Резюме. Този доклад илюстрира една възможност за използване на съвременните компютърни технологии за включване на ученици в реални изследователски проекти, за осъвременяване на учебното съдържание и за увеличаване на броя на учебните часове, свързани с астрономията.

Ключови думи: radio telescopes; dark matter; students

През 2012 г. в Европейската организация за ядрени изледвания (ЦЕРН) експериментално бе потвърдено съществуването на Хигс бозона. През 2015 г. бяха регистрирани дълго търсените гравитационни вълни. За да се вдъхновят от науката и да я изберат за своя професия, младите хора трябва да знаят какво се случва на нейния „преден фронт“, кои са големите въпроси, които чакат отговор. Това може да стане реалност, като се включат учениците с интереси в дадена област в истински изследователски проекти, в които учител и ученик стават партньори.

Ще представим проведените от ученици в Профилираната езикова гимназия „Н. Й. Вапцаров“ – Шумен, наблюдения на Млечния път с роботизирани радиотелескопи. Получените астрономически данни са използвани за: построяване на ротационната крива на Млечния път; изследване на разпределението на неутралния водород в галактичната равнина; изследване на разпределението на неутралния водород с издигане над галактичната равнина.

Началото поставиха Дамян Бойчев и Симеон Бойчев през 2016 година, когато бяха ученици в XI клас на Профилираната гимназия с преподаване на чужди езици „Н. Й. Вапцаров“ (от септември 2016 г. Профилирана езикова гимназия „Н. Й. Вапцаров“). Към настоящия момент те са студенти първокурсници. Работата бе продължена от Огнян Симеонов и Симона Стоянова, които сега са ученици в XII клас. Експерименталните данни са получени чрез SRT Network – мрежа от роботизирани радиотелескопи, с които учениците от европейските училища могат да провеждат дистанционни наблюдения на Млечния път. Тази мрежа е създадена и се поддържа в рамките на проекта Hands-On Universe, Europe1) , финансиран по програмата „Учене през целия живот“. Оборудването на телескопите измерва и записва интензитета на електромагнитните вълни с дължина на вълната 21 сантиметра, излъчвани от неутралния водород, т.нар. НІ. Създаден е общодостъпен архив от експерименталните данни. Когато потребителят избере запис от архива, интерфейсът представя графично зависимостта на яркостната температура (Ivanov, 2003) на лъчението от радиалните скорости на излъчващите облаци водород, лежащи на един зрителен лъч (фиг. 1). Температурата е мярка и за интензитета на лъчението. Най-десният пик е от излъчването на най-близкия до галактичния център облак. 2) При кликване върху него интерфейсът изчислява радиалната скорост на облака и разстоянието му до центъра на Галактиката.

От февруари 2016 г. до септември 2017 г. направихме резервация на наблюдателно време и проведохме наблюдения с радиотелескопите на университета „Пиер и Мария Кюри“ в Париж и с радиотелескопа на партниращия университет в Краков (фиг.2).

При всяко от тях променяхме посоката на зрителния лъч на телескопа, като задавахме различни стойности на галактичните координати: галактична дължина (ℓ) и галактична ширина (b) (фиг.3). За построяването на ротационната крива на Млечния път задавахме стойност 0 0 на галактичната ширина b, а на галактичната дължина ℓ – стойности от 0 0 до 900. Така зрителният лъч се плъзга в първи квадрант на галактичната равнина. След като обработихме данните с инструментариума на проекта, получихме отразените в таблица 1 резултати за радиалните скорости v на излъчващите облаци неутрален водород и разстоянията им до галактичния център R. С тези данни построихме ротационната крива на неутралния водород в Млечния път (фиг. 4). Тя представя зависимостта на радиалната скорост v на излъчващото вещество от разстоянието до галактичния център R. От графиката ясно се вижда, че на разстояния, по-големи от 20.10 16 км, скоростта остава почти постоянна. По-отдалечените звезди, от по-слабо населените региони, се движат почти толкова бързо, колкото и по-близките. Подобен е видът на кривите за всички спирални галактики (фиг. 5) (Petrov & Dechev, 2010). „Това, което виждаш в спиралните галактики, не е това, което получаваш“, казва Вера Рубин, която заедно с Кент Форд изследва движението на тези звездни формирования и стига до проблема с липсващата маса. Законите на Нютон и Кеплер, приложени към видимата маса във вътрешността на орбитите на отдалечените звезди, показват, че тя не е достатъчна да задържи в орбита толкова бързо движещи се обекти.

Днес много учени приемат, че неочакваното по-бързо въртене на веществото с отдалечаване от центъра на галактиките се дължи на невидима тъмна материя (Topilskaya, 2015). Тя би трябвало да е сферично симетрично разположена около центъра и да е разпространена на много по-голямо разстояние от излъчващата материя.

Формата на кривата, която построихме по наблюдателни данни, е много близка до получената от учените и може да бъде използвана за запознаване на по-широк кръг от ученици с идеята за тъмната материя. Това може да се случи чрез работа по проект, в часовете за физичен практикум или в семинарни занятия. Симеон Бойчев и Дамян Бойчев предлагат един вариант за реализация на тази възможност. Те създадоха работен лист за лабораторно упражнение3) , като приложиха изследователски подход в обучението. Целта е учениците да се поставят в ролята на откриватели: да построят ротационна крива на Млечния път и чрез съпоставянето на експериментално получената с теоретично предсказаната форма да стигнат до идеята за съществуването на тъмната материя. Тук са представени три от задачите в упражнението.

Коя графика представя изменението на орбиталната скорост на планетите в Слънчевата система с отдалечаване от Слънцето?

Разгледайте формата на експериментално построената от вас крива.

До коя от графиките е най-близка?

…направете предположение на какво се дължат различията.

..............................................................................................................................

Дамян и Симеон подготвиха и качиха в YouTube видеоръководство4) за работа с интерфейса на проекта EU HOU, което помага на учениците при работата им.

Упражнението е апробирано с ученици от XI клас. Целта бе да се провери дали един учебен час е достатъчен за изпълнение, дали задачите са ясно формулирани и дали са достъпни. Работните листове бяха попълнени в електронен вариант. Изпълнението отне около 30 минути, като използваните страници в интернет бяха отворени на всички компютри предварително. Остана достатъчно време, за да се запознаят учениците в края на часа с предвидения кратък филм за тъмната материя. След апробацията учениците посочиха къде трябва да се прецизират указанията за работа и кои източници на информация са по-добри.

На уебсайта на проекта Hands on Universe има учебен ресурс за построяването на ротационната крива. В хода на работата ние постепенно усвоявахме и осмисляхме функционалните възможности на използвания софтуер. Стана ясно, че с получените данни може да визуализираме положението на неутралния водород в равнината на Галактиката.

Интерфейсът позволява да се определи разстоянието до няколко излъчващи облака, лежащи на един зрителен лъч (фиг. 6) и да се представи положението им в координатна система. За целта използвахме проведените наблюдения за галактични дължини ℓ от 00 до 900 при галактична ширина b=0, но този път замервахме всички пикове, а не само най-десния (фиг.1). В резултат получихме разпределение на неутралния водород в първи квадрант на галактична координатна система, което е представено на фиг. 7. Вижда се, че излъчващото вещество не е равномерно разпределено, а е концентрирано в определени области. При наслагване на спиралните ръкави на Млечния път върху полученото разпределение се получи значително съвпадение (фиг. 8). Този резултат е едно от вероятните обяснения на факта, че младите и горещи звезди и процесите на звездообразуване се наблюдават предимно в спиралните ръкави на Галактиката, където има голямо количество водород (Topilskaya, 2015). А методът на изследване показва как наблюдател, намиращ се в равнината на наблюдение, може да види „невидимото“ – спиралната структура на Млечния път.

Изследването на разпределението на водорода в галактичната равнина доведе до идеята да проверим какво се случва с издигане над равнината. За мярка на количеството водород приехме яркостната температура Т, защото може да се докаже, че между двете величини съществува правопропорционална зависимост. Резервирахме наблюдателно време и проведохме наблюденията, като при фиксирана стойност на галактичната дължина ℓ замервахме интензитета на НІ през 50 на галактичната ширина b. След това задавахме нова стойност на ℓ и повтаряхме процедурата (фиг. 9).

В архива издирихме още измервания за галактични ширини, различни от 0, направени от други наблюдатели. За всяко от тези наблюдения измерихме яркостната температурата на НІ. Резултатите са представени в таблица 2. В по-тъмен нюанс са стойностите от наблюденията, които сме провели самостоятелно.

На фиг. 10 е представена графично получената зависимост на яркостната температура Т от галактичната ширина b. Вижда се, че с нарастване на галактичната ширина температурата бързо намалява. Същата зависимост е в сила и за неутралния водород. Може да се направи извод, че той е разположен преимуществено в галактичната равнина и количеството му силно намалява с издигане над нея.

Съвременните технологии дават възможност на учениците и учителите да работят съвместно в реални изследователски проекти и да получават значими резултати. Този доклад представя едно такова партньорство, но извън страниците му остават достижения, които имат не по-малка стойност. Най-ценното от тях е запаленото любопитство към науката.

Благодарност. Изказваме благодарност към доц. д-р Борислав Станишев Борисов за ценните съвети по редакцията на статията.

NOTES/БЕЛЕЖКИ

1. www.euhou.net

2. http://euhou.obspm.fr/public/Milky_Way_Rotation_A4.pdf

3. http://innovativeteachersbg.org/SchumenKonference

4. https://www.youtube.com/watch?v=suQiT6YE6Eo

REFERENCES/ЛИТЕРАТУРА

Ivanov, G.R. (2003). Obshta astrofizika. Sofia: Faculty of Physics [Иванов, Г.Р. (2003). Обща астрофизика. София: Физически факултет].

Petrov, G. & Dechev, M. (2010). Tymnata materia v galaktikite (pp. 114 – 118). In: Astromical calendar 2011. Sofia: Marin Drinov [Петров, Г. & Дечев, Г. (2010). Тъмната материя в галактиките (сс. 114 – 118). В: Астрономически календар за 2011. София: Проф. Марин Дринов].

Topilskaya, G.P. (2015). Fizika mezhzvezdnykh sredi: uchebnoe posobie. Moskwa – Berlin: Dicekt – Media [Топильская, Г.П. (2015). Физика межзвездной среды: учебное пособие. Москва – Берлин: Директ – Медиа].