40 cm Teleskop am Wendelstein - Einführung Astrophysikalisches Praktikum an der Uni-Sternwarte durch Remote-Beobachtung am Wendelstein

Fortgeschrittenenpraktikum II (V.1) (Bachelor)
Astrophysikalisches Praktikum an der Uni-Sternwarte
durch Remote-Beobachtung am Wendelstein

                           Einführung
                                                 Arno Riffeser
                          WiSe 2018/19           Stella Seitz
                                                 Johannes Koppenhöfer

       40 cm Teleskop am Wendelstein

Vorlesungsverzeichnis
Veranstaltungsnummer: 17300 (Physik mit Vertiefung Astro), 17043 (Physik)

Das gesamte Praktikum findet im Vorlesungssaal der Universitäts-Sternwarte statt.
Das 40cm Teleskop am 70 km entfernten Wendelstein kann von dort aus über Terminals gesteuert werden.
Beobachtet werden die Messier-Objekte, die mitunter die schönsten Objekte am Sternenhimmel sind.
Die max. 4 Gruppen (8 Teilnehmer) wechseln sich ab, um die aktuell besten Objekte zu beobachten und
erarbeiten sich selbst, welche Belichtungszeiten und Filter optimal sind.

Das Praktikum gliedert sich in 7 Arbeitschritte:
      1) Einführung (1h) Mi. 17.10.2018, 17:00 Uhr
      2) Beobachtungsvorbereitung (2h)
      3) Hausarbeit (2h)
      4) Nacht-Beobachtung (8h)
      5) Datenauswertung (5h)
      6) Hausarbeit zur Vorbereitung der Präsentation (5h)
      7) Präsentation in Form von Kurzreferaten (2h)
Die Termine werden bei der Vorbesprechung bekannt gegeben.
Die Teilnehmerzahl ist auf maximal 8 Studierende begrenzt.

Voraussetzung: Zu den Vorlesungen E1, E2, E3 und E4 äquivalente Vorkenntnisse (z.B. im Ausland
erworben) können anerkannt werden.

Literatur
Praktikumsordnung, Laufzettel werden bei der Einführung verfügbar.

Nachweis
Credits: 3 ECTS

Arbeitschritte

Das Praktikum simuliert in sehr vereinfachter Form
den Beobachtungsalltag eines Astrophysikers:

1.   Idee
2.   Beobachtungsplanung
3.   Beantragung von Beobachtungszeit (Hausarbeit)
4.   Nacht-Beobachtung
5.   Datenauswertung
6.   Vorbereitung der Präsentation (Hausarbeit)
7.   Präsentation der Ergebnisse

1. Idee: Messier Objekte

Charles Messier (1730-1817)

§   1744: appearance of the
    Great Six-Tailed Comet

§   1748: annular solar eclipse
    visible in his home-town

§   1751: first job at the
    French Navy in Paris,
    deputy of Nicholas Delisle
    at Hotel de Cluny

Charles Messier (1730-1817)
§   1753: Mercury Transit

§   1757/58: Searching for
    comet Halley (lost the
    race against J.G. Palitsch)

§   1758: first comet discovery (of 13 in total)

§   1761: Venus-Transit

§   1772: his wife and son died within 11 days
    after birth

Charles Messier (1730-1817)
§   1774: first catalog (45 objects)

§   1780: collaboration with P. Mechain

§   1781: final catalog (103 objects), M102?

§   1781: observations of Uranus which was found by
    W. Herschel

§   20th century: seven more objects were considered
    to be detected by Messier/Mechain

The Messier-Catalog with 110 objects

§ 55 star clusters
  §   29 globular, 26 open
§ 40 galaxies:
  §   27 spirals, 11 elliptical, 1 irregular, 1 dwarf
§ 12 nebulae
  §   1 supernova rest, 4 planetary, 7 diffuse
§ 1 Milky Way cloud (M24)
§ 1 binary star (M40)
§ 1 asterism of 4 stars (M73)

Messier Objekte - Gruppen

 M1     M2     M3       M4        M5      M6     M7       M8       M9      M10
M11    M12    M13      M14       M15     M16    M17      M18      M19      M20
M21    M22    M23      M24       M25     M26    M27      M28      M29      M30
M31    M32    M33      M34       M35     M36    M37      M38      M39      M40
M41    M42    M43      M44       M45     M46    M47      M48      M49      M50
M51    M52    M53      M54       M55     M56    M57      M58      M59      M60
M61    M62    M63      M64       M65     M66    M67      M68      M69      M70
M71    M72    M73      M74       M75     M76    M77      M78      M79      M80
M81    M82    M83      M84       M85     M86    M87      M88      M89      M90
M91    M92    M93      M94       M95     M96    M97      M98      M99      M100
M101   M102   M103     M104      M105    M106   M107     M108     M109     M110

                                    Offener                       Elliptische und
   Nebel      Kugelsternhaufen                  Spiral Galaxien
                                  Sternhaufen                     Irreg. Galaxien

M51

M3

M45

Himmelsscheibe von Nebra   1700 v Chr.

M42

M57

The Messier-Marathon

§   DEC = -35...+70
§   challenge: observe all Messier-objects in one
    night
§   possible with 20cm telescope
§   preferred time: March/April around new Moon
§   # objets visible in Nov/Dez: ~90
§   available: 2x7cm binocular + 20cm Meade
    reflector

The New General Catalog (NGC)

§ published by John Louis Emil Dreyer in 1888
§ based on observations by
  William+John Herschel
§ 7840 objects
§ includes (almost) all Messier objects
§ Two supplements published in 1895/1908
  with
  5386 additional objects → Index Catalog (IC)

N
 1.12. 18:00

               O                     W

                          Meridian
Objekte sind nicht alle
gleichzeitig sichtbar,
sondern kulminieren im
Laufe der Nacht...
                               S

2. Beobachtungsvorbereitung (??.10. ??:00)

§    Welcher Zeitpunkt für die Beobachtung ist optimal?
§    Wann “kulminieren” meine Objekte?
§    Wie ermittle ich die aktuelle Sternzeit LST?
§    Welche Anzahl an Objekten möchte ich
     beobachten?
§    Welche Filter?
§    Ist für das Objekt hohes Signal-zu-Rauschen oder
     Farbinformation wichtig?
§    Welche Belichtungszeit?
§    Welche Flächenhelligkeit hat mein Objekt?

3. Beobachtungszeiten
Vorbereitung als Hausarbeit abgeben
 Slot (1:00 h)     1         2         3         4
    18:30        M?? M??

    19:30                  M?? M??
                             M??
                           NGC????

    20:30                                      NGC????
                                               M?? M??

    21:30                            M?? M??
                                     M?? M??

    22:30                                      NGC????
                                               M?? M??

    23:30                  M?? M??
                           M?? M??

     0:30        M?? M??
                 M?? M??

     1:30                            M?? M??
                                     M?? M??

     2:30

4. Nacht-Beobachtung (Oktober/November)
•    Remote von der USM-Hörsaal aus
•    Über Laptops loggen wir uns in den Beobachtungsrechner ein.
•    Befehle werden über Kommandozeile eingegeben
•    Linux-Kenntnisse sehr sinnvoll

1)   Kalibrationsaufnahmen
     n   noch bei Tag
     n   zu Beginn und am Ende der Nacht
     n   sogenannte bias-, dark-, flat- Aufnahmen
2)   “Science” - Aufnahmen in bestimmten Filtern
     n   CCD Kamera zählt Photonen ohne Farbinformation => Filter
     n   maximal 250000 Photonen / arcsec2 => mehrere Einzelaufnahmen
     n   bei nautischer Dunkelheit
         = Sonne unterhalb -12 Grad unter dem Horizont
     n   wenn möglich im Meridian HA=0, d.h. wenn die Objekte kulminieren
     n   besser noch, wenn HA > 0, wegen “Deutscher Montierung”
3)   dazwischen: fokussieren, Filterwechsel

Zeit während die anderen Gruppen beobachten
 1) Messier-Marathon mit außen aufgebautem
    Reflektor Meade 20 cm und 2 x 7 cm Binokular
 2) direkte Beobachtung mit dem Fraunhofer
    28.5 cm Refraktor aus dem Jahr 1837
 3) gemachte Aufnahmen kontrollieren und eventuell
    Strategie anpassen
 4) Informationen zu den Objekten sammeln
 5) Bilder der anderen Gruppen ansehen
 6) Vorbereitete Aufgaben lösen

Nacht-Beobachtung: Terminmöglichkeiten

§ Voraussetzungen:
  n   Nachtbeobachter am Wendelstein
  n   kein Vollmond
§ 2 Termine zeitlich nahe zum Neumond:
     7.11. 7.12.
     jeweils +/- 6 Tage
§ bei guter Wettervorhersage:
  §   4 Tage vorher über Email: Wer hat Zeit?
  §   die ersten, die sich melden, dürfen beobachten!
  §   wenn Termin klappt: Bekanntgabe 1 Tage vorher

5. Datenauswertung (Dezember/Januar)

1) Verarbeitung der Kalibrationsaufnahmen
2) Korrektur der Objektaufnahmen
3) geometrische Angleichung der Objektaufnahmen
4) Summation der Aufnahmen => Belichtung mit
   weniger Rauschen
5) Erstellung von Mehrfarbenbildern

6 + 7. Präsentation (Januar/Februar)
in Form von Kurzreferaten mit Poster (10 bis 20 min):
1) Einleitung zu den Objekten
2) Überblick über die Beobachtungen
3) Datenauswertung
4) Ergebnisse in Form von Bildern
5) Fragen und Diskussion
wichtig: eure Namen, Referenzen für externe Figuren,
und Beschriftung des Koordinatensystem und der Bildfeldgröße
Alle Gruppenteilnehmer wechseln sich während der
Präsentation ab

Literatur
1)   Astronomie und Astrophysik: Ein Grundkurs
     Weigert, Wendker & Wisotzki
     Wiley

2)   Der neue Kosmos: Einführung in die Astronomie und Astrophysik
     Unsöld & Baschek
     Springer

3)   Physik der Sterne und der Sonne
     Scheffler & Elsässer
     Spektrum Akademischer Verlag

4)   Galactic Astronomy
     Binney & Merrifield
     Princeton University Press