Gece gözlemlerinde gökcismi bulmayı kolaylaştırıcı lazerli bulucu tasarımı

Proje Adı: Gece gözlemlerinde gökcismi bulmayı kolaylaştırıcı lazerli bulucu tasarımı Projenin Amacı: Bu projenin amacı, teleskop olmayan bölgelerde gökcisimlerinin konumunu bulmak için lazerli gözlem aleti tasarlamaktır. Bu alet ile kolay ve hızlı şekilde gökcisimlerinin konumu bulunabilmesi, çok daha fazla kişinin önemli gök olaylarını kolaylıkla gözlemleyebilmesi, gökyüzü gözlemciliğine ve astronomiye ilginin artması amaçlanmaktadır. Giriş: Son yıllarda, özellikle İstanbul da şehrin ortasında gökyüzü gözlemi yapmak çok zordur. Kötü tasarlanmış aydınlatma sistemleri gökyüzünün aydınlanmasına yani ışık kirliliğine neden olur. Bu nedenle çıplak gözle yapılan gözlemlerde ancak çok parlak cisimler gözlenebilir. Yapay uydu gözlemi gibi anlık gerçekleşen gök olaylarında gökcisminin yerinin gök olayı gerçekleşmeden önce bulunması gerekir. Günümüz teknolojisinde gökcisimlerinin konumu en iyi, gps sistemli teleskoplarla bulunmaktadır. Bu teleskoplar çok pahalı olduğundan her gözlemcinin sahip olması mümkün değildir [1]. Akıllı cep telefonları da kurulan astronomi programları sayesinde gökcisimlerinin konumunu göstermektedir. Ancak internet bağlantısı yoksa ve içindeki algılayıcılar düzgün çalışmıyorsa cismin konumunu yanlış gösterebilir. Kendi yaptığımız lazerli gökcismi bulucu cismin konumunu en doğru ve belirgin şekilde gösterebilmektedir. Yapılan araştırmalarla böyle bir aletin şu ana kadar üretilmediği ve özellikle amatör astronomi çalışmalarında gözlemi kolaylaştıracağı ve eğlenceli kılacağı fark edilmiştir [1.8 ve 1.9]. Ana Bölüm: Yeşil Lazer: Lazerler, çok şiddetli, tek renk, tek yönde yayılan ışık kaynaklarıdır. Diğer ışık kaynaklarına göre çok parlaktırlar. Işık şiddetine göre farklı alanlarda kullanılırlar. Yeşil lazer, ışığın gittiği yöne doğru uzun yeşil bir çizgi gibi görünmektedir. Gece herhangi bir yöne tutulduğunda, bakılması gereken doğrultu, kaynağın yakınındaki herkes tarafından görülür. Bu özelliği nedeniyle gece gökyüzü gözlemlerinde çok işe yaramaktadır. Eyüboğlu İkiz Gözlemevlerinde yapılan çıplak gözle gözlemlerde, gökcisimlerinin yerini bulmak için yeşil lazer kullanılmaktadır. Parlak gökyüzünde gökcisimlerini bulabilme ve lazer ışığını sabit tutabilme ihtiyacıyla lazerli gökcismi bulucu nun tasarlanmasına karar verilmiştir. Bulucunun Tasarımı: 1. Nasıl bir alet yapılması gerektiğini planlamak için pergel, iletki, kağıt-kalem gibi aletler kullanılarak taslak oluşturulmuştur. Düz bir plaka, lazeri hareket ettirecek bir sistem, lazerin göstermesi gereken koordinatların ayarlanması için yükseklik ve yön ölçüm 1

çizelgesi planlanmıştır. Tasarımın ilk aşamasında, eski bir lake kaplı sunta mobilyadan 40 cm çapında parça kesilmiştir ve ortasına mobilya ayağına takılan tekerlek vidayla monte edilmiştir (Resim1-2). Tekerleği sökülmüş ve o kısma çadır iskeletinde kullanılan boru parçası takılmıştır. Böylece yeşil lazer borunun içine monte edilmiştir ve iki yönlü hareket etmesi sağlanmıştır. Ancak kullanılan düzlemin sunta olması zamanla vida girişinin aşınması ve tekerleğin hareketinin sabitlenememesi farklı bir malzeme kullanılmasını gerektirmiştir. Resim1-2: Kesilecek düzlemin ölçüm aşaması ve tekerlek malzemenin düzleme monte edilmiş görüntüsü 2. Okulumuzun marangozu desteğiyle daha kalın ve tek parça ağaç düzlem bulunmuş ve yine 40 cm çapta yuvarlak şekilde kesilmiştir (Resim 7). Kalın tercih edilmesinin nedeni kolay kırılmasını engellemek ve kullanılacak yardımcı ürünleri plaka içine gömebilmektir. Resim 3-4: Lazer kalemin sabitleneceği kısım için fırça sopasından kesilen parça ve içinin oyulması. 2

3. Eski bir ağaç boya fırçası sopası, ihtiyacımız olacak boyutta kesilmiş ve içi, marangoz desteğiyle lazer kalem girecek şekilde oyulmuştur. Oyuk parçanın arka kısmı yanlışlıkla fazla oyulmuştur ve bu nedenle lazer, silindirin içinde hareket etmektedir. Bunu engellemek için lazerin etrafı bant ile sarılarak lazerin kalınlığı arttırılmıştır (Resim 3-4 ve 7). 4. Lazerin koordinatlara uygun hareket edebilmesi için iki yönlü hareket eden ve sabit kalabilen bir parçaya ihtiyaç duyulmuştur. Artık görevini yapamayan bir el radyosu anteni radyoya bağlantı noktasından çıkarılmış ve o kısım düzlemin merkezine sabitlenmiştir (Resim 5-6). Resim 5-6: Radyo anteninin lazeri sabitleyebilmek için montajı 3

Resim 7: Ağaç düzlemin görüntüsü ve lazerin düzleme monte edilmiş hali 5. Gözlem sırasında lazerin sürekli açık kalabilmesi için çalıştırma düğmesi bir mandal ile uzun süreli basılı tutulabilmesi sağlanmıştır. 6. Aletin yan tarafına yerleştirilen kulp, aletin taşınmasını kolaylaştırmıştır. 7. Lazerin göstereceği koordinatlardan biri ufuk düzlem doğrultusunda ölçüldüğü için aletin ufka paralel şekilde kullanılması gerekir. Düzlemin üzerinde bir oyuk açılmış ve içine su terazisi yerleştirilmiştir (Resim 8). Böylece ufka paralellik kontrol edilmektedir ve değerlerin doğruluğu sağlanmaktadır. Resim 8: Su terazisinin montajı 8. Lazerin ufuktan yüksekliğinin ölçülebilmesi için iletki kullanılmıştır. İletki, lazerin bağlantı noktasına yerleştirilen saç parçaya, vida yardımıyla dik bir şekilde monte 4

edilmiştir. Vidayla sabitlemek, düzeneğin daha sağlam olmasını sağlayacağından plastik yerine metal iletki tercih edilmiştir (Resim 9). Resim 9: Lazerin göstereceği yüksekliğin ölçümü için metal iletkinin montajı 9. Lazerin yapacağı ikinci hareket, ufuk düzleminde çember çizmektir. Böylece lazer istenilen yön ölçüsünde hareket edebilir. Yönün ölçümü için çember şeklinde 360 derece gösteren ölçüm cetveli kullanılmıştır. Beyaz yapışkanlı kâğıda çıktı alınmış ve düzenek boyandıktan sonra üzerine yapıştırılmıştır (Şekil 1). Şekil 1: Lazerin yönünün ölçülmesi için kullanılan çember cetvel çizimi 10. Yönün doğru şekilde ölçülebilmesi için çember cetveldeki 0 derecenin kuzey yönünü göstermesi gerekmektedir. Düzlemin üzerine bir oyuk daha açılmıştır ve içine pusula yerleştirilmiştir (Resim 10). Kuzey yönünün bulunması için öncelikle Kutup Yıldızı tercih edilir. Görünmüyorsa, pusulaya bakılarak 0 derece kuzeyi gösterecek şekilde hizalama yapılır. 5

Resim 10: Düzlemin içine yerleştirilen pusula 11. Lazer kalemin kalınlığı nedeniyle yönde ve yükseklikte milimetrik ölçüm yapılamadığı fark edilmiştir. Ölçümün hassasiyetini sağlamak için yön ve yükseklik ölçümü doğrultusunda ince tel kullanılmış ve siyah bantla lazere sabitlenmiştir (Resim 11). Tel lazer kalemi ortalayacak ve kaleme paralel duracak şekilde hizalanmıştır. Telin malzemesi, kolayca yamulmayan bozulmuş şemsiye telidir. Böylece gözlemlerde istenilen hassasiyete ulaşılmıştır. Resim 11: Hassas ölçüm yapabilmek için kullanılan teller. 12. Düzenek boyamaya hazırdır. Resim atölyesinden sağlanan akrilik boya ve fırça sayesinde boyama yapılmıştır. Gökyüzüyle ilgisi ve diğer ölçüm aletlerini öne çıkarması için gece mavisi tercih edilmiştir. Boyama yapılırken pusula ve su terazisinin üzeri kâğıt bant ile kapatıldı. Böylece aletin tasarımı tamamlanmıştır (Resim 12). 6

Resim 12: Lazerli Gökcismi Bulucu nun tasarımının tamamlanmış görüntüsü Ekvatoral Koordinat Sistemi: Dünya yüzeyinde enlem ve boylamın kullanılması gibi gökyüzündeki gökcisimlerinin yerini bulmak içinde ekvatoral koordinat sistemi kullanılır. Bu sistem, coğrafik koordinat sisteminin gökyüzündeki izdüşümüdür. Temel düzlem gök ekvatorudur, 90 uzak iki kutup noktası da, kuzey ve güney gök kutuplarıdır. Kuzey gök kutbu doğrultusunda Kutup Yıldızı (Polaris) bulunmaktadır. Gök ekvatoru üzerindeki yer değiştirme 24 saat birimine bölünerek Sağ Açıklık (α) ya da Saat Açısı (H) değeri olarak ölçüm yapılır. Gök ekvatorundan, kutuplara doğru yer değiştirme Dik Açıklık (δ) tır ve derece biriminde ölçülür. Sağ açıklık ve dik açıklık değerlerinin ölçüm başlangıç noktası İlkbahar ( ) Noktası olarak adlandırılan, Güneş in gök ekvatorundan geçiş noktalarından biridir (Şekil 2). Saat açısı, yıldızın gök ekvatoruna iz düşümü ile meridyen arasındaki yay uzunluğudur. 0 sa < α ya da H <24 sa -90 < δ <+90 7

Şekil 2: Ekvatoral koordinatlara göre gökcisminin konumunun bulunuşu Cisim gökyüzünde yıl boyunca yer değiştiriyor görünse de ekvatoral koordinatları sabittir ve her enlemdeki gözlemci bu koordinatla cismin yerini bulabilir. Gökcismini gözlemleyebilmek için bu koordinatlar doğrultusunda hareket eden ve kutup yıldızına göre ayarları tamamlanmış teleskop kullanmak gerekir. Her zaman teleskopla gözlem yapmak mümkün olmadığından gökcisminin koordinatlarını ufuksal koordinat sistemine dönüştürmek, böylece cismin hangi yönde olduğunu ve ufuktan yüksekliğini bilmek gözlem için yeterli olacaktır [2.5]. Ufuksal Koordinat Sistemi: Ufuksal Koordinat Sisteminde temel düzlem ufkumuzdur. Ufuktan 90 derece uzakta bulunan kutup noktaları; başucu noktası (zenit - Z) ve ayakucu noktasıdır (nadir - N). Bu sistemin koordinatları azimut (A) ve yüksekliktir (a). Azimut, derece birimindedir ve ufuk düzlemi doğrultusundaki yer değiştirmeyi gösterir. Yükseklik de derece birimdedir ve ufuktan zenite doğru yer değiştirmeyi gösterir. Meridyen; kuzey, güney ve zenitten geçen hayali çemberdir (Şekil 3). Güneş gibi tüm gök cisimleri gün içindeki hareketleri sırasında en büyük yükseklik değerine meridyenden geçerken ulaşırlar. 0 < A <360-90 < a <+90 8

Şekil 3: Ufuksal koordinatlara göre gökcisminin bulunuşu Ufuksal koordinat sisteminde bulunduğumuz konum (enlem) ve zaman önemlidir. Çünkü cismin konumu gün içinde yani Dünya döndükçe değişir. Farklı enlemdeki gözlemci gökcismini, ufkun üzerinde farklı yükseklikte görecektir [2.2 ve 2.3]. Koordinat Sistemleri Arasında Dönüşüm: Bilimsel internet kaynakları gökcisimlerinin koordinatlarını ekvatoral koordinat sistemine göre vermektedir. Koordinatlar küresel üçgen yardımıyla ufuksal koordinat sistemine dönüştürülebilmektedir. Küresel üçgende küresel açının değeri, karşısında bulunan büyük yay ölçüsüdür. Şekil 4: İki koordinat sistemi arasındaki dönüşümü veren küresel üçgen [2.1] 9

Ufuksal ve ekvatoral koordinat sistemi tek bir küreye yerleştirilmiştir. Herhangi bir enlemdeki ( ) gözlemcinin yatay düzleminde ufuk bulunduğundan sistem buna göre yerleştirilmiştir. Kuzey yarımküredeki gözlemcinin kutup yıldızı kuzey yönündedir. Kutup yıldızının ufuktan yüksekliği gözlemcinin enlemini gösterir. İki koordinat sistemi arasında oluşan küresel üçgenin üç kenar uzunluğu belirlenmiştir: PZ = 90 - ZX = 90 - a zenit açısı = 360 - A saat açısı= H PX = 90 - δ Küresel üçgende Kosinüs Teoremine göre: Açılar esas ölçülerine dönüştürülürse: Ortaya çıkan denkleme göre saat açısı (H), dik açıklık (δ) ve enlem (φ) bilindiği sürece ufuksal koordinatlardaki yükseklik (a) ölçüsüne ulaşılabilmektedir. Küresel üçgende Sinüs Teoremine göre: Yine açılar esas ölçülerine dönüştürülürse: Azimut değerin yalnız bırakılırsa: Ortaya çıkan denklem sayesinde saat açısı (H), dik açıklık (δ) ve yükseklik (a) bilindiği sürece ufuksal koordinatlardaki azimut (A) ölçüsüne ulaşılabilmektedir [2.1]. Eğer edinilen bilgilerde saat açısı değeri yoksa yerel yıldız zamanından sağ açıklık değeri çıkarılarak elde edilebilir. Yerel yıldız zamanı değerine de gözlem yapılacak zaman için internet üzerinden ulaşılabilmektedir. 10

Bu formüller excel programına yazılarak istenilen anda ve istenilen bölgede ufuksal koordinatlara ulaşılmıştır (Tablo 1) [2.2]. Tablo 1: Koordinatlar arası dönüşümün yapılabilmesi için oluşturulan excel tablosu Uygulama Aşaması: 14 Ocak 2014 günü akşamı Astronomi Kulübü öğrencileriyle birlikte gökyüzü gözlemi yapılmış ve gözlem sırasında gökcismi bulucu aleti kullanılmıştır. Gözleme başlamadan önce gözlemi yapılacak gök cisimleri seçilmiş ve koordinatları edinilmiştir. Saat 18.00 den itibaren gözlem yapılması planlanmıştır. Gözlem bölgesinin enlemi Google Earth programından yararlanılarak elde edilmiştir (Resim 13 ) [3.3]: Enlem ( ): 41,0167 Resim13: Google Earth programı sayesinde edinilen enlem ve boyla değerleri [3.3] 11

Tablo 2: Heavens-Above adlı bilimsel gözlem sitesinden alınmış, iridyum uyduları gözlem koordinatları [3.1] Gözleme İridyum uydu gözlemi ile başlanmıştır. İridyum uyduları yörüngelerinde hareket ederken güneş panellerini gözlemci doğru yansıtmadığı sürece diğer yıldızlardan ayırt edilemezler. Gözlem için tasarlanan Heavens-above adlı bilimsel site, gözlem bölgesinin enlem ve boylam değerleri verildiği takdirde ufuksal koordinat sistemine göre uyduların koordinatlarını vermektedir [3.1]. Tablo 2 de gözlem günü ve yerel saati, parlaklık, yükseklik, azimut, uydu adı, gözlemciden uzaklığı, parlama anındaki parlaklık değeri, Güneş ten olan açısal uzaklığı görülmektedir. Parlaklık İridyum parlamasının 2-3 dakika öncesinde, tasarlanan lazerli gökcismi bulucuda, azimut ve yükseklik değerleri ayarlanmıştır. Lazer ışığının gösterdiği nokta, parlamanın görüleceği noktadır. Gözlem için odaklanılan bölgede daha parlama başlamadan İridyum uydusunu konumu fark edilmiştir. Gözlem, tahmin edilenden çok daha kolaylaşmıştır ve tüm kulüp öğrencilerinin İridyum parlamasını gözlemlemesi mümkün olmuştur (Resim 15-16). Gözlem aktivitesinin devamında gezegenlerin yerinin bulunması çalışması yapılmıştır. Stellarium adlı Astronomi programı sayesinde gece gözlenebilecek tek gezegenin Jüpiter olduğu fark edilmiştir [3.2]. Şehir ışıkları nedeniyle takımyıldızlar tam olarak seçilememektedir. Bu da Jüpiter in bulunmasını zorlaştırmıştır. Programdan Jüpiter in koordinatları alınmıştır (Resim 14): 12

Resim 14: Stellarium programından Jüpiter in koordinatlarının alınması [3.2] Resim 15-16: Astronomi Kulübü öğrencilerinin Lazerli Gökcismi Bulucu ile yaptığı gözlem çalışması 13

Sonuç: Büyük bir şehirde yaşamanın getirdiği bir zorluk olan hava kirliliği ve astronomik çalışmalara engel olacak derecedeki ışık kirliliği nedeniyle gök cisimlerini çıplak gözle bulmak zorlaşmıştır. Bu nedenle amatör astronomların ufuksal koordinatlarını bildikleri gökcisimlerini bulmaya yarayacak ve internete ihtiyaç duymayacak, ileri bir teknolojiye sahip de olmadığı için ise çok pahalı olmayacak bir alete ihtiyaç duydukları fikriyle geliştirdiğimiz bu projede okulumuzdaki astronomi kulübü ile yaptığımız uygulamada amacımıza ulaştığımızı gördük. Lazerli gözlem aracı öğrencilerin dikkatini çekmiş ve gözlem yapmaktan zevk almışlardır. Öğrencilerin astronomiye olan ilgilerinin arttığı gözlemlenmiştir. Tartışma: Lazerli gözlem aracını planlarken oluşturulan taslak çalışma, nasıl malzemeler kullanılması gerektiği konusunda hızlı düşünmeyi sağlamıştır. Lazerin yönlendirmesi önemliydi ve ilk kurulan düzenek yetersiz kaldı. Zaman kaybetmeden başka bir malzemeyle yeniden düzenek hazırlanmıştır. Pusula, su terazisi ve ölçümde ince tel kullanılması milimetrik doğrulukta ölçüm yapılmasını sağlamaktadır. Pusula ve su terazisinin, ağaç düzeneğin içine gömülmesi bir yere takılıp kopmasını engellemiş ve dayanıklı bir sistem yapılmasını sağlamıştır. Lazerin hareketini de engellememiştir. Parçaların oyularak içe yerleştirilmesi, ağacın kalın kullanılmasını gerektirmiştir. Bu da düzeneğin ağır olmasına neden olmuştur. Taşımayı kolaylaştırmak için kenara tutacak monte edilmiştir. Daha kısa boylu lazer aletlerin üretilmesiyle düzlemin çapı da küçültülebilir. Böylece daha hafif bir alet tasarlanabilir. Çapın büyük olmasının iyi yönü ise dereceli çemberin cetvelin daha büyük olabilmesi ve bu sayede daha hassas bir ölçüm yapılabilmesidir. Ayrılacak bir bütçe ile bulucunun tasarımı geliştirilebilir. Elektronik devre ve motor sistemiyle otomasyonu sağlanır, uzaktan kumanda da kullanarak çok daha hassas ve hızlı gözlem yapmak mümkün olabilir. Kablosuz internet bağlantısı algılayıcıları sayesinde internette koordinat araştırması yapmadan sadece cismin adını vererek de gözlem yapılabilir. Lazerli gökcismi bulucu bu haliyle düşük bütçeli tüm gözlemcilere hitap etmektedir ve yapımı, astronomi kulüplerinde atölye çalışması şeklinde uygulanabilir. Kullanılan malzeme geri dönüşümlü ve çoğunlukla atık maddelerden tercih edilmiştir. Plastik kullanılmamıştır. Kullandığımız lazer 200 mw lık çıkış gücüne sahiptir. Daha güçlü bir lazer kullanılırsa lazerin gösterdiği doğrultu daha da belirginleşir. Gücün artması yine ürünün bütçesinin arttıracaktır. Güçlü lazer kullanımı sağlık yönünden de tehlikelidir ve gözlem sırasında uçağa gelmemesine dikkat etmek gerekir. 14

TEŞEKKÜR: Projenin yapım aşamalarında gözlemevini kullanmamızı sağlayan Eyüboğlu Eğitim Kurumlarına, Eyüboğlu atölyesi sorumlusu Burhan Sağlam a teşekkür ederiz. Kaynakça: 15

1. Gözlem Gereçleri Satış Siteleri, Gözlemevleri, Astronomi Kulüpleri: 1.1. Optronik: http://www.optronikastro.com/ 1.2. Meade: http://www.meade.com/ 1.3. Bresser: http://www.bresser.de 1.4. Celestron: http://www.celestron.com/ 1.5. İstanbul Üniversitesi Gözlemevi Araştırma ve Uygulama Merkezi: http://www.istanbul.edu.tr/merkezler/gozlemevi/ 1.6. Ege Üniversitesi Gözlemevi Uygulama ve Araştırma Merkezi: http://astronomi.ege.edu.tr/tr/index.php/en/ 1.7. Tübitak Ulusal Gözlemevi: http://tug.tubitak.gov.tr/ 1.8. Gökbilim Forum: http://gokbilim.com/ 1.9. ODTÜ Amatör Astronomi Topluluğu: www.gokyuzu.org 2. Koordinatlar ve dönüşümleri: 2.1. http://star-www.st-and.ac.uk/~fv/webnotes/chapter7.htm 2.2. http://wise-obs.tau.ac.il/~eran/wise/util/horizontal_coordinates.html 2.3. http://www.istanbul.edu.tr/fen/astronomy/aak/wpcontent/uploads/astronomi_i_03.pdf 2.4. http://www.observatorio.unal.edu.co/maestria/documentos/coordenadas.pdf 2.5. http://astronomy.sci.ege.edu.tr/dersnotlari/kuresel_astronomi.pdf 3. Gözlenecek gökcisimleri için gerekli bilgiler: 3.1. Yapay uydu gözlem sitesi https://heavensabove.com/?lat=0&lng=0&loc=unspecified&alt=0&tz=uct 3.2. Stellarium Programı: http://www.stellarium.org 3.3. Google Earth: http://www.google.com/earth/ 16