Astronomía con Smartphone

Publicado en el Blog de Martin Monteiro.
Léelo completo en su sitio: http://fisicamartin.blogspot.com.uy/2017/10/astronomia-con-smartphone.html
Reconocer elementos del cielo, predecir eventos astronómicos, conocer el momento en que se puede observar la Estación Espacial Internacional, caminar virtualmente sobre la superficie de Marte o desarrollar  a escala medidas de curvas de luz, tránsitos planetarios, paralajes o espectros estelares, son solo algunas de las muchas actividades que profesionales y aficionados pueden realizar con ayuda de un teléfono inteligente, especialmente vinculadas a la divulgación y a la enseñanza de la astronomía.
Los teléfonos inteligentes se han vuelto omnipresentes, están con nosotros todo el tiempo y en todas partes. Estas computadoras de bolsillo incorporan sensores para mejorar la interactividad entre el usuario y el dispositivo y aunque no están diseñados específicamente para hacer ciencia, es notable mencionar que se pueden aprovechar como laboratorios portátiles para una amplia variedad de actividades científicas y educativas. Durante los últimos años se han publicado numerosos experimentos en el área de las ciencias físicas que consiguen involucrar y motivar a los estudiantes en su propio aprendizaje al permitirles hacer ciencia por sus propios medios.
Aquí presento algunas experiencias que se pueden realizar en actividades de divulgación, así como en cursos básicos de astronomía y de geociencias de nivel secundario y universitario:
  1. Simulación experimental de curva de luz de asteroides y determinación de período de rotación y factores de forma.
  2. Simulación experimental de tránsitos planetarios y determinación del período orbital y tamaño de exoplanetas.
  3. Simulación experimental de medidas de distancias estelares mediante paralaje.
  4. Análisis espectral y determinación de composiciones estelares.
  5. Explicación experimental de las estaciones.
  6. Herramientas de acceso a información astronómica.
  7. Herramientas de Realidad Virtual y Realidad Aumentada.

 

1. CURVA DE LUZ DE ASTEROIDES.
La gran mayoría de los asteroides son objetos irregulares, que por su pequeño tamaño y gran distancia apenas pueden ser apreciados como puntos de luz desde los mejores observatorios astronómicos. Sin embargo, un cuidadoso análisis de la luz solar reflejada por el asteroide permite en algunos casos determinar algunas características de su forma, así como el período de rotación del mismo en torno a su eje. Este método fotométrico es denominado “curva de luz”.
Curva de luz de un asteroide. Si el asteroide fuera esférico y de color uniforme, su curva de luz sería plana. Cuanto más irregular su forma más compleja la curva y más grandes son los cambios de brillo.
Para simular esta técnica fotométrica, se utiliza un asteroide a escala, el cual puede ser simplemente un poco de masa de moldear de la forma que se antoje o bien un asteroide de forma real, realizado con impreso 3D, a partir de datos reales (estos se pueden obtener de forma libre en https://nasa3d.arc.nasa.gov/models/printable).
El asteroide a escala se hace girar sobre una plataforma circular, un tocadiscos o mediante el eje de un motor lento. Se ilumina el modelo de asteroide y mientras está girando se mide la intensidad de luz.
Curva de luz de un asteroide de masa de moldear, obtenida con la app Physics Toolbox Suite, durante un workshop que dimos en el AAPT Winter Meeting 2017, en Atlanta.
 
2. TRÁNSITOS PLANETARIOS Y DESCUBRIMIENTO DE EXOPLANETAS.
En los últimos años el descubrimiento de planetas orbitando en torno a estrellas que no son el Sol, denominados planetas extrasolares o simplemente exoplanetas, se ha convertido en uno de los temas más novedosos y de mayor crecimiento de la astronomía moderna. Hasta 1992 no se conocía ninguno y hoy en día ya se han confirmado más de 3500 exoplanetas.
Las gran distancia a la que se encuentran las estrellas hace que en la mayoría de los casos sea imposible observarlas en forma directa con la resolución necesaria como para descubrir exoplanetas, aún para los mayores telescopios construidos hasta el momento. Es así que se han desarrollado varias técnicas para descubrir exoplanetas por métodos indirectos de detección. Uno de estos métodos es el tránsito planetario, un método fotométrico que consiste en observar la luz de una estrella y medir el pequeño cambio de brillo que se produce cuando un exoplaneta pasa por delante de la estrella. Al registro de la intensidad de luz en función del tiempo se lo denomina “curva de luz”. A partir de la curva de luz se pueden determinar varias características del exoplaneta:
  • Tamaño del exoplaneta: se puede estimar a partir de la reducción que produce en el brillo de la estrella.
  • Período orbital del exoplaneta: se puede determinar a partir de la periodicidad de la curva de luz.

 

Un ejemplo: curvas de luz que producirían algunos planetas del Sistema Solar si se observaran desde muy lejos. Júpiter es quien produce la mayor reducción en la intensidad de luz del Sol (del orden del 1%), mientras que la Tierra sería casi indetectable por este método.
Para simular el método de los tránsitos se puede utilizar una lámpara como estrella, esferas de diferentes tamaños a modo de planetas (los cuales se hacen girar en torno a la estrella) y el sensor de luz de un smartphone para registrar la curva de luz. Una app muy adecuada para realizar estas medidas es intensidad de luz es Physics Toolbox Suite de Vieyra Software.
Curvas de luz producidas por planetas de diferentes tamaños (fuente: Barrera-Garrido)
Referencia:
Azael Barrera-Garrido (2015)
“Analyzing planetary transits with a smartphone”
The Physics Teacher 53, 179.
3. PARALAJE Y DISTANCIAS ESTELARES.
Los astrónomos utilizan diferentes métodos para determinar la distancia a los objetos celestes según la escala de distancias astronómicas de las que se trate. Para medir las distancias de las estrellas, el método por excelencia y el más antiguo es el de la paralaje. La paralaje es el cambio en la posición angular de un objeto cuando se cambia el punto desde el cual se observa. Si extendemos la mano y observamos uno de los dedos alternando entre un ojo y otro, veremos que la imagen del dedo aparece sobre puntos diferentes del fondo. Ese es el efecto del paralaje y se puede utilizar para medir distancias. De hecho nuestro cerebro lo utiliza en forma automática para determinar las distancias a los objetos y darnos la sensación de profundidad.
En astronomía se puede utilizar la paralaje anual para determinar la distancia a las estrellas gracias al movimiento de traslación de la Tierra alrededor del Sol. A medida que Tierra se mueve en torno al Sol, la posición aparente de una estrella cambia, describiendo una elipse que se denomina “elipse paraláctica.” El semieje mayor de la elipse paraláctica es lo que se define como paralaje p. Con un poco de trigonometría es fácil concluir que la distancia d entre el Sol y la estrella, es d=R/tg(p). Donde R es la distancia Tierra-Sol.
Para observar el efecto de paralaje basta con tomar dos fotos desde diferentes posiciones y observar el cambio de posición con respecto al fondo.
Para simular la paralaje anual y observar la elipse paraláctica se utiliza una estrella de papel colocada encima de un Sistema Solar a escala. Se pone a grabar video con el teléfono inteligente, y se lo traslada como si la lente de la cámara fuera la Tierra en ese Sistema Solar a escala.
El video obtenido se puede analizar con algún programa de análisis de video, como Tracker, para determinar la elipse paraláctica y calcular la distancia a la que se encuentra la estrella. En el ejemplo mostrado en las dos fotografías anteriores, el radio de la órbita del la Tierra es de 4,7 cm y la paralaje obtenida del semieje de la elipse paraláctica es de 4,3º, de donde se obtiene que la distancia de la estrella es de 63 cm.
Referencia:
M. T. Fitzgerald, D. H. McKinnon, L. Danaia, S. Woodward (2011)
“Using Smartphone Camera Technology to Explore Stellar Parallax”
Astronomy Education Review 10, 010108-1.
 
4. ANÁLISIS ESPECTRAL Y COMPOSICIONES ESTELARES.
En astrofísica, una de las técnicas más importantes es el análisis del espectro de la luz que nos llega de las estrellas y otros objetos, pues esa luz contiene las señas particulares que periten identificar cada elemento químico presente en aquellos.
En el laboratorio podemos trabajar con esta técnica para analizar diferentes fuentes de luz. Basta con cubrir la cámara del teléfono con un pequeño trozo de red de difracción y utilizar un pequeño tubo para que llegue a la cámara únicamente la luz de la fuente que queremos analizar.
Para tener una referencia de calibración se deben utilizar por lo menos dos láser de diferentes colores. En este ejemplo se utilizaron tres. Cada láser es dirigido hacia un punto que esté justo un poco por encima de la fuente de luz que queremos analizar. En este caso la fuente es una lámpara de Hidrógeno.

 

Imagen obtenida con la cámara del teléfono cubierta con la red de difracción.
Los tres puntos de arriba corresponden a la luz de los tres láseres utilizados en este caso. Los tres están dirigidos al mismo punto, pero aquí se aprecian separados por efecto de la red de difracción.
Las líneas de color que están más abajo corresponden a la descomposición de la luz de la lámpara de Hidrógeno.

 

Con un programa de análisis de video como el Tracker se analiza la posición de cada línea de color y se obtienen las longitudes de onda de la luz emitida por la fuente analizada.
(La luz de los láseres es fundamental como referencia para poder calibrar el sistema).
El proyecto SpectralWorkbench ofrece los planos de un espectrómetro de papel plegado que se puede descargar para imprimir y que es muy fácil de construir. Si no se cuenta con una red de difracción se puede utilizar un pedacito de DVD.
Un pedacito de red de difracción se pega en la ventana que va a ir apoyada en la cámara del teléfono.
El espectrómetro armado:
El espectrómetro montado sobre la cámara del teléfono
El espectro de una lámpara, registrado por la cámara del teléfono con el espectrómetro de papel.
 
5. EXPLICACIÓN DE LAS ESTACIONES.
Una tarea mucho más simple que todas las anteriores es utilizar el sensor de luz de un teléfono inteligente para mostrar la razón de las estaciones. En general no es fácil para los niños ni para el público general entender que la causa de las estaciones no tiene nada que ver con la distancia de la Tierra al Sol. Una prueba clara de esto es que mientras en el hemisferio sur es invierno en el norte es verano y viceversa. Si la distancia fuera el motivo esta simultaneidad cruzada de las estaciones no sería posible. Es cierto que la órbita de la Tierra es levemente elíptica, de modo que la distancia al Sol cambia durante el año, pero es una cantidad relativamente muy pequeña y de todos modos no es la causa de las estaciones. Las estaciones se deben al ángulo de incidencia de la luz solar sobre los diferentes puntos del planeta. Durante el verano del Sur, los rayos solares inciden perpendicularmente a la Tierra en ciertos puntos del hemisferio Sur. Por el contrario, durante el invierno del Sur, los rayos solares inciden perpendicularmente a la Tierra en ciertos puntos del hemisferio Norte.
Una forma de observar cuantitativamente que la radiación solar cambia con la latitud según el momento del año, es recurrir a un modelo a escala, utilizando un globo terráqueo sobre el cual medimos la intensidad de la luz del Sol para diferentes latitudes en diferentes estaciones. Para simular las diferentes estaciones basta con colocar el eje de la Tierra en la posición adecuada con respecto a la fuente de luz que simula al Sol.
En este gráfico se pueden apreciar los cambios de intensidad de luz medidos por el sensor del teléfono para diferentes latitudes en diferentes estaciones. En estas gráficas se puede apreciar que en el verano del norte, la máxima insolación se da para latitudes del norte. Por el contrario, para el invierno del norte la máxima insolación se observa para latitudes del sur. Por otra parte, en otoño y en primavera la máxima insolación no se da ni en el norte ni en el sur sino sobre el ecuador.
Fuente: Durelle et al.
Referencia:
J. Durelle, J. Jones, S. Merriman, and A. Balan (2017).
“A smartphone-based introductory astronomy experiment: Seasons investigation”
The Physics Teacher 55, 122.
6. Herramientas de Realidad Virtual y Realidad Aumentada.
 
Son herramientas que favorecen:
  • Involucramiento
  • Interactividad
  • Motivación

 

La Realidad Virtual consiste en la generación de imágenes 3D, que proporcionan sensación de profundidad y espacialidad. Para esto existen algunas aplicaciones para teléfonos inteligentes que los que hacen es generar dos imágenes en la pantalla del teléfono, una para cada ojo. Para esto se necesita el auxilio de unos lentes especiales como los Cardboard de google, que son de cartón o algún otro modelo más cómodo que al día de hoy resultan muy económicos (del orden de 6 dólares). El teléfono se coloca adentro de estos lentes especiales y así cada imagen de es enviada a un ojo por separado, generando la sensación de espacialidad.
Las apps de Realidad Virtual utilizan los sensores del teléfono inteligente para reconocer los cambios de perspectiva cuando giramos la cabeza o la inclinamos hacia arriba o abajo. Por este motivo no son compatibles con teléfonos que no tengan los sensores necesarios para la orientación, como son el de aceleración, el giroscopio y el de campo magnético.

Algunas apps de Realidad Virtual para Astronomía:

 

Cardboard de Google

 

Modelo de lente VR de Kolke. El teléfono se coloca en una bandeja deslizante con la cual se ingresa el teléfono al interior de los lentes.
App StarTracker VR para observar las estrellas, los planetas y las constelaciones como un planetario personal tridimensional.
Así se ve la app StarTracker VR sin los lentes de Realidad Virtual.
App Apollo 15 VR
Un paseo virtual por la Luna a bordo del vehículo lunar.

 

 

 

 

 

App MarsWalk VR de Lockheed Martin
Un juego muy realista para recorrer la superficie de Marte buscando algunos de los robots que han llegado a su superficie.

 

 

Access Mars de Google: https://accessmars.withgoogle.com/
Permite navegar en 360 con el mouse en la computadora o en Realidad Virtual con el teléfono y lentes VR.
Astronomía y Realidad Virtual durante la Reunión Anual de la Sociedad Uruguaya de Astronomía RASUA2017 (21 octubre 2017).
La Realidad Aumentada consiste en la superposición de imágenes reales con imágenes virtuales y está teniendo un uso creciente en la industria, en los juegos y también en educación.
Un ejemplo muy interesante para acercarse al mundo de la exploración espacial es la app de la NASA Spacecraft 3D, que permite visualizar varias naves, robots y otros dispositivos vinculados con el espacio.
La Realidad Aumentada no solo crea la ilusión de que un objeto está en nuestro entorno sino que además se puede observar desde diferentes perspectivas y distancias como si fuera un objeto real que estamos viendo a través de la cámara del teléfono.
Target. Algo necesario para las apps de Realidad Aumentada es la presencia de una “target”. Esta es una imagen especial que se imprime y es detectada por la app para renderizar el objeto. El target es el objeto real asociado al objeto virtual, de modo que si uno mueve el target, mueve al objeto virtual.
El target para Spacecraft 3D lo puedes imprimir desde este enlace (aquí).
 App Spacecraft 3D NASA

 

Foto grupal de Realidad Aumentada en la clase de Astronomía con Smartphone, en el marco del curso “Laboratorio de prácticas educativas sobre el uso de teléfonos inteligentes para la enseñanza de las ciencias naturales.” Comisión Sectorial de Enseñanza – UdelaR. (Facultad de Ingeniería, 10 octubre 2017).

 

La Cassini en Realidad Aumentada durante la Reunión Anual de la SUA 2017.

 

Mars Exploration Rover
Una función interesante de la app es que contiene animaciones con las cuales se pueden apreciar los cambios de configuración de los diferentes artefactos.

 

 

Telescopio Espacial Hubble
La hoja que está debajo es el target que la app de Realidad Aumentada necesita para generar el objeto virtual. Si se mueve o gira esa hoja, entonces el objeto virtual se mueve o gira.

 

7. Herramientas de acceso a información astronómica.
Existen muchas aplicaciones para acceder a información sobre objetos y eventos astronómicos y espaciales. Recomendamos algunas:
  • Sky Map
  • Stellarium Mobile
  • Mobile Observatory
  • Solar System Scope
  • Star Chart
  • Sun Surveyor
  • Heavens-Above (Destellos Iridium (Iridium Flares) y Estación Espacial)
  • ISS HD Live

 

Sky Map permite reconocer diferentes objetos con solo apuntar el teléfono al cielo. Esta app utiliza los sensores de aceleración, giro y campo magnético para determinar la dirección hacia dónde estamos apuntando el teléfono. También utiliza la red y/o el GPS para determinar en forma automática la ubicación de la Tierra desde la que estamos realizando la observación. (Star Chart es muy similar)
El Sky Map no solamente es adecuado para acompañar la observación del cielo a simple vista sino también durante la observación con telescopios o binoculares.

 

Stellarium es uno de los programas planetarios más completos y conocidos para computadora, con gran cantidad de objetos y funciones. También existe versión para teléfono inteligente.

 

Mobile Observatory es otro planetario que contiene gran cantidad de información, especialmente muy completa sobre eventos astronómicos.

 

Mobile Observatory

 

Mobile Observatory

 

Solar System Scope permite visualizar el Sistema Solar y su vecindario en diferentes escalas y perspectivas, con las configuraciones reales de los planetas, incluyendo planetas enanos, asteroides y cometas. Incluso se puede apreciar la rotación de los planetas sobre sus ejes. Es importante notar que los objetos como el Sol y los planetas no están a escala. Basta tocar la pantalla para cambiar el punto de vista y la escala, así como para retroceder o avanzar el tiempo.

 

Sun Surveyor simula el movimiento del Sol en nuestro cielo, mostrando a qué altura y acimut se encuentra en tiempo real. También nos muestra la información sobre salida y puesta y el momento de máxima altura. También permite simular el movimiento del Sol al retroceder o adelantar el tiempo.

 

Heavens-Above es una app que nos muestra los horarios y las trayectorias de varios objetos espaciales artificiales que puedan ser visibles desde nuestra ubicación, como satélites de comunicaciones o la Estación Espacial Internacional.

 

Heavens-Above mostrando algunos eventos que se pueden observar desde Montevideo durante el 24 de octubre 2017.

 

Heavens-Above mostrando los objetos presentes en el cielo en tiempo real.

 

Heavens-Above mostrando el pasaje de la Estación Espacial Internacional.

 

Heavens-Above mostrando eventos de observación de la Estación Espacial Internacional.

 

Carta predictiva de Heavens-Above con el pasaje por el cenit de Montevideo que tendrá la Estación Espacial Internacional durante la noche del 24 de octubre 2017.

 

Heavens-Above mostrando la órbita de la Estación Espacial Internacional.

 

Una clase interesante de eventos son los denominados “Iridium Flares” o Destellos Iridium.
Los Iridium son una constelación de 66 satélites de comunicaciones que prestan servicio a teléfonos móviles globales que no dependen de las redes locales. Su geometría hace que en determinados momentos reflejen la luz solar hacia determinados puntos de la Tierra. Las apps como Heavens-Above calculan los momentos en que ocurren estos destellos según el punto de la Tierra en el que nos encontramos.

 

Los 66 satélites Iridium consiguen cubrir toda la superficie de la Tierra, formando una red que mantiene conectado a cualquier teléfono Iridium en cualquie punto de la Tierra.

 

Órbitas polares de los satélites Iridium.

 

Detalle de la trayectoria del Iridium 53 mostrado por Heavens-Above, con información sobre el tiempo exacto en el que ocurre el destello y hacia dónde debe ser observado.
Órbita del Iridium 50 mostrada por Heavens-Above.

 

Otra app muy interesante para seguir a la Estación Espacial Internacional es ISS HD Live, que nos muestra su posición en tiempo real junto con la transmisión en vivo desde las cámaras de la Estación.

Por último, aunque no menos importante, la cámara del teléfono se puede utilizar, con ayuda de un adaptador especial, para adquirir imágenes desde un telescopio, cuando no se dispone de sensor CCD para ese fin. Esto permite no solamente guardar las imágenes sino también proyectarlas en una pantalla para mostrar a un grupo durante el momento de la observación. Incluso se podría transmitir por internet para una actividad a distancia.

Actividades relacionadas:
“Astronomía con Smartphone,” clase en el marco del curso “Laboratorio de prácticas educativas sobre el uso de teléfonos inteligentes para la enseñanza de las ciencias naturales.” Comisión Sectorial de Enseñanza – UdelaR. Facultad de Ingeniería, 10 de octubre de 2017. DIAPOSITIVAS.

https://drive.google.com/file/d/0Byq38DnkhkDKcjNDZG9jYTdORkk/preview

“Experiencias de Astronomía usando su Teléfono Inteligente,” poster presentado en la Reunión Anual de la Sociedad Uruguaya de Astronomía, RASUA2017, Montevideo, 21 de octubre de 2017.
Más referencias:
R. M. Gill and M. J. Burin (2013)
“Enhancing the Introductory Astronomical Experience with the Use of a Tablet and Telescope“
The Physics Teacher 51, 87.
M. Meißner, and H. Haertig (2014)
“Smartphone astronomy“
The Physics Teacher 52, 440.
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