CFG-Erfolg bei Jugend forscht 2021

von Bernd Koch

Der Regionalwettbewerb Jugend forscht 2021 konnte Corona bedingt leider nicht im altehrwürdigen Gründer- und Technologiezentrum der Stadt Solingen ausgetragen werden. Wer diese Veranstaltung dort einmal besucht, der weiß, wie anregend die Diskussionen mit den teilnehmenden Schülern und der Schüler untereinander sind. Schüler, Betreuer und Gäste trafen sich erst bei der Preisverleihung, die online per ZOOM-Konferenz am 27. Februar 2021 stattfand.

Unsere vier CFG-Schüler gingen mit drei Arbeiten ins Rennen. Neben den beiden astronomischen Arbeiten von Sven de Vrieze (Q2), bzw. Adrian Groh / Ashraf Lutfi (beide Q2) in der Sparte Geo- und Raumwissenschaften (beide betreut von Bernd Koch), nahm Lukas Kretschmann (Q1) mit einer Arbeit im Bereich Physik teil. Die Region Bergisches Land kann aus allen eingereichten Forschungsarbeiten normalerweise nur zwei Sieger küren, die automatisch am NRW-Landesentscheid teilnehmen. Jufo-Leiter Sascha Bergfeld vom Humboldt-Gymnsium Solingen erreichte bei der Landesleitung Jugend forscht jedoch, dass ein weiterer erster Platz vergeben werden durfte. Lukas Kretschmann mit seinem Thema „Bestimmung der Top-Quark-Masse“ und Sven de Vrieze mit seinem Thema „Neuvermessung der Parameter des Exoplaneten-Transits von Qatar-5b“ erreichten erste Plätze. Adrian Groh und Asraf Lutfi erreichten den zweiten Platz. Lukas Kretschmanns Arbeit wird zu gegebener Zeit hier vorgestellt.

1. Platz: Sven de Vrieze

Kurzfassung: Der Exoplanet Qatar-5b ist ein sogenannter heißer Jupiter, welcher 2016 vom Qatar Exoplanet Survey entdeckt wurde und im Sternbild Andromeda zu finden ist. Dort umkreist er in 2,87 Tagen seinen Mutterstern Qatar-5, einen sonnenähnlichen Stern. Der Planet wurde für diese Arbeit ausgewählt, da in der ETD Exoplanet Transit Database eine Ungenauigkeit der Transitparameter auffällig ist. Durch eine Auswertung der in ETD bis 2020 vorliegenden, sowie zweier eigener Beobachtungen in den Jahren 2019 und 2020 wird versucht, verbesserte Planetenparameter zu finden, welche diese Diskrepanz erklären. Im Verlauf der Recherche fand sich eine Veröffentlichung aus 2018, welche das gleiche Ziel anstrebte. Da aber auch die in dieser Veröffentlichung ermittelten Daten nicht exakt zu den vorliegenden Beobachtungen passen, werden die Parameter des Transits von Qatar-5b in dieser Arbeit mit Hilfe eigener Messungen weiter präzisiert.

Exoplaneten sind Planeten, die um eine fremde Sonne (also einen Stern) kreisen. Sven interessierte der Exoplanet Qatar-5b, der 2016 mit der sogenannten Transitmethode entdeckt wurde. Wie sich der Mond bei einer Sonnenfinsternis vor die Sonne schiebt, kann ein Planet scheinbar vor seinem Mutterstern vorbeiziehen und dabei das Sternenlicht um einen winzigen Bruchteil abschwächen. Und die Messung der Höhe und Dauer des Lichtverlusts gibt Aufschluss über die Größe und Bahn des Planeten.

Über das Thema Exoplaneten hat Sven vor der Jugend-forscht-Arbeit bereits eine eine Projektarbeit verfasst:

https://www.schuelerlabor-astronomie.de/wp-content/uploads/2020/06/Sven-de-Vrieze-Exoplanet-Qatar5b.pdf

Der Forschungsansatz

Was hat die Jury so stark beeindruckt, dass sie Sven auf den ersten Platz setzte? Svens Forschungsansatz beruhte auf einer Publikation von professionellen Astromen, die den Planeten 2016 entdeckten und aus der Entdeckungslichtkurve die Bahnparameter der Planeten berechneten. Nun sind seitdem Hunderte von Umläufen vergangen, denn Qatar-5b kreist in weniger als 3 Tagen um seinen Stern. Ist die Umlaufperiode von den Entdeckern auch nur um wenige Sekunden falsch berechnet worden, summiert sich der Fehler nach vier Jahren auf rund 30 Minuten bei der Vorhersage der Mitte des Transits. Sven fiel die Diskrepanz in der Literatur auf und er beschloss, der Sache auf den Grund zu gehen. Nach eingehender Analyse der Messungen seit 2016 wurde ein zweiter Transit von ihm beobachtet und aus diesem die Umlaufperiode neu bestimmt: Immerhin betrug der Zeitunterschied etwa 6 Sekunden pro Umlauf.
Soweit so gut. Aber Sven fand später heraus, dass ein gutes Jahr zuvor ein weiterer Astronom sich den Fehlern in den Datensätzen auf der ETD Exoplanetenseite (Exoplanet Transit Database) annahm und die selbe Bahnkorrektur wie Sven vornahm, der zu diesem Zeitpunkt die externe Arbeit nicht kannte. Svens Messungen der Umlaufperiode waren bis auf eine halbe Sekunde identisch mit dem Ergebnis der externen Arbeit von Mallon et al., also an sich ein großartiges Ergebnis. Dass jemand schneller war mit der Bahnverbesserung trübte die Stimmung jedoch ein wenig, weil nun klar war, dass Sven nicht der erste war, der dies herausfand. Um so überraschender für alle war, dass die Jugend-forscht-Jury sein Forschungsansatz dennoch sehr hoch bewertete und ihn für den Landeswettbewerb empfahl (Ende März). Die Jugend-forscht-Arbeit steht nach Abschluss des laufenden Wettbewerbs zur Verfügung.

Abschließend sei bemerkt: Das Thema „Exoplaneten“ zählt neben der Forschung zu Dunkler Materie und Schwarzen Löchern zu den Toparbeitsgebieten in der Astrophysik. Um einmal einen erdgroßen Planeten mit Sauerstoffatmosphäre und Lebensformen nachzuweisen, werden immer größere Teleskope gebaut. Das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO ist derzeit das ambitionierteste Projekt europäischer astronomischer Forschung. Das bis 2025 auf einem Berg in der chilenische Atacama-Wüste gebaute Teleskop wird einen Spiegeldurchmesser von 39(!) Meter aufweisen – Weltrekord! Der kürzliche Physik-Nobelpreis ging übrigens an zwei Schweizer Forscher, denen 1995 der erste sichere Nachweise der Existenz eines Jupiter großen Exoplaneten um einen Stern gelang. Danach brachen die Dämme, und bis heute sind einige Tausend Exoplaneten bekannt. Ab der Größe der Erde ….

2. Platz: Adrian Groh und Ashraf Lutfi

Adrian und Ashraf hatten das Thema Messung der physikalischen Parameter des Planetarischen Nebels NGC 2392 gewählt.

Kurzfassung: Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Bestimmung diverser physikalischer Parameter des Planetarischen Nebels NGC 2392. Hierbei handelt es sich um die Nebelhülle eines ausgebrannten Sterns, die durch die UV-Strahlung des heißen, Weißen Zwergsterns im Nebelzentrum und durch Elektronenstöße zum Eigenleuchten angeregt wird. Zudem lässt sich mit Hilfe des Dopplereffekts die Expansionsgeschwindigkeit des Nebels berechnen und mit Literaturwerten vergleichen. Die Messungen erfolgten mit niedrig- und hochauflösenden Spektrografen. Sie wurden aufgrund des Corona-Lockdowns im Frühjahr und Sommer 2020 nicht an unserer Schulsternwarte vorgenommen. Wir erhielten die Gelegenheit, Teleskop, Kamera und Spektrografen einer privaten Sternwarte per Fernsteuerung (remote control) zu nutzen. Ein Spektralatlas mit Spektren ausgewählter Planetarischer Nebel und gemessener Expansionsgeschwindigkeiten demonstriert die Vielfalt dieser Klasse von sterbenden sonnenähnlichen Sternen.

Anders als man vermuten würde, haben Planetarische Nebel (PN) nichts mit Planeten zu tun! Der große Himmelsbeobachter Wilhelm Herschel prägte im 18. Jahrhundert den Namen, weil ihn die blau-grüne Farbe der von ihm entdeckten Nebel an die Farbe der Planeten Uranus und Neptun erinnerste. Vielmehr handet es sich hierbei um die Reste sterbender Sterne, die nach dem Verlöschen des inneren Fusionsofens in einem sanften Prozess ihre äußere Hülle in den Weltraum abgeben, die man einige tausend Jahre lang als Nebel leuchten sehen kann.

Zwei Ziele verfolgte die Arbeit, die neben einer intensiven Beobachtung vieler Objekte dieser Klasse auch das Verständnis der physikalischen Prozesse erforderte, die zur Lichtemission führen. Mit Hilfe der Mittel der Spektralanalyse wurden Spektren etlicher PN aufgenommen, darunter als Hauptobjekt der Eskimonnebel NGC 2392.

Links: Foto des Eskimonebels. Rechts: Dopplerprofil mit Werten für die Expansionsgeschwindigkeit. (c) Groh, Lutfi, Koch

Für NGC 2392 wurden anhand von Spektren mit dem DADOS-Spaltspektrographen und dessen Gitter mit 900 L/mm die Elektronentemperatur (12272 Kelvin) und die Elektronendichte (4849 Elektronen pro Kubikzentimeter) bestimmt. Die Abweichungen von den Literaturwerten wurden diskutiert und liegen im Rahmen der Messgenauigkeit des Systems. Zudem wurde mit einem hochauflösenden LHIRES III-Spektrographen und dem Gitter 2400 L/mm die Expansionsgeschwindigkeit mit Hilfe des Dopplereffekts gemessen. Je nach Nebelschale und chemischem Element betrug die Expansionsgeschwindigkeit bis zu 120 Kilometer pro Sekunde.

Dopplerprofile und Expansionsgeschwindigkeiten der untersuchten Planetarischen Nebel. Alle Objekte wurden mit dem 0,35m-Schmidt-Cassegrain Celestron 14 EdgeHD von Bernd Koch fotografiert und spektroskopiert. Nächtelang steuerten Adrian und Ashraf in der 2020er Corona-Lockdown-Phase Teleskop, Kamera und Spektrographen per Fernsteuerung von Wuppertal aus. (c) Groh, Lutfi, Koch
Aufnahme der Spektren und Fotos der Planetarischen Nebel durch Adrian Groh und Ashraf Lutfi via remote control (Fernsteuerung) von Wuppertal aus. Sternwarte von Bernd Koch im Naturpark Rhein-Westerwald. Zu sehen sind das Hauptteleskop Celestron 14 EdgeHD und der DADOS-Spaltspektrograph auf 10Micron-Montierung GM2000HPS. Die Sternwarte ist bis auf die Bewegung des Daches vollstnädig remotefähig. (c) Groh, Lutfi, Koch