79
Astronomy 1010L – The Solar System Laboratory Manual Dr. Kristin B. Whitson

ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

 

 

 

 

 

Astronomy 1010L – The Solar System 

Laboratory Manual Dr. Kristin B. Whitson 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Experiments in this manual were last updated by K. B. Whitson January 2011.  The author thanks S.R. Whitson for help in assembling the manual.  Credits: 

1. Hallo Northern Sky: Exercise partially based on previous versions of this experiment developed by R. L. Marlowe and  J. Pitkin. Hallo Northern Sky software written and distributed by Han Kleijn is available for download at www.hnsky.org. 

2. Parallax Measurement: Manuscript slightly modified from a previous manual by R. L. Marlowe and J. Pitkin. 3. Telescopes and Introduction to Imaging: Telescopes exercise was originally developed by R. L. Marlowe. 

Imaging exercise developed by J. Pitkin and K. B. Whitson. Remote telescopes for imaging project are operated by LightBuckets Online Telescopes, Steve Cullen, at www.lightbuckets.com. 

4. Jones Observatory Field Trip: Exercise developed by R. L. Marlowe. The observatory is managed by J. Pitkin and operated by UTC. http://www.utc.edu/Academic/JonesObservatory/index.php. 

5. Inverse Square Laws: manuscript prepared by K. B. Whitson. Exercise adapted from Physical Science with Vernier by Volz and Sapatka. 

6. Energy Flow Out of the Sun: Exercise and software developed by the Contemporary Laboratory Experiences in the Astronomy (CLEA) project at the Department of Physics, Gettysburg College, Gettysburg, PA (http://public.gettysburg.edu/~marschal/clea/CLEAhome.html).This exercise is a modified version of that work prepared by K. B. Whitson. 

7. Astrometry of Asteroids: Exercise and software developed by the CLEA project at the Department of Physics, Gettysburg College. This exercise is a modified version of that work prepared by K. B. Whitson. 

8. Deep Sky Observing Field Trip: Exercise introduced by R. L. Marlowe, B. Thompson, and J. Pitkin. Manuscript and lab report developed by K. B. Whitson. 

9. Mass of the Earth: Portions of the exercise were from a previous manual by R. L. Marlowe and J. Pitkin. 10. Rotation Rate of Mercury: Exercise and software developed by the CLEA project at the Department of 

Physics, Gettysburg College. This exercise is a modified version of that work prepared by K. B. Whitson. 11. Image Processing: Exercise developed by K. B. Whitson in conjunction with J. Pitkin.  12. Moons of Jupiter: Exercise and software developed by the CLEA project at the Department of Physics, 

Gettysburg College. This exercise is a modified version of that work prepared by K. B. Whitson.   

Page 3: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

         

Table of Contents  

Hallo Northern Sky ……………………………………………….…………………………………………………………..…………………… 1 

Parallax Measurement ….………………………………….………………………………….…………………………………………..…… 6 

Telescopes and Introduction to Imaging …………………………………………………………………………………...………… 12 

Jones Observatory Field Trip .………………………………………………………………………………………………………………. 16 

Inverse‐Square Laws ………………………………………………………………………………………………………………….……….. 18 

Energy Flow Out of the Sun ….……………………………………………………………………………………………………………… 24 

Astrometry of Asteroids ….………………….………………………………………………………………………………………………. 33 

Deep Sky Observing Field Trip …………………………………………………………………………………………….………………. 43 

The Mass of the Earth …………………………………………………………………………………………………………..…………….. 50 

Rotation Rate of Mercury .…………………………………………………………..………………………………………………………. 56 

Image Processing …….…………………………………………………………………………………………………………………..……… 64 

Moons of Jupiter …………………………………………………………………………………………………………………….…………… 68 

 

Page 4: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Hallo Northern Sky                                                                                                                                                        UTC Astronomy 1010L  

Hallo Northern Sky  Objective: This lab will acquaint you with methods to explore the night sky. In particular, we will discuss celestial coordinate systems, rising and setting of celestial objects, magnitudes, and eclipses. To acquaint ourselves with the basics, we will be using a celestial sphere and Hallo Northern Sky, which is a free planetarium program that is similar to other commercially‐available software that provides the same service to varying degrees.  Procedure:  

1. From the computer desktop, open the “Hallo northern sky planetarium” program.   

2. Under the Date menu, enter the current date and specify the time as 18 hrs 0 min (6:00 p.m.).  

3. By clicking at the top and/or bottom edges of the screen, rotate the celestial sphere so that you find the observer’s horizon (heavy green/yellow line) and the ecliptic (lighter green/yellow dashed line). You may want to zoom in or out (clicking on IN or OUT at the top) to produce a usable screen image. If you need to return to your original view, click RESET at the top.   

4. Set the correct location for your observations.  a. Under the File menu, choose Settings. Make sure that the longitude is set to 85.0° West and the latitude to 35.0° North (the approximate coordinates for Chattanooga). Make sure that the boxes which allow the program to automatically correct for parallax error and atmospheric refraction are checked.  

b. In the Time Zone box, enter ‐5.018 (the time difference in hours between Chattanooga and Greenwich). Make sure that the box for Daylight Saving Time is unchecked. 

c. Click on OK to close the Settings Window.  

5. Hallo Northern Sky allows the observer to view the sky in a normal fashion by default, looking from the inside of the celestial sphere out (toward the sky). To center the screen on an object, position the crosshairs on the object and right‐click once. A single left click on any object displays information about the object provided that it is in the program data bank. Try doing this for one of the named objects on the screen. On your report page, list the object you clicked on and the coordinate information displayed about it. Definitions and abbreviations can be found by using the Help menu.  

6. RESET your view and zoom OUT. In the software, the RA and DEC coordinates of the cursor change with its position. Right ascension and declination are shown as the gridlines on the screen and provide similar information for celestial objects as latitude and longitude, respectively, for a location on the surface of the Earth. Move the cursor along the ecliptic to determine whether it maintains a constant declination or right ascension. Record your observations on your lab report sheet.   

7. Find Mercury, Venus, Mars, Saturn, Jupiter, and the Sun. Notice how they are arranged relative to each another and the ecliptic. On your report page, sketch the orientation of these for today’s date.  

8. To conduct a search for an object, you can use the Search menu. Type in the name of an object and initiate the search. If the object exists in the program databank, it will be placed in the center of the screen. Search for Jupiter. On your data sheet, report (A) the rise and set times for today (B) the portion of the sky where it will be located at 6:00 PM and (C) the location of Jupiter in the sky so that a friend on the telephone could find it. In order to describe the location, you can describe where it is relative to the horizon, other celestial objects nearby (you can view the location of constellations under the Screen menu by clicking on Constellations), and its brightness relative to other objects in the same region of the sky (the lower or more negative the value for magnitude, the brighter the object).   

9. Search for Rigel (Orion’s left foot). Note the time that Rigel rises today. Now go to the Date menu to change the date to tomorrow. You can either click on Enter Date/Time and change it there, or you can click on +Day. What 

Page 5: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Hallo Northern Sky                                                                                                                                                        UTC Astronomy 1010L  

time does it rise tomorrow? Calculate and report the difference (in hours and minutes) between the successive risings of Rigel.   

10. Return the date to today’s date and search for the Sun. Click on it to find the time it rose today. Advance one day and see what time it will rise tomorrow. Report the difference (in hours and minutes) between the successive risings. Explain the discrepancy between your answers for Rigel and the Sun.  

11. A commonly‐used ground‐based coordinate system for Earth observers specifies the altitude and azimuth of a celestial object. The altitude is the height of the object (in degrees) above the observer’s horizon. The azimuth is the compass direction of the object. (Due north is 0°, East is 90°, South is 180°, and West is 270°). Click on RESET to reset your view and zoom OUT. Change the date to tonight at 11:00 PM (23:00) on the Date menu. Locate the Moon and click on it. What is its altitude and position relative to the horizon line? Report the rising and setting civil times (AM and PM) that the Moon rose and set today and the percentage of the Moon’s surface that is illuminated tonight. As closely as possible, what is its phase today (full, first quarter, etc.)? As of 11:00 PM tonight, is it waxing or waning? Crescent or gibbous? (You can use the +Hour or –Hour features on the Date menu to travel forward or backwards).  

12. Reset your time to 12:00 (noon) today. Now search for Venus. Check the rising and setting civil times (AM and PM) as seen from Chattanooga today. Consider what times of day Venus will be visible and decide whether Venus is the “morning star” or “evening star” today. You may want to compare to the times for the rise and set of the Sun. Check the percentage of Venus’s surface that will be illuminated tonight from Earth’s viewpoint. What phase is this (not the percent illuminated)?   

13. Compare the brightness (magnitude) of Jupiter with that of the brightest star in our sky, Sirius, which is in the constellation Canis Major (you can find Sirius by using the Search feature). Report the magnitudes of each on your report sheet. Astronomers measure the difference in brightness between objects in terms of magnitude. Each unit difference of magnitude between objects correlates with a brightness ratio of about 2.5 (object A, with a magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and the magnitude of object B is mB = ‐2.0, the brightness ratio would be calculated by:   

0.132.52.52.5B

B 2.20.22.0)m(m

B

A AB ==== −−−−  

 

This tells us that A is about 0.13 (or 13%) as bright as B. Equivalently, B is (1/0.13), or 7.7 times brighter than A. Calculate the brightness ratio of Jupiter to Sirius and report explicitly which is brighter and by how much.  

14. Search for Mars to compare its size (angular diameter) with that of the Moon. Unless stated explicitly, the sizes are given in terms of arcminutes ('). The " symbol denotes arcseconds (recall that there are 60” in 1’). Determine the ratio of the angular diameter of Mars to the angular diameter of the Moon. Give your answer as a decimal, rounded off appropriately. This ratio tells you how many times larger the Moon is than Mars from our viewpoint.  

15. Search for the Sun and determine its angular size relative to the Moon.  

16. Go to the Date menu and set the date and time for 12:15 AM (0:15) on December 21, 2010. Notice that Earth’s shadow is now labeled. Zoom in enough to separate the Moon from the outline of the Earth’s shadow. Use the +Hour and +Minute Functions on the Date menu to track the position of the Moon relative to the Earth’s shadow. You may have to use the search feature to re‐center the Moon in the screen occasionally. Determine between what times of the night we were able to detect an eclipse. Note that unless at least half of the Moon enters the penumbra (the yellow outer dotted circle), the eclipse may be undetectable. Totality is the darkest part of the eclipse, where scattered light does not reflect part of the sunlight back toward the Earth as it does when Earth is in the penumbra. Totality would correspond to where the Moon is fully within the shadow of the Earth (the middle blue circle, or umbra). Between which times did this occur? How long did totality last? 

Page 6: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Hallo Northern Sky                                                                                                                                                        UTC Astronomy 1010L  

Pre‐Lab Page 

Hallo Northern Sky Pre‐Lab Exercise  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________  1. Describe what the ecliptic represents.         2. a) How are the celestial coordinates of right ascension and declination related to lines of latitude and longitude            on Earth?          b) How are altitude and azimuth defined?       3. How many arc‐minutes are in one hour? How many arc‐seconds are in one arc‐minute?     4. Describe the differences in the following terms in relation to the phases of the Moon:     a) Crescent vs. gibbous          b) Waxing vs. waning     5. If object X is 0.2 times as bright as object Y, how many times brighter is object Y? (Show your reasoning)       

Page 7: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Hallo Northern Sky                                                                                                                                                        UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

Hallo Northern Sky Lab Report  Name: ________________________________ Lab Partner: _________________________ Date: ______________  1. List the star or planet that you clicked on in step 5 of the procedure. Give any information displayed for Az, Alt, 

RA and DEC. Spell out what each abbreviation means.      2. Does the ecliptic maintain a constant declination or right ascension? Circle your answers:  

  Constant DEC?         Yes         No                   Constant RA?         Yes         No  3. Sketch the relative orientations of the Sun, Mercury, Venus, Mars, Jupiter, and Saturn relative to the ecliptic on 

the celestial sphere.          4. Time for rise of Jupiter today: ______________.  Time for set of Jupiter today: _____________. In  which 

portion of the sky will Jupiter be located at 6:00 PM? (Check the horizon line and specify NE, NW, SE, etc.)   

       ____________ Describe the location of Jupiter in the sky so that a friend on the telephone could find it.   

 

 

 

5a.  Time for rise of Rigel today: ______________.  Time for rise of Rigel tomorrow: ______________.  Time (in hours and minutes) between successive risings of Rigel:  

    b.  Time for sunrise today: ______________.  Time for sunrise tomorrow: ______________.  Time (in hours and 

minutes) between successive sunrises:    5c.  Explain the difference between your answers in 5a and 5b.      

Page 8: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Hallo Northern Sky                                                                                                                                                        UTC Astronomy 1010L 

Report Page 2 

6. Altitude of the Moon ________. Position relative to the horizon line: ____________________.  Civil time for 

rise of the Moon today: __________.  Civil time for set of the Moon today: _________.     Percentage of Moon 

illuminated: __________. Phase of the Moon: ____________. At 11:00 PM, the Moon is (circle your answers): 

Waxing  /  Waning      and    Crescent  /   Gibbous 

 7. Venus is the   morning  /  evening star today (circle one and give your reasoning in the space below).  Phase of 

Venus: ____________. 

   8. Magnitude of Jupiter: _________ Magnitude of Sirius: _______. Show your calculation for the brightness of 

Jupiter to Sirius.      

Which object is brighter?  By how much?  

  9. Angular size of the Moon: __________'              Angular size of Mars: ________" = __________'   

     Show your calculations for the angular size of Mars and the ratio of angular diameters here:   

           Marsof  diameter AngularMoonof  diameter Angular

   Which is larger, the Moon or Mars?  

     Angular size of the Sun: __________'                     Ratio of the angular diameters of the Moon and Sun = ___________   10. Between what times was the Moon located within Earth’s shadow on the morning of December 21, 2010?           Between what times should observers in Chattanooga have detected the eclipse?   

What are the times of totality and how long did totality last (in hours and minutes)?   

Page 9: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Parallax Measurement                                                                                                                                                 UTC Astronomy 1010L 

6

Parallax Measurement  Objective: In this experiment, you will learn about a technique used by astronomers to measure distances as far away as ~500 light‐years (nearby stars). The technique is known as the determination of stellar parallax. A closely‐related technique (triangulation) is used in surveying measurements on Earth. For this lab, we will apply this method not to stars, but to objects more easily accessible here on the Earth.   Background:    As an illustration of parallax, first line up an object across the room from you with your thumb held at arm’s length. Close one eye. Keeping your arm, thumb, and head motionless, now close the other eye and open the first. Notice that the position of your thumb with respect to the background object moves. This effect is called a parallax shift, and it results from the fact that the small distance between your eyes causes you to view your “thumb‐object alignment” from slightly different angles.    When a nearby star, N, is viewed from Earth against the background of stars which are much further away, the near star appears to shift position by a small amount as the Earth’s location changes due to its orbital motion around the sun (see figure 1). The diameter of the Earth’s orbit provides a baseline, AB, from which the nearby star’s position appears to change with respect to the background. If the parallax angle, p, can be accurately measured we can calculate the star’s distance from us.                  By geometry, the angle θ, is defined as the ratio of the arc length s (where s is the curved path along the baseline AB) to the radius of the circle, R, when θ is measured in radians, or  

          θ (in radians) = Rs

      (eq. 1) 

 

Since the circumference of the entire circle from which the arc s is created equals 2πR in length and sweeps out 360° in angular measure, it follows that for an entire circle, the angle in radians is:  

          ππ

2R

R2θ ==  radians = 360° , or 

          1 radian =  oo

57.32π

360≈     (eq. 2) 

 

  Referring back to figure 1 and using the definition of a radian defined in equation 2, then the parallax 

angle p ≈ 2R

AB. Since R >>> AB, the chord (straight line) AB is an excellent approximation to the true arc length s. 

We know that AB is 2 AU (2 times the distance from the Earth to the Sun), so if we can measure the angle p, then we can calculate the distance R to the nearby star N. 

Sun 

Earth in January 

Earth in July 

A

B

N p θ=2p

R

To a distant star 

To a distant star 

Figure 1. 

θA

θB

Page 10: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Parallax Measurement                                                                                                                                                 UTC Astronomy 1010L 

7

Procedure:  

1. Find a “near” and “far” object. For example, if the near object distance is about the length of the classroom, then the far object should be some point far in the distance like a point on a city building or a mountain. The far object distance should be at least 100 times the near object distance. On your lab report sheet, describe in detail the position from which you are taking your measurement, the near object you have chosen and its position, and the far object you have chosen and its position. Include a comparison of their placement relative to one another.  

2. Determine the baseline AB that you are going to use – it should be approximately 2 m. Try to arrange your baseline so that the near object lies approximately on the perpendicular bisector of the baseline (the near object should be in the middle of the baseline). Estimate the uncertainty in your length measurements by estimating how closely you can position your eye over the baseline. In other words, can you position your eye directly over the edge of the baseline so that it is within 5 cm of the baseline? 3 cm? 1 cm? Record this value on your data sheet to the nearest centimeter (1/100th of a meter).   

3. Measure the angle θA between the near and far object using your cross‐staff (this is the angle between the bisector line and the line R to point A on your baseline). Repeat the measurement five times and record your data in the table on your data sheet.   

4. Repeat step 3 for θB (the angle between the bisector and the radius R to point B on your baseline).  

5. Find the average value for each angle, showing your calculations for one of the two angles (either θA or θB) on your report sheet.  

6. Find an estimate for the uncertainty in each angle using the following approximation:  

    uncertainty1N

value   smallest    value   largest  

−−

= , where N is the total number of measurements 

 

    Example: If your measurements were 6.4°, 6.0°, 5.8°, 6.3°, and 6.0°, the approximate    uncertainty in the angle would be: 

 

        °±=°

±=−

°−°± 3.0

26.0

)15(

8.54.6 

 

7. After completing the angle measurements, step off and record the distance between the center (midpoint) of AB and the near object for three of the five trials. Start with your toes on the line AB and use normal‐sized walking steps for this.  

8. Calculate the total angle θ. If the near and far objects reverse their right‐left orientation when you move from A to B on the 2‐meterstick, then θ = θA + θB. If the near and far objects do not reverse orientation, then θ = |θA‐θB|. The uncertainty in θ will be the sum of the uncertainties in θA and θB.  

9. Calculate the parallax angle p, knowing that p = ½ θ. The uncertainty in p will be ½ that of θ.  

10. Using the definition of an angle in radians (equation 2), we can relate the angle in degrees to the ratio of an object’s true size and distance R from us:  

     RAB

p2

3.57 ×°≈ , which can be solved for the distance, R to give: 

      R (in meters) p

AB2

3.57 ×°≈ . 

 

Using this expression, calculate the distance between your baseline and the near object.  

Page 11: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Parallax Measurement                                                                                                                                                 UTC Astronomy 1010L 

8

11. Find the maximum possible distance to the near object by using the largest value for AB (AB + uncertainty in AB) and the smallest value for p (p – uncertainty in p):  

      Maximum calculated distance =  ( )( )p in yuncertaint2

AB in yuncertaint3.57−×+×°

pAB . 

 

Find the minimum possible distance to the near object N by:  

      Minimum calculated distance =  ( )( )p in yuncertaint2

AB in yuncertaint3.57+×−×°

pAB . 

 

The maximum and minimum distances are the upper and lower bounds on your calculation of the distance by parallax.  

12. Compare your calculated parallax distance to the value determined from your stepped‐off distance. Carefully measure the distance you cover for six normal walking steps (let the toe‐to‐toe distance be called one step). Provide an estimate of the uncertainty in the measurement of this distance. Divide both the 6‐step length and its uncertainty by 6 to find your average “single step length” and its uncertainty. Also find the uncertainty range for these measurements by:  

      Maximum distance = (avg. # of steps + 0.5) x (avg. step size + uncertainty)  

      Minimum distance = (avg. # of steps – 0.5) x (avg. step size – uncertainty)   

Find the average of the maximum and minimum values.  

13. Does your range of values for the calculated parallax distance (R) overlap with the range of values for the stepped off distance? If so, then your calculated and stepped‐off distances agree within experimental uncertainty. If the range of values did not overlap, what could be possible sources of experimental error/uncertainty or limitations to the experiment that were not accounted for in the experimental design and execution of the experiment?   

14. To obtain a quantitative measure of the agreement between your parallax‐determined distance and stepped off distance, find the percentage difference between them:  

      % difference =  %100distanceoff     stepped  average

distance)off     stepped  average ‐distance   determined  parallax(×  

 

This calculation assumes that the stepped off distance is more accurate than the parallax determined distance, which may or may not be true, depending on your ability to measure with steps. Note that percent differences of 10‐20% are not unusual in this experiment.  

Page 12: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Parallax Measurement                                                                                                                                                 UTC Astronomy 1010L 

Pre‐Lab Page 

Parallax Measurement Pre‐Lab Exercise  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________  1. Line up an object across the room from you with your thumb held at arm’s length. Close one eye. Keeping your arm, thumb, and head motionless, now close the other eye and open the first. Describe what happens to the position of your thumb’s image relative to the object across the room.            2. What is meant by “the baseline” that you are going to use in the lab experiment? To what physical measurement does it correspond?         3. With reference to figure 1, which variables (distances, angles, etc.) do you actually measure (not calculate) in the experiment?     4. With reference to figure 1, which variables (distances, angles, etc.) do you calculate in the cross‐staff portion of the experiment?     5. Besides the cross‐staff method, what is the other method you will use to determine the distance between the baseline and the near object?     

Page 13: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Parallax Measurement                                                                                                                                                 UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

Parallax Measurement Lab Report  Name: ________________________________ Lab Partner: _________________________ Date: ______________  1. In terms of relative position, describe in detail  

 (a) the place where you are taking your measurement:    

(b) the near object:   

(c) the far object:    2. Length of the baseline AB = ________ ± _______ m.  3, 4, and 7.    

Trial Number  θA (degrees)  θB (degrees)  # steps to near object 

1       

2       

3       

4       

5       

Average       

Uncertainty  ±  ±  ± 0.5 

 For either θA or θB, show your calculations below for the average and the uncertainty. 

 5. Average:     6. Uncertainty:     8. Calculation for θ and its uncertainty (show your work):     

θ = ___________° ± _________°.   

Page 14: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Parallax Measurement                                                                                                                                                 UTC Astronomy 1010L 

Report Page 2 

9. Parallax angle, p, and its uncertainty:    p = ___________° ± _________°.  10. Calculation for R (show your work):    R = ___________ (meters)    11. Calculations for maximum and minimum distances to the near object (show your work):     Maximum R = ___________ (meters)     Minimum R = ___________ (meters)    12. Measured distance for 6 walking steps = ______________ meters ± ____________ meters.        Average step size = ____________ meters  ± ____________ meters.        Calculations for maximum and minimum stepped distance (show your work for the maximum and minimum):    Maximum stepped distance = ___________ (meters)     Minimum stepped distance = ___________ (meters)     Average stepped distance = ___________ (meters)  13. Do the calculated parallax distance and stepped‐off distance agree within their uncertainties?          Possible limitations of or sources of error in this experiment (in complete sentences):        14. Calculation for % difference between the two determinations of distance (show your work):  

Page 15: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Telescopes and Introduction to Imaging                                                                                                                   UTC Astronomy 1010L 

12

Telescopes and Introduction to Imaging  Objective: This goals of this lab are to familiarize you with the basic parts of various types of telescopes, how to assemble and use a telescope like we will be using for deep‐sky observing, and to review necessary pre‐requisites for setting up imaging experiments in our group projects.   Equipment needs: Optical bench with 75 and 150 mm lenses. Concave demonstration mirror. Reflecting telescopes with different mounts.   Background: 

Telescopes are used to obtain magnified images of distant objects and focus light in some way to form an image of the object under study.  Generically, telescopes can be broken down into two types: refractors (which use lenses) and reflectors (which use mirrors).  First, we will be viewing objects through a single lens, in order to understand how light rays are focused, then through a double lens system like in a refracting telescope, which will create a magnified, inverted, virtual image of a distant object.  We will also examine the concave mirror, which is used in reflecting telescopes, to see how light from a distant object is focused to create and image. 

We will examine two different types of mounts on telescopes, an equatorial mount and an altitude‐azimuth mount, which use different coordinate systems to locate objects. Both will be used in our planned observing sessions. For all coordinate systems, reference points are necessary and we will discuss how to locate and determine appropriate points.  We will further inspect the telescopes to study other critical components to the system and the purposes behind each. Finally, we will learn to assemble these telescopes and use them.       The second part of this laboratory deals with the collection of astronomical data and images. Our group projects will be done through the use of remote telescopes in the LightBuckets network. Use of these will allow us to image astronomical objects from New Mexico, which has far less light pollution than Chattanooga or most of the entire Eastern U.S; thus, we can produce a much more meaningful and enhanced image to analyze than those that can be collected locally.   Depending on the object you choose to image, you may select different exposure times, spectroscopic filters, color mode, etc. for your study that will produce the best image. For instance, a black and white image is taken using the luminance filter on the telescope. Color images are created by combining frames taken through luminance, red, green, and blue filters. Spectroscopic filters (such as hydrogen‐alpha) can enhance regions of nebula that contain molecular or atomic gas. We will need to find coordinates for our objects and determine if they are suitable for study at this time of year. Exposure times are important to consider. The longer your exposure, the more light you can collect, and the fainter the object you can see. However, overexposures cause blooming effects that can be difficult to remove. It is best to take multiple short exposures and combine them. 

Following the introduction to this exercise in lab, your instructor will assign you and your group members “points” that have already been purchased, and you will select an astronomical object to image. Consultations will be had with individual groups about the appropriateness of planned studies and to schedule imaging runs. Later in the semester after data has been collected and returned, we will learn to process the collection of data frames in order to produce your final image and project.   Other Reporting Notes: 

The report for this laboratory covers our telescopes discussion. For the imaging discussion, you should make good notes elsewhere in your notebook on parameters that you will need to determine and decide upon for your chosen astronomical object. Keep these notes and any parameters you decide upon for future use in your report on the imaging project.   

Page 16: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Telescopes and Introduction to Imaging                                                                                                                   UTC Astronomy 1010L 

Pre‐Lab Page 

Introduction to Imaging Pre‐Lab Exercise  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________  Go to www.lightbuckets.com. Click on the “Register” tab and sign up for an account. You will have to choose a username and password and provide a valid email address during the registration process that will allow you to complete the registration. Once you have registered, your instructor will be able to add you to the group for our class.   Username:_______________________________    Associated email address: _____________________________   

After you have registered, you may want to browse the website to view the albums of other users to get an idea of the types of objects you may want to image and the specifications, settings, filters, etc. required to produce different types of images.   

Page 17: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Telescopes and Introduction to Imaging                                                                                                                   UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

Telescopes Lab Report  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________  Describe in some detail the questions below, in your own words, using complete sentences.  Clearly labeled sketches can often help greatly help with your explanations. Use additional paper if needed.  1. Draw rays that show the path of light taken through a refracting telescope (with two lenses). Show the location, 

orientation, and relative size of the object and the image.          2. Draw rays that show the path of light taken in a reflecting telescope (with a single concave mirror). Show the location, orientation, and relative size of the object and image. 

         3. Describe the main features of the Schmidt‐Cassegrain telescope used in this lab. Where is the primary mirror 

located? What is its diameter? Where is the secondary mirror? What is the corrector plate and what is its purpose? 

         4. How does the alt‐azimuth mount differ from the equatorial mount?         

Page 18: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Telescopes and Introduction to Imaging                                                                                                                   UTC Astronomy 1010L 

Report Page 2 

5. Why must the polar axis of an equatorial telescope be directed towards Polaris? Will this axis be directed towards Polaris 5,000 years from now? Why or why not? 

      6. Give a brief explanation of the purpose of the setting circles found on the Celestron telescopes. Which one 

corresponds to which coordinate?       7. What is meant by the term “local celestial meridian?” For what type of telescope might it be more important to 

know this?       8. What is a star diagonal, and what is it used for?       9. What is the purpose of a “finder ‘scope”? Compare the field of view from the finder scope to that seen through 

the eyepiece.         10. Why is the magnification ability of a telescope of little interest to stellar astronomers but of greater interest to 

planetary astronomers?        

Page 19: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Jones Observatory Field Trip                                                                                                                                       UTC Astronomy 1010L  

16  

UTC Clarence T. Jones Observatory Field Trip 

Meeting Time:  You need to be there by 6:00 p.m. in order to begin your scavenger hunt. We will begin the lecture and planetarium show at 6:30 p.m.   Directions: From UTC, take McCallie Ave. east (away from downtown) 2 to 3 miles through the Missionary Ridge Tunnel. McCallie becomes Brainerd Rd. as you exit the tunnel. Continue on for about a mile; go past the large intersection of Brainerd Rd. with Belvoir Rd. (see Grace Episcopal Church on the right). Go approximately 2 blocks further, and take the left turn onto N. Tuxedo Lane. (If you pass Brainerd United Methodist Church with its tall steeple on your left, you’ve gone too far). Tuxedo Lane is a very wide street with parking possible in the middle of it. About one block after you turn onto Tuxedo, see the large sign for the Jones Observatory on the right hand side. Park, lock your car, and walk up the stone steps which lead to the Observatory at the top. Allow roughly 15 minutes for travel time from UTC.  If special accommodations are needed because of the walk up the steps, please let your instructor know so that you can be provided alternate directions to a back entrance.  

Page 20: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Jones Observatory Field Trip                                                                                                                                       UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

UTC Clarence T. Jones Observatory Field Trip Scavenger Hunt  Name: ______________________________________________________ Date of Visit: _____________________  Instructions: Answer all questions below; you should attempt to answer the questions without help from others!   

1. What is the altitude (to the nearest foot) of the Observatory on the U.S. Geological Survey marker? __________ 

Where is the marker located? ____________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________________________________  

2. Where is the Biblical quote located? _____________________________________________________________ 

What does it say? ______________________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________________________________ 

_____________________________________________________________________________________________  

3. When was the building completed (opened to the public)? ___________ Where did you find this information? 

(This is located on the building somewhere…) _______________________________________________________ 

____________________________________________________________________________________________ 

 

4. Where is the dodecahedron inside the Observatory? _______________________________________________ 

What is its function? ___________________________________________________________________________ 

What is the geometrical shape of each of its sides? ___________________________________________________  5. Who was the main architect of the Observatory? ___________________________________________________  6. How many telescopes are actually mounted in the dome room? ________ How many are refractors? ________  

7. What type of telescope is the observatory’s main telescope? _________________________________________ 

What is the size of the primary mirror of the main telescope? ____________ inches  

8. From a telescope in what other famous observatory was UTC’s original telescope modeled? 

________________________________ Where is this observatory located? ________________________________ 

What display in our observatory references this other famous observatory (what does the display say?) 

_____________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________________  9. Where is Lookout Mountain in the planetarium? ___________________________________________________  10. What astronomical object / constellation did you view tonight through a telescope at the observatory? (If poor weather obstructs this viewing, give a constellation discussed in the planetarium). 

_____________________________________________________________________________________________    

Page 21: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Inverse Square Laws                                                                                                                                                     UTC Astronomy 1010L 

18

Inverse Square Laws  Objective:  In  this experiment, you will use a computer‐interfaced  sensor  to measure  light  intensity  in order  to examine  the  relationship between  the  intensity of a  light source as a  function of  the distance  from  it. Through studying  this correlation, you will be able to understand  fundamental relationships described by  inverse square laws  for many other natural phenomena,  including  the  light  intensity  radiating  from stars and  the gravitational force that binds all objects in the universe together. With respect to light intensity, knowledge of the relationship between  intensity and position will also allow us  to gain an appreciation  for  the  luminosity of our Sun and  its brightness on Earth compared to other planets in the solar system.      Background:    

Inverse  square  laws are  some of  the most  fundamental and universal  relationships  in physical  science, relating the intensity of an effect to the distance from the cause of that effect. Inverse square laws can be used to describe  the  loudness  of  a  sound,  the  strength  of  electromagnetic  and  gravitational  forces,  the  depth  of  a radiation field, the potency of gas molecules from an open perfume bottle, and the luminosity of light. They apply in all cases where something from a localized source spreads uniformly throughout a surrounding space; thus, the intensity measured in an inverse square relationship is the rate that a force, molecules, or energy is transferred though an area.    The  intensity of any effect described by an  inverse  square law decreases with distance  from  the  source. Mathematically,  the cause  and  effect  are  inversely  proportional  to  one  another.  For example, a light appears to be brighter when you are close to it, but as you move away, it seems to become dimmer. Consider a point of light at  the center of a set of nested spheres  (as  in  figure 1). Light travels away from the point in all directions in straight lines, and as it spreads out, it becomes more diffuse. Because the surface area of a  sphere  is given by 4πr2, a  sphere  centered at  the  same position having a radius of 1 m would have a surface area of 4πr2 = 4π(1)2 = 4π. A sphere centered at the same  location but having a radius of 2 m would have surface area equal to 4πr2 = 4π(2)2 = 16π; therefore, it is (16π/4π = 4) four times as large, and the light radiating from the point source is now spread  over  four  times more  area  than  it was when  it was  two  times  closer  to  the  source.  Thus,  intensity  is inversely proportional to the square of the distance, or  

                                        20

r

II = ,  

 

where  I  is  intensity,  r  is  the distance  from  the  source, and  I0  is the intrinsic luminosity of the light at the source itself. 

A plot  showing  light  intensity as a  function of distance from  the  source  is  shown  in  figure  2.  Notice  that  intensity decreases  rapidly  as  the  distance  from  the  source  increases. Examination  of  inverse  square  equations  such  as  that  given above  also  reveals  that  no matter  how  far  the  distance,  the effect of a source is never eliminated; for the effect to disappear entirely, the distance would have to be infinite. The curve on the plot would have the same relative shape  if  instead of  intensity, gravitational  force were  plotted  on  the  y‐axis  and  distance  on the x‐axis, where the relationship between gravity and distance is  described  by  Newton’s  Law  of  Universal  Gravitation.  For example,  if  the  radius of  the Earth  is 6,400 km, a  satellite  that 

Figure 1. Inverse square relationships depend on the surface area of a sphere. 

Figure 2. Light intensity plotted as a function of distance from the source yields an inverse square relationship to the curve fitting the data. 

Page 22: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Inverse Square Laws                                                                                                                                                     UTC Astronomy 1010L 

19

orbits Earth at 4 times the distance from Earth’s center (19,200 km above Earth’s surface) would weigh just 1/16th as much as it did when it was on the surface of the Earth. The force of gravitational attraction quickly gets weaker as  objects  get  farther  apart  (by  the  square  of  distance),  but  all masses  in  the  universe  exert  some  kind  of gravitational influence over every other mass, because all are at some finite distance.   Mathematically, the inverse square laws for intensity and gravitational force are given by  

20

r

II =      and    

221

r

mGmF = ,  

 

respectively.  Both  equations  can  be written  in  the  comparable  form  y  =  Ax‐2, where  y  represents  either  the intensity of light or gravitational attraction, x represents the distance from the source (equivalent to r), and A is a constant  that multiplies  the curve;  in  the case of  the  intensity equation, A =  I0, and  in  the case of gravitational attraction, A = Gm1m2.   

 Procedure:  

1. Set up the apparatus as shown below. Be sure that the light sensor is directly lined up on a horizontal plane with the light source. This is absolutely vital to the success of this experiment and the most important aspect of the setup. The base of the ring stand must be able to slide smoothly with one edge flush against the 2‐meter stick, while the light sensor is always in a single direct line with the light source.  

 2. On the computer, open the Logger Pro program. Go to the File menu, and then select the appropriate file to open (given to you by your instructor). The vertical (y) axis is preset to show illumination (intensity) data. The horizontal (x) axis will plot distance scaled from 0 to 50 cm. Follow the instructions that the computer gives you on how to connect your light sensor.  

3. You first need to take a reading of the background light intensity (with your light source off) in order to be able to account for ambient light hitting the detector that comes from other sources, for instance from windows in the room. Define the light level as zero by clicking 0 Zero. The intensity reading should now be near zero. Click Auto Scale if the reading of zero is not visible.  

4. Now you are ready to collect data from the light source. Turn on the light source and make sure that it has warmed up for at least 30 seconds so that it has had time to equilibrate to its maximum output power. Position the detector element of the light sensor 10 cm away from the light source and watch for the reading to move up and down. Try to make sure that the computer reading is at least 100 lux when the sensor is 10 cm from the light source. If it is not, you may need to re‐align your apparatus.  

5. When the meter reading appears to have reached its highest point, click Keep. Type “10” in the edit box in order to correlate your intensity reading with the 10 cm distance you used and press Enter to save the data into the computer.  

Light sensor 

To Vernier box 

Light Source 

2‐meter stick 

Page 23: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Inverse Square Laws                                                                                                                                                     UTC Astronomy 1010L 

20

6. Move the detector element of the light sensor to 15 cm away from the source and repeat step 5, correlating the intensity reading with “15” cm. Repeat step 5 again for distances of 20 cm, 25 cm, 30 cm, 35 cm, 40 cm, and 45 cm away from the light source. Once you have finished all readings, click Stop to end the data collection.   

7. Analyze your intensity data to determine if it fits an inverse square relationship. Click on Analyze > Curve Fit.  Choose the Power fit on your measured illumination data.  An equation A*xn fitting your data should appear. Record the equation on your data sheet.  

8. Print a copy of your data and the graph with the fit.  

9. If your intensity data exactly fit an inverse square relationship when viewed as a function of distance from the light source, the exponent in your power function would be ‐2.00. How closely does your adjusted intensity fit exponent compare? To answer this, find the percent difference with the formula below. Record your answer and show your calculations on your data sheet.  

%  100    00.2  

) 00.2   (     value   your    error  % ×

−−−

=  

 

10. On your report sheet, discuss sources of uncertainty or limitations in the assumptions of the experiment that may have influenced the outcome of this experiment.   

11. Now that you understand the inverse square relationship, let’s calculate the intrinsic intensity (the luminosity) of the Sun. Assume that your light sensor placed just outside Earth’s atmosphere measured an intensity of 1400 Watts/m2.  First, find the total surface area of the sphere surrounding the Sun at the radius of 1.5×1011 m, which is the distance between the Earth and the Sun. Then, multiply the total surface area of the sphere (4πr2) by the intensity of the Sun’s light at this distance. Show all your calculations on your report sheet.  

12. Using your value for the luminosity of the Sun, calculate the intensity of the sunlight that would be measured at the surface of Mercury with the same supposed light sensor you used on Earth. The distance between the Sun and Mercury is 5.80×1010 m (which is 0.387 AU). Show your calculations on your report sheet.   

13. Find the ratio of the intensity that you calculated for the sunlight at Mercury to the intensity of the sunlight received at Earth by dividing the two values. This will tell you how much brighter the Sun is on Mercury.   

14. Calculate the intensity of the sunlight that would be measured at the surface of Neptune with the same light sensor. The distance between the Sun and Neptune is 4.50×1012 m (which is 30.07 AU). Show your calculations on your report sheet.   

15. Find the ratio of the intensity that you calculated for the sunlight at Neptune to the intensity of the sunlight received at Earth. This will tell you how bright the Sun appears on Neptune relative to how bright the Sun appears from Earth.     

Page 24: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Inverse Square Laws                                                                                                                                                     UTC Astronomy 1010L 

Pre‐Lab Page 

Inverse Square Laws Pre‐Lab Exercise  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________  1. What are some examples of physical properties that follow inverse square laws?        2. What is the most important aspect to ensure in setting up the apparatus?         3. What is the purpose of defining the ambient light level as zero in the experiment?        4. The power function used to fit your data has the form y=A*xn. To what physical property does the quantity “A” correspond? What should the numerical value of n be?         5. Find the change in the force of gravity between two planets if the masses of the planets don’t change but the distance between them is decreased to one‐third of the original distance.   

Page 25: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Inverse Square Laws                                                                                                                                                     UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

Inverse Square Laws Lab Report  Name: ________________________________ Lab Partner: _________________________ Date: ______________   7. Equation for fit to intensity data:     9. Calculation of the % difference between intensity fit exponent and theoretical exponent of ‐2.00.          10. Sources of experimental uncertainty or limitations in the assumptions of the experiment that may have 

influenced the outcome:             11. Calculation of the Sun’s luminosity:                   

Page 26: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Inverse Square Laws                                                                                                                                                     UTC Astronomy 1010L 

Report Page 2 

12. Calculation for sunlight intensity at Mercury:           13. How much brighter is the Sun on Mercury than on Earth? (Show your calculations.)           14. Calculation for sunlight intensity at Neptune:            15. How bright does the Sun appear on Neptune relative to how bright the Sun appears from Earth? (Show your 

calculations.)             **Attach your computer‐generated graph and data from this experiment to this report sheet.   

Page 27: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Energy Flow Out of the Sun                                                                                                                                         UTC Astronomy 1010L 

24 

Energy Flow Out of the Sun 

Objectives:  This  experiment  focuses  on  analysis  of  computer  simulations  that  will  allow  you  to  explore  the interaction of photons with  gas  atoms.  Specifically, we will  examine  the  effects of photon  absorption  and  re‐emission by individual atoms, the effect that a photon’s energy has on the rate of absorption, and the effects of diffusion and its dependence on the number of gas layers in the star. Through these analyses, you will achieve an understanding of how absorption and emission lines in stellar spectra are produced and why the energy flow from the Sun’s core to its surface is such a seemingly slow process.  Introduction and Background:   

The energy emanated by our  Sun  is  the ultimate  source of energy on Earth  and  throughout our  solar system, traveling across the vast distances of space by way of electromagnetic radiation. Solar energy originates at the core of the Sun when photons are generated during the processes of nuclear fusion that convert mass to energy.  The  software used  in  this  exercise  examines  the different  interactions of photons with matter  in  two regions of  the  Sun,  the  solar  atmosphere  and  the  solar  interior, each having different effects on  the ultimate travels of an individual photon into space.  

The  solar atmosphere  is a  thin  layer of gas  that makes up  the outermost  skin of  the Sun.    It  is  largely transparent, so it has little effect on most photons. However, the absorption and re‐emission of a few photons by atoms  in  the  solar  atmosphere  results  in dark  absorption  lines  in  the  continuous  spectrum of  the  Sun.  These absorption lines are called Fraunhofer lines. The “Interaction” module of the program will allow us to study how two classes of photons, line radiation and continuum photons, interact with atoms in the solar atmosphere. The “Line Formation” simulation demonstrates how line radiation photons, or photons that have just the right amount of energy to kick an electron of a gas atom to a higher energy state, are absorbed by the atom. The “Continuum” simulation  shows  how  continuum  photons,  or  photons  that  do  not  have  the  precise  energy  required  to  be absorbed, pass though a cloud of gas easily. A final gas cloud simulation, “Experiment”, will allow you to match a photon’s energy with various gas clouds, a process that will permit you to plot a line spectrum similar to what you might observe using a spectrograph attached to a real telescope. 

Before  they reach  the atmosphere, photons generated  in  the core  travel  through  the main body of  the sun, called its interior, in a zigzag path as they are scattered back and forth by particles (mostly electrons). In fact, so many interactions occur that it literally takes hundreds of thousands of years for a typical photon to travel from the  center  of  the  Sun  to  its  surface.  In  the  “Flow”  simulation  of  the  program,  a  two‐dimensional  slice  of  the interior of a star is used to study how a photon diffuses outward from the core and how the number of layers of atoms in the model affects the amount of time it takes for a photon to escape.  Part I: Photon Interaction in the Solar Atmosphere  

1. Start the Solar Energy program under the CLEA exercises folder on the Start / Programs menu and select Log in from the menu bar. Enter your name, those of your lab partners, and the laboratory table number where you are seated for this experiment. When all the information has been entered, click OK to continue. After confirming, the opening screen will appear.  

2. On the Simulation menu, select  Interaction. The display portrays many atoms  in a gas.  In the model of each atom, an electron cloud  surrounds a nucleus  that  is  invisible and buried deep  in  the center. By clicking on  the View menu, you can change the scale to “close‐up” or “large scale”.   

3. To choose the type of photons to be sent through the gassy region, click on the Photon Type menu and select Line. Line photons have precisely the right amount of energy to be absorbed by the atoms. Absorbing a photon adds energy to the electrons in the atom, and they are kicked into higher orbits. After a brief moment, they fall to a  lower energy state and release a photon  in some random direction. These photons are said to be undergoing bound‐bound transitions, since the electrons remain attached to the atom even when excited. When you click on 

Page 28: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Energy Flow Out of the Sun                                                                                                                                         UTC Astronomy 1010L 

25 

the Run button, photons are sent continuously from the left side of the screen to pass through or interact with the atoms. (Alternatively, click on Step to send a photon one at a time through the field.)  

4.  Click  on  the  Stop  button  after  20  photons  have been sent. Record the number of photons that were scattered on your lab report sheet.   

5.  Change  to  Continuum  photons  on  the  Photon Type menu  and  repeat  steps  3  and  4.  Continuum photons are the wrong energy to interact easily with these  gas  atoms  and  often  pass  through  them without  incident. Occasionally, a continuum photon will scatter off of an electron just because it happens to  make  a  direct  hit,  but  not  often.  Record  the number of  continuum photons  that were  scattered on  your  lab  report  sheet  after  20  have  passed through the gas.  

6.  Close  the  Photon/Atom  Interaction  Simulation Window so that you are back on the main screen of the software. From the Simulation menu, select Line Formation.    Line  photons  are  responsible  for  the lines  in  a  spectrum  (hence  the  name).  If  they  are observed  against  a  bright  background  (like  the surface  of  a  star),  they  cause  dark  lines  to  appear because most  are  scattered  away. This  is  called  an absorption  spectrum.  On  the  other  hand,  if  line photons  are  observed  against  an  otherwise  dark background,  they  cause  bright  lines  in  a  spectrum. This would be the case if you observed from a place which  does  not  receive  direct  photons,  and would be called an emission spectrum.  

7. On the Parameters menu, select # of Photons (for “Run”)  and  enter  20.  As  the  simulation  proceeds, photons will be sent through a container of gas (red square in the middle) having come from a very bright but off‐screen object such as the Sun to the left. Your detector is located on the right side of the screen so that it views the Sun through the gas. Thus, a spectrum with the detector located directly opposite the Sun should appear as an absorption spectrum  if the photons are scattered away  from horizontal.  In  the simulation,  if a photon makes  it through  the  gas  cloud  and  is  picked  up  by  the  detector,  the  “Detected”  counter  increases.  Alternatively,  the photon may  interact  with  the  cloud  and  get  redirected, missing  the  detector.  This  situation  is  scored  “Not detected.”  Click on the Run button to send photons through the cloud.  Record the number of photons that were detected of the 20 sent on your lab report sheet.  

8. Select Return from the menu bar to exit then on the main screen, choose Simulation > Continuum. Continuum photons give rise to the solid continuous rainbow of colors  in a spectrum. They are photons of various energies (and therefore colors) that cannot interact with electrons of a given atom because their energies don’t match the energies needed to boost electrons to another level – they provide either too much or too little energy. The only way that continuum photons interact with electrons in an atom is occasional scattering, if they happen to exactly coincide in position in space. We observe a star’s light through its atmosphere, so pure continuous spectra are not 

Figure 2. Line Photon and Continuum Simulations 

Figure 1. Photon/Atom Interaction Simulation

Page 29: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Energy Flow Out of the Sun                                                                                                                                         UTC Astronomy 1010L 

26 

normally  observed  –  nearly  all  spectra  show  tell‐tale  absorption  lines  characteristic  of  the  cooler,  less  dense regions of the star’s upper atmosphere.   

9. In the Continuum simulation, the configuration with gas container, photon source, and detector is the same as in  the  Line  Formation  simulation,  but  this  demonstration  uses  continuum  photons  instead  of  line  photons. Therefore, you  should  see  that most photons pass  through  the gas without  interacting. Change  the number of photons  for  the  simulation  to 20 by  choosing Parameters > # of Photons  (for “Run”) and Run  the  simulation. Record the number of photons detected on your lab report sheet.     

10. Select Return from the menu bar, then choose Experiment from the Simulation menu on the main screen. In the  experiment mode,  you  are  challenged  to determine  the  energy  level of  a photon necessary  to  excite  the atoms  of  various  gases.  You  will  plot  the  number  of  photons  that  pass  easily  through  the  gas  at  different wavelengths  to  see where  the  dark  absorption  lines  appear.    The  Line  Formation  and  Continuum  simulations demonstrated that the photon must have just the right amount of energy to accomplish this. You have a number of atoms available for study. They  include thin gaseous clouds of Calcium  (Ca), Hydrogen (H), Magnesium  (Mg), Oxygen (O), and Sodium (Na).  

11. Choose a gas by clicking on Parameters > Select Gas Atoms. Record which gas you chose on your report sheet.  

12. On the Parameters menu, select Change Photon Energy and set the photon energy to 1.5 eV. As you change the  photon  energy,  the  wavelength  (color)  of  light  changes  automatically  since  the  two  are  related  by  the relationship E = hc / λ, where E is the energy of the photon, h is Planck’s constant, c is the speed of light, and λ is the wavelength of light. On your data sheet in Table 1, record the wavelength of light corresponding to the 1.5 eV energy level.  

13. From the Parameters menu, select # of Photons (for “Run”) and enter 20. Click on the Run button to send them through the gas cloud.   On your data sheet, fill  in the number of detected photons for this energy  level  in Table 1.  

14. Repeat steps 12 and 13 for 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3.0, 3.1, and 3.2 eV.  

15. Construct a graph of your results using Excel.   

a. Label  column  A  “Wavelength  (nm)”  and  type  in  your  values.  Label  column  B  “Number  of  photons detected” and type in your values.   

b. In order to make a graph, highlight the data in columns A and B.   

c. On the Insert tab and the Charts toolbar, click on Scatter and select the Scatter with Smooth Lines and Markers option.     

Page 30: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Energy Flow Out of the Sun                                                                                                                                         UTC Astronomy 1010L 

27 

d. The  chart  will  be  inserted  on  your spreadsheet.    To move  it  to  its  own sheet, make sure the chart is selected, then  click  on  Move  Chart  on  the Design  tab  of  the  Chart  Tools  and select New Sheet.  

e. On the Layout tab of the Chart Tools, click on Chart Title > Above Chart and enter an appropriate title for your graph (e.g. Na absorption spectrum). Enter a title for the x axis by clicking on Axis Titles > Primary Horizontal Axis Title > Title Below Axis and for the y‐axis by clicking on Axis Titles > Primary Vertical Axis Title  > Rotated  Title.  Enter  the  same  column  headings  for  the  axis  labels  (with  units)  as  you  entered previously. Click on the Legend and press the delete key. 

 

f. In order  to scale  the graph appropriately, on  the Layout  tab, click on Axes > Primary Horizontal Axis > More Primary Horizontal Axis Options … A dialog box will appear.  Beside Minimum, click on Fixed, then enter the value 350.  Adjust the maximum x‐value to 900.   

 

g. Although crude, you should be able  to see a pronounced dip or several dips  in  the number of photons detected. The wavelength where the dip(s) appear identifies photon energies that match electron energy levels within that specific element. Once the electrons in the gas atoms are in an excited state, you know from  the Line Formation  simulation  that most of  the photons will be  scattered away  from an observer viewing the atom head on.  

 

16. Print a copy of the graph for each  lab partner to  include with the report, then select Return from the menu bar on the Energy Flow program to exit the simulation.   Part II: Flow of Photons in the Solar Interior  

Most atoms  in  the  Sun and other  stars are  said  to be  ionized because  the  intense  temperatures have stripped off most of  their electrons.  In  the  interior of  the Sun,  three primary mechanisms affect  the  travel of a photon  toward  the  surface:  electron  scattering,  bound‐free  absorption,  and  free‐free  absorption.  Electron scattering occurs when a photon encounters an electron and gives  it some of  its energy, causing  it to vibrate or oscillate. The energy stolen from the photon  in this process  is re‐radiated by the electron  in some random new direction as a new photon. In bound‐free absorption, a photon can be totally absorbed by an atom, causing the atom to ionize and eject an electron that was bound to it; this free electron can recombine with another ionized atom  giving  rise  to  the  release of  a new photon  in  some  random direction.  Finally,  in  free‐free  absorption,  a photon transfers all of its energy to an already free electron to make it more energetic; subsequently, the electron may give up this extra energy in the form of a new photon, again to be radiated in some random direction. 

Though  all  three  processes  play  a  role  in  affecting  a  photon’s  travel  through  the  interior  of  the  Sun, electron scattering is most hindering to its travel from the core to the surface. The result of these processes is that every  time a photon  interacts with matter,  it  is  redirected  so  that  it  travels  in a new and  completely  random direction.  The  resulting  zigzag  path  is  called  a  random  walk.  This  is  graphically  demonstrated  in  the  Flow simulation. 

Page 31: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Energy Flow Out of the Sun                                                                                                                                         UTC Astronomy 1010L 

28 

1. From the Simulation menu, select Flow > 1 photon. This simulation will allow you to explore the number of interactions required for a photon to exit the surface of a simulated star.   

2. Go to Parameters > # of Layers to set the number  of  layers  in  the  Sun  to  5.  Click  on Run  Simulation  and  record  the  number  of interactions  on  your  lab  report  sheet  in Table 2. Repeat this three times for 5 layers, and then take the average of the three data points.  

3. Repeat step 2 for stars with 10, 15, 20, 25, and 30 layers.   

4.  It can be mathematically  shown  that  the number of  interactions needed  to escape  is very  close  to n2, where n  is  the number of 

layers  in  the model. This would hold  true  for a statistical average of all photons, which  is many more  than  the three determinations that you made for each number of layers. Calculate n2 (the theoretical value of interactions needed to escape) for all of your layers and record it in Table 2 on your lab report sheet.    

5. Using Excel, make a plot of the average number of interactions as a function of the number of layers for both the  theoretical number of  interactions you calculated and  the “experimental” data  that you collected  from  the simulation.     

a. Type in the values for the number of layers in the star into column A, your “experimentally‐determined” average  number  of  interactions  into  column  B,  and  your  theoretical  calculations  for  the  number  of interactions needed into column C.   

 

b. Highlight the data  in columns A, B, and C. On the Insert tab and the Charts toolbar, click on Scatter and select the Scatter with only Markers option. 

 c. As described above, move  the  chart  to a new  sheet, add a  chart  title, and add x and y axis  titles  (e.g. 

“Number of layers in the star” and “average number of interactions per photon”, respectively).   

d. While selected on the Chart, go to the Design tab and click on Select Data. The Select Data Source Dialog Box appears. Highlight Series 1, click on Edit, then the Edit Series dialog box appears. In Series name, type “Experimental”. Repeat this process for Series 2, naming it “Theoretical” (see figure on next page). 

Figure 3. Solar Energy Flow Simulation 

Page 32: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Energy Flow Out of the Sun                                                                                                                                         UTC Astronomy 1010L 

29 

 

e. Once  the  chart  has  been made,  click  once  on  a  “theoretical”  data  point  so  that  the  entire  series  is highlighted. On  the  Layout  tab,  select  Trendline  > More  Trendline Options... On  the  dialog  box  that appears, choose a Power function and click on the box for Display Equation on Chart, then click Close.     

 

 f. Repeat step e for your experimental data set.  

 

6. Print a copy of the graph for each lab partner to hand in with the lab report, and record the equations for each data series on your lab report sheet.    

7. On your  lab  report sheet, discuss  the differences between your average  results  from  the simulation and  the theoretical plot. Are they lower or higher than theory would predict? Give a possible reason for the differences.  

8. In the Sun,  it takes several hundred thousand years for a photon released  in the core to reach the surface.   If photons did not interact with matter in the interior of the Sun at all, it would take only a tiny fraction of this time to escape the Sun. By relating the speed at which a photon travels (the speed of light, c = 3.00 × 108 m/s) to the distance it traveled divided by the time it takes to get there:  

cd

ttd

c =⇒=                              , 

 

determine what the escape time for a photon from the Sun would be if there were no interactions. Consider the distance that the photon has to travel to be the radius of the Sun, 6.96 × 108 m. Show your calculations on your lab report sheet.   

Page 33: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Energy Flow Out of the Sun                                                                                                                                         UTC Astronomy 1010L 

Pre‐Lab Page 

Energy Flow Out of the Sun Pre‐Lab Exercise  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________  1. Which is more likely to be absorbed by an atom, a line photon or a continuum photon?      2. Where is the detector located in the Line Formation and Continuum simulations?       3. How are the energy and wavelength of a photon related to each other?        4. In the Flow simulation, what is the theoretical number of interactions a photon goes through before escaping a 

star?         5. How much time does it normally take for a photon generated in the Sun’s core to reach its surface?  

Page 34: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Energy Flow Out of the Sun                                                                                                                                         UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

Energy Flow Out of the Sun Lab Report Name: ________________________________ Lab Partner: _________________________ Date: ______________  Part I, 4. In the Interaction simulation, how many line photons were scattered out of 20 sent through the gas?   Part I, 5. In the Interaction simulation, how many continuum photons were scattered out of 20?   Part I, 7. How many line photons were detected out of 20 sent through the gas in the Line Formation simulation?   Part I, 9. How many continuum photons were detected out of 20 in the Continuum simulation?   Part I, 11. Gas chosen for the Experiment simulation:   Part I, 12‐14. Table 1. Number of photons detected at different wavelengths of light.  

Energy (eV)  λ (nm) Photons Detected  Energy (eV)  λ (nm) 

Photons Detected 

1.5      2.4     

1.6      2.5     

1.7      2.6     

1.8      2.7     

1.9      2.8     

2.0      2.9     

2.1      3.0     

2.2      3.1     

2.3      3.2     

  Part II, 2‐4. Table 2. Number of interactions required for photon to escape.  

Layers  5  10  15  20  25  30 

Trial 1             

Trial 2             

Trial 3             

Average             

Theoretical (n2)             

 

Page 35: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Energy Flow Out of the Sun                                                                                                                                         UTC Astronomy 1010L 

Report Page 2 

Part II, 6. Equation for theoretical number of interactions:  

  Equation for average number of interactions from the simulation: 

   Part II, 7. Discussion of the differences in simulated and theoretical data from the plot, and possible reason for any discrepancies:              Part II, 8. Calculation of the escape time for a photon if there were no interactions in the Sun:              ***Attach the graph you made of the number of photons detected as a function of photon wavelength  in Part  I and the graph for number of  interactions as a function of  layers  in the solar  interior  in Part  II to this  lab report. Both graphs should have an appropriate title and labels for the axes with units. The graph for Part II should have a best‐fit power function line with equation displayed for both the theoretical and simulated data. 

Page 36: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Astrometry of Asteroids                                                                                                                                               UTC Astronomy 1010L 

33

Astrometry of Asteroids  Objectives:  The  goals  of  this  exercise  are  to  understand  how  asteroids  are  discovered  as moving  objects  on images of the sky; and to be able to measure their celestial coordinates as they orbit the Sun.   Introduction and Background:   

  Astrometry  is  the  technique  of  precise measurement  of  the  positions  of  stars,  a  fundamental  tool  of astronomers which allows construction of sky charts through assignment of right ascension and declination values to astronomical objects. By knowing the coordinates of certain positions in the sky, we can measure distances to some objects by applying the method of parallax. Using computers to measure positions of stars on digital images of the sky, astronomers can use astrometry to determine the coordinates of objects to very high precision; even the relatively simple program you will be using in this exercise can pinpoint objects to better than 0.1 arcseconds. Astrometric measurements can also pinpoint the locations of asteroids, yielding calculation of the speed at which they move through space.    Lines  of  declination  are  like  lines  of  latitude  on  the Earth – they specify a given celestial object’s position in the sky with  respect  to  the  celestial equator, an  imaginary  line  in  the sky that runs above the earth’s equator. Lines of declination are designated by angular distance north or  south of  the celestial equator  measured  in  degrees  (°),  arcminutes  ('),  and arcseconds ("). There are 360 degrees in a circle, 60 minutes in a degree, and 60 seconds in a minute. A star with a declination of  +45° 30'  lies 45 degrees, 30 minutes north of  the  celestial equator; negative declinations are used  for an object south of the equator.   Right  ascension  lines  are  like  lines  of  longitude  on Earth,  running  through  the  north  and  south  celestial  poles perpendicular  to  the  lines  of  declination;  they  designate angular distance east of a  line through the vernal equinox, the position of the Sun when  it crosses the celestial equator on the first day of spring. Right ascension is measured in hours (H), minutes (m) and seconds (s). 1 hour of right  ascension  is  equal  to 15 degrees.  There  are 60 minutes  in  an hour  and 60  seconds  in  a minute of  right ascension. A  star with  a  right  ascension of 5 hours would be 5 hours, or 75 degrees, east of  the  line of  right 

ascension (0 H) that runs through vernal equinox. There are many catalogs of objects in the heavens which list their right ascensions and  declinations.  One  such  catalog  used  in  this  exercise  is  the Hubble Space Telescope Guide StarCatalog,  (GSC), which  lists  the coordinates  of  almost  20  million  stars.  These  can  be  used  as reference objects with known coordinates.     To find the coordinates of an object in the sky whose right ascension and declination are not known (either because it isn’t in a catalog, or because it moves from night to night, like a planet or asteroid  does),  a  photo  is  taken  of  the  unknown  object  and surrounding  reference  stars  whose  coordinates  are  known;  the position of  the “unknown” object can  then be  interpolated  from its  location  relative  to  the  nearby  reference  stars.  For  example, suppose  an  unknown  object  “U”  lies  exactly  halfway  between reference stars A and B as shown in figure 2. Star A is listed in the catalog at right ascension 5h, 0m, 0s, declination 10°, 0’, 0”. Star B is  listed  in  the  catalog at  right ascension 6h, 0m, 0s, declination 

Figure 1. The Celestial Coordinate System.

Figure 2. Determining the coordinates of an unknown object. 

Page 37: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Astrometry of Asteroids                                                                                                                                               UTC Astronomy 1010L 

34

25°, 0’, 0”. On the picture we measure the pixel positions of star A (20, 20), star B (10, 30) and U (15, 25) and find that  U  is  exactly  halfway  between  A  and  B  in  both  right  ascension  (the  x‐direction)  and  declination  (the  y‐direction). We can then conclude that the right ascension of U is halfway between that of A and B, or 5h, 30m, 0s, and the declination of U is halfway between that of A and B, or 17°, 30’, 0”.    If the unknown object  isn’t exactly half‐way between the reference stars,  interpolation of  its position  is more complicated. Moreover, because images of the sky appear flat when the sky is actually curved, astrometry is more  involved  in  practice;  however,  the  software  used  in  this  exercise  and  in  real‐world  astrometry measurements accounts  for  this  in  internal calculations.  In  this exercise,  the unknown object’s position can be determined by choosing at  least three stars of known coordinates, then  indicating the  location of the unknown object.  The  computer  performs  a  coordinate  transformation  from  the  images  on  the  screen  to  celestial coordinates in order to determine the coordinates of the unknown object. 

 Overall Strategy:  

  In this exercise, you will be using images of the sky  to  find  asteroids  and  measure  their  celestial coordinates. Asteroids are small rocky objects that are usually only a  few kilometers  in  size, often even  less; most  are  located  in  the  asteroid  belt  between Mars and  Jupiter  about 2.8 AU  from  the  Sun.  Like planets, they  reflect  sunlight,  but  because  they  are  so  small, they  appear  only  as  points  of  light  on  images  of  the sky,  like dim  stars. The key  to  recognizing asteroids  is to  note  that  over  time  they move  noticeably  against the  background  of  stars  due  to  their  orbital motion around the Sun.  If two pictures of the sky are taken a few  minutes  apart,  stars  will  not  have  moved  with respect  to each other, but  asteroids will have moved (see  figure  3).  Using  the  computer,  we  can simultaneously display two  images of the sky then  instruct the computer to switch the display quickly back and forth from one image to another, a technique called blinking. If you are careful to line up reference stars on the first and second  images before you blink  the  two  images,  the only object  that will change will be  the asteroid, which will appear to jump.    Sometimes asteroids will be faint; other times there are spots or defects that appear on one  image and not another. These spots can mislead you into thinking that something has moved into the second image that was not there  in the first. Thus, even with the ease of blinking,  images should be carefully  inspected  in order to pick out the object (or objects) that really move from a position on the first  image to a new position on the second. Seeing the asteroid continue its trend of motion in a third image can confirm your identification. Once an asteroid has been  identified,  its coordinates can be calculated by measuring  its position with respect  to reference stars. Finally, comparing an asteroid’s position over time enables us to calculate its velocity in space.  Part I: Finding Asteroids by Blinking Images  

1. Start the Astrometry of Asteroids program under the CLEA exercises folder on the Programs menu and select File > Log in. Enter your name, those of your lab partners, and the laboratory table number where you are seated for this experiment. When all  information has been entered, click OK to continue. After confirming, the opening screen will appear.  

** Note: At any time you can select Help from the menu. Within the topics, you should find information about how to load images, modify, print, blink, and measure them; the reports option shows you how to review your data and compute baselines.  

Figure 3. Finding the Asteroid

Page 38: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Astrometry of Asteroids                                                                                                                                               UTC Astronomy 1010L 

35

2. We will be working with images of a region of the sky that is about 4 arcminutes square in which astronomers were searching for a faint Earth‐approaching asteroid designated 1992JB. From the menu bar, choose File > Load Image Files > Image 1.  A directory listing showing you a list of files appears. From this list, select 92jb05.fts, and click Open to load it.   

3.  To  display  the  image,  select  Images  on  the menu bar,  then  choose View/Adjust  >  Image 1 from  the  pull‐down  menu.  A  window  showing the  image  92JB05  will  appear  on  your  screen. The  image  is oriented with west to the right and north  to  the  top. All of  the dots you see on  the image are distant stars except one, which  is  the asteroid. On your  lab  report data sheet, make a sketch of  the  image, paying attention  to details, drawing it to scale, and making it fit in the space.  

4.  Load  the next  image as before, but  this  time choose  File  >  Load  Image  Files >  Image 2  from the  main  (blue)  program  window.  Select 92jb07.fts  from  the  list  and  click Open. Display this  image  in  its  own  window  by  using  the Images > View/Adjust > Image 2 selection on the menu bar. Since this image was taken 10 minutes after the first image, the asteroid will have moved, but it may not be immediately obvious which star‐like object is out of place, even when you compare the images side by side.  

5. To begin  to  locate  the asteroid, we need  to  first align the  images. Two stars will be needed  for alignment  in order to account for possible rotation between the  images. On the main (blue) window, choose Images > Blink.  You will see one window now, displaying  just  Image 1. At  the bottom right, a small  instruction box asks you to click on a star that the computer will use to align the two images. If possible, you should try to choose two stars that are on diagonally opposite sides of the picture to achieve best results. When you click on one of the brightest stars, a yellow square surrounding the star should appear to mark your selection. Note which star you chose by writing #1 next to it on your freehand chart drawn on your lab report page.   

6. When you click on Continue in the instruction box, it will ask for a second alignment star. Click on this star and record your selection on your chart as #2 on your lab report sheet. Click Continue again.   

7. Now  Image 2 appears and you will be asked  to  identify  the  same  reference  stars on  Image 2 as you did on Image 1. Click on the same star #1. Hit Continue, click on the same #2, and Continue again.   

8. On the menu bar at the top of the image window, click on Blink. The computer will flip back and forth between Image 1 and  Image 2 about once per  second. The  stars will not move, but you  should be able  to pick out  the asteroid as the one object that does jump. Be careful – occasionally, a white spot appears on one image and not the other; this is not an asteroid, but a defect in the picture itself caused by a cosmic ray exposing a single pixel in the camera during one exposure. The asteroid should appear clearly as a smudge of  light that changes position from one image to the other.  

** Notes: To  stop  the blinking,  select Stop  from  the menu bar. Also,  if you mis‐aligned and need  to  start over, select the Adjust > Field Alignment menu option to choose the alignment stars again.  

9. When you have  identified  the asteroid on  Image 1  (92JB05) and  Image 2  (92JB07) mark  the position of  the asteroid with  a  dot  on  your  lab  report  sheet. On  your  drawing,  label  the  asteroid’s  position  in  Image  92JB05 (Image 1) with a small 05 and its position in Image 92JB07 (Image 2) with 07.   

Figure 4. Image Display Window 

Page 39: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Astrometry of Asteroids                                                                                                                                               UTC Astronomy 1010L 

36

10.  Repeat  steps  4‐9  for  the  other  images.  Continue  to  find  the  asteroid  on  images  92JB08,  92JB09,  92JB10, 92JB12, and 92JB14 by blinking them. You will continue to use Image 92JB05 as Image 1.  To do this, simply select the Load > Image2 menu item, and then Image > Blink to blink the images. You will be prompted to identify the alignment stars 1 and 2 on the new  image. Mark the successive positions of asteroid 1992JB by dots  labeled 08, 09, 10, 12, and 14 on the chart you made on your lab report sheet in step 3.  

11. You should see that the asteroid is moving in a straight line. Draw an arrow in the space to the right of your drawing on your  lab  report  sheet  to  show  the direction of motion. Also  record on your  lab  report  sheet what direction this corresponds to (i.e., North, Northeast, Southeast, etc.).    Part II: Determining the asteroid’s coordinates  

1. To measure the coordinates of the asteroid, the computer will use a fitting process that compares the position of the asteroid with positions of stars whose coordinates have been previously tabulated in the Hubble GSC. We will start with the position of the asteroid  in  Image 92JB05. Make sure this  image  is  loaded  into  Image 1 (File > Load Image Files > Image1). Choose Images > Measure > Image1. A window will open asking you to confirm the Observation Date and Time. Click OK. A second window will open asking you to confirm the coordinates for the center of the field. For Image 1, these should display correctly. Set the Field Size to 8 arcminutes. Click OK.   

 

2. The computer will now search for stars  in this region  in the GSC and will draw a star chart based on the GSC coordinates  in a window on the  left‐hand side of the screen.  Image 1, 92JB05, will be displayed  in a window on the right‐hand side of the screen. The  image will show more stars than the GSC map, partly because one of the “stars” is the asteroid, and partly because the GSC only includes stars brighter than a 16th magnitude and some of the stars in the images are fainter than that. However, you should see a distinctive pattern of at least three stars in the GSC chart that you can match to the brighter stars on your image. **Note that the scale of the chart will not match the scale of the image. On your lab report sheet, sketch all stars in the reference star window on the left, then label the three you will use as #1, #2, and #3.  

3.  Now tell the computer which stars you have chosen as references. Click on reference star #1 in the GSC map. The Reference Star dialog box will open at the bottom of the page identifying the GSC data on that star (see figure 

Figure 5. Selecting Reference Stars 

Page 40: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Astrometry of Asteroids                                                                                                                                               UTC Astronomy 1010L 

37

5); simultaneously the computer will draw a colored box around the reference star on the chart. Record the ID#, RA, and DEC of the star in Table 1 on your lab report sheet, then click OK to set the first reference star.  

4. Repeat step 3  for reference stars 2 and 3. Make sure to record the data  for each star  in Table 1 on your  lab report sheet.  

5. When you have finished selecting at least three reference stars and marked them, go to the Select Reference Stars dialog box that opened when the star chart appeared and click OK. The computer will warn you that more reference stars would give you better results. Click No, you don’t need to choose any more right now.   6. You will now be asked to point to reference star #1, then star #2 and #3 in the image window. Click on each star in turn, making sure to match  it with the reference star on the GSC chart, and click OK on the Locate Reference Stars dialog box for each. When all reference stars have been identified on your image, the computer will then ask you to click on the “unknown” or “target” star, which is the asteroid you identified. Hit OK after choosing it. If you are prompted, make sure that there are no other stars within  the dotted outline, then click Yes. The computer now has enough information to calculate the location of the asteroid, and a text window will open displaying the right ascension and declination coordinates. Record these in Table 2 on your lab report sheet.    7. Click OK on the dialog box at the bottom to accept the solution. When the computer asks if you want to record the data, click OK. You can view this from the Report menu item on the main window at any time. Finally, press OK to return to the main window.  

8.   Now use  the  File >  Load  Image  Files >  Image1 menu  choice on  the main window along with  the  Image > Measure > Image1 menu choice, to measure the asteroid position in image 92JB14. You will proceed as in steps 3‐7, recording the final data for the asteroid’s coordinates in Table 2 on your lab report sheet.   Part III: Calculating the velocity of asteroid 1992JB  

To determine how  fast 1992JB  is moving, we  first  calculate  its angular velocity,  the  speed at which  it  traveled across sky as seen in the images from Earth. Mathematically, this can be expressed: 

ΔtΔθμ = ,         

 

where μ is the angular velocity and Δθ is the angular distance it moved in the time elapsed, Δt.   

1.  In order  to calculate  the angular distance  traveled between when images 92JB05 and 92JB14 were taken, you can use the Pythagorean Theorem,  as  shown  in  figure  6.  Because  right  ascension  and declination are perpendicular coordinates, we can find the total angle θ moved  across  the  sky  by  the  asteroid,  letting  ΔRA  represent  the change  in  the  number  of  arcseconds  in  right  ascension  and  ΔDec represent the change in the number of seconds moved in declination. First, convert the declination for each coordinate that you recorded in Table 2 to arcseconds by multiplying ' by 60 and ° by 3600, then add all the  values  together.  Show  a  sample  calculation  for  one  of  these conversions on your lab report sheet. 

 

2.  Subtract  the  two  values  to  find  the  change  in  declination, ΔDec,  in  arcseconds.  Then  convert  this  back  to degrees by dividing your answer by 3600. Record both values on your lab report sheet.  

3. Now  determine  the  number  of  seconds  of  right  ascension  through which  the  asteroid  traveled.  Similar  to declination, convert the hours, minutes, and seconds recorded in Table 2 to seconds by multiplying minutes by 60 

22 ΔDecΔRAΔθ +=

Figure 6. Mathematical illustration of the asteroid’s motion. 

Page 41: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Astrometry of Asteroids                                                                                                                                               UTC Astronomy 1010L 

38

and hours by 3600, then adding all values together. Show a sample calculation for one of these conversions on your lab report sheet.  

4. Subtract the two values to find the change in right ascension, ΔRA, in seconds and record the answer on your lab  report  sheet.  In  order  to  convert  seconds  into  arcseconds  of  right  ascension,  several  considerations  are needed. First, remember that 1 second of RA  is equal to 15”  in angular measure. Also, we have to consider that right ascension  lines merge at  the poles,  so  there are  smaller angles between  them at higher declinations. To account and adjust for this physical change then, we must multiply by the cosine of the declination. Thus:  

( ) ( ) ( )ΔDeccossecond1

"15seconds ΔRA"ΔRA ××= , 

 

where ΔDec  is  in degrees (calculated  in the second part of step 2). Determine ΔRA  in arcseconds, showing your calculation on your lab report sheet. **Note: Make sure your calculator is in degrees mode for this calculation.   

5. Determine the angular distance that the asteroid moved, Δθ, using the equation given in figure 6 and the values for ΔRA and ΔDec in arcseconds (determined in the second part of step 4 and the first part of step 2, respectively). Show your calculations on your lab report sheet.   

6. Calculate the angular velocity, μ, by dividing the distance  traveled by the time  it took to travel this distance. From the image data given in Table 2 on your lab report sheet, we can find that Δt is 8580 seconds. Use your value for Δθ determined in step 5. Show your calculations on your lab report sheet.  

7.  Finally, calculate the component of the asteroid’s velocity perpendicular to our line of sight, called the tangential velocity. Because the apparent speed of an object across the sky (what we measured as μ) is highly dependent on how far it is away, we have to know the distance to asteroid 1992JB in order to calculate its tangential velocity in way that is more meaningful to us. An object that is closer to us would appear to move across the sky faster than one that is farther away, even though the velocities of the two objects may be the same. By using parallax measurements of 1992JB from two different locations, the distance on the day that these images were taken was about 50,000,000 km. The equation for tangential velocity is:  

( ) ( )"265,206

km distance/s"μ  ×=tV , 

 

where 206,265 is from the parallax conversion of distance to angular measure, and is equal to the more familiar 57.3° in parallax calculations (see Parallax lab exercise for further detail). Calculate the tangential velocity of 1992JB, showing your calculations on your lab report sheet.      

Page 42: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Astrometry of Asteroids                                                                                                                                               UTC Astronomy 1010L 

Pre‐Lab Page 

Astrometry of Asteroids Pre‐Lab Exercise  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________   1. Describe what is meant by “blinking” the images.         2. How many reference stars are chosen in each image to align them? What is the purpose of doing this?       3. How many reference stars are needed for the computer to calculate the asteroid’s coordinates?      4. Why is the angular measure of right ascension multiplied by the cosine of the declination in determining the change in right ascension of the asteroid?           5. What is the difference between the angular velocity of the asteroid and its tangential velocity?  

Page 43: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Astrometry of Asteroids                                                                                                                                               UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

Astrometry of Asteroids Lab Report  Name: ________________________________ Lab Partner: _________________________ Date: ______________  Part I. 3, 5‐6, 9‐11.  Sketch of 92JB05, labeling stars used for alignment (#1 and #2) and the asteroid’s position in images 05, 07, 08, 09, 10, 12, and 14. Indicate the direction of motion of the asteroid with an arrow to the side of the image. 

 Direction of asteroid’s travel:  

    Part II. 2. Sketch of reference star map from the Hubble GSC, labeling reference stars #1, #2, and #3.               

NORTH

EAST

Page 44: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Astrometry of Asteroids                                                                                                                                               UTC Astronomy 1010L 

Report Page 2 

Part II. 3 and 4.  Table 1. Reference Star Coordinates  

Reference Star  ID #  RA (h, m, s)  DEC (°, ′, ″) 

# 1       

# 2       

# 3       

   Part II. 6, 8 and 9.  Table 2. Measured celestial coordinates of asteroid 1992JB on May 23, 1992.  

File Name  Time (UT)  RA (h, m, s)  DEC (°, ′, ″) 

92JB05  04 53 00     

92JB14  07 16 00     

 **Note:  The values for RA should be approximately the same. 

  Part III. 1. Declination in 92JB05 in arcseconds:    Declination in 92JB14 in arcseconds:  

Sample calculation for conversion:        Part III. 2. ΔDec = ________________” = ________________ °.   Part III. 3. Right Ascension in 92JB05 in seconds:    Right Ascension in 92JB14 in seconds:  

Sample calculation for conversion:         

Page 45: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Astrometry of Asteroids                                                                                                                                               UTC Astronomy 1010L 

Report Page 3 

Part III. 4. ΔRA = ________________ seconds = ________________ ”.  

Calculation for conversion to arcseconds:         Part III. 5. Calculation of Δθ:           Part III. 6. Calculation of the angular velocity, μ:             Part III. 7. Calculation of the tangential velocity, vt:     

Page 46: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Deep Sky Observing Field Trip                                                                                                                                    UTC Astronomy 1010L 

43

Deep Sky Observing Field Trip    We will be meeting at the Chickamauga National Battlefield site on Thursday evening from 6:30 ‐ 9:30 PM, where we will be setting up the telescopes and observing various astronomical objects. Directions to the observing site are given below. Allow at least 30 minutes driving time from UTC. You will need to bring this handout as well as a writing implement with you, as those will not be available at the site. As you will be assembling the telescopes, review your notes from the lab that we performed on telescopes earlier this semester.  Background:    There are several ways in which to locate an object in the sky, but in this exercise, we will be using right ascension and declination, which are convenient to use with the setting circles on the telescopes. Right ascension values are imaginary lines that run in the north/south direction along the celestial sphere, increasing eastward from the position of the Sun at vernal equinox. Right ascension is measured in units of hours, minutes, and seconds, and can be thought of as analogous to longitude on Earth. Declination values are lines that run east/west along the celestial sphere, and can be thought of as analogous to lines of latitude on Earth. Declination is measured in degrees (°), arc‐minutes ('), and arc‐seconds (″) north or south of celestial equator. For reference, the celestial equator has a declination of 0°, the north celestial pole, +90°, and the south celestial pole, ‐90°. Right ascension and declination values do not change depending on the time of night.   Constellations are another convenient way in which to locate celestial objects, if you know in which constellation the object is located. The IAU has designated 88 constellations, which are actually bounded regions of the sky, not merely the stars which have traditionally been connected to form an object. Twelve constellations are part of the zodiac, which are the constellations that fall along the ecliptic, but only six to seven are visible at the same time, depending on what time of the night and what time of year you are observing. As the ecliptic is the plane in space of Earth’s orbit around the Sun, the Sun and all planets also fall along the ecliptic in the night sky. Because the Moon’s orbit around Earth is tilted at 5° to the ecliptic, its path across the sky is near, but not on, the ecliptic.    We will be viewing several different types of astronomical objects on our trip. Table 1 gives a list of possible objects to view, noting the spectral type of each star. As mapped on a Hertzsprung‐Russell (H‐R) diagram, the spectral sequence from left to right is O B A F G K M, with the hottest stars appearing on the left and cooler stars on the right. For example, M type stars have a surface temperature as low as 3000 K, A type stars around 10,000 K, and O type stars up to 30,000 K. Using a blackbody diagram and Wien’s law, hot stars emit shorter wavelengths of light and appear blue in color, while cooler ones emit longer wavelengths of light, and appear redder. The magnitude of each celestial object is also given. The smaller the magnitude (even negative), the brighter the star will be in the sky. In the Chattanooga area, we are restricted by light pollution to viewing objects with magnitudes of around 6 or less, but it may be possible to see objects with slightly larger magnitudes, dependent on the particular weather and light conditions.   Star clusters are formed from collapsing and fragmenting interstellar clouds of gas and dust called nebulae. Open clusters are loose and irregular, generally containing 10‐1000 young, bright, hot, blue stars. By the theory of stellar evolution, a star’s lifetime can be tracked in a specific pattern along the H‐R diagram. A star resides on the main sequence for the majority of its life. If it has enough mass, it moves to the red giant stage when it starts burning hydrogen and/or helium in its outer shells. When carbon fusion begins in the core of the star, the envelope is ejected into space. The remaining carbon core of the star is a white dwarf. Globular clusters are roughly spherical and contain millions of cooler, old stars which are in the last stages of their lifetimes and have left the main sequence. Generally, open clusters are in the main plane or spiral arms of the Milky Way, and globular clusters are found in the surrounding halo of a galaxy. In addition to the Milky Way, our Local Group of galaxies includes Andromeda and the Triangulum, both of the spiral type.          

Page 47: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Deep Sky Observing Field Trip                                                                                                                                    UTC Astronomy 1010L 

44

Table 1. Astronomical Objects for Observation 

Catalog Number / Star  

RA (hr:min)  Declination 

Type (Magnitude)  Constellation  Notes 

Stars 

Mizar/Alcor  13:23  +54° 55’ A2/A5 (2.4/4.0) 

Ursa Major  “Horse and Rider” vision test in the   Big Dipper. Mizar is the bend of the   handle, Alcor just a little above.  

Polaris  2:31  +89° 15’  F8 (2.1)  Ursa Minor  Actually a triple star; the North star.  Has brightened about 15% in past   100 years. 

Rigel  5:14  ‐8° 12’  B8 (0.3)  Orion   The left foot of Orion. Aldebaran  4:35  +16° 30’  K5 (1.1)  Taurus   The eye of the bull. 

Sirius  6:45  ‐16° 42’  A0 (‐1.6)  Canis Major  One of the brightest stars in the sky.  Orion’s dog. 

Double Stars 

γ Andromeda  2:03  +42° 19’  K0/A0 (2.3)  Andromeda   Blue one is a triple star system 

Galaxies 

M31  0:42  +41° 16’  (3.4)  Andromeda  Spiral; in the Local Group (fuzzy   patch)  

M33  1:33  +30° 39’  (5.5)  Triangulum   Spiral; in the Local Group 

Open Clusters 

M42  5:35  ‐5° 23’  (4.0)  Orion  The Orion Nebula; a cluster with    nebulosity. 

NGC 869 NGC 884 

2:2:19 22 

+57°+57°

 09’  07’ 

(5.3) (6.1) 

Perseus  Together, these are the famous   “double cluster” of Perseus.  

M45  3:47  +24° 07’  (1.2)  Taurus  Also known as the Pleiades; a cluster  with nebulosity.  

Globular Clusters 

M3  13:42  +28° 22’  (6.3)  Coma Berenices  Fuzzy ellipse appearance 

Solar System Objects 

Moon           Rises 9:40AM, sets 12:20 PM Mercury  00:08  0° 47’  Planet (‐1.2)  Pisces   Rises 7:30 AM, sets 7:40 PM Jupiter  00:38  2° 55’  Planet (‐2.0)  Pisces   Rises 7:55 AM, sets 8:15 PM Saturn  13:01  ‐3° 36’  Planet (0.1)  Virgo   Rises 8:30 PM, sets 8:30 AM 

Titan      Moon  Virgo  Saturn’s largest moon. About 3‐4 ring lengths east of Saturn. 

Constellations 

Cassiopeia  Taurus Ursa Major  Aries Ursa Minor  Gemini 

Leo  Canis Major Cancer  Canis Minor Orion  Lepus 

 

Page 48: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Deep Sky Observing Field Trip                                                                                                                                    UTC Astronomy 1010L 

45

 Figure 1. Ideal view of the night sky on March 10, 2011 at 8:00 pm. In order to get your bearings, hold this figure above your head with the N direction on the diagram facing north.       

Page 49: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Deep Sky Observing Field Trip                                                                                                                                    UTC Astronomy 1010L 

46

  Figure 2. Sky view at 8:00 pm on March 10, 2011, showing the positions of various constellations and planets. Constellation boundaries are denoted by the blue dotted lines. Use this figure by holding it above your head with the N direction on this chart facing north.  

Page 50: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Deep Sky Observing Field Trip                                                                                                                                    UTC Astronomy 1010L 

47

Directions to the observing site:  

  From UTC: Take McCallie Ave. east about 3 blocks to Central Ave. Turn right at the traffic light onto Central, and go about 1.3 miles to the traffic light at Rossville Blvd. Turn left onto Rossville Blvd. and follow it for about 3 miles until you enter Georgia. When you see the Family Dollar store on the right, get in the middle lane – the road you should follow (Rossville Blvd., which turns into Chickamauga Ave.) veers to the left, while McFarland Ave. turns to the right. Follow Chickamauga Ave. (which becomes Lafayette Rd.) about 3.7 miles through Fort Oglethorpe into the battlefield.    Alternate Route to Chickamauga Battlefield: Take I‐24 East to I‐75 South towards Atlanta. Go about 6 miles on I‐75 and take exit 350 onto Battlefield Parkway (GA Hwy 2). Go about 6.3 miles, then turn left onto Lafayette Rd. Travel less than a mile to enter the battlefield.   Inside Chickamauga National Battlefield: Note: Be careful to obey the speed limits and one‐way signs!  From Lafayette Road, turn right onto Dyer Rd (at site 4 on the map), just before the Brotherton cabin on the right. Follow Dyer until it hits Chickamauga‐Vittetoe Road, and turn left. Follow Chickamauga‐Vittetoe Road for about ½ a mile until it meets Glenn‐Kelly Road. There will be a parking area here. We will be just off the parking lot in the Glenn Field Recreation Area. 

Page 51: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Deep Sky Observing Field Trip                                                                                                                                    UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

Deep Sky Observing Lab Report  Name: ______________________________________________________ Date of Visit: _____________________  Instructions: Answer all questions below; you should attempt to answer the questions without help from others!   1. (a) What types of telescopes were set up tonight for viewing?          (b) What was the star you used to calibrate the setting circles on your telescope?        (c) For the telescope you were using, what was the focal length of the eyepiece?  2. View the stars listed in Table 1. For Mizar/Alcor, are you able to distinguish Mizar from Alcor without a telescope?  Are you able to resolve the two stars with a telescope?   

  3. Describe the color of Aldebaran as compared to Rigel.     4. For γ‐Andromeda, describe the colors of the two components of the system.     5. Which constellations of the Zodiac did you see tonight?  In what area of the sky are these? Draw and describe 

two you saw tonight.           6. (a) View and sketch an open cluster of stars (in the Orion nebula or the double cluster of Perseus) and the 

globular cluster of stars.              (b) Describe how open and globular clusters are different from one another.        

Page 52: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Deep Sky Observing Field Trip                                                                                                                                    UTC Astronomy 1010L 

Report Page 2 

7. (a) View the Pleiades, otherwise known as the seven sisters. How many bright stars can you see when you look directly at this open cluster?  

      (b) How many stars can you see in the Pleiades if you look at stars beside it?         (c) What automobile manufacturer uses the Pleiades as their logo?   8. (a) To what galaxy do all the individual stars and clusters viewed tonight belong?        (b) Draw and/or describe another galaxy we viewed tonight.      9. What was the phase of the moon tonight? How do you know? (The weather almanac told me is not an acceptable answer. Think about the percentage illuminated, rise/set times, or the side illuminated.)  

     10. (a) Draw and describe the planets (at least Jupiter or Saturn) you observed.                 (b) Can you distinguish features on these planets or any moons?     11. (a) What constellation is the Big Dipper part of?          (b) In what constellation is Polaris located?          (c) Is Cassiopeia found on the ecliptic?  What letter in our alphabet does Cassiopeia resemble?   12.  What set of “animals” surrounds Orion? 

Page 53: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

The Mass of the Earth                                                                                                                                                  UTC Astronomy 1010L 

50

The Mass of the Earth  Objective: In this experiment, you will measure the value for the acceleration due to gravity, g, near the Earth’s surface by timing the oscillations of a simple pendulum. Knowing the value of g will allow you to determine the mass of the Earth given its radius. Further, from these quantities, you will also be able to determine the average density of the Earth.   Background:      The period of a pendulum’s oscillation, T, is the time required for one complete back‐and‐forth cycle of its swing. Using laws of classical physics, it can be shown that for small angle oscillations (less than ~5°), the relationship between the period, T, and the length, L, of a pendulum is given by:  

            gL

T π2≈      or      Lg

T2

2 4π≈            (1) 

 

where L is measured in meters, T is measured in seconds, and the acceleration due to gravity is in m/s2.  Notice that in equation 1, T2 is linearly dependent on L. By relating this equation to the standard form of a 

line, y = mx + b, this means that if a graph were constructed where T2 was plotted on the y‐axis and L on the x‐axis, the slope of the graph (m) should be approximately equal to 4π2/g. Theoretically, the y‐intercept of this plot (b) would be zero. Thus, the slope of the line which best fits experimentally‐measured values of T2 and L can be used to find the value of g by:  

slope4 2π

=g             (2) 

 

Because Earth is very close to spherical and the acceleration due to gravity depends on your position relative to the center of Earth, the value of g varies little dependent on your location on the surface, averaging about 9.81 m/s2. Very slight deviations (ranging ~0.25% around the average) do occur based on latitude (g is slightly less at the poles because Earth bulges at its equator) and altitude on (g is slightly less on mountaintops and greater toward sea level).  

 

Newton’s 2nd law of motion tells us that the force acting on an object is equal to its mass times its acceleration, or F = ma. Thus, in the case of an object falling toward the Earth, the force of gravity (FG) attracting an object toward the Earth is simply FG = mg, where m is the mass of the object. Newton’s Law of Universal Gravitation describes the force of gravity in different terms, that is, that gravitational force (FG) is directly proportional to the product of the interacting masses (m1 and m2) and inversely proportional to the square of the distance between them (r2), or FG = (Gm1m2)/r

2. In this case, G is the universal gravitational constant, and is not the same as g, the acceleration due to gravity. However, note that FG is the same in both equations, and so if we examine the case of an object being attracted to the center of the Earth, we can use Newton’s two relationships to find the mass of the Earth. Equating the right sides of each relationship in order to eliminate FG, we have:  

 

             2

21

r

mGmmg =  

 

On the right side of the above equation, m1 and m2 are the masses of the object and the Earth, respectively. Since m1 is m (the mass of the object), we can eliminate this variable from the equation. Also, we can substitute Me for m2 (the mass of the Earth) and Re (the radius of the Earth) for r, since in the case of an object on Earth’s surface being gravitationally attracted to it, the distance between the interacting masses is simply the radius of the Earth.  

2eReGM

g =  

 

Page 54: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

The Mass of the Earth                                                                                                                                                  UTC Astronomy 1010L 

51

Finally, we can re‐arrange to solve for the mass of the Earth  

GegR

eM2

=             (3) 

 

where g was experimentally determined from the pendulum oscillation measurements, G has a value of 6.672 × 10‐11 Nm2/kg2, and the average value for the radius of the Earth (Re) is 6.378 × 10

6 m.  

By knowing the density of a planet, we can make good speculations about what materials may compose it. The density of an object is equal to its mass divided by its volume, and typical units are kg/m3. If a large amount of matter is packed into a small volume, then the density will be high. Conversely, if a small amount of matter occupies a large volume, the density will be low. If the density of a planet is high, it suggests that its interior contains heavy elements like iron and it likely has a solid, rocky surface. On the other extreme, if a planet’s density is low, it may be gaseous or liquid with no solid surface and composed of lighter elements like hydrogen and helium. Largely, conclusions such as these are drawn on the basis of comparisons with Earth, since it is the planet of which we have the most knowledge.  

Since we determined the mass of the Earth we can now determine its average density. The volume of the Earth can be determined from its radius using the relationship for the volume of a sphere, 4/3 πr3 (an assumption which is fairly close, as previously discussed).  

 

( )33 4

3

34 eR

eM

eR

eM

Vm

ππρ =

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

==           (4) 

 

where ρ is the density of the Earth, Me is the mass of the Earth, and Re is its radius, 6.378 × 106 m. 

 Procedure:  

1. Set up the apparatus as shown in figure 1. Clamp the large C‐clamp to the end of the table so that the groove in the clamp is vertical, place the aluminum pole in the groove, and tighten the screw. Clamp the pendulum clamp to the top of the aluminum pole, loosen the screws on the clamp, place the strings under two metal fingers and tighten the knobs back, so that the pendulum bob hangs in the middle and can freely swing back and forth.  

2. Adjust the string in the pendulum clamp so that its length (refer to figure 1) is about 1 meter. Measure the length to the nearest millimeter and record it as trial 1 on your report sheet.   3. Displace the pendulum bob so that the string makes an angle of no more than 5° relative to vertical. For a length of 1 m, this would mean you pull it back no more than 8 cm. (**Note: for 0.88 m, this is < 7.5 cm; for 0.76 m, this is < 6.5 cm; for 0.64 m, this is < 5.5 cm; for 0.52 m, this is < 4.5 cm; and for 0.40 m, this is < 3 cm).                 

Lab Table 

The length of the pendulum is the distance from the position of the fixed point of the string to the position of the center of mass of the bob. 

Figure 1. Experimental Set‐up

Page 55: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

The Mass of the Earth                                                                                                                                                  UTC Astronomy 1010L 

52

4. Release the bob and let it swing several times to come to steady‐state. With your stopwatch, measure the time required for 20 complete oscillations of the pendulum. Record the time for 20 oscillations on your lab report page.  

5.  Determine the period, T, for a single oscillation by dividing the time for 20 oscillations by 20.  

6. Shorten the length of the pendulum and repeat steps 2‐5 for lengths of about 88 cm, 76 cm, 64 cm, 52 cm, and 40 cm, making a total of 6 independent measurements for different lengths in this fashion for Trials 2‐6.  

7. Calculate the value of the period squared, T2, for all lengths of the pendulum.  

8. Using your data, make a plot of T2 as a function of L (that is, the length of the pendulum is on the x‐axis and the corresponding values of T2 are on the y‐axis). Graphs should have a title, all axes labeled (including units), and a best‐fit curve to the data. You can construct the graph using Excel and the instructions provided below:  

(a) Label column A as your independent variable (whatever should be on the x‐axis) and type in your values. Label column B as your dependent variable (the values plotted on the y‐axis) and type in your values.    

(b) In order to make a graph of the dependent vs. independent variable, highlight the data. On the Insert tab and the Charts toolbar, click on Scatter and select the Scatter with only Markers option. 

 (c) The chart will be inserted on your 

spreadsheet.  To move it to its own sheet, make sure the chart is selected, then click on Move Chart on the Design tab of the Chart Tools and select New Sheet.   

(d) On the Layout tab of the Chart Tools, click on Chart Title > Above Chart and enter an appropriate title for your graph (like Period Squared vs. Length of the Pendulum). Enter a title for the x axis by clicking on Axis Titles > Primary Horizontal Axis Title > Title Below Axis and for the y‐axis by clicking on Axis Titles > Primary Vertical Axis Title > Rotated Title. Enter the same column headings for the axis labels (with units) as you entered previously. Click on the Legend and press the delete key. 

Page 56: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

The Mass of the Earth                                                                                                                                                  UTC Astronomy 1010L 

53

(e) Once the chart has been made, go to the Layout tab and select Trendline > More Trendline Options... On the dialog box that appears, choose a Linear function and put a check mark in the boxes for Display Equation on Chart, and Display R‐squared value on Chart. Although the theoretical intercept of the line should be zero, you should not force the line through zero by checking the “Set intercept = 0” box, since you did not experimentally measure that point.  

 

(f) The equation of the line and the estimate of the goodness of its fit (R2) should now appear on your chart. A value of R2 that is equal to 1 would indicate a perfect correlation.  

 

(g) Print your graph to hand in with your lab report.  

  9. Using equation 2 and the slope of the best‐fit line to your data, determine your value for g, showing your calculations on your lab report sheet.  

10. Since the acceleration due to gravity does fluctuate depending on your location on Earth, your value may not be precisely equal to the accepted average value for g of 9.81 m/s2. In order to compare your experimentally‐determined value of g with the accepted average value, find the percentage difference between the two using the formula below. Show your calculations on your lab report sheet.  

        %100m/s 9.81

m/s 9.81 ‐ value your   difference %

2

2

×=  

 

11. Calculate the mass of the Earth using equation 3 and your determined value for the acceleration due to gravity, g, showing your calculation on your lab report sheet.   

12. Quantitatively compare your value for the mass of the Earth to the published value for the mass of the Earth (5.97 × 1024 kg) by calculating a percent difference calculation similar to the one above. Show your calculation on your lab report sheet.  

13. Using equation 4 and your determined value for Me, calculate the volume of the Earth, then its density. Show your calculations on your lab report sheet.    14. Compare your value for the average density of the Earth with the published value of 5500 kg/m3 by doing a percent difference calculation, showing your work on your lab report sheet.    

Page 57: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

The Mass of the Earth                                                                                                                                                  UTC Astronomy 1010L 

Pre‐Lab Page 

The Mass of the Earth Pre‐Lab Exercise  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________  1. What is the physical meaning of one period of a pendulum oscillation?         2. What quantities are plotted your graph in order to determine g? State which is the data for the y‐axis and which is the data for the x‐axis. Also give the units for each. 

      3. How will you determine the mass of the Earth (what equation will you use)?        4. If a planet had a very low density, what might this indicate about its composition?          5. What assumption is made when using the calculation in the lab manual for determining the volume of the 

Earth?     

Page 58: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

The Mass of the Earth                                                                                                                                                  UTC Astronomy 1010L 

 Report Page 

The Mass of the Earth Lab Report  Name: ________________________________ Lab Partner: _________________________ Date: ______________  2, 4‐7. 

Trial  Length (meters)  Time for 20 cycles (s)  Period, T (s)  T2 (s2) 

1         

2         

3         

4         

5         

6          

**Attach your computer‐generated graph to this report sheet.  9. Calculation for the experimentally‐determined value of g (including units):     10. Calculation of the percent difference between your value of g and the accepted average value:     11. Calculation for Me (including units):     12. Calculation of the percent difference in your value of Me from the published value:       13. Calculation for Earth’s volume (including units):    

Calculation for Earth’s density (including units):      14. Calculation of the percent difference in your value for the Earth’s density from the published value:    

Page 59: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

R

O(M Ba thatThbe rathmit dithbaloin

   th(ttoveonre

otation Rate o

Objectives: ThMercury) in o

ackground:  Becaus

he Sun that it t it from Earthhe method yoe used to stud

The baadiation with he returning eminutes and a has spread oifferent partshe centers of ack, toward tooking at the nformation ab

 

The frehe echoes havowards or awo the velocityelocity arounnly by the orbespect to Eart

of Mercury        

e goal of thisrder to deter

se Mercury isis rarely visibh. In recent you will emplody cloud‐coveasic method oa known freqecho. Dependhalf‐hour to 

out to cover ths of the planeEarth and Methe edges of treturning echbout different

equencies of ve bounced oway from the  along the lind the Sun andbital velocity th from the a

                         

s exercise is tomine the rate

s a small planble against a dears radar teoy here has wered Venus, rof this experimquency towarding on the retravel to Merhe entire plant at different ercury (the “sthe planet. Thhoes at succet parts of Me

the returningoff the movingobserver), the of sight. Thd its rotation of the planetmount of the

                          

Rotation 

o measure the at which it r

et whose surdark sky, it is chniques havider applicatirings of the mment is to userd the object,elative positiorcury, bouncenet. Howevertimes. The psub‐radar poihus we wait foeding times, rcury’s surfac

g echoes are dg surface of Mhere will be a here are two mon its axis. Tht around the Se Doppler shif

Figure 1

                         

56

Rate of Me

e broadeningrotates.  

face featuresdifficult to deve proven moion than just tmajor planets,e a radio teles then to recoons of Earth ae off, and retur, because theulse first hits nt”). A few mor the first eceach a few mce. 

different fromMercury. Any Doppler shiftmotions of Mhe first echo Sun. We can cft, but we can

1. The Doppler 

                         

ercury 

g of the reflec

s have low coetermine howost effective inthe measurin and rotationscope to sendord the spectrand Mercury, urn. By the time planet’s surthe surface a

microseconds cho (from themicroseconds 

m the frequentime a sourct in the receiv

Mercury that c(from the subcalculate hown’t tell how fa

Shift

                         

cted signal fro

ntrast, and bew fast it is rotn measuring ing the rotation of the smalled a short pulsrum (frequenthe pulse wilme the pulse rface is a spheat a point direlater, the pul

e sub‐radar polater than the

ncy of the pule of radiationved frequencycan produce sb‐radar pointw fast the planast Mercury is

      UTC Astron

om a rotating

ecause it is soating merely its speed of ron of Mercuryest asteroids.se of electromcy versus intel take betweehas reached ere, the pulseectly on a linelse hits pointsoint), and thee next, we ge

lse sent out bn is moving ray that is propsuch a shift: it) is shifted in net is movings spinning. Th

nomy 1010L 

 body 

o close to by looking otation. y – it can . magnetic ensity) of en 10 Mercury, e hits e between s farther en by et 

because adially ortional ts orbital frequency 

g with his is 

Page 60: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

R

beththropllit(fth 

Wve Pr

1.

 

2.

 

3.

 

4.

 

5.

Ls 

otation Rate o

ecause the cohe sub‐radar he sub‐radar eotational velolanet is movinttle slower thfrom the fastehe slower mo

We measure thelocity of the 

rocedure:  

.  Open the Min the requpanel that in the sky. as Earth tu

.  Select Epheany date aUniversal Tlength of t

.  Leave the eRespond Yplanet. (If yyou minimcomplete, 

.  Press Send lower left. 

.  A message wshowing thpulse is tra

Lower frequenslower (rotatio

of Mercury        

omponent of point (see Figecho show adocity is more dng toward us an the centeer moving edgving edge) is 

he amount ofsurface of M

Mercury Rotatuested informappears has Press the Tra

urns. This will 

emeris at the nd time.  UseTime.  Press Oime for the p

ephemeris winYes to Use Coyou left the E

mized it, it remthe red light 

Pulse to tranRecord it on 

will appear ohe initial specansmitted.   T

ncy echo from sonal velocity co

Figure

                         

the rotationagure 1), so thedditional Dopdirectly alonga little fasterr of the planege of Mercuryat a slightly l

f the frequenMercury, and f

tion programmation. After displays for tacking buttonactivate the 

top of the wie December 1OK and recorpulse to return

ndow on the mputed ValuEphemeris Comains minimizwill go out an

nsmit a radar your data sh

n the screen ctrum (frequeThis window w

side moving toomponent awa

e 2. Frequency 

                          

al velocity of tere is no addippler shifts beg our line of sr than the cenet (see Figurey) is at a slighower frequen

cy shift and afrom this, its p

m from the CLEcompleting ththe frequencyn to turn on thother contro

indow; this ac1, 1999 for thrd the distancn on your dat

screen or minues and the teomputation wzed and you cnd the telesco

pulse towardeet, and conv

with the estimency versus inwill minimize 

owards Earth aay from Earth)

of returning e

                         

57

the surface oitional frequeecause they coight. Becausenter of the pla 1). Due to thhtly higher frency. Figure 2 d

  

  

apply our knoperiod of rota

EA Exercises he log‐in, prey the telescophe sidereal drls menu. 

ctivates a proe launch datece between Eata sheet.   

nimize it (do elescope will window on thecan reopen it ope’s pointin

d Mercury. Thvert f to units

mated time untensity) of thitself after 10

Highelittle 

 little 

echo (Hz differe

                         

of Mercury is pency shift. Hoome from fare of the rotatianet, and thehe Doppler efequency, and depicts the fr

owledge of thation. 

menu. Selectess Start at thpe is tuned torive so that th

ogram that cae, 0 (hours, marth and Mer

not close it), begin slewinge screen it wifor referenceg coordinates

e frequency os of Hz from M

until receptiohe pulse also 0 seconds.  W

er frequency efaster (rotatio

ence from trans

                         

perpendiculawever, the ecrther back onion of Mercure other edge iffect, part of tpart of the rerequency spe

e Doppler eff

t Log In on thee top of the wo and the coohe telescope 

alculates the pminutes, and rcury (in AU) a

and press Setg (moving rapll minimize we.)  When thes will appear 

of the pulse wMegahertz (1 

n of the returappears on th

When this occu

cho from side nal velocity co

smitted freque

      UTC Astron

r to our line ochoes that ar the planet wry, one edge os moving towthe returning eturning echoctrum that is

fect to calcula

e main menuwindow. The rdinates it is will track the

position of a pseconds), andand the expe

t Coordinatespidly) to pointwhen the slewe telescope mon the contro

will be shownMHz = 106 Hz

rn pulse. A wihe screen whurs you will se

moving towaromponent towa

ency) 

nomy 1010L 

of sight at rive after 

where the of the ward us a  echo o (from  obtained.  

ate the 

, and fill control pointed to e planets 

planet for d cted 

s. t to the 

w starts. If ove is ol panel.  

n on the z). 

indow en the ee an 

ds Earth aards Earth) 

Page 61: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Rotation Rate of Mercury                                                                                                                                            UTC Astronomy 1010L 

58

animated display on the telescope screen.  This display shows the correct positions of Mercury, Venus, the Earth, and the Sun on the date of the coordinates you have used. The bright radar pulse moves toward Mercury and then the fainter echo returns. (The pulses move at the speed of light relative to the scale of the display. The distances on the display are correctly scaled, but the images of the disks of Sun, Earth, and Mercury are not to scale.) Sketch the relative positions of the planets on your data sheet for reference. 

 

            

    6. While you are waiting for the return pulse, you can calculate some geometrical terms needed to convert the 

measured velocities from points not on Mercury’s equator into velocities at Mercury’s equator (see figure 4).   

The delay distance (d) is the distance the delayed beam has traveled beyond the sub‐radar point.     

x is the distance parallel to our line of sight from the center of Mercury to the point from which the echo comes back  

y is the distance perpendicular to our line of sight to the extreme outer edge of the region of Mercury from which the echo comes back.   

R is Mercury’s radius, V is its rotational velocity, and VO  is the measured component of the rotational velocity parallel to the line of sight at that point. 

 

For the time intervals 120×10‐6, 300×10‐6, and 390×10‐6 seconds, calculate d, x, and y, with the following formulas and record them in your data table. The values for 210×10‐6 seconds are calculated for you. 

 

a.) To calculate d (in meters): use distance = rate x time, but since we are measuring an echo, which has to travel over the same path twice (down and back) we take half this value:  

2tc

=  

   

where c is the speed of light (3 x 108 m/s) and Δt is the time delay for the particular pulse in seconds.  

b.) To calculate x: by fig. 4, this is Mercury’s radius minus d (calculated above), where R = 2.42 x 106 meters.  

x = R – d  

Figure 4. Geometry of Mercury’s rotation.

Figure 3. Pulse sent and echo. 

Page 62: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Rotation Rate of Mercury                                                                                                                                            UTC Astronomy 1010L 

59

  Since the echoes we measure come back from points only a few kilometers back from the sub‐radar point, x will be only slightly smaller than R. 

 

c.) To calculate y: Note that y is one side of a right triangle whose hypotenuse is R and whose other side is x.  

22 xRy −=   

  Make sure you have shown the calculation for one of your times in the column on your data sheet.  

7.  The return pulse is spread out over a few hundred microseconds due to the curved surface of the planet. A series of five windows will appear on your screen when the pulse is received. These windows show snapshots of the spectrum of the returning echo beginning at the instant of reception (labeled Reference), followed by another 120×10‐6 seconds later, and three more at successive 90×10‐6 second intervals. These pulse spectra show a certain amount of noise which increases with the later‐arriving pulses, since they are weaker. Compare the appearance of the received pulse with the initial pulse. You will note that the initial pulse, which is stronger, appears much smoother and sharper.   

 

The frequency of the peak on the reference spectrum is the change in frequency between the transmitted pulse and the returned sub‐radar echo pulse at time equal to zero seconds, Δft=0. In order to find this value (in Hz), click on the central peak of the spectrum. Record the value displayed for the frequency shift from the zero position (with units) on your data sheet. 

 

8.  For all the other delayed echoes, you must measure the positions of the peaks at the left and right “shoulders” of the plots. These represent echoes from the parts of the planet that are turning toward and away from us the fastest.   When you have positioned the cursor on the left “shoulder” of the plot, double click the left mouse button. A red arrow will appear on the screen, along with the measured position in Hz. To measure the right “shoulder”, follow the same procedure. A blue arrow appears at the measured position.  Record the results of all measurements for Δfright andΔ fleft in your data table. 

 

  

9.  In order to determine the shift in frequency due to the rotational velocity of Mercury (Δftotal), we need to note that one side of Mercury is rotating toward us as fast as the other side is rotating away from us. Thus, the difference in the frequency shifts from the two edges, Δfright and Δfleft is twice the shift due to rotational velocity, shown by the equation below. Calculate these values and record them on your data sheet. 

 

2leftright

total

fff

Δ−Δ=Δ  

Figure 5. Measurement of the return echoes. 

Page 63: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Rotation Rate of Mercury                                                                                                                                            UTC Astronomy 1010L 

60

 10. We need to correct for the fact that our measurement is an echo (that is, the shift is twice what would be produced by a source which is simply emitting at a known frequency). The pulse arrives at Mercury and appears shifted as seen from the surface, and then it is shifted again because the surface of Mercury is moving as seen from Earth. Calculate the corrected frequency Δfc as below and record it on your data sheet. 

 

2total

C

ff

Δ=Δ  

 

11. To calculate VO, the component of the rotational velocity of the edge of Mercury along the line of sight at the point from which the echo returns, apply the Doppler equation to the observed frequency shift: 

 

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

f

fcV C

O  

 

  where c is the speed of light and f is the transmitted frequency of the pulse (recorded in step 4 – use the one in units of Hz).  

 

12. Finally, we can find the rotation rate of Mercury. This velocity, V, is your observed velocity multiplied by a factor from the geometry shown in figure 4. In doing this, you are correcting for the fact that the velocity we measured is only the component of the rotational velocity directed along our line of sight, and that the component perpendicular to the line of sight produces no measurable Doppler shift. In the equation below, R is the radius of Mercury, and y is calculated in step 6c. 

 

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

yR

VV O  

 

13. For each of the delayed echoes, we can calculate the rotational period for the planet by dividing the circumference of Mercury by its rotation rate. We can convert our answer (which will be in seconds) to Earth days by dividing the result by the number of seconds in an Earth day: 

 

VR

Protπ2

(sec)=  

 

400,86

(sec))( rot

rot

PdaysP =  

Note that Prot  should decrease as Δftotal  increases.  

14. Determine the average period of rotation in days for Mercury from your values of Prot (days).  

15. Calculate a percent difference between your value and the accepted value of 59 days using:  

100%59

59average  yourdifference % ×

−=  

 

16. You can use your value of frequency shift for the echo from the sub‐radar point to calculate the orbital velocity of Mercury around the Sun. Note that the shift you get must be divided by two to account for the doubling due to an echo.  If you get a negative value, it indicates Mercury is receding; positive speeds are speeds of approach. Calculate the orbital velocity as below, using Δft=0 as recorded in step 7. The transmitted frequency of the pulse is f (recorded in step 4 – use the one in units of Hz). 

 

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ= =

f

fcV t

orbital 20  

 

17.  Complete the remainder of questions on your data sheet. 

Page 64: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Rotation Rate of Mercury                                                                                                                                            UTC Astronomy 1010L 

Pre‐Lab Page 

Rotation Rate of Mercury Pre‐Lab Exercise  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________  1. About how long does it take for a radar pulse to travel from Earth to Mercury and back?      2. How does the frequency of the return echo change if the pulse reflects off the edge of Mercury that is rotating 

away from Earth? Toward Earth?           3. What is meant by the sub‐radar point? From where on Mercury is this signal reflected? In relation to the 

returned echoes, when is this echo received?        4. What is the difference between VO and V?        5. How will we calculate the rotation period for Mercury? What equation will we use? What does each variable in 

the equation stand for? 

Page 65: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Rotation Rate of Mercury                                                                                                                                            UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

Rotation Rate of Mercury Lab Report  Name: ________________________________ Lab Partner: _________________________ Date: ______________  2.  Distance between Earth and Mercury (AU) ______________________        Time for Pulse to Return (light‐minutes) ____________________________________  4.  Transmit frequency, f = __________________MHz  = __________________ Hz  5. Sketch of the Sun, Mercury, Venus, and Earth as seen on your display screen for December 1, 1999. Label each 

planet and the Sun.            6, 8‐10. Data table 

 

Δt (seconds)  120×10‐6  210×10‐6  300×10‐6  390×10‐6  SAMPLE CALCULATION 

d (meters)    3.15×104     

    

x (meters)    2.39×106     

    

y (meters)    3.89×105     

    

Δfright (Hz)    107429      Not Applicable 

Δfleft (Hz)    107431      Not Applicable 

Δftotal (Hz)    1.38     

    

ΔfC (Hz)  

0.69      

 

Page 66: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Rotation Rate of Mercury                                                                                                                                            UTC Astronomy 1010L 

Report Page 2 

7.  Transmit frequency, Δft=0  ____________________  11‐13. Calculation of Mercury’s rotation velocity and rotation period.  

Δt (seconds)  120×10‐6  210×10‐6  300×10‐6  390×10‐6  SAMPLE CALCULATION 

VO (m/s)    0.48     

    

V (m/s)    2.99     

    

Prot(sec)    5.09×106     

    

Prot(days)    58.9     

    

 14.  The Rotation Period of Mercury = _________________________ days  15. Percent difference (show your calculation below) = ________________%          16. Calculation of the orbital velocity of Mercury (show your work below and report your units): ______________      17.  The relative sizes of the orbits of the planets were known from Kepler’s laws long before the actual number of 

kilometers in an astronomical unit (AU) was measured. The delay in the return time of a radar signal provides a neat and accurate way of measuring the AU. Your ephemeris calculations, which you recorded above, gave you the distance of Mercury from Earth in AU and the time for the return pulse in light minutes.  Use these values to calculate the number of kilometers in an AU. Show your work below.   

 

( )( )( )AU  in  Mercury  and  Earth  between  distanceminsec/60minutes‐light  in  timekm/s 103

AU  1  in  km5×

=     

     

Page 67: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Image Processing                                                                                                                                                          UTC Astronomy 1010L 

64

Image Processing  

Most modern telescopes collect astronomical images using CCD technology. Charge‐coupled devices (CCDs) are silicon plates that hold a two‐dimensional array of individual photocells sensitive to light that work by the photoelectric effect. When a photon of light strikes a photocell, electrons are freed from the material of the cell, generating an electric charge. The larger the amount of light, the larger the number of electrons ejected, and the larger the charge. The charge on each cell (or pixel) can be read out by applying a voltage, and in this way, the CCD transforms the optical image into electrical signals that are translated into digital language. CCDs are rated by the number of pixels (which relates to the size of the array) and by quantum efficiency (which relates how many photons are captured relative to the number of photons that strike a cell). For good quality astronomical images of deep‐space objects, the efficiency should be as high as possible at the desired wavelength of light. 

It is possible with most CCDs to combine multiple individual pixels into one “super pixel” in a process known as binning. 1x1 binning means that the individual pixel is used as is; 2x2 binning means that an area of 4 adjacent pixels are combined into one larger pixel. Binning has the effect of increasing the sensitivity to light for faint or out of focus objects. Conversely, the resolution of the image is decreased in this process. The level of binning is thus an important consideration when processing images to maximize both sensitivity and resolution.   A CCD only renders an image in black and white. In order to construct a colored image, various filters have to be used. All colors can be generated by mixing red, green, and blue light in various ratios. Thus, a full color image requires that frames taken with red, green, and blue filters be combined in the image processing stage. Each filter permits certain wavelengths of light to pass through. A luminance filter allows most of the visible portion of the electromagnetic spectrum to pass (white light), and is used for black and white as well as color images. A blue filter only allows all blue light to pass, etc. For more advanced imaging, narrow‐band filters that only let through very specific wavelengths of light to the CCD chip corresponding to spectral lines of hydrogen, sulfur, and oxygen may be used. These can be especially useful for studies of nebulae.    The raw data files collected are the scientific measurements with no calibration applied. One of our main goals in processing the image is to increase the signal to noise ratio of the data, because the light we are collecting is coming from very distant objects. Several processes help us achieve this goal. In “calibrating” our images, we are trying to reduce the noise. This is achieved by applying dark frames, flats, and bias frames. Dark frames are subtracted to remove electronic “noise” from thermal fluctuations on the CCD chip. Light flats remove optical imperfections in the camera lenses and the telescope mirrors such as dust. In applying the calibration frames, the same binning should be used on all exposures to be combined.   Shorter duration times of individual images helps to prevent overexposure of pixels which can cause “blooming” of stars; stacking these multiple exposures together will increase signal in the data such that the merged image is equivalent in intensity to a single long exposure. Another benefit of shorter duration times is that if a satellite, cosmic ray, or anything else crosses the field of view, only a small period of imaging time is lost as opposed to an entire run. In image processing, you can remove a transient object that does not appear in multiple exposures. In order to stack images properly, they must be aligned using reference stars to account for possible rotation and translation between frames. For the most effective alignment, stars that are far apart on the frame should be chosen. In addition, it is important that the reference stars chosen are relatively small and tight, but are not saturated, necessary conditions for good alignment by the computer algorithm.    Multiple frames are usually taken with each filter, be it luminance, red, green, blue, or other spectral filters. When processing images, the set of subframes corresponding to each filter is usually processed into a master frame before combining various filters into a final color image. Further post‐processing should be done on your stacked and aligned color image to enhance details, color correct or balance, or remove imperfections due to noise.  Blurring is often done to remove small bits of noise from data on the RGB master. The luminance layer contains most of the detail in the image, so blurring color images does not reduce the resolution.  There may be other settings to try on your image depending on the software used or your particular target.     

Page 68: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Image Processing                                                                                                                                                          UTC Astronomy 1010L 

Pre‐Lab Page 

Project Outline and Pre‐Lab Work for Image Processing  

January 

 Assign groups, select astronomical targets for imaging, and determine appropriate coordinates.  Action items: You should be using your group area at UTC Online to discuss and share ideas for objects and verify the prospects.  

February 

 Determine parameters for imaging runs: You need to decide on which frames (i.e., luminance, color, spectroscopic filters) to take, the telescope to use, and the number and length of exposures necessary. Based on your plans, your instructor will allot you a certain number of points to use.    Action items: You should be discussing your imaging plans in your group area. When your plan is approved, the group leader will schedule the run at LightBuckets. This needs to be done as early in February as possible to allow time for re‐runs if an unforeseen problem occurs.  

March 

 Run imaging projects on remote telescopes and imaging systems.  It will be best to let LightBuckets select the date and time for your run, so that factors such as weather and phase of the moon can be accounted for.   Action items: Your group leader will receive an email when your imaging run is complete, at which time he/she can log in to the Account section on LightBuckets and retrieve your images from the completed run.  Your group leader will need to download all the image data and then upload it to the group’s section at UTC Online so that all group members can access the files for processing.  

April 

 Process the images to the final project.  Action items: Based on your previous meetings and discussions, your group has collected several different images or frames which you will now process. Although LightBuckets has automatically generated one image from your data by an automated process, we can often do better by processing the raw data files ourselves. Since the raw data files are the scientific data, we can decide not only how to calibrate the data, but which features of the object we’d like to emphasize, what level of noise is acceptable in our images, the final balance of the image, etc. In class, we will work together to process the images with software designed to work with astronomical images, that is, Nebulosity or Maxim DL (although other programs, including Adobe Photoshop, are used by astroimagers). You will complete the report page, including writing a summary of the project and a possible caption for your image.  Finally, you own the copyright to your image data. It is your intellectual property, although you may choose to let the UTC Astronomy program use it for future exercises and publicity of the program.  

   

Page 69: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Image Processing                                                                                                                                                          UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

Image Processing Report  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________  Describe in some detail your answers to the questions below, in your own words, using complete sentences.  Use additional paper if needed.   1.  Describe your astronomical target.      2.  Describe the telescope you used to make this image. (What were the specs?)      3.  List all the images (including luminance, RGB frames, spectroscopic filters, calibration frames, etc.) you 

collected and the details of each:              4. What is binning? Which bin setting did you use?        5. What are you doing when you align/stack the images?       

Page 70: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Image Processing                                                                                                                                                          UTC Astronomy 1010L 

Report Page 2 

6. What is the purpose of each calibration frame you used (e.g., the dark frame)?         7. What color settings did you use?       8. List any other digital steps you took to process your data. (Example: did you blur your image? Why/why not?)          9. What, if anything, would you do differently for this specific target/image next time?        10. Submit your final image electronically to your instructor with all group members’ names. A summary of the 

outcome of your image and a possible caption for it should be included for each member of the group. Write your own below.  

Page 71: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

M

 Oor Ba an

 

HthEa aslolindiWmw

vedethJuw

Moons of Jupite

Objectives: Thrbit of the Ga

ackground:  Johann

nother. Keple

ere, M is the he orbit is circarth years), p

In this s the Galileanooked at Jupitned up becauid, over a suc

While the moomoon to the liwould travel in

As shoersus time.  Betermine thehe radius andupiter’s mass with each moo

 

er                       

e goal of thisalilean moons

nes Kepler deer’s Third Law

mass of the pcular, a is equp, is the amoulab, we will o

n moons.  In oter through a use we are looccession of cleons actually mne of sight ben apparent cirown in figure By taking enou radius of orb period are kusing measuon, and there

                         

s exercise is tos. 

educed three w states that f

parent body iual to the radunt of time reobserve the foorder of distasmall telescooking edge‐onear nights, wemove in roughetween Jupitercles. 3, the perpenugh measurebit (the amplitnown, the marements of efore your Jup

            

 

                          

UMoon

o determine t

empirical mafor a moon or

in solar masseius of the orbquired for theour moons ofnce from Jupope, you mighn at the orbite would see thly circular orer and Earth. 

ndicular distaments of the tude of the cass of Jupiterach of the foupiter masses m

 

Figure 2 (left). distance betwe

Figure 3 (bottochanging anglmeasured in u

                         

68

ns of Jupit

the mass of Ju

athematical larbiting a much

2

3

p

aM =  

es, and a is thbit, which is ae moon to orf Jupiter that iter, they areht see somethal plane of thhe moons shrbits, you can  If you could

nce of the momoon’s positurve) and the can be foundur moons; themay not be ex

View from aboeen the moon 

om). The appare from the linenits of the radi

                         

er

upiter using K

aws governingh more massi

he length of tlso called amrbit the parenGalileo saw t

e Io, Europa, Ghing similar tohe moons of Juttle back anonly see the view Jupiter f

oon should btion, a sine cue period of ord by Kepler’s ere will be erxactly the sam

ove the plane oand Jupiter tha

rent position ofe of sight, θ, asius of the moo

                         

Kepler’s third 

g the orbit ofive parent bo

he semi‐majoplitude. The nt body once. through his teGanymede, ano figure 1. Thupiter.  If wed forth, moreperpendiculafrom “above”

e a sinusoidaurve can be firbit (the perioThird Law.  Yrors of measume. 

Figure 1. Jupthrough a sm

of orbit. Rappare

at would be se

of a moon varies it orbits Jupiten’s orbit, R. θ i

      UTC Astron

law, applied 

f one object aody: 

or axis in unitperiod of orb elescope, knond Callisto. If e moons app watched, as e or less in a lar distance of” (figure 2), th

l curve whenit to the data od of the curvYou will deterurement asso

piter and its mmall telescope.

nt shows the apen from Earth.

es sinusoidally er. Apparent pois measured in 

nomy 1010L 

to the 

around 

s of AU. If bit (in 

own today you 

pear to be Galileo ine.  f the he moons 

 plotted to ve).  Once mine ociated 

oons . 

pparent . 

with the osition is degrees.

Page 72: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Moons of Jupiter                                                                                                                                                           UTC Astronomy 1010L 

69

  This program simulates the operation of an automatically controlled telescope with a charge‐coupled device (CCD) camera that provides a video image to a computer screen.  It also allows convenient measurements to be made at a computer console, as well as adjustment of the telescope’s magnification.  The computer simulation is realistic in all important ways, and using it will give you a good understanding of how astronomers collect data and control their telescopes.  Instead of using a telescope and actually observing the moons for many days, the computer simulation shows the moons to you as they would appear if you were to look through a telescope at the specified time.  Procedure:  

1.   Start the Revolution of Jupiter Moons program from the CLEA Exercises folder. Select Log In from the File menu, and fill in the requested information. Now select File > Run; when the Start Date & Time dialog appears, click OK to accept the defaults; you will change these later.  

   

2.    You should now see the observation screen (like in figure 4), showing Jupiter much as it would appear in a telescope.  The small, point‐like moons are on either side of Jupiter.  A moon may be difficult to see if it is in front of Jupiter or hidden behind it. Notice that you can change the level of magnification by clicking on the 100X, 200X, 300X, and 400X buttons.  The screen also displays the date, Universal Time (the time at Greenwich, England), the Julian Date (a running count of the date and time used by astronomers in decimal format that begins at Jan. 1, 4713 B.C.), and the interval between observations (or animation step interval if Animation is selected). 

 

3.   To do something you can’t do with the real sky, select File > Features > Animation > OK, then click on the Cont. (Continuous) button on the main screen.  Watch the moons zip back and forth as the time and date scroll by.  With this animation, it’s fairly easy to see that what the moons are really doing is circling the planet while you view their orbits edge‐on.  To reinforce this, stop the motion by selecting Cont. again, select File > Features > Show Top View > OK. A new window appears. Start the motion again (Cont.) on the main observation screen.  Note that under the Features menu you can also choose ID Color to avoid confusing the four moons. 

 

4.   Turn off the Animation feature before going on. Click on Cont. to stop the motions of the moons, then go to File > Features > Animation > OK.  The Cont. button should not be active.  

 

5.    Select File > Observation Date > Set Date/Time.  The Set Date & Time window will appear, and now you will change the defaults.  Use today’s date for the Day, Month, and Year, and the current time for UTC. Click OK.  To enter the Observation Interval, select File > Timing, and enter 12 for the Observation Step (Hrs).  Click OK. 

 

6.   In order to measure the position of a moon, move the pointer to a moon and left‐click the mouse.  The lower right‐hand corner of the screen will display the name of the moon (for example, II. Europa), the X and Y coordinates of its position in pixels on your screen, and its X coordinate expressed in diameters of Jupiter (Jup. Diam.) to the east or west of the planet’s center.  This is the crucial figure for our purposes.  Note that if the name of the moon does not appear, you may not have clicked exactly on the moon, so try again.  To measure 

Figure 4. Observation screen.

Page 73: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

M

 

 

7.

 

8.

 

9.

 D

yotha knthdoonrafrcurethmfr imbeatsobecu 

10

 

11

Moons of Jupite

the moon’and then c

Note: Somreal‐life prcloudy in yyour compdata table 

.    After clickiyou.  Verify> Data > Re

.   Zoom backBefore clicW) for eacmove to thUniversal T

.    Click on Nefor each m 

ata Analysis:

You noour data.  By he moon versgraph similarnow the follohe moons areo not speed une period to tadius of each rom one periourve should tegular.  It shohe points, andmaximum heigrom peak to p

Takingmaginary mooetween two st 0 Jupiter diaome moons, ye useful. The urve, which is

0.  To create tData menu

1.  When the seem to bedisplay a “

er                       

s position accclick on the m

etimes, the problem of a clyour data tablputer.  In anot in the space f

ing on the Moy that the valeview.  

k out and clickcking OK on thch of the four he next obserTime (in hour

ext on the mamoon to comp

  

ow need to anplotting the psus time, you r that in figurwing:  (1) thee regular, thatup or slow dothe next and orbit does nood to the nextherefore alsoould go througd not have a vght or a varyinpeak. g as an exampon in figure 5,successive maameters (J.D.)you may not radius of thes half the tota

the appropriau, then Select

graph of datae out of placeconnect‐the‐

                         

curately, switmoon again.   

program will dloudy observinle for the respther scenario,for that moo

oon, press Relue is correct 

k on the remahe dialog boxmoons on yorving session rs, minutes, a

ain observingplete the data

nalyze position of can obtain e 5. We e orbits of t is, they own from (2) the ot change t.  The sine o be gh all of varying ng width 

ple the , we can deteaxima, minim) is half the peget data frome moon’s orbital height).  

ate sine curvet moon. Choo

a points appee.  To better sdots” version

                          

tch to the hig

display a pictung night whepective Jupite, a moon mayn and do not 

ecord and youand click OK.

aining moonsx for the last mour lab report12 hours latend seconds). 

g window to ma table.   

ermine the rama, or any twoeriod; this is tm your observt is the maxim

e:  Select Fileose Ganymed

ears, try to finsee the pattern of your grap

Figure 5years) a

1

                         

70

ghest magnifi

ure of clouds re it may noter Diameter my be hidden brecord anyth

ur data will au.  You can go 

, recording thmoon, make st sheet.  Day er, use the rowClick OK on t

move to the o

dius and perio equivalent pthe time it tavations for a fmum position

> Data > Anade III.   

nd a pattern brn, select Datph.  Click on a

5. Sample grapand a = 3 Jupite

Period

                         

ication that w

on the observt be possible tmeasurementsehind Jupiter;hing on the co

utomatically bback and add

he measuremsure you reco1.0 is your firw for day 1.5,the dialog box

observation ti

od of the orbpoints on the kes the moonfull period, ann eastward or

alyze. On the 

by eye, and tata > Plot > Ploa point at whi

h for an imaginer Diameters (0

                         

will keep the m

ving screen. Tto take data. s and do not r; in this case, omputer for th

be entered ind to or edit th

ments on the cord the Jupiterst observing , etc. Also, rex.  

ime 12 hours 

bit.  The periocurve.  The tn to get half wnd in this caser westward (t

window that

ake note of anot Type > Conch the line co

nary moon wit0.00286 AU). 

      UTC Astron

moon on the 

This is to simuIf this occurs,record the dawrite “behinhat moon. 

nto a dialog bhis data later 

computer as yr Diameter (wsession; whecord the Date

later. Repeat

od will be the time betweenway around Jue, the half‐pehe amplitude

t appears, go 

ny data pointnnect Points. onnecting the

th p = 14 days (

nomy 1010L 

screen 

ulate the  write ata on d” in your 

ox for using File 

you go. with E or n you e and 

t steps 6‐8 

time n crossings upiter. For riod will e of the 

to the 

ts that  This will e points 

(0.0383 

Page 74: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Moons of Jupiter                                                                                                                                                           UTC Astronomy 1010L 

71

crosses the x‐axis and goes from negative to positive. If this happens more than once, choose the left‐most point on the screen.  A Julian date (Mod. JD) and a value close to zero for Jp. Diam. should appear in the box marked Cursor Position for X and Y, respectively. Record the X cursor position as T‐zero on your data sheet.   

 

12.  Estimate the period of orbit by clicking on a point on the curve, recording its x‐position, and clicking on a subsequent equivalent point on the curve if a full period is displayed (see figure 5).  Record these two dates as 1st and 2nd dates on your data sheet. Subtract the smaller date from the larger date to estimate the period, recording it on your data sheet.  If the curve does not include a full period (e.g., for Callisto), you can use a half‐period estimation and then double it. In the case of a fast moving moon (e.g., Io), you can measure the time to complete several periods and divide it by the number of periods for a more accurate estimate.  

 

13.  Finally, estimate the amplitude of the sine curve by clicking on the maximum or minimum peak or valley of your graph and reading the y‐value in the cursor position box. The amplitude is equal to the absolute value (i.e., ignore a – sign) of the y‐position. Record this as the estimated amplitude on your data sheet.   

 

14.  Now select Data > Plot > Fit Sine Curve > Set Initial Parameters and enter the data you just estimated for T‐Zero, Period, and Amplitude. Click OK and a blue sine curve will appear.  It should be a rough fit for all your data points.  If it does not look near to a good fit, you may need to repeat the Set Initial Parameters step with new estimates.  If only one or two points are significantly off the blue line, they may represent inaccurate measurements. 

 

15.  Now you will begin adjusting the fit with the three scroll bars, as shown in figure 6.  First adjust the T‐Zero point.  As you adjust this value, the entire curve will slide to the left or right. Try to achieve the best fit for the data points closest to the T‐zero value you selected above. After you’ve adjusted the T‐zero value, you may notice that the points farther away from your T‐zero point no longer fit as well.  Now use the Period scroll bar to stretch or shrink the curve and achieve a better fit.  If at any time you cannot scroll far enough to get a good fit, click on the green circular arrow button to reset the scroll bar to the center. Next adjust the Amplitude bar to better fit the points near the peaks and valleys.  You may wish to return to the other scroll bars for further adjustment, but the goal at this point is a good, though not necessarily perfect, fit.   

 

16.  In order to fine tune the curve, adjust the Slider Sensitivity Bar from Course to Fine. Now adjust the T‐zero scroll bar, this time observing the RMS Residual.  The smaller the value of this number is (note that it is expressed in scientific notation), the better the fit.  The RMS Residual value will turn from red to green when it is more accurate. Move the scroll bar with the arrows until this number is smallest, that is, when one click in either direction would make it larger.  Continue this process with the Period and Amplitude bars.  Because the three adjustments affect each other, you should then return to the T‐zero bar and repeat the scroll bar adjustments until all three yield the lowest RMS Residual.  

 

17.  Write down the RMS residual, period (in days), and the amplitude (the semi‐major axis in Jupiter diameters) for your final fit in the table on your data sheet.  Then select Data > Print > Current Display to print the graph.  

 

 18. Choose a different moon from the Select menu and repeat steps 10‐17 for the other three moons.   

Figure 6. Jupiter satellite orbit analysis. 

Page 75: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Moons of Jupiter                                                                                                                                                           UTC Astronomy 1010L 

72

19.  You now have all the information you need to use Kepler’s Third Law to find the mass of Jupiter.  First, we need to convert the values we obtained for the period (in Earth days) to Earth years. To do this conversion, divide the period (in days) by the number of days in a year (365). Show a sample calculation on your data sheet and fill in the values to the appropriate spaces in your data table. 

 

20.  We will also need to convert the length of the semi‐major axis we found (in Jupiter Diameters) into AU. To do this, divide your value by the number of Jupiter Diameters in an AU (1050). Show a sample calculation on your data sheet and fill in the values to the appropriate spaces in your data table.   

 

21.  With the period, p, and the radius of orbit, a, in the correct units, we can calculate the mass of Jupiter using data from each of the four moons and Kepler’s Third Law, M = a3/p2.  Show a sample calculation and record these on your data sheet. If one value differs significantly from the other three, look for a source of error.  If no error is found, the data may not be adequate for a better result, in which case you should leave the data as you found it.   

 

22.  Find the average value of your masses and record it. NOTE:  All values for the mass of Jupiter, MJ, should be approximately 0.0009 solar masses.  This is an approximate value; you should record your own calculated value.  If your calculated value seems far from this approximate value, try to give some reason for the discrepancy. 

 

23.  Answer the remaining questions on your lab report sheet. 

Page 76: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Moons of Jupiter                                                                                                                                                           UTC Astronomy 1010L 

Pre‐Lab Page 

Moons of Jupiter Pre‐Lab Exercise  Name: __________________________________________________________ Date: ________________________  1. At the same time you record your data by hand for each moon’s position in the data table, where else are you 

also recording it?    2. What is the difference between Universal Time and the Julian Date?         3. What two things can prevent data‐taking for a particular moon on a particular day?      4. Label the amplitude and period on the sine curve shown below. Denote the span of each. 

 5. In order to find the mass of Jupiter in solar masses using the equation M = a3/p2, what must be the units of a 

and p?  

Page 77: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Moons of Jupiter                                                                                                                                                           UTC Astronomy 1010L 

Report Page 1 

Moons of Jupiter Lab Report  Name: ________________________________ Lab Partner: _________________________ Date: ______________  6‐9.  Data Table.  Example data is shaded in gray.  

Date  UT (hr:min)  Observing Day 

Position in Jupiter Diameters 

Io  Europa  Ganymede  Callisto 7/24  0:00  1.0  2.95 W  2.75 W  7.43 E  13.15 W 7/24  12:00  1.5  Cloudy – cannot observe 

  

Date  UT (hr:min)  Observing Day 

Position in Jupiter Diameters 

Io  Europa  Ganymede  Callisto 

    1.0         

    1.5         

    2.0         

    2.5         

    3.0         

    3.5         

    4.0         

    4.5         

    5.0         

    5.5         

    6.0         

    6.5         

    7.0         

    7.5         

    8.0         

    8.5         

    9.0         

    9.5         

    10.0         

    10.5         

    11.0         

    11.5         

    12.0         

Page 78: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Moons of Jupiter                                                                                                                                                           UTC Astronomy 1010L 

Report Page 2 

11‐13. Estimated fitting parameters.     

Moon T‐Zero 

(Julian Date) 1st date 

(Julian Date) 2nd date 

(Julian Date) Estimated Period 

(days) Estimated Amplitude 

(Jup. Diam.) 

Io I           

Europa II           

Ganymede III           

Callisto IV           

 17, 19‐20. Determined fitting parameters. Show your sample calculations below.  

Moon  RMS Residual Period (days) 

Period (years) 

Semi‐major axis (Jup. Diam.) 

Semi‐major axis (AU) 

Io I           

Europa II           

Ganymede III           

Callisto IV           

 Sample calculation for period in years:     Sample calculation for length of the semi‐major axis in AU:    

  21.  Mass of Jupiter in solar masses calculated from Kepler’s third law.        Using Io, M = ____________        (show sample calculation to right):         Using Europa, M = ____________    Using Ganymede, M =____________   Using Callisto, M = ____________           22.  Average determined mass of Jupiter in solar masses = _____________          Possible reasons for discrepancies (if any):      

Page 79: ASTR 1010L Manualpbs273/1010LLabManual.pdf · magnitude of 0 is 2.5 times brighter than object B, with a magnitude of 1). For example, if the magnitude of object A is mA = 0.2 and

Moons of Jupiter                                                                                                                                                           UTC Astronomy 1010L 

Report Page 3 

23. Additional questions:  a. Express the mass of Jupiter in earth units by dividing it by 3.00 x 10‐6, which is the mass of Earth in solar mass units, showing your work below. 

      b. There are moons beyond the orbit of Callisto.  Will they have larger or smaller periods than Callisto?  Why?         c. Which do you think would cause the larger error in M: a 10% error in p or a 10% error in a?  Why?          **Attach all 4 graphs generated to this report.