Observing the Constellations of the Zodiac

Activity UCIObs – 3     Grade Level: 8 – 12

    

Source: Copyright (2009) by Tammy Smecker­Hane. Contact tsmecker@uci.edu with anyquestions.

Standards:  This activity addresses these California Science Content Standards.Gr 8: Earth Sciences     4b. Students know that the Sun is one of many stars in the Milky Way galaxy and that starsmay differ in size, temperature, and color.      4d. Students know that stars are the source of light for all bright objects in outer space andthat the Moon and planets shine by reflected sunlight, not by their own light.      4e. Students know the appearance, general composition, relative position and size, andmotion of objects in the solar system, including planets, planetary satellites, comets, andasteroids. Gr 9–12 Earth Sciences:     1d. Students know the evidence indicating that the planets are much closer to Earth thanthe stars are.      2d. Students know that stars differ in their life cycles and that visual, radio, and X­raytelescopes may be used to collect data that reveal those differences. 

Gr 9–12: Investigation & Experimentation     1d. Formulate explanations by using logic and evidence.     1g. Recognize the usefulness and limitations of models and theories as scientificrepresentations of reality.      1i. Analyze the locations, sequences, or time intervals that are characteristic of naturalphenomena (e.g., relative ages of rocks, locations of planets over time, and succession ofspecies in an ecosystem). 

4A­1   

What's This Activity About?

     This activity teaches students about theconstellations of the Zodiac and when theycan be observed as a function of the monthand time of day/night.  

 What Will Students Do?

     Groups of 3 to 4 students will constructand use a simple hand­held model toexplore which Zodiac constellations arevisible at a given time and month.      

    Tips and Suggestions:

You can either construct the Zodiac demosyourself beforehand or have the studentsmake it themselves. 

After this activity, students would enjoyobserving the night sky and verifying theirpredictions. Free night sky maps for givenmonths can be obtained on the web athttp://skymaps.com.

What Will Students Learn?

Concepts:  Motion of Objects in the Night Sky (Daily and Yearly)Inquiry Skills: Visualizing,  InferringBig Ideas: Spatial Reasoning, Patterns of Change 

What you will need:

1 photocopy of Zodiac.ppt on cardstock 1 medium­sized ball to represent the Sun1 photocopy of the exercise (pages 12­13) for each group1 photocopy of Figure 1 (page 3) per group; if possible use card stock rather than normal paperfor rigidity1 photocopy of Figures 2 and 3 (pages 4­5) per group on sheets of transparency “paper”Hole Punch One brass fastener per groupScotch Tape

Teacher Preparation:

1. If you are unfamiliar with basic astronomy please read Sections I­VI in the accompanyingdocument entitled Night_Sky_Lectures.pdf by T. Smecker­Hane. This will teach you all youneed to know to do this experiment.

4A­2   

2. Make one copy of the Zodiac Demo beforehand if you are going to have the studentsconstruct their own or make one Zodiac Demo per group beforehand if you do not have timefor students to construct their own in class. If students will  make the Demos in class then werecommend you punch the holes in the Figures beforehand. Note that uou can reuse thesedemos from year to year if you use cardstock paper, which is thicker than normal paper forFigure 1. 

Demo Assembly Instructions: Step 1: Punch a hole through the Earth on Figure 1 (normalpaper or card stock) and a hole through the Earth on Figures 2 and Figure 3 (transparencypapers). Put Figure 2 on top of Figure 1 and Figure 3 on top of Figure 2 and fasten all threetogether with the brass fastener. For added durability, tape down the ends of the fastener tothe backside of the cardstock.

Note that you could make one Demo entirely out of transparencies (substituting transparencypaper for cardstock for Figure 1) if you want the class to use it collectively by showing it onan overhead projector.  This would save you from making additional Demos, but students geta lot more out of using them individually and hence that is what we recommend.

3. In the Zodiac.ppt that you printed out, page 2 and 3 are the front and back sides of theNSEW orientation card. Tape the two together with the printed sides facing outward.

Teacher’s Classroom Instructions:

1. Pass out the Zodiac demos or have students put them together. Assembly Instructions: Step 1: Punch a hole through the Earth on Figure 1 (normal paper or card stock) and a holethrough the Earth on Figures 2 and Figure 3 (transparency papers). Put Figure 2 on top ofFigure 1 and Figure 3 on top of Figure 2 and fasten all three together with the brassfastener.

2. Give a lecture to the class that goes over the material in Sections I­VI ofNight_Sky_Lectures.pdf. The most important lesson is that an object's location in anobserver's sky varies daily and monthly because: (1) the Earth rotates on its axis once perday, and (2) the Earth revolves around the Sun once per year.

3. Now do a three dimension simulation of the ecliptic plane by asking the students to form awide circle in the classroom then hand out the 12 constellations of the Zodiac, eachphotocopies on its own piece of cardstock (see Zodiac.ppt), to students evenly spaced

4A­3   

around the circle. Be sure to get the order of constellations/RA/month correct; refer to Figure 1. Choose one student to be the observer on the Earth and give them the NSEWorientation card to hold in front of them and place them in the center of the circle.  Note thatone side is designated to face them and the other side is designated to face the class.

4. Lead the class through the following examples taken from Section VI ofNight_Sky_Lectures.pdf. Tell the class the following:

The 12 Constellations of the Zodiac are the constellations that the Sun appears to passthrough during one year, as the Earth orbits the Sun.Viewed from above looking down onthe North pole of the Earth, the Earth rotates counter­clockwise once a day, and the Sunappears to move counter­clockwise through the constellations of the ecliptic plane at a rateof 1 constellation per month, or 2 hrs of Right Ascension (RA) per month. (Remember,however, that in reality it is the Earth that orbits the Sun!)  On each constellation card ismarked the RA and month in which the Sun, as viewed from Earth, lies in the direction ofthat constellation. 

Tell students to image that the student who is the observer on the Earth is locatedsomewhere near the equator and is lying on his back looking straight up at the zenith. Usingthe student who is the observer, show that an observer on Earth can only see one half thecelestial sphere at any given time. The other half is hidden by the Earth. 

Give the Sun (the ball) to one of the students holding a constellation card. What month areyou simulating? Give the observer the NSWE orientation card and have him/her turncounterclockwise (as viewed from above) to mimic the Earth turning on its axis. Note thatobjects rise on his/her Eastern horizon and set on his/her Western horizon. Nextdemonstrate that the time of day for the observer on the Earth depends on where the Sun isin his/her sky. At noon, the observer is pointed directly at the Sun (Sun is closest to thezenith) and when the observer is pointed directly away from the Sun it is midnight. When theSun is on the observer's Eastern horizon it is 6 am (sunrise), and when the Sun in on theobserver's Western horizon it is 6 pm (sunset). 

Examples: Orient the Earth & Sun as in Figure 4, which shows an observer who sees theconstellation Virgo closest to zenith, Sagittarius is rising on the eastern horizon, and Geminiis setting.  The Sun is located in Gemini and the month of the year is July. From the relativepositions of the Sun, Earth and observer, we know that the observer's time of day isapproximately 6 pm because the Sun is setting on the observer's Western horizon. Do the other examples in Figures 5 and 6. 

4A­4   

This teaches you an important lesson in observational astronomy: an object in thesky that you may want to study usually is available in the night sky for only a certainperiod of time during the night, and may only be accessible during certain months ofthe year. 

5. Now divide the students into groups with 3 to 4 students per group and let them use theZodiac Demos to do the same 3 examples.

Tell the students that when its not practical to recreate a three dimensional ecliptic plane, wecan use these simple Zodiac Demo to see what constellations of the ecliptic are visible on agiven date and time. The half of the sky that the observer can see is represented by thesemicircle with the middle of the semicircle centered on the observer. As the Earth rotatescounter­clockwise, the observer and the semicircle also rotate which means differentconstellations are brought into view (different constellations lie inside the semicircle). Theeastern horizon (E) lies at the leading edge of the semicircle, the western horizon (W) lies atthe trailing edge, and the observer's zenith, the point in sky most directly overhead, lies inthe middle of the arc of the semicircle. The Zodiac demo shows these constellations seen asviewed from above looking down on the North pole of the Earth. From this vantage point, theEarth rotates counter­clockwise once a day, and the Sun appears to move counter­clockwise through the constellations of the ecliptic plane at a rate of 1 constellation permonth, or 2 hrs of Right Ascension (RA) per month. (Remember, however, that in reality it isthe Earth that orbits the Sun!) 

Remember that, for an observer, noon is defined to be the time when the Sun is mostdirectly overhead, which would be when the Sun lies in the middle of the arc of thesemicircle. Midnight is 12 hrs later when the Earth has rotated 180  and the observer isfacing in the opposite direction. Sunset is approximately at 6 pm when the Sun is setting onthe Western horizon, and sunrise is approximately at 6 am when the Sun is rising on theEastern horizon. 

6. Next assign the exercise (pages 15­16) to the students to do themselves. 

Exercise Answers:

1. In September at 6 pm, the Sun is in the constellation Leo. Scorpio is highestoverhead (nearest the zenith), Aquarius is rising, and Leo is setting.

4A­5   

2. To show September at 8 pm, we rotate the observer's semicircle for the problemabove by (10 – 6) hrs x 360 degrees / 24 hrs = 4 x 360 / 24 degrees = 60 degrees (2constellations) in the clockwise direction.  Capricornus is at the zenith, Aries is risingand Libra is setting. 

3. When Virgo is on the observer's Eastern horizon and the time of day is 6 pm, the Sunmust be setting on the Western horizon. Thus the Sun lies in Pisces and the month isApril. Therefore, April is the best time to view Virgo because it is visible in thenighttime sky for 12 hours, i.e., all night long.

4. When the Sun is in Sagittarius in January, Aquarius is on the Eastern horizon andrising when the Zenith points to Scorpio.  This is one constellation before the Sunreaches the zenith so it is (1 constellation x 24 hrs/12 constellations) = 2 hrs beforenoon, which is 10 am. Aquarius rises during daytime, and it sets at 2 hours beforemidnight (10 pm). Aquarius is visible in the nighttime sky from approximately 6 pm(when the Sun sets) until 10 pm. Therefore, Aquarius is visible in the nighttime sky foronly 4 hours in January.

Optional Add­Ons

I. Nighttime Observations

You can have the class predict which constellation is highest in the night sky at a given time,say 8 pm, and have them go out and verify their prediction. You also can ask them to go out at10 pm and verify that this constellation has moved approximately 2 hr x 360 degrees / 24 hrs =30 degrees further to the west. Which constellation is highest overheat at 10 pm? 

II. What is your Zodiac Sign?

Some inquisitive students might notice that on Figure 1 the Sun is not in the constellation oftheir “Zodiac Sign” in the month that they were born. Thousands of years ago, when the Greeksdefined these constellations about the 6th or 5th century BC, the Sun indeed appeared in their“Zodiac Sign” constellation in the month when they were born. However, the axis around whichthe Earth rotates has slowly been changing its orientation in space (like a spinning top will do,especially as it slows down; this is called nutation) . The change has been appreciable overtime, resulting in the Sun now being nearly one constellation removed from the originaldefinition.

4A­6   

Figure 1. This figure shows the Earth and the 12 Constellations of the Zodiac as seenby an outside observer looking down on the Earth's North Pole. The names of theconstellations are marked as well as their Right Ascension, which is given in hours (0 to24 hrs), and the month of the year in which the Sun appears in that constellation. 

4A­7   

Figure 2. Imagine an observer at the Earth's equator. This figure shows the view froman outside observer looking down on the Earth's North pole. The semi­circle representsthe half of the night sky that the observer on Earth can see, and the semi­circle rotateswith the Earth in the counter­clockwise direction, as shown by the arrow. The zenith isthe direction directly over the observer's head, perpendicular to the Earth's surface.Objects will come into view (rise) on the observer's Eastern horizon (marked E) andobjects will disappear from view (set) on the observer's western horizon (marked W). 

4A­8   

Figure 3. This figure represents the Sun and its location with respect to the 12Constellations of the Zodiac. When put the Zodiac demo together be sure to centerthe circle below on the Earth in the other figures.

4A­9   

Figure 4 ­ In July, the Sun lies in the constellation of Gemini. At sunset, approximately 6pm, Virgo is directly overhead, Sagittarius is rising on the Easter horizon and Gemini issetting on the Western horizon.

 

4A­10   

Figure 5 ­ At midnight in July, Sagittarius is most directly overhead, Pisces is rising on theEastern horizon and Virgo is setting on the Western horizon. 

4A­11   

Figure 6 ­ If you wanted to observe star­forming clouds near the constellation Tauruswith a telescope, what would be the best time of year to do it? You would want to beable to see Taurus for the longest amount of time during the night. That means youwant Taurus to be rising at sunset, overhead at midnight, and setting at sunrise. If wedraw the semicircle centered on Taurus at midnight then the Sun must lie in theconstellation directly opposite to Taurus, which is Scorpio. Thus December would bethe optimal month to observer the star­forming clouds in Taurus.

4A­12   

                                                                           Date:                                Per:                  Constellations of the Zodiac Exercise

Write the names of the students in your group below:

                                                                                                                                        

                                                                                                                                        

Draw a sketch to illustrate your answers in order to receive full credit for each of thefollowing questions. Use the back sides of the paper, if necessary. Use your Zodiacdemo to answer the questions, keeping in mind these important facts:

l The Earth orbits the Sun in 1 year, which is 12 months, so the Sun appears tomove through the12 Zodiac Constellations at a rate of 1 constellation permonth.

l The Earth rotates around its axis once per day, which is 24 hours. In thisdemo, the Earth will rotate in the counter­clockwise direction.  

l On the transparency paper, the large semi­circle represents what half of thesky the observer can see. The other half of the sky is hidden by the Earth. 

l The time of day for an observer on Earth depends on the relative location ofthe Sun. Noon is when the Sun is most directly overhead or nearest thezenith. At dawn, approximately 6am, is when the Sun is on the observer'sEastern horizon (E) and is rising. At sunset, approximately 6pm, is when theSun is on the observer's Western horizon (W) and is setting.  

l Assume the Sun rises at 6 am and sets at 6 pm (ignore daylight savings time).

Questions:

1. In September at 6pm, which Zodiac constellation is highest overhead at 6 pm?Which constellation is rising? Which constellation is setting?

4A­13   

2. In September, what Zodiac constellation is highest overhead at 10 pm? (Hint: theEarth completes one full rotation around its axis in 24 hrs.)  Which constellationsare rising and setting?

3. If you want to observe galaxies in the Virgo cluster of galaxies, which lies in theconstellation Virgo, in what month could you start observing at 6 pm when Virgo isjust beginning to rise?

4. In January, when does the Zodiac Constellation Aquarius rise? For how manyhours is it visible in the nighttime sky in January? (Hint: When does the Sunrise/set and when does Aquarius rise/set?)

4A­14