopischer Methoden. Wir wollen herausfinden, ob es Amateuren mit relativ einfachen
Mitteln möglich ist, sich an der aktuellen Forschung zu beteiligen und die Forschungsarbeit
professionell arbeitender Astronomen selber nachvollziehen zu können. Ist die aktuelle
wissenschaftliche Arbeit nur den Großsternwarten vorbehalten oder können in Zukunft auch Schulen
mit eigenem Equipment den indirekten Nachweis der Dunklen Materie nachempfinden?
Nach Abschluss des Projektes wollen wir dieses auch Schulen und wissenschaftlichen Einrichtungen
zur Verfügung stellen, um selbst mittels der Spektroskopie anderen Schülern und Jugendlichen die
Astronomie näher bringen und erlebbar machen zu können.
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3.3 Zeitlicher Rahmenplan
Seit Beginn der Themenfindung vor ungefähr einem halben Jahr ist das Projektziel ein ganzes Stück
näher gerückt. Das Spektroskopieprojekt soll bis Januar 2016, zur Einreichfrist der schriftlichen
Arbeiten bei Jugend forscht, beendet sein. Die theoretische Ausarbeitung ist hierfür größtenteils
abgeschlossen und umfasst den notwendigen fachlichen Hintergrund, die Berechnung des
Spektrographen und den Bauplan zu dessen Konstruktion.
Nachdem die CAD-Zeichnungen der notwendigen Komponenten erstellt waren, wurde vor einem
Monat mit dem Konstruieren des Spektrographen begonnen. Aufgrund von Materiallieferungen kam
es hierbei jedoch zu leichten Verzögerungen, so dass dieser bis spätestens Ende Oktober fertig sein
wird. Im Anschluss daran wird mit den Messungen begonnen, so dass diese danach verarbeitet und
ausgewertet werden können.
3.4 Theoretischer Hintergrund
Bereits in den 1930er Jahren gab es erste Hinweise auf die Existenz der Dunklen Materie, als diese
durch den Schweizer Astronomen Fritz Zwicky durch Untersuchungen von Bewegungen der Galaxien
im Coma-Galaxienhaufen vermutet wurde. Die Galaxien bewegten sich viel zu schnell als wie es die
sichtbare Materie aus Sternen, Gas und Staub mit ihrer Schwerkraft zulassen würde. Als Erklärung
wurde das Vorhandensein einer weiteren, nicht sichtbaren und unbekannten Materie angenommen,
die für einen Zusammenhalt der Himmelskörper sorgt.
Die eigentliche Aufmerksamkeit erlangte
das Thema der Dunklen Materie aber erst
vor 55 Jahren, als Vera Rubin im Jahr 1960
Analysen zu Umlaufgeschwindigkeiten
von Sternen in Spiralgalaxien durchführte.
Statt eines durch Keplerbahnen zu
erwartenden Abfalls der Rotationsgeschwindigkeiten
innerhalb
der
Galaxien, stellte Rubin fest, dass sich die
Sterne in den äußeren Galaxiengebieten
genauso schnell wie die Sterne im
Galaxienzentrum
Abbildung 1).
bewegten
Abbildung 1: Rotationskurve einer Spiralgalaxie
(siehe
Zur Messung der Radialgeschwindigkeiten von Galaxien bedient man sich dem Effekt der
Dopplerverschiebung. Bekannt ist dieses Phänomen aus dem Alltag durch die Bewegung eines
Einsatzwagens mit Sirene, bei dem man bei der Entfernung des Fahrzeuges einen tieferen Ton
wahrnimmt und bei Näherung einen höheren Ton. Analog dazu kann dieser Effekt auf die Bewegung
von Galaxien übertragen werden. Bei einer Annäherung erscheinen kosmische Objekte
blauverschoben und bei einer Wegbewegung rotverschoben.
Die Radialgeschwindigkeiten der sichtbaren Materie einer Galaxie können damit durch
spektroskopische Messungen bestimmt werden. Hierbei kann die allgemeine Rotverschiebung
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ignoriert werden, da in unserem Fall nur Radialgeschwindigkeiten von Objekten innerhalb der Galaxie
relevant sind.
Um von ionisiertem Gas auf die Rotation der Galaxien schließen zu können, werden Emissions- und
Absorptionslinien genutzt. Es muss dabei berücksichtigt werden, dass das gesamte
Geschwindigkeitsfeld der Galaxie durch den Spektrographen abgedeckt werden sollte, weshalb ein
Long-Slit-Spektrograph benötigt wird. Gängige Emissionslinien sind hierfür die Spektrallinie der
H-alpha-Linie des Wasserstoffs bei 656,3nm bzw. des einfach ionisierten Schwefels [SII] bei 671,6nm.
3.5 Der Spektrograph GRAVES
Der für dieses Projekt entwickelte Spektrograph wurde auf den Namen GRAVES getauft, was für die
Abkürzung „Galaxy Rotation and VElocity Spectrograph“ steht.
GRAVES wird für einen Wellenlängenbereich von 656,3nm optimiert sein, da Messungen im H-alphaLicht auch weit über den sichtbaren Bereich von Galaxien hinaus reichen und sich daher sehr
anbieten(2).
Unter der weiteren Annahme einer durchschnittlichen Rotationsgeschwindigkeit der Spiralgalaxien
von 200 km/s muss der Spektrograph eine erforderliche Auflösung von 0,437 Nanometer erreichen.
Dies wird durch die Verwendung eines Achromats mit einer Brennweite von 80 Millimeter als
Kollimator und einem Achromat mit einer Brennweite von 50 Millimetern als Objektiv erreicht.
Darüber hinaus besitzt GRAVES ein Reflektionsgitter von 1200 Linien sowie einen reflektierenden
Spalt mit einem Durchmesser von 25,4 Millimeter und einer Spaltbreite von 50 Mikrometer. Im
Strahlengang wird ein Umlenkspiegel eingebracht, um die Bauform möglichst kompakt zu halten.
Durch einen vor dem Spalt befindenden Strahlteiler mit einer Reflektion von 10% kann das Teleskop
mittels einer Guidingkamera nachgeführt werden.
Basierend auf den notwendigen Anforderungen des Anwendungsbereiches und der bereitstehenden
Ausrüstung eines 10-Zoll Schmidt-Cassegrain-Teleskops und einer gekühlten Astrokamera SBIG STL
6303E konnten die angegebenen, notwendigen Eigenschaften des Spektrographen bereits ermittelt
werden. Hierbei haben wir hilfreiche Anregungen und Tipps durch Daniel Sablowski und Andreas Kelz
vom AIP erhalten und eine Menge lernen können.
Darüber hinaus konnten bisher einige weitere Schritte bereits umgesetzt werden, so dass zum
Beispiel mit dem Programm „WinLens3D Basic“ (V.1.2.6) die Optiken überprüft wurden (siehe
Abbildung 2) und mittels des CAD-Programms „AUTODESK AUTOCAD 2016“ die Optikhalterungen
und das Spektrographengehäuse designt wurden (siehe Abbildung 3).
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Abbildung 2: Simulation des Kollimators und Objektivs von GRAVES
(WinLens 3d Basic, V1.2.6)
Abbildung 3: Ausschnitt einer CAD-Zeichnung der Grundplatte des geplanten
Spektrographengehäuses (AUTODESK AUTOCAD2016)
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4. AUSBLICK
Verwendung des Preisgeldes
Leider mussten wir bis jetzt feststellen, dass der Spektrograph größer als geplant wird. Für GRAVES
wurden Linsen mit einem größeren Durchmesser verwendet, als wie es dafür notwendig ist. Aus
diesem Grund planen wir, den Spektrographen in kompakterer Bauform mit kleineren Linsen
nachzubauen. Das Preisgeld soll daher für die benötigten Optiken und Komponenten des
kompakteren Spektrographenmodells eingesetzt werden. Dieser wird voraussichtlich auch
wesentlich effektiver eingesetzt werden können, da wir dafür vielmehr Erfahrung bezüglich der
Konstruktion eines Spektrographen besitzen. Den kompakten Spektrographen wollen wir dann für
Messungen an weiteren Teleskopen des BFZ nutzen, um die Galaxien gleichzeitig aufnehmen zu
können, so dass ein Vergleich der Messungen untereinander möglich ist.
Außerdem planen wir, den Spektrographen für Schulen und naturwissenschaftlichen Arbeitsgruppen
zur Verfügung zu stellen, damit das Erlebnis der Spektroskopie unterrichtsbezogen angewendet
werden kann. Das Projekt soll durch eine mögliche Verleihung des Spektrographen auch
Schulsternwarten zugänglich gemacht werden. Der neue Spektrograph kann darüber hinaus auch
anderen Schülerprojekten des Bildungs- und Forschungszentrum Berlins zur Verfügung gestellt
werden.
5. ANHANG
[1] Harrison, Ken M: Astronomical Spectroscopy for Amateurs; 2011, Springer, S. V
[2] Y. Sofue & V. Rubin, Rotation Curves of Spiral Galaxies, 2001
[Abb. 1] http://hedrik.de/wp-content/uploads/2011/12/1112rotationskurve.jpg
(28.09.2015, 11:50 Uhr)
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Tobias Schepers
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