Gå til hovedindhold

Exoplaneter og jagten på liv uden for vores solsystem

Der arbejdes med exoplaneter, radioaktiv datering af solsystemets alder og måling af afstande i universet. Materialet er et eksempel på, hvordan der kan arbejdes med erkendelse 10 i Naturvidenskabens ABC: ‘Solsystemet er en meget lille del af en enkelt af milliarder af galakser i universet’.

Materialet består af tre dele:

  • Del 1 om exoplaneter og jagten på liv uden for vores solsystem
  • Del 2 om meteoritter, radioaktiv datering og Solsystemets alder
  • Del 3 om afstande i universet, galakser og Universets udvidelse

Intro til forløbet

Eleverne skal opnå en grundlæggende forståelse af exoplaneter og solsystemer, af radioaktiv datering samt afstandsmåling i universet.

 

I del 1 undersøger eleverne gennem arbejde med observationsdata og regneeksempler muligheden for at finde liv på en række exoplaneter. Eleverne bliver fortrolige med, hvordan man detekterer exoplaneter, og hvilke metoder man kan bruge til at bestemme deres fysiske egenskaber og placering i det solsystem, de er en del af.

 

I del 2 får eleverne mulighed for at udnytte et eksempel på radioaktiv datering til at beregne Solsystemets alder. De bliver også introduceret til meteoritter som bevarede eksempler på det materiale, Solsystemet er lavet af.

 

I del 3 får eleverne mulighed for at benytte observationsdata fra galakser til at beregne Universets alder og udvidelseshastighed.  

 

Tilpasning

Forløbet består af tre dele, der kan benyttes i sammenhæng eller uafhængigt af hinanden. Aktiviteterne kan til- og fravælges efter behov og elevernes forhåndsviden. Længden kan ligeledes justeres.

Tilknytning til lærerplaner

For del 1 om ‘Exoplaneter og jagten på liv uden for vores solsystem’ relaterer aktiviteterne sig til:

  • Bioteknologi A: Fotosyntesens overordnede delprocesser (Detektion af ilt i en exoplanets atmosfære kan formentlig kun skyldes, at der er liv, der udnytter fotosyntese.)

  • Fysik C: Elektromagnetisk stråling, lys, fotoners og atomers absorption og emission af stråling, det elektromagnetiske spektrum

  • Fysik B: Kraftbegrebet, tyngdekraft

  • Fysik A: Bevægelse i to dimensioner, skråt kast, cirkelbevægelse. Gravitationsloven, bevægelse om centrallegeme

  • Geovidenskab: Planeten Jorden som en del af Solsystemet. Jordens og livets udvikling. Gravitationsloven, bevægelse om centrallegeme

 

For del 2 om meteoritter, radioaktiv datering og Solsystemets alder, relaterer aktiviteterne sig til:

  • Fysik B: Samarbejde med matematik om konkrete fysiske modeller. Grundstoffers dannelseshistorie, radioaktivitet

  • Fysik A: Henfaldstyper, radioaktivitet, henfaldsloven

  • Geovidenskab: Planeten Jorden som en del af Solsystemet, datering

 

For del 3 om afstande i Universet, galakser og Universets udvidelse relaterer aktiviteterne sig til:

  • Fysik B: Rødforskydning af spektrallinjer

  • Fysik C: Universets udvidelse

  • Geovidenskab: Beskrivelse af universet og dets udviklingshistorie

Evaluering

I dette forløb lægges der op til formativ evaluering gennem feedback, i forbindelse med at underviseren indgår i faglig dialog mellem og med eleverne under gruppearbejdet og giver feedback ved fremlæggelse af gruppearbejde. 

Evalueringen i dette forløb kan have fokus på, i hvilken grad eleverne formår at kombinere viden fra øvelser, artikler, hjemmeside samt gruppediskussioner i deres endelige pitch om emnet. Disse aktiviteter kan bruges med evaluerende sigte:

  • Pitchfremlæggelse efter del 1 og 2 med peer to peer-feedback

  • Endelig pitch eller skriftlig anbefaling i slutningen af del 3

Del 1: Exoplaneter og jagten på liv uden for vores solsystem

Eleverne skal relatere vores eget solsystem med vores egen stjerne til eksistensen af andre solsystemer i Mælkevejen. De skal overveje, hvilke faktorer der kan have haft indflydelse på, at der opstod liv på Jorden.

Formålet med forløbet er, at eleverne skal forstå, hvordan man med (i princippet) simple astronomiske observationer af en stjerne både kan detektere en eller flere exoplaneter og undersøge potentialet for liv på dem - selvom man ikke kan se planeterne fra Jorden.

Gennem aktiviteterne bringes elevernes kompetencer fra fysikundervisningen i spil til at undersøge muligheden for at finde liv i Universet og dermed få svaret på videnskabens formentlig allerstørste spørgsmål: Er vi alene? De metoder, der bruges til at detektere og karakterisere exoplaneter, er næsten udelukkende baseret på fysik, der indgår i gymnasiepensummet: Keplerbevægelse, tyngdekraft, dopplerforskydning, sortlegemestråling og absorptionslinjer.

De får samtidig indsigt i en af de nyeste og mest spændende forskningsdiscipliner, der hele tiden præsenterer spændende nye opdagelser, der udfordrer vores opfattelse af, hvordan vores eget solsystem blev til. 

Inspiration til materialer og aktiviteter:

Det enkleste vil være at lade eleverne regne på de øvelser, der er stillet i Kvanthæftet (Nummer 1 fra 2017). Øvelsen kan dog også udvides ved at lade eleverne søge efter exoplaneter i ægte data fra de to exoplanet-missioner Kepler og TESS.

Som afslutning kan eleverne i mindre grupper producere en pitch om de vigtigste erkendelser, som opdagelsen af exoplaneter har ført til.

Inspiration til arbejdsspørgsmål

  • Hvad er exoplaneter?
  • Hvilke kriterier skal være opfyldt, før vi tror på, at der kan være liv på en exoplanet? (Diskuter overfladetemperatur, planetens størrelse, atmosfærens sammensætning, afstand fra stjernen, stjernens størrelse og alder m.m.). Skal vi søge efter liv i stil med det, vi kender - eller leder vi efter noget helt andet?
  • Hvordan vil vi kunne afgøre, om der rent faktisk er liv på en exoplanet i mange lysårs afstand fra Jorden? Hvilke gasser vil det være relevant at forsøge at detektere i exoplanetens (eventuelle) atmosfære? (Vand, CO2, ilt, kvælstof, ozon…?) Hvordan kan man måle gassammensætningen i en exoplanets atmosfære?
  • Når vi i århundreder har talt om planeter og andre stjerner, hvordan kan det så være, at man først opdagede en exoplanet i 1991?
  • Man har opdaget op til otte exoplaneter om enkelte andre stjerner. De udgør derfor solsystemer ligesom vores eget solsystem. Hvilke forskelle og ligheder er der på de nyopdagede solsystemer og vores eget? Har vi fundet solsystemer, der er nær identiske med vores eget?
  • Hvad gør vi, hvis vi detekterer liv på en exoplanet 50 lysår fra Jorden?
  • Hvad har opdagelsen af flere tusind exoplaneter betydet for muligheden for at finde liv i Universet?

Del 2: Meteoritter, radioaktiv datering og Solsystemets alder

Eleverne skal bruge radioaktiv datering til at beregne aldre - og for at se, hvordan denne teknik er helt afgørende for vores forståelse af Jordens og livets udviklingshistorie.

Formålet med del 2 er, at eleverne skal forstå, hvordan man kan datere geologiske materialer ved at udnytte henfaldet af radioaktive isotoper. 

Med udgangspunkt i elevernes viden om de geologiske tidsperioder kan aktiviteterne bruges til at forstå, hvordan man har kunne sætte absolutte tider på de forskellige faser af Jordens og livets udvikling. De vil også kunne sætte Solsystemets udvikling i perspektiv af Universets udvikling ved at regne ud, at Solsystemets alder kun er ca. ⅓ af Universets alder.

Inspiration til materialer og øvelser:

Det enkleste vil være at lade eleverne regne ‘Regneopgaver om meteoritter og Solsystemet’, der er stillet i Kvanthæftet. Bemærk, at resultatet ved en fejl optræder på Figur 2b i øvelsen. Det bør evt. fjernes inden eleverne får opgaven. Øvelsen er matematisk udfordrende, men ligger inden for gymnasiepensum.

Øvelsen kan udvides ved at se på, hvor de radioaktive grundstoffer, som øvelsen er baseret på, er dannet. Endelig kan den udvides til at se på, hvor de forskellige grundstoffer er dannet i løbet af universets udvikling frem til solsystemets dannelse. Kvanthæftet kommer ind på alle disse emner.

Som afslutning kan eleverne i mindre grupper producere en pitch om radioaktiv datering og dets anvendelse i vores forståelse af tidsperspektivet i Jordens og livets udvikling.

Inspiration til arbejdsspørgsmål

  • Hvad er meteoritter, og hvor kommer de fra? Har vi meteoritter fra andre solsystemer?
  • Hvad kan meteoritter fortælle os om Solsystemets oprindelse og udvikling?
  • Hvordan kan radioaktiv datering bruges til at datere en bjergart? Henfaldet er foregået både før, under og efter bjergartens dannelse - så hvad er det egentlig for en begivenhed, der dateres?
  • Hvor stor betydning for vores forståelse af Solsystemets og Jordens udvikling spiller radioaktiv datering?
  • Hvorfor findes der radioaktive isotoper på Jorden - hvor er de dannet?
  • Hvilke radioaktive isotoper bruges til datering? Hvordan vælger man den rette isotop til at datere en bjergart? 
  • Kan man datere alle typer bjergarter?

Del 3: Afstande i Universet, galakser og Universets udvidelse

Eleverne skal forstå, hvordan man kan måle afstande i universet, og hvordan afstandene i Solsystemet og i Mælkevejen er i forhold til afstandene mellem galakserne. De skal også forstå, hvad det betyder, at Universet udvider sig - at det kun er afstandene mellem galakserne, der vokser, mens afstandene her på Jorden og i solsystemet ikke ændrer sig. 

Formålet med del 3 er at sætte eleverne i stand til at forstå, hvordan man kan beregne afstande i Universet uden at kunne rejse ud og måle efter, om beregningen holder. De får lejlighed til at udnytte en af de mest præcise metoder, der er baseret på en sammenhæng mellem periode og absolut størrelsesklasse for Cepheide-stjerner.

Inspiration til aktiviteter:

Aktiviteterne sætter afstandene i Universet i perspektiv og gør eleverne mere fortrolige med Universets afstandshierarki.

Som endelig afslutning kan eleverne i mindre grupper producere en pitch eller en skriftlig anbefaling. 

Inspiration til arbejdsspørgsmål

  • Hvor langt væk er de fjerneste stjerner, der kan ses med det blotte øje?
  • Kan man se stjerner i andre galakser end Mælkevejen?
  • Hubblekonstanten, H, er et mål for Universets udvidelse, og 1/H er et mål for Universets alder. Hvorfor er 1/H et mål for Universets alder? H måles i km/s/Mpc - hvad er enheden for 1/H?

Overvejelser over elevernes læring i forløbet

Overvejelser der, efter at have anvendt forløbet og hørt elevernes faglige diskussioner, deres pitch og anbefalinger, kan bruges til refleksion eller kan vendes med en kollega:

  • Havde eleverne forhåndskendskab til exoplaneter?

  • Har de fået lyst til at følge jagten på liv i galaksen?

  • Hvad tror de om mulighederne for at finde liv uden for Solsystemet?