Jüpiter Radyo Sistemi’ni Kullanarak Güneş Gözlemi

 Özlem GÖNÜLKIRMAZ
 12 Şubat 2012

Giriş. Bu makalenin amacı küçük bir radyo alıcısının yapısını ve bu alıcıyı uygun bir anten ve bilgisayar yazılımı ile kullanarak güneş gözlemini tanımlamaktır. Jüpiter Radyo Sistemi eğitim kitinin birer parçası olan alıcı, anten ve yazılım; yazara Uluslararası Uzay Üniversitesi’nin Fizik Bilimleri müfredatının bir parçası olarak katkıda bulunmaktadır. Yazar bir eğitim aracı olan bu kitin yararını inceleyecek ve bu süreç boyunca öğretilen bilimi tartışacaktır.

Jüpiter Radyo Eğitim Programı

NASA’nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi ve Astronomi ve Uzay Bilimleri Eğitimini Geliştirme Girişimi (IDEAS) Jüpiter Radyo programına birlikte sponsor olmuşlardır.  Sosyal yardım programının amacı öğrencileri Jüpiter ve Güneş ile beraber radyo astronominin temelleriyle ilgili eğitmek, bilimsel süreçte deneyim fırsatı sağlamak, dünya çapında gözlemcilerin iletişim ağını yaratmak ve farklı yerlerdeki öğrenci ve araştırmacıların arasındaki fikir değişimini kolaylaştırmaktır.  Bu program maddi açıdan karşılanabilir; alıcı, anten ve yazılım ile tamamlanmış eğitici kitler sağlamaktadır.

Güneş ve Jüpiter Radyo Olgusuna Kısa Bir Genel Bakış

Jüpiter Radyo programı aracılığıyla sağlanan ekipman 20.1 MHz frekansında Güneş ve Jüpiter’i gözlemek amacıyla tasarlanmışır. Bu dalga boylarında 3 olgu düzenli olarak gözlenebilmektedir:

1. Güneş Parlaması Patlamaları – bunlar,  parlamaların içerisindeki manyetik alan çizgilerinin  yeniden bağlanmasıyla oluşur ve parlama içerisinden bir parça manyetik halkayı kopararak çok geniş bir elektromanyetik tayf içerisinde enerji yayınlanmasına neden olur. Güneş parlamaları 11 yıllık düzenli Güneş etkinliği döngüsünü izleyecek şekilde oluşur. Sağdaki görüntü Yohkoh Soft X-Işın Teleskop’u ile alınmış ve diskin sağ tarafında patlamadan kalan parlak parlama sonrası halkaları gösteriyor.  Güneş parlaması patlamaları Jüpiter Radyo ekipmanıyla kolayca saptanabilir ve bunlardan biri raporun sonrasında örnek olarak kullanılmıştır.

2. Taçküresel Kütle Atımları (TKA) (İng. Coronal Mass Ejections) (CMEs) – Bu olay manyetik çizgilerle iç içe geçmiş büyük gaz balonları Güneş’ten atıldığında meydana gelmektedir. Atılan plazma özel bir yöne odaklanmaya eğilimli olsa da elektromanyetik salmalar tüm yönlerde yayılır ve alıcı tarafından toplanabilir. Bu görüntü Solar and Heliospheric Observatory (Tr. Güneş ve Güneş Sistemi Küresi Gözlemevi uydusu) (SOHO)’daki Large Angle and Spectrometric Coronagraph (Tr. Geniş Açılı ve Tayfölçerli Taçküreçizer)  (LASCO)’dan 7 Nisan 1997 tarihinde kaydedilmiş bir TKA’dır.

3.  Dekametrik (10 metrelik) Jüpiter salması- Bunlar Jüpiter’in en içte yer alan büyük uydusu Io ile olan etkileşimlerine bağlıdır. Jüpiter’in manyetosferi içerisine yerleşmiş olan Io, gezegenden 6 Jüpiter yarıçapından daha az bir uzaklıkta yörüngededir. Dahası, Io Jüpiter ile kilitli evrede olmasına  rağmen, Callisto ve Ganymead ile olan yörüngesel rezonansı sebebiyle belirgin bir gel-git sürtünmesi sergiler. (Io, Ganymead’in her bir ve Callisto’nun her iki yörünge dolanımı sırasında dört yörünge dolanımı yapar)  Io’nun gel-git sürtünme ısısı onu jeolojik olarak yüksek derecede etkin yapar. Io’nun volkanları Jüpiter’in manyetik alanı içerisine büyük miktarda parçacık yayar ve Jüpiter’in manyetik çizgileri boyunca ayı gezegenle bağlayan bir parçacık torusu (3 boyutlu bir halka şekli) oluşturur. Io’nun dönme düzlemi Jüpiter’in manyetik eksenine göre yaklaşık olarak 10 derece eğiktir. Io ve Jüpiter arasındaki halkada spiral bir yolda ilerleyen parçacıklar yaklaşık olarak 40 MHz’dan yersel iyonosfer soğurma noktası olan yaklaşık 8 MHz’e kadar ışınım salar.  Işınım manyetik akı çizgilerine paralel olarak yayılır, bu yüzden Jüpiter-Io sisteminden yayılanlar Io’nun yörüngesinde yalnızca belli noktalarda Dünya’ya doğru yönlenir ve Jüpiter-Io sisteminin birbirlerine göre yönlenmesine bağlıdır. Jüpiter-Io salınımları Radyo Jüpiter anteni ile saptanabilir ve Io’nun yörüngesiyle olan bağlılığı nedeniyle salınımların oluşma zamanları planlama yapmaya yardımcı olacak şekilde yönlendirilmiş gözlemler için tahmin edilebilir.

Anten ve Alıcının Tanımı

Standart Radyo Jüpiter eğitim kiti birleşen iki yarım dalga çift kutuplu anten, koaksiyel kablo, radyo alıcısı yapım parçaları, PC yazılımı ve bir kılavuz bölümlerinden oluşur.

1. Radyo Jüpiter anteni tel, koaksiyel kablo, yalıtkanlar, bağlayıcı ve diğer parçalardan oluşur. Kit, iki adet, bir besleme hattıyla fazlanabilen özdeş yarım dalga çift kutuplu anteninden oluşur. İki yarım dalga anteni ile bir değişken fazlı cihazın bir tam dalga anteni yaratmak üzere birlikte kurulması yerine bu anten ISU’da gözlem için kullanılırdı. Değişken fazlı cihaz resimde gösterilmiştir. Öğrencilerin kişisel anten kurmamasına rağmen, uygulanan proses sağlanan talimatlardan açıkça görülüyordu. Doğru ölçüm ve kesim becerileri kadar bazı lehimleme becerileri de gereliydi.

Anteni tam dalga antenine çevirmek, maksimum duyarlılık üçgenini 90 dereceden 60 dereceye daraltırken, 2 desibellik kazancı arttırır. Ek uzunluk ve ağırlık, destekli PVC kutupları kullanılan antendeki montaj problemlerini çekebilirdi, fakat bu problem 2 bina arasına yerleştirilen anten ile üniversitede çözülmüştür.

2. Alıcı kit elektronik bileşenler, lehim, kablo şebekesi, kapalı devre panosu, basit aletler ve bir çantayı içeren 100 parçadan oluşur. Alıcı, 20.1 MHz merkezli frekans bandına göre nispeten dar olan bir yere ayarlanmıştır. 12V’luk doğru akım kaynağı tarafından ve kulaklıklar üzerinden dinlemek için yeterli sinyal amplifiye eden çıkışlarla veya güçlü bir hoparlörle güçlendirilmiştir ve kişisel bilgisayarlardaki mikrofon giriş yerinde sinyal sağlamaktadır. Alıcının montajı nispeten basittir fakat yine de biraz lehim bilgisi ve elektronik bileşenleri tanıma becerisi gerektirir. Bu yüzden, bu kit onların denetimiyle,yazar gibi, ön deneyim olmadan en iyi şekilde montajlanmıştır. ISU’da kullanıldığı gibi, montaj, lehimleme ve testin tüm aşamalarında geri bildirim sağlayan Profesör Joachim Koppen tarafından yakın bir şekilde denetlenmiştir. Fakülte ayrıca önceden kitteki, bazı kitlerin dahil olduğu uzun ve can sıkıcı işler olan bir kaç parçayı tanımlamıştır. Yine de, ön tanımlama bu kitin yapımını daha kolay ve daha az hatalı hale getirmiştir.

Alıcı antenden zayıf sinyaller alarak ve 20.1 MHz civarındaki dar bandın dışındaki frekansları filtreleyerek, frekansları KHz ses spektrumuna çevirerek ve sinyalleri yükselterek çalışır. Filtreleme, direkt akıma dayanan fakat titreşen akımdan geçen ikili kondansatörler ile değişen akıma dayanan indüktörler vasıtasıyla sonuçlandırılmıştır. Kondansatörler enerji rezistansını elektrik alanı olarak depolarlar ve indüktörler enerjiyi manyetik alan olarak toplar. Düzenli olarak “ayarlanmış” kondansatör ve indüktörler elektrik ve manyetik alanları arasında özel bir frekans ya da rezonansda enerji değiş tokuşu yapacaktır. Alıcı, bu kondansatör-indüktör rezonansının yaklaşık olarak 20.1 MHz ve diğer kırıcı frekanslarda sinyal arttırması için avantaj sağlar. MHz sıklığını KHz’e direkt çevirmek, bir entegre devredeki (ya da IC) osilatör tarafından oluşturulmuş referans sinyalinden alınan sinyalin çıkarılmasıyla sonuçlanmıştır. Farklılık, örneğin, .001 MHz’den .01 MHz’e kadar duyulabilir aralıktaki KHz sinyalidir. İki entegre transistör çıkan sinyali amplifiye eder ve bir adet JFET transistörü gelen sinyali amplifiye eder.

3. Kitteki Radyo-Sky Pipe yazılımı gözlemleri kaydetmek ve depolamak için gözlemciyi etkinleştirmeyi sağlar, gerçek zaman temelinde alınmış olan sinyalin gücü olarak görsel geri bildirim sağlar ve internet üzerinden sonuçları diğer gözlemcilerle paylaşmak için gözlemciyi etkinleştirir. Bu yazılımın telif hakkı Radio-Sky Publishing’e aittir ve daha fazla bilgi onların web sitesinde bulunabilir: http://www.radiosky.com/.

Gözlem

ISU’daki Radyo Jüpiter projesine katılan öğrenciler okulun anteninin, laptop bilgisayarının ve Radio-Sky Pipe yazılımın kullanıldığı yarım günlük oturumlara rehberlik ettiler. Gözlem yapmak için programı kullanmak, değişik kullanıcılar sebebiyle her öğrenci için programı yeniden başlatmak zorunda kalınmasına rağmen, oldukça basitti.

Normal gözlem kurulumu, anteni step-kalibrasyon cihazına yönlendirmeyi ve alıcıya takılmadan önce ek bir filtreyi kapsar. Bir ses çıkışı güçlendirilmiş bataryaya sahip hoparlöre bağlandı ve diğeri laptop’ın mikrofon giriş portuna bağlandı. A 12v güç desteği alıcıya bağlandı.

Radyo Jüpiter alıcısını çalıştırmak çok basittir, yalnızca ses ayar düğmesini ayarlamayı gerektirir. Çevirme boyunca, alıcı, düğmeyi saat 12 yönünde çevirirken  20.1 MHz’de sinyal almaya ayarlanmıştır. Gözlem yaparken, gözlemci alıcıyı mümkün olduğunca az yapay parazitle frekans bulmak için ayarlar. Ünite yalnızca dar bandda frekans almak için kurulduğundan beri, gözlem için frekans 20.0MHz ile 20.2MHz arasında olmaya eğilimlidir.

Bir kez yazılım başlatıldığında ve başlangıç koşulları kurulduğunda, alınmış olan sinyalin gücünü gösteren hareket halinde bir grafik belirecek. Aşağıdaki görüntü, Radyo Jüpiter ünitesi  tarafından alınan tipik bir alınan sinyal grafiğini göstermektedir.

Bu örnekte fark edildiği üzere, 90 saniye civarında sinyalde bir artış vardır.

Veri Analizi

Gözlem veri analizi, sinyal çeşitliliğindeki yerel sebeplerin eliminasyonuyla başlayabilir. Bu 3 şekilde olmuş olabilir, (1) sinyali dinlemek ve radyo geçişleri gibi yapay parazitleri açık bir şekilde not etmek, (2) uzak yerlerde internet bağlantısını kullanan diğer gözlemciler tarafından alınan sinyal ile gerçek zamandaki sinyali karşılaştırmak ve (3) olaydan sonra arşivlenen diğer bağımsız kaynaklardan sinyal karşılaştırmak. Örneğin; izleyen tablo, 1 Ağustos’ta, yerel zamana göre 16.02’de (14.02 Evrensel Zaman) kaydedilmiştir.

Radyo Jüpiter internet arşivine başvurmak Goddard Space Flight Center (Tr. Goddard Uzay Uçuş Merkezi)   tarafından sağlanmıştır, izleyen tabloda gördüğümüz gibi:

Gözlem Mahtomedi’den, Strasbourg’dan yapılan, ortak bir kaynaktan geldiği belirlenen  Minnesota gözlemine oldukça paralellik gösterir. Tek kaynak olarak ekstrakarasal olan Mahtomedi ve Strasbourg’un ortak olması olasıdır. İkinci olay, Mahtomedi tablosunun, Strasbourg tablosundaki kaybolan ses olmasının ve Mahtomedi’de yerel parazite bağlı olmasının gerçek bir olay olduğunun farkedilmesi oldu. Arşiv olayın bir güneş olayı, bir fırtına tipi olduğunu belirtiyor #1710+ RSP III/2.

Bir zamanlar olay yerel fenomenlerin sebebiyet vermediği gerçek bir olay olarak belirlenmişti, bir sonraki adım halkça kullanılabilen radyoda güneşteki kaydedilmiş olayların tanımlanma bilgisinin kabulü olabilirdi ve gözlemlenmiş olan spesifik olay hem kaydedilmiş hem de diğer astronomlar tarafından sınıflandırılmış olsaydı  diğer dalgaboyları belirlenebilirdi. Birkaç organizasyon güneş verilerinin ağ arşivini sağladı. Ben bu proje için internetteki Ulusal Okyanussal ve Atmosferik Yönetim (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) arşivine başvurmayı seçtim. 

NOAA’daki Uzay Çevre Merkezi’nin düzeltilmiş Güneş Olayları listesi   sonrakiler için bir giriştir
Event No.    1710+
Beginning Time    1402 UTC
Ending Time    1402 UTC
Observatory    Sagamore Hill, Pennsylvania USA
Quality of Report    Corrected
Type of Report    Sweep-frequency radio burst
Location on Sun    030-055 (latitude – longitude from central meridian
Particulars    Medium intensity Type III Fast drift burst  (III/2)

Bu çok net bir şekilde ISU’da kaydedilen ve Mahtomedi tarafından gözlemlenen parlamadır.

Tip III patlamalar güneşteki en yaygın radyo olaylarıdır. Onlar parlamalarla birleştirilebilir fakat; belirgin bir parlama ile doğrudan bağlantılı olmayan etkin bölgelerde de görünebilir. Onlar yüksek frekanslardan düşük frekanslara kadar sürüklenme hızları tarafından karakterize edilirler.

Dahası gözlemlenen olayın anlaşılması, diğer dalga boylarındaki gözlemleri inceleyerek olabilir. Örneğin; “The Weekly”nin bir eleştirisi, NOAA tarafından da üretilen ve onların internet sitesinde arşivlenen, sinyalin kökenine dair ipuçları sağlar. Rapor, Geostationary Operational Environmental Satellites (Tr. Yerdurağan İşler Çevre Uyduları) (GOES) tarafından elektromanyetik tayfın X-ışını bölgesinde kaydedilen parlamalardaki verileri içerir. 28 Temmuz-3 Ağustos 2003 dönemi için hazırlanan rapor, 1 Ağustos 13:21’de başlayan ve 13:57’de sonlanan bir “C sınıfı” X-ışını parlaması gözlemlendiğini belirtti.   Bu parlama, o gün güneşin görülebilen diskinin üzerine döndürülmüş olan 424 numaralı güneş lekesi bölgesindeydi. C sınıfı parlamalarının hafif şiddette olduğu düşünülüyordu.

X-ışını olayı gözlemimizden önce olmasına rağmen, bilimsel literatürün bakışı X-ışını ve radyo parlamaları üreten işleyişlerin bağlantılı olup olmadığının belirlemesine yardımcı olabilir.

Solar Astrophysics   kitabında, Peter Foukal’a göre; “Kademe kademe azalan plazma sıklığında plazma titreşimini uyaran etkin bölgeden dışa doğru giden ivmelenmiş elektron akımları Tip III patlamalarına sebebiyet verir.” X-ışınları, başka bir deyişle, en aktif plazmalar tarafından oluşturulur ve yumuşak X-ışını görüntülerinde saçılan plazma yakın bir halkayı ya da halkaları tutar.   Parlama yolunun tümü, zaman içinde yüksek frekanslardan daha düşük frekanslara doğru ilerleyen bir süreklilik halindedir. Aynı patlamanın bir parçası olan radyo parlamasından hemen önce X-ışını olayının gözlemlendiği sonucunu çıkarmak, enerji salınımın frekans tayfının her iki ucundaki ölçümlerin gösterdiği üzere cazip görünüyor. Farklı dalga boylarındaki parlama gözlemlerinin arasındaki ilişkiyi bulmaya çalışan araştırmacılar, X-ışını tayfında parlama öncesi etkinliği kaydetti ama yine de bu durum ile bağlantıyı destekleyen özel bir bilgi bulamadılar. Bilimsel literatür yardımcı olmakla birlikte henüz bu soruyu cevaplandırılmamış durumda.

Bir gözlemi güçlendiren bu işleyiş, bağıntılar oluşturmak için potansiyel olarak kullanışlı diğer gözlemlerin de (bu örnekteki X-ışını olduğu gibi) incelenmesi ve bu olayın altında yatanların kavranması için literatürün araştırılması sırasında bilimsel işleyişin temelindeki uygulama yapmaya etkin şekilde katılım tecrübesinin oluşmasını sağlar.

Sonuçlar

Radyo Jüpiter Kiti, uygun gözetim ile birlikte, mükemmel bir eğitim aracıdır. Bu raporun giriş kısmında tanımlandığı gibi, bu kit “Jüpiter ve Güneş konusunda radyo astronominin temelleri hakkında öğrencileri eğitmek, bilimsel işleyişi tecrübe etmek için bir fırsat sağlamak, İnternet üzerinden bağlanılan dünya çapında bir gözlemci ağı yaratmak ve farklı bölgelerdeki farklı öğrenci ve araştırmacıların arasındaki fikir alışverişini kolaylaştırmak” için tasarlanmıştır. İnanıyorum ki bu kit, bu amaçları bir eğitim kurumunda başarır.

Özellikle;

1. Kit Jüpiter ve Güneş konusundaki radyo astronominin temellerini öğrenmeyi kolaylaştırır. Bağımsız bir proje olarak, bu kit elektroniği, lehimlemeyi ve belki veri işleme becerisini öğretir, fakat gözlemlenmiş olgulara dair bir talimat içermez. Yine de, bir sınıfta kurulması halinde radyo astronomiyi, plazma fiziğini ve benzer şekilde öğrencileri meşgul eden “zor bilim” konularını öğretmeye bir fırsat sağlar. Bu konular insan-teknoloji etkileşimi bağlamında öğretmesi zor konulardır ama yine de, ekipmanın kurulması, doğrudan gözlemlenen olgular, güneş parlamalarıyla ilişkili olgular ya da örneğin Jüpiter-Io etkileşimi ile ilgili ilgi uyandırır. Bu şekilde, öğrenmeyi ve hedefe ulaşmayı kolaylaştırır.

2. Kit kesin bir şekilde bilimsel işleyişi tecrübe etme konusunda bir fırsat sağlar. Bilimsel metodun her öğesini içermese de (örneğin, bir hipotezi analiz etmek), tüm deneyim araştırma bilimcisinin yaptığı işe oldukça paralellik gösterir. Kit araştırmacının kendi ekipmanını kurmasını, gözlem organize etmeyi ve veri kaydetmeyi yönetmesini, diğerlerinin diğer bölgelerde benzer ekipmanlar kullanarak topladığı veriler kendi verisini karşılaştırmasını, gözlemlenen olgularla ilgili bilinenleri anlamak için literatürü araştırmasını, gözlemevlerinden gelen sonuçları gözden geçirmeyi ve (bu durumda) sonuçları rapor etmeyi gerektirir. Bilhassa, kitin kullanımı işbirlikçi yaklaşımı, bizi sonraki noktaya taşıyan diğer araştırmacılarla birlikte çalışmayı teşvik eder.

3. Kit İnternet üzerinden bağlanılan gözlemci ağının dünya çapında yaratıcılığını teşvik eder. Gözlemci ağı, şimdiye kadar, nispeten seyrekti ama yine de bu İnternet ağını yaratma imkanı net bir şekilde bu yazılımdadır ve İnternet ağının kullanımı artıyor görünmektedir. ISU, temel gidişatta gönüllü öğrenciler ve fakülte tarafından işletilen uzun dönem bir Radyo Jüpiter bölgesi kurmayı göz önünde bulundurmalıdır. Bu, İnternet ağının daha fazla gelişmesini teşvik eder ve ISU’nun NASA’daki bazı program savunucularını ve gelecek vaat eden öğrencileri ortaya çıkarmasını sağlar.

4. Kit, gerçek zamanlı sohbet üzerinden farklı yerlerdeki farklı araştırmacı ve öğrenciler arasındaki fikir alışverişini kolaylaştırır, fakat daha bundan daha fazla, dünya üzerindeki, ortak bir projede yer alan kişilerin akranlarıyla işbirliğini mümkün kılar. Yukarıda tanımlandığı gibi, ISU temel düzeydeki bir Radyo Jüpiter bölgesini işletmekten fayda sağlamak istemiştir.

Yine de, muhtemelen Radyo Jüpiter programının en büyük başarısı eğlenceli olması ve daha fazla çalışma hakkında ilgi uyandırmasıdır. Sonuç olarak, bu programın astronomi için oldukça etkili bir öğretme aracı olduğuna inanıyorum.

Ed Slane
18 August 2003

Türkçeye Çeviri; Ö.Gönülkırmaz

Kaynaklar:

Goddard Space Flight Center web page at “radiojove.gsfc.nasa.gov/vc/gen_pres/sld004.htm”.
ibid
ibid, at “hesperia.gsfc.nasa.gov/sftheory/flare.htm”
NASA Marshall Space Flight Center at “science.msfc.nasa.gov/ssl/PAD/SOLAR/cmes.htm”
Electromagnetics with Applications, 5th Edition, on web at “www.elmag5.com/jupiter-io.htm”

GSFC at “http://jovearchive.gsfc.nasa.gov/”

Prepared by the U.S. Dept. of Commerce, NOAA, Space Environment Center., found on the internet at http://www.sec.noaa.gov/ftpdir/indices/events/20030801events.txt.

Zdenek Svestka, “Solar Flares”, D. Reidel Publishing Co., 1976, pg 202-215
National Oceanic and Atmospheric Admininistration, Space Environment Center, “The Weekly”, available on the internet at http://www.sec.noaa.gov/weekly/pdf/prf1457.pdf.
Peter Foukal, “Solar Astrophysics”, John Wiley & Sons 1990, pg. 350-352
ibid, pg. 352 

 

Yazı hakkında görüşlerinizi belirtmek istermisiniz?