Zur Haupt­na­vi­ga­ti­on sprin­gen [Alt]+[0] Zum Sei­ten­in­halt sprin­gen [Alt]+[1]

Auf­ga­ben zum Thema „Exo­pla­ne­ten“

Die Be­we­gung eines Pla­ne­ten um einen Stern ist ein klas­si­sches Zwei­kör­per­pro­blem der Phy­sik. Die New­ton‘schen Be­we­gungs­glei­chun­gen las­sen sich hier exakt (also ana­ly­tisch) lösen. So­bald ein drit­ter Him­mels­kör­per mit­be­trach­tet wer­den soll (Drei­kör­per­pro­blem), ist eine sol­che Lö­sung nur noch nä­he­rungs­wei­se (also nu­me­risch) mög­lich.

Durch die Be­we­gung eines Pla­ne­ten um einen Stern be­wegt sich auch der Stern selbst – beide be­we­gen sich um den ge­mein­sa­men Schwer­punkt des Sys­tems. Der­je­ni­ge An­teil der Stern­ge­schwin­dig­keit, der in Rich­tung der Erde zeigt, wird Ra­di­al­ge­schwin­dig­keit ge­nannt. Diese ist laut Ver­ein­ba­rung po­si­tiv, wenn sich der Stern auf die Erde zu- und ne­ga­tiv, wenn sich der Stern von der Erde weg­be­wegt.

Die er­wähn­te Zwei­kör­per­theo­rie, die wie ge­sagt in einer Nä­he­rung die gra­vi­ta­ti­ven Ein­flüs­se aller an­de­rer Him­mels­kör­per ver­nach­läs­sigt, lie­fert für die Ra­di­al­ge­schwin­dig­keit eines Sterns die fol­gen­de For­mel:

Formel Radialgeschwindigkeit

          (*)

Dabei sind:

a:  große Hal­bach­se der Exo­pla­ne­ten­bahn

m: Masse des Pla­ne­ten

M: Masse des Zen­tralsterns

T: Um­lauf­dau­er des Exo­pla­ne­ten 

ɛ: nu­me­ri­sche Ex­zen­tri­zi­tät der Exo­pla­ne­ten­bahn

i: In­kli­na­ti­on (Nei­gung der Senk­rech­ten zur Pla­ne­ten­bahn ge­gen­über der Be­ob­ach­tungs­li­nie

ɸ(t): Lage des Exo­pla­ne­ten auf sei­ner Bahn um sei­nen Zen­trals­tern

ω: Pe­ria­s­tron­win­kel (Lage des kleins­ten Ab­stands (Pe­ri­hel) der Pla­ne­ten­bahn im Bezug zum   Be­ob­ach­ter.)

 

In die­sem Work­shop haben Sie nun die Auf­ga­be mit Hilfe des Pro­gramms „Exo­pla­ne­ten – Ra­di­al­ge­schwin­dig­keits­me­tho­de – Kur­ven­an­pas­sung“ vier freie Pa­ra­me­ter eines Exo­pla­ne­ten so zu wäh­len, dass sich mög­lichst gut die be­ob­ach­te­ten Werte er­ge­ben. Be­ar­bei­ten Sie dazu zu­nächst die fol­gen­den Auf­ga­ben und gehen Sie da­nach an das Pro­gramm.

Ein­lei­ten­de Auf­ga­ben (Block 1)

  1. Warum ist die große Hal­bach­se eines Pla­ne­ten nicht als frei­er Pa­ra­me­ter wähl­bar?
  2. Wel­chen Zu­sam­men­hang be­ob­ach­ten Sie zwi­schen der In­kli­na­ti­on eines Pla­ne­ten und der Me­tho­de, mit der er ent­deckt wurde? Be­grün­den Sie diese Be­ob­ach­tung. 
  3. Wel­che Aus­sa­ge lässt sich über die Masse eines Pla­ne­ten ma­chen, wenn die In­kli­na­ti­on eines Pla­ne­ten nicht be­kannt ist?
  4. Für wel­chen Wert wel­ches Pa­ra­me­ters nimmt die For­mel (*) au­to­ma­tisch den Wert null an? Be­grün­den Sie die­sen Sach­ver­halt.
  5. Wel­chen Zu­sam­men­hang kön­nen Sie fest­stel­len zwi­schen der Um­lauf­dau­er eines Pla­ne­ten und der Me­tho­de, mit der er ent­deckt wurde?

Auf­ga­ben mit dem Pro­gramm „Exo­pla­ne­ten – Ra­di­al­ge­schwin­dig­keits­me­tho­de – Kur­ven­an­pas­sung“

Öff­nen Sie nun das Pro­gramm „Exo­pla­ne­ten – Ra­di­al­ge­schwin­dig­keits­me­tho­de – Kur­ven­an­pas­sung“ (rg_kur­ven_s.exe). Auf dem Ar­beits­blatt „Steck­brie­fe zu den Exo­pla­ne­ten“ fin­den Sie wich­ti­ge In­for­ma­tio­nen zu den im Pro­gramm be­han­del­ten Exo­pla­ne­ten. Ihre Auf­ga­be ist es nun, die fol­gen­den Pa­ra­me­ter der Exo­pla­ne­ten­bahn so ein­zu­stel­len, dass der durch das Pro­gramm be­rech­ne­te zeit­li­che Ver­lauf der Ra­di­al­ge­schwin­dig­keit gut mit den Mess­da­ten über­ein­stimmt:

  1. Um­lauf­dau­er (in Tagen)
  2. Pla­ne­ten­mas­se (in Ju­pi­ter­mas­sen)
  3. Nu­me­ri­sche Ex­zen­tri­zi­tät der Bahn (ska­lar)
  4. Pe­ria­s­tron­win­kel (in Grad)

Mit dem Schie­ber „Off­sett-Zeit“ kön­nen Sie dar­über hin­aus die be­rech­ne­te Kurve ho­ri­zon­tal ver­schie­ben.

Je bes­ser Ihre Pa­ra­me­ter pas­sen, desto ge­nau­er ist Ihre Mo­dell­rech­nung und desto klei­ner wird die „Summe der Ab­wei­chungs­qua­dra­te“ (rechts unten im Kas­ten). Sehr gute Nä­he­run­gen fin­den Sie auf dem Ar­beits­blatt „Mus­ter­lö­sung Exo­pla­ne­ten“.

Be­ant­wor­ten Sie beim Ar­bei­ten mit dem Pro­gramm auch fol­gen­de Fra­gen: 

Ver­tie­fen­de Fra­gen (Block 2)

  1. Wie wirkt sich der Schie­ber „Ex­zen­tri­zi­tät“ auf die be­rech­ne­ten Ra­di­al­ge­schwin­dig­kei­ten aus?
  2. Wie wirkt sich der Schie­ber „Pla­ne­ten­mas­se“ auf die be­rech­ne­ten Ra­di­al­ge­schwin­dig­kei­ten aus?

 

Viel Er­folg!

 

Auf­ga­ben zum Thema „Exo­pla­ne­ten“: Her­un­ter­la­den [docx][101 KB]

Auf­ga­ben zum Thema „Exo­pla­ne­ten“: Her­un­ter­la­den [pdf][115 KB]

 

Wei­ter zu Steck­brie­fe zu den Exo­pla­ne­ten