Im Jahr 1995 entdeckten zwei Astronomen, Michael Mayor und Didier Queloz, rund den Stern 51 Pegasi den ersten Exoplanet, 51 Pegasi b. Das ist ein riesiger Gasplanet, mit ähnlichen Abmessungen wie Jupiter, der um ein solaren Stern kreist. Bis heute wurden etwa 4000  Exoplanete entdeckt, und Ihre Anzahl nimmit ständig zu. Die Verbesserung der beobachtenden Methode und die Entwicklung von besonderen Raumfahtmissionen machen die Suche von Exoplaneten – insbesondere diejenige, die unter Umständen Lebensfördernden Bedingungen haben könnten – eines der aufregendsten Themen der Astronomie. Die meisten Exoplanete bis heute erkannt, wurden durch der Transitmethode entdeckt. Jedes mal, wenn ein Planet in die gleiche Richtung des Beobachters blickt, und fliegt an seinem Stern vorbei, führt er zu einen periodischen Rückgang,  gleicher Intensität, der Helligkeit des Sternes.

Durch diesen Effekt, mit Grund- und Raum- Teleskope, kann man eine periodische Änderung der Sternhelligkeit erkennen, deren Periodizität der Rotationsperiode des Exoplaneten entspricht. Wenn wir die aufgezeichnete Helligkeitsänderung des Sterns auf ein Diagramm projizieren, werden wir regelmässige Niederungsbereiche in den Stellen, wo der Planet sich vor dem Stern bewegt, in der einen Teil der Scheibe verdunkelt.  Wenn die Astronomen die Periodizität der Lichtkurve studieren, erhalten Sie Informationen über die Zeit der Revolution. Durch diese Methode, kann man sowohl die Umlaufzeit als auch die Planetengrösse bestimmen. Insbesondere, da der Anteil der Scheibe des geschwärzten Sterns proportional zur Fläche des Planeten ist, ist der Rückgang der prozentualen Helligkeit die Funktion der Grösse des Planeten als auch des Aufnahmesterns. Wir zeigen die Helligkeitsänderung mit  ΔL und mit Rp und Rs die Radien des Planeten und des Stern, haben wir  die prozentuale Variation des  Lichtstroms:

ΔL/L = Rp2 / Rs2

Aus der Helligkeitsänderung (anschliessend die Analyse der vom Teleskop aufgezeichneten Lichtkurve), zusammen mit der Grösse des Sterns (üblich auf Grund der Modelle der Kernphysik), können die Astronomen die Grösse des Planeten schätzen.

Lichtkurve von HD209458 b, der erste Planet der durch die Transitmethode entdeckt wurde.

Die Lichtkurven bestehen nicht aus geraden Segmenten; erstens, erfolgt die Ein- und Aus-reise vom Transit nicht sofort: es dauert, bis der Planet die Sternenschiebe betritt und verlässt. Ausserdem, folgt auch die Zeit, in der der Planet ganz vor der Sternoberfläche steht, eine Kurve. Dieser Effekt wird durch das Verdunkelung am Rand verursacht. Das ist ein physisches Phänomen, damit die Leuchtkraft des Aufnahmesterns nicht gleichförmig auf die ganze Oberfläche ist, aber leuchtet sie im Zentrum der Sehlinie und ist am Ende schwächer. Die Astronomen können ein statistisches Modell erzeugen, um die Entwicklung der Verdunkelung am Rand zu bewerten, aufgrund der photometrische Messungen, und anderen Informationen des Sterns (Metallizität, äquivalente Temperatur, Schwerkraft, …).

Erforderliche Material

Um unser Planetensystem-Modell und den Detektor zu gestalten, brauchen wir das folgende Material: 

  • 2 Arduino.Karten;
  • ein stepper motor (Schrittmotor) mit Führungsformular;
  • SD-Kartenlesegerät für Arduino;
  • eine mikro-SD zum Speichern von Daten;
  • drei Potentiometer;
  • eine Fotoresistenzen;
  • ein push Knopf;
  • zwei Mini-breadboard;
  • Strohhalme;
  • Nägel;
  • Kartonschachtel;
  • Anschlusskabel;
  • Zahnstocker;
  • Hüttenpapier, oder Knete.

Zuerst, lassen Sie uns an den Modell des Planetensystem arbeiten. Wir nehnmen den Strohhalm und schneiden ein Stück von etwa 8 – 10 cm, auf dem Rücken des aufklappbaren Teils (etwa 3 cm bevor dem aufklappbaren Teil, und den Rest nach). Beugen wir den Strohhalm und,  mit einem Nägel, machen wir ein Loch im langen Teil. Das ist der Ort, an dem wir den Planeten fügen werden. Um den Strohhalm steif jenseits der Faltung zu halten, können wir einen kleinen Draht in den Strohhalm stecken, als Skelett im Innern. Um den Planeten zu erschaffen, nehmen wir die Alufolie, und formen wir einen kleinen Kugel mit einem Durchmesser von 1 cm, stecken wir sie auf  dem Zahnstocker, und alles auf den Strohhalm legen. Stecken wir den freien Teil des Strohhalms auf den Stepper Motor wie im folgendem Bild. Nun schilessen wir, mit den dafür vorgesehenen Kabeln, den Stepper Motor zum Kontrollmodul. Der Schrittmotor ist ein elektrischer Synchronmotor in Gleichstrom, der die Aufteilung der Rotation in kleine Ecken, oder Step (Schritt) ermöglicht. Für eine Rundfahrt, benötigen Sie 200 Impulse. Ein Schrittmotor ist sehr präzis, schnell, und mit einer elektronischer Karte leicht zu kontrollieren. Die Karte wird als Driver  bezeichent, und ist der eigentliche Akteur in der Schrittmotorsteuerung. Die Rotationsgeschwindigkeit hängt von der Wartezeit zwischen den Impulsen ab innerhalb den einzelnen Drehzyklen. Um die Rotationsgeschwindigkeit des Planetensystems zu ändern, werden wir einen Potentiometer verwenden, während zur Änderung der Drehrichtung, verwenden wir einen Knopf. Um alle Komponenten zu verbinden, können Sie diesem Diagramm folgen: Nach Fertigstellung aller Verknüpfungen, laden wir den Code auf die Arduino-Karte um den Planeten zu drehen. Zuerst schliessen wir die Arduino-Karte mit passendem Kabel an den PC an, wo wir vorher die Software zum Steuern und Programmieren der Arduino-Karte geladen haben. Nachdem wir Arduinos IDE eröffnet haben, gehen wir zu in Instrumente/Karte, und wählen wir Arduino/Genuino Uno und danach, gehen zu Instrumente/Port und wählen wir die Port, an der Arduino angeschlossen ist. Auf diese Weise,  haben wir Arduinos Arbeitsumgebung eingestellt, und können wir anfangen, den Code für den Planeten zu schreiben. Der Code kann hier heruntergeladen werden.

Danach, machen wir den Sensor. Zur Messung der Helligkeitsänderung, werden wir eine Photoresistenz verwenden. Photoresistenzen sind elektronische Bauteile, deren Verstand umgekehrt proportional zur Lichtmenge ist. Im Grunde, verhalten sie sich wie normale Resistore, aber ihr Wert sinkt mit steigender Lichtintensität. In unserem  Projekt, verbinden wir die Photoresistenz mit einem Potentiometer, der die Funktion hat, die Leseempfindlichkeit des Sensors zu ändern. Als Stern, verwenden wir eine weisse 5 mm Led,  die an Arduinos analoger Pin Nummer 5 angeschlossen ist. Das ermöglicht uns, mit Hilfe eines Potentiometers, die Helligkeit des Sterns zu verändern, so dass wir sehen können, wie sich die Lichtkurven ändern, wenn sich die Helligkeit des Sterns/Leds selbst ändert. Ausserdem, genau wie bei Teleskope und andere Suchgeräte, werden alle Daten auf einer externen Festplatte gespeichert, insbesondere werden alle Seit- und Helligkeitsdaten auf eine  Sd-Mikrorechnung geladen. Das ermöglicht uns, die Daten, auch zu einem späteren Zeitpunkt, mit anderen Programmen wie Excel, Mathlab, usw zu analysieren. Um die Photoresistenz und SD-Kartenlesegerät  zur Arduinos zweiten Karten anzuschliessen, verwenden Sie die folgende Abbildung: An dieser Stelle, schliessen wir auch Arduinos zweite Karte an dem Computer an, und laden wir den neuen Code hoch. Wie zuvor, schliessen wir das Arduino Board mit seinem passenden Kabel an den Computer an. Nachdem wir Arduinos IDE eröffnet haben, gehen wir zu Instrumente/Karte und wählen wir Arduino/Genuino Uno und danach gehen wir zu Instrumente/Port und wählen wir den Port, an dem Arduino angeschlossen ist. Auf dieser Weise, haben wir Arduinos Arbeitsumgebung eingestellt, und können wir den Coden für den Sensor schreiben. Der Code kann hier heruntergeladen werden. Die Besonderheit dieses Codes, ist dass im void loop gibt es eine Serie von Anleitungen, die uns ermöglichen, auf die Speicherung alle Helligkeiswerte in Abhängingkeit von der Zeit zu speichern.  Insbesondere, ermöglicht der Datalogger die SD-Karte zu öffnen, und eine Datei mit txt-Modul zu schreiben. Nachdem die Datei data.txt  erstellt wird, speichert die Software die Daten auf der SD-Karte mit der Formatierung, die wir beschlossen haben. In diesem Fall, wird die Datei data.txt für jede Zeile den Wert der auzgezeichneten Lichtstärke enthalten. Der Wert wird aus der Photoresistenz mit einer Dezimalstelle angegeben, und der Zeitpunkt in Millisekunde, immer mit einer Dezimalstelle angegeben, gespeichert. Endlich, durch Arduinos Serien-Plotter, können wir in Echtzeit die Lichtkurve sehen. Um auf den Serien-Plotter zuzugreifen, wählen Sie das Menü Instrumente/Serien-Plotter. Während sich der “Planet” vor dem “Stern”  bewegt, sinkt die Helligkeit bis auf einen Mindestwert. In dieser Phase befindet sich der Planet vollständig vor dem Stern, und ganz verdunkelt er seine Licht. Schliesslich, als der Planet anfängt, die Sternenscheibe zu verlassen, steigt die Helligkeit des Sterns wieder, bis die Ausgangswerte erreicht sind. Das Licht  des Sterns bleibt auf seinem Höchstwert, bis der Planet ein weiteres vollendet hat, zurück zur Senkung des Sternenlichts. Das darunterliegende Bild zeigt das oben geschriebene Sternenplaneten-Detektor System, und ein Beispiel von Lichtkurve. Hier sehen Sie ein Beispiel der Datei data.txt Jetzt müssen wir nur noch einge Parameter ändern – wie zum Beispiel die Drehgeschwindigkeit, die Grösse des Planetes, die Entfernung des Planeten vom Stern – und sehen wie sie ihre Lichtkurve verändern. Sie können weiter vertiefen die Transitmethode mit einer Simulation mit Scratc durchgeführt.