Jeg kunne næsten ikke tro mine egne øjne da jeg kikkede på skærmbilledet – lyskurven viste med al tydelighed at jeg havde detekteret en exoplanet – en planet, der passerede ind foran en stjerne mange lysår væk. Fascinationen var overvældende og tankerne kredsede om oplevelsen som planeten om sin stjerne. Var det virkelig lykkes at blive den første danske amatørastronom, der kunne eftervise eksistensen af en exoplanet?
Nicolaj Haarup, 17. februar 2008 - www.starwrorks.dk
Motivationen
Det hele begyndte en aften i Midtjysk Astronomiforenings teknikgruppe nogle dage inden julen 2007. Allan Rasmussen fortalte om muligheden for at observere en transit af en exoplanet og om de mange udfordringer denne opgave indebar. Omtrent samtidig blev Bruce L. Gary’s bog ”Exoplanet observing for amateurs” tilgængelig på internettet. Jeg var tændt på projektet og kunne ikke komme i gang hurtigt nok. Desværre, som vi alle ved, så har vinteren 2007/2008 ikke budt på mange lejligheder for observationer men den 14. februar 2008 var der klart himmel og samme aften viste kalenderen at en planet ville passere foran den stjerne. Livet var lige til at holde ud og aftenens observation blev planlagt samme eftermiddag.
Forberedelsen
Den 14. februar kl. 19:01:44 UT ville passagen af planeten omkring XO-2 begynde. Passagen ville vare til kl. 22:43:44. Jeg var interesseret i at detektere hele forløbet plus mindst 1 time før og efter passagen for at få en god baseline. Eftersom det begyndte at blive mørkt ved 18-tiden var der ikke meget tid at give af for jeg skulle både nå at forny min polar alignment samt nå at få fokuseret. Desuden manglede jeg finder charts og et par andre småting så tiden var knap for det var trods alt en almindelig arbejdsdag.
Alt tog længere tid end forventet så først ved 21-tiden kunne observationen begynde. Jeg var på nippet til at droppe projektet da passagen jo var i fuld gang men tænkte så at det måtte gøre det ud for den øvelse jeg endnu ikke havde haft mulighed for. Jeg havde spændt min EOS350D bag på RCX400 12” og sat eksponeringen til 20 sekunder og ISO 100. Dette gave mig maksimum counts på omkring 3000 – godt og vel indenfor kameratets linære område ud af de i alt 4095 counts. Det gik egentlig meget godt i starten men så begyndte problemerne – nogle opdagede jeg desværre først bagefter. Guideningen holdt pludselig op med at virke så jeg var overladt til teleskopets egen tracking. Den var ikke for god da jeg endnu ikke havde lavet PEC træning og ej heller havde fået en god polar alignment. En mulig årsag til fejlen, som så ud til at ST4 ikke længere virkede, kunne være at jeg både havde TheSky6 til at styre kikkerten OG guidede via QCam5/Maxim/ST4. Det siger næsten sig selv men jeg mangler at bekræfte det ved næstkommende lejlighed. (Dette er nu bekræftet - logisk nok)
Første resultater
OK, kameraet kørte og lidt over midnat havde jeg 350 billeder i kassen. Alle optaget via Maxim og gemt i RAW-format. Allan og jeg havde aftalt at tage billeder og ville så efterfølgende sammen forsøge at hive nogle data ud af vores billeder – vi mødtes søndagen efter og bruge det meste af dagen på det men måtte kaste håndklædet i ringen da det på et tidspunkt var lykkes at komme til at slette de rå billeder jeg havde taget med. Samme aften med en del erfaringer rigere kastede jeg mig over opgaven fra en anden vinkel og var forbavset over at kunne se noget der lignede en kurve. Efter ca. 20 timers databehandling i Maxim og Excel stod jeg med nedenstående lyskurve (LC):
Figur 1: Første lyskurve af XO-2 exoplanet transit. Bemærk at der kun er data fra ca. 1 time inde i passagen.
Det første, der bemærkes er, at kurven ikke er komplet. Dette skyldes som sagt at forberedelserne tog længere tid end forventet så optagelserne først kunne begynde inde i passagen.
Dernæst bemærkes at lysvariationen kun er på få milli magnituder (mmag). Der er altså tale om ganske små variationer og når man ser på nedenstående figur af de rå data for XO-2 så kan det være svært at forstå at ovenstående figur kan komme frem:
Figur 2: De rå lysdata for XO-2. Kraftigst lys er mindste værdi.
Bemærk at der umiddelbart intet er at spore af passagen men at lyset falder over tid og at kurven knækker pludseligt. Årsagen til variationer kan være ændringer i air mass som følge af variationer i stjernes højde over horizonten, det kan være skydække, dug/is på optikken, vindrystelser eller som her - fokusdrift. Fejlen er min egen for jeg havde glemt at slukke for varmen i observatoriet og har endnu ikke lært at justere fokus under en vedvarende observation.
Hemmeligheden ved at komme fra figur 2 til figur 1 er a) flere data og b) meget databehandling. De flere data er referencestjerner og kunstig stjerne. Data behandlingen kommer jeg ind på senere.
Referencestjerner
Figur 3: Billede af XO-2 og de omkringliggende stjerner. Numrene fra 1 til 10 angiver stjernernes reference nummer. Foto by Bruce L. Gary
På figur 3 ses de stjerner som jeg har brugt som reference – d.v.s. de er alle målt men kun nogle af dem er efterfølgende udvalgt som de endelige referencer. Bemærk at Ref. 10 er en variabel stjerne.
Figur 4 viser disse 10 stjerners lyskurver under observationen:
Figur 4: Referencestjernerns lyskurve under observationen. Kurverne er korrigeret for andre variationer / tab.
Den opmærksomme læser vil måske have opdaget at Ref. 10 faktisk er en variabel stjerne med en periodetid på godt 1 time. Valget af referencestjerne er meget udslagsgivende for det endelige resultat. Lyskurven i figur 1 er baseret på stjernerne 1, 4, 5 og 9 som reference. Anvendelse af andre stjerner giver andre resultater:
Figur 5: Lyskurve med samme XO-2 data som i figur 1 men her med stjernerne 1,2,4,5,6 og 7 som reference.
Figur 6: Lyskurve med samme XO-2 data som i figur 1 men her kun med stjerne 7 som reference.
Hvordan skal man så vælge, hvilke stjerner man skal bruge som reference og hvorfor skal man i det hele taget bruge referencestjerner?
Referencestjerner skal bruges for at udligne uroligheder forårsaget af atmosfæren – scintillationen. Princippet kaldes differential photometry og forudsætter at der anvendes mere end én referencestjerne. Så længe man, som jeg, tager farvebilleder og kun udnytter luminisensen så er referencestjernernes farve ikke afgørende. Man bør holde sig fra variable stjerner med en periodetid på under observationslængden ligesom man ikke bør medtage de svageste stjerner da disse oftest vil have et dårligere signal-støj forhold (SNR). Brug i øvrigt kurverne fra figur 4 til at fravælge stjerner med særlige udsving.
Differentiel fotometri er fin men kan ikke give oplysninger om ekstra tab som kan hidrøre fra f.eks. cirrus skyer eller uheldige faktorer som dug og fokus drift. Dette kan synes som små fejl men når vi forsøger at detektere lysforskelle i størrelsen millimagnituder så skal der tages hensyn til dem. Til dette formål placeres en kunstig stjerne i hvert billede. Denne er et ankerpunkt til bestemmelse af de fotograferede stjerners lysstyrke.
Fremgangsmåden er rigtig godt beskrevet i Exoplanet observing for amateurs og resulterer i at man har et regneark med både de observerede data samt data for ekstra tab.
Figur 7: Beregnet værdi for air mass samt målte værdi for ekstra tab.
Kurven for ekstra tab vil normalt være forholdsvis vandret. I figur 7 stiger tabet pludselig, hvilket i dette tilfælde skyldes fokus drift. Når disse ekstra tab er kendte så kan der kompenseres herfor så resultatet i figur 1 alligevel kan fremkomme som brugbart.
Her slutter første del af beretningen om den første amatørobservation af en exoplanet. I næste del kan du bl.a. læse om databehandlingen.
Nicolaj Haarup
Starworks Observatory