Любительская астрометрия!?

[Pluto]

Не так давно прочитал книгу К.К.Лавриновича “Фридрих Вильгельм Бессель” из серии научно-биографическая литература. И очень она мне понравилась! Для тех, кто не в курсе – одним из основных достижений Бесселя было определение параллакса звезды 61 Лебедя, т.е фактически определение расстояния до нее. Очень подробно и интересно описаны методы наблюдений и расчетов, читается как детектив (кто бы мог подумать!).

В связи с этим возник ряд вопросов, а какие астрометрические наблюдения могут проводить любители? Кто нибудь слышал о таком виде деятельности ЛА (кроме наблюдения двойных звезд)? Возможно ли современными любительскими средствами определить параллакс ближайших звезд?

[Анатолий Волчков]

Любители вполне могут определить параллаксы десятков звезд. Точность современных наблюдений с ПЗС не хуже 0.1 сек. дуги, программы обработки снимков с целью получения координат есть. Требуется только грамотно исследовать свой инструмент на предмет наличия и учета геометрических ошибок.

Другое направление астрометрических работ любителя - наблюдения астероидов и комет. Тут возможны не только определения координат, но и орбит тел по нескольким наблюдениям. Этот результат уже может быть весьма полезным для науки, если любитель открыл объект раньше других.

[Жданок Дмитрий]

Всё это, конечно, возможно, но вряд ли имеет истинную научную ценность при современном уровне развития профессиональной астрономии.
я вот наблюдаю звезду Барнарда, тоже в какой-то степени астрометрия.

[Pluto]

>>Всё это, конечно, возможно, но вряд ли имеет истинную научную ценность при современном уровне развития профессиональной астрономии.

99 процентов любительских наблюдений не имеет научной ценности, да и занимаются любители астрономией в основном не ради открытий, а ради самого процесса (хотя у каждого теплится надежда, а вдруг… )

Насчет ПЗС -  может размер пикселей и соответствует угловому размеру 0.1 сек, только вот разрешение оптики, с учетом влияния атмосферы значительно больше этой величины. На компьютерную обработку изображений тоже рассчитывать особенно не надо. Не факт, что центр тяжести изображения совпадает с истинным положением звезды. Задача определения параллаксов труднее, чем может показаться на первый взгляд, даже с учетом возможностей современной любительской техники. Конечно, для любителей она представляет чисто спортивный интерес.
Насколько мне известно, единственная область астрометрии (т.е. определение точного углового положения небесных тел), где любители проявляют некоторую активность – это наблюдение двойных звезд и взаимных покрытий небесных тел.

[Анатолий Волчков]

Насчет ПЗС -  может размер пикселей и соответствует угловому размеру 0.1 сек, только вот разрешение оптики, с учетом влияния атмосферы значительно больше этой величины. На компьютерную обработку изображений тоже рассчитывать особенно не надо. Не факт, что центр тяжести изображения совпадает с истинным положением звезды.

Не требуется иметь размеры пикселей в 0.1 сек. дуги, чтобы получить точность координат в 0.1 сек. Нужно, чтобы изображение попадало на несколько пикселей.

Именно компьютерная обработка и позволяет учесть геометрические ошибки поля зрения и получать результат с точностью, порядка 0.1 сек. дуги.

Естественно, все это требует определенных затрат времени и немалых знаний. Но если любитель загорелся этой идеей - ему доступны и астрометрические работы. Принципиально это возможно.  Следует заметить, что большинство астрометрических инструментов прошлого имели размеры объектива примерно на уровне 20-30 см, то есть такие, как сейчас имеют многие любители.

Насчет научной ценности. Вообще, как уже сказано, любители наблюдают не для получения результата, а для удовольствия. Заодно пополняют багаж своих знаний.  Результаты астрометрических наблюдений  комет или астероидов могут иметь и научную ценность, как и любые другие позиционные наблюдения таких объектов.

Наконец, совсем уже фантастический пример - наблюдение вспышки на небе. Может случиться, что любитель случайно снимет область неба, на которой произошла вспышка. Не исключено, что такой снимок окажется единственным на Земле или одним из двух-трех других снимков. В таком случае астрометрическая обработка с целью получения координат объекта будет иметь безусловную ценность.

Конечно, астрометрические наблюдения доступны лишь людям, имеющим либо телескоп с ПЗС, либо фотографический телескоп с весьма качественным сканером фотоизображений, что весьма не дешево.

[Pluto]

>> Не требуется иметь размеры пикселей в 0.1 сек. дуги, чтобы получить точность координат в 0.1 сек. Нужно, чтобы изображение попадало на несколько пикселей

Это, конечно, верно.  Но точность определения координат, методом обработки изображений звезды с ПЗС ограничена, т.к. достоверно неизвестно где внутри этого изображения находится истинное положение звезды.

>>Следует заметить, что большинство астрометрических инструментов прошлого имели размеры объектива примерно на уровне 20-30 см, то есть такие, как сейчас имеют многие любители

Действительно, Бессель делал свои измерения на гелиометре с апертурой 15.8см,
правда, сам прибор имел исключительно точную (для своего времени механику).
Успеху мероприятия способствовала система учета ошибок инструмента, а также математический аппарат, который Бессель использовал для обработки массива наблюдений.

>> Наконец, совсем уже фантастический пример - наблюдение вспышки на небе. Может случиться, что любитель случайно снимет область неба, на которой произошла вспышка. Не исключено, что такой снимок окажется единственным на Земле...

Если любителю посчастливится открыть на небе новый объект (комету, новую, сверхновую) то в первую очередь он должен оповестить об этом профессионалов, а потом уже продолжать собственные наблюдения и измерения.
Если же наблюдение окажется уникальным, боюсь,  в этом случае Вы никогда не сможете доказать свое право на открытие, единственное наблюдение никогда не будет до конца признано.

P.S. Интересно было бы послушать мнение специалиста на эту тему, что-то Анатолий давно не появлялся!

[Денис Денисенко]

Pluto: если есть ПЗС, можно проводить вполне серьезные и ценные астрометрические наблюдения новоткрытых астероидов, информация о которых публикуется на странице NEO Confirmation Page. Например, вчера, 7 марта, астероид 2003 EM1 пролетел в 1.6 млн км от Земли (в 4 раза дальше Луны). Открыт он был в ночь с 5 на 6 марта на обсерватории Черный Верх с 36-сантиметровым телескопом и ПЗС. Блеск его был 15-16 величины. Если вы посмотрите циркуляр Центра малых планет 2003-E28, то увидите, что при определении орбиты использовались наблюдения даже на 30-сантиметровых телескопах. При расчете орбиты отбрасывались измерения, которые имели ошибку более 2 угловых секунд. Надо сказать, что большинство отбракованных наблюдений были сделаны на 25-см телескопе (код обсерватории 938). Остальные имеют ошибки в многие десятые доли секунды и даже больше 1". Но когда измерений десятки и сотни, ошибки уменьшаются обратно пропорционально корню из числа наблюдений.

Другое дело, что такие яркие объекты открывают нечасто. Обычно новые астероиды слабее 18-19-й величины. Но есть еще одна интересная задача - уточнение орбит известных малых планет перед покрытиями звезд. Это актуально даже для астероидов 14-й, 13-й и 12-й величины.

Что касается вспышек на небе, то в случае космических гамма-всплесков наблюдение любителя вполне может быть единственным на Земле, и если оно совпадет по времени и координатам с данными со спутников, то будет не только признано, но и положено в основу измерения кривой блеска.

[Pluto]

Увы, ПЗС матрицы пока нет!
Наблюдение астероидов слабее 12-14m (а тем более определение их точного положения) задача неслабая! Насколько я понимаю, обычная астрофотография будет давать большие ошибки, из-за значительного времени экспозиции.

В свое время меня заинтересовала проблема определения разделения тесных звездных пар методом покрытия Луной. Т.е. если зарегистрировать изменение блеска во время покрытия фотометром на базе ФЭУ, то по виду кривой можно разделить двойные, находящиеся далеко за пределами разрешающей способности телескопа. Этот метод был описан в книге Поля Куто. Правда, до практического воплощения дело так и не дошло.

[anovikov]

>Это, конечно, верно.  Но точность определения координат, методом
>обработки изображений звезды с ПЗС ограничена, т.к. достоверно
>неизвестно где внутри этого изображения находится истинное
>положение звезды

Нет, достоверно известно :-)
Есть такая, хм... кучка технологий/алгоритмов, которые можно объединить под общия названием subpixel accuracy.
Грубый пример: имеем изображение звезды, разъехавшееся по нескольким пискелам. Известно, что в данной области поля зрения данного инструмента звезда должна развалиться в фигуру определенной формы и размеров с определенным распределением яркости. Тогда (если ПЗС имеет АЦП с достаточно большим, не менее 12, а лучше 14-16 бит на пиксел) можно, используя соотношение яркостей отдельных пискелов рассчитать, где на этой плоскости находится геометрический центр изображения. Точность таких алгоритмов достигает по меньшей мере 0.1xразрешения инструмента, это по 1 снимку, для компенсации атмосферных воздействий можно использовать несколько измерения, усредняя результат. Это даст точность как минимум в 0.1 _теоретического_ разрешения инструмента, т.е для среднего любительского телескопа - те самые 0.1 секунды дуги.

Этот софт вполне распространен, из хорошего (правда дорогого) - CCDSoft 5.

[Pluto]

>>Нет, достоверно известно :-)

К сожалению абсолютной точности достигнуть невозможно, каждый метод имеет погрешности.
Точность 0.1 от разрешения инструмента вызывает у меня сомнения. Возможно речь идет только о точности определения центра изображения.
Геометрический центр изображения не обязан совпадать с истинным положением звезды (с такой точностью), абберации оптических систем, а тем более атмосферные возмущения не дают строго симметричного изображения звезды. Кроме того, сами абберации зависят от внешних условий (температура, положение телескопа, нарушения юстировки), которые полностью учесть просто невозможно.
Свой вклад вносят ошибки гидирования и атмосферная рефракция.
Измерения параллаксов звезд дифференциальным методом (т.е. измерение положения близкой звезды относительно дальней) зависит еще и от флуктуаций фокусного расстояния оптической системы. Т.е. задача не такая простая, как может показаться на первый взгляд.
Программные методы обработки изображений исходят из того, что параметры оптической системы стабильны и известны с высокой точностью, а вот это и вызывает наибольшие сомнения.
Не забывайте, что речь идет о любительском оборудовании, параметры которого и их стабильность существенно хуже профессионального.

[Karen]

Общий использованный software для астрометрии--Astrometrica. Это shareware и оба профессионалы и любители его используют. Можно скачать от: http://www.astrometrica.at/
Тоже нужна база данных звезд. Есть ссылка на той же странице (нажмите на "star catalogues"). Есть большая и маленькая база данных.

У меня нет ПЗС, но я работала с мужом несколько месяцев назад на обсерватории Тейбл Майнтайн где он работает. Программа не трудно использовать. Он использует большая база данных, но его ПЗС видет объекты до величины 20+. Если Вы испоьзуете любительское оборудование, маленькая база данных вероятно будет достаточна.

[Анатолий Волчков]

Программные методы обработки изображений исходят из того, что параметры оптической системы стабильны и известны с высокой точностью, а вот это и вызывает наибольшие сомнения.
Не забывайте, что речь идет о любительском оборудовании, параметры которого и их стабильность существенно хуже профессионального.

Не следует забывать, что речь идет не об абсолютных, а об относительных наблюдениях, которыми и являются фотографические и ПЗС-наблюдения. При таких наблюдениях важна стабильность параметров инструмента во время экспозиции. Далее измеряются координаты в поле зрения как опорных звезд, экваториальные координаты которых известны, так и координаты определяемых объектов. Ошибки инструмента влияют на положения в фокальной плоскости как опорных звезд, так и определяемых. Добиться же стабильности параметров инструмента во время экспозиции не так уж и трудно даже в любительской практике. Собственно это любители и делают, когда выдерживают инструмент минут 30-60 на воздухе перед наблюдениями.

В зависимости от величины и характера этих искажений (получаем по предварительным исследованиям инструмента) строят модель связи измеренных координат опорных звезд с так называемыми идеальными координатами, которые вычисляются из экваториальных координат звезд для идеальной ориентации телескопа (одна из осей прямоугольных координат направлена в полюс и известны экваториальные координаты оптической оси) и отсутствии искажений в поле телескопа, то есть зависимость линейного расстояния от углового расстояния от оптической оси выражается законом тангенса. Обычно такая модель строится в виде алгебраического полинома по степеням измеренных координат.

Очевидно, что этот полином будет включать в себя и ошибки поля зрения (аберрации оптики, атмосферную рефракцию, ошибки измерительной системы). Если мы применим эти полиномы к координатам определяемых объектов, получим экваториальные координаты этих объектов, более-менее свободные от ошибок поля зрения. Полной компенсации, естественно, не получим, но точность 0.1 сек. дуги является типичной для современных фотографических наблюдений.

То, что при наблюдениях недавно открытого быстрого астероида точность получилась на уровне 1 секунды объясняется во-первых большой яркостью объекта, точность измерения координат которого в поле зрения обычно хуже, чем для слабых, и, во-вторых, быстрым перемещением астероида по небу, в результате чего даже при небольших экспозициях получался след, а не точечное изображение, что также ухудшало точность результата.

Астрометрические наблюдения можно производить и без ПЗС, используя для измерений координат объектов на фотоснимке сканер. Для фотопленок, применяемых в любительской практике, желательно, если имеется такая возможность, использовать барабанный сканер, разрешение которого, как правило, выше, чем у планшетного. Естественно, разрешение сканера должно соответствовать фокусному расстоянию телескопа и желаемой точности результата. Со сканером будет больше возни, чем с ПЗС, но этот вариант более доступен в любительской практике.

Что касается немедленного сообщения об открытии, то при фотографическом способе наблюдения все равно необходимо проявить фотоснимок. Обработка же либо ПЗС-кадра, либо сканирование фотоизображения с последующей обработкой скана занимают максимум несколько минут, что не страшно при таких наблюдениях.

Одним словом, любители вполне могут получать и координаты объектов, что дает возможность при сообщении об открытиях или другом обмене информацией давать точные положения объекта на небе, а не посылать картинки положения объекта с необходимостью последующего отыскания объекта на небе.

[Pluto]

Я полностью согласен с Вашими рассуждениями для случая единовременного независимого определения координат объекта (например астероида). У меня не вызывает сомнения, что любитель, при соответствующем оснащении может определить координаты астероида с точностью до едениц секунд дуги.
Я же имел в виду измерение параллакса звезд. В этом случае необходимо сравнивать измерения разделенные значительным промежутком времени (наблюдения должны проводится из разных точек земной орбиты), вот тут и встает вопрос о стабильности характеристик инструмента. Да и точность необходимо существенно более высокая, чем в случае с астероидом. Кроме того, измерение параллакса может проводится для ближайших звезд, т.е. скорее всего их яркость (а следовательно и размер изображения) будут значительными.

[Анатолий Волчков]

Для относительных наблюдений, к которым относятся и определения параллаксов, точность определяемых координат не зависит от изменения параметров инструмента в течение полугода, так как при хорошо организованном процессе обработки наблюдений инструментальные ошибки исключаются. Так что, точность определения координат в 0.1 сек. дуги и при определении параллаксов так же достижима любителями, как и при определении координат при иных наблюдениях. Конечно, точность определения параллакса будет похуже, чем 0.1 сек. дуги, так как параллакс определяется по разности двух определений координат, да еще с некоторым коэффицентом, но 0.15 сек дуги обеспечить можно.

В справочнике Куликовского приведен список 36 звезд, параллакс которых больше 0.2 сек. дуги (расстояние не больше 4 пк). Половина этих звезд имеет блеск слабее 9 величины, то есть к сильно ярким звездам отнести их нельзя.

От любительских определений параллаксов не требуется чрезвычайной точности. Все ближайшие звезды многократно наблюдались и любитель никогда не сможет превысить точность их параллаксов. Тут важна принципиальная возможность. В конце концов, большинство любительских наблюдений - это развлечение, к категории которого можно отнести и определение параллакса. Однако, такое развлечение расширяет кругозор любителя, что тоже немало.

[Pluto]

>>так как при хорошо организованном процессе обработки наблюдений инструментальные ошибки исключаются.

Мне кажется, что никакой способ обработки наблюдений не освободит от необходимости знать инструментальные ошибки. Введение дополнительных опорных звезд не решит полностью проблему, т.к. ,например, разьюстировка исказит изображение звезд по разному, в зависимости от их положения в поле зрения.
Вообще, конечно, все зависит от возможностей любителя. Интересно, кто нибудь в мире пытался провести измерения параллаксов на любительском уровне?

[Анатолий Волчков]

Мне кажется, что никакой способ обработки наблюдений не освободит от необходимости знать инструментальные ошибки. Введение дополнительных опорных звезд не решит полностью проблему...

Напрасно Вам это кажется. Существуют многочисленные исследования по вопросу учета и исключения ошибок поля как по автономным исследованиям, так и по опорным звездам.

Что касается решения проблемы "полностью", то никто и не ожидает такого решения. Требуется, чтобы остаточное влияние ошибок поля совместно с ошибками координат опорных звезд и ошибок измерений не превышал приемлемых величин, например 0.1 сек. дуги. А это подбором соответствующей модели редукции, особенно не снимках с небольшим размером поля зрения, сделать удается.

[Pluto]

>>Существуют многочисленные исследования по вопросу учета и исключения ошибок поля как по автономным исследованиям, так и по опорным звездам.

Наверное, вопрос в том насколько это доступно любителю. Не буду больше развивать эту тему (учет инструментальных ошибок), т.к. не чувствую себя достаточно компетентным в этом вопросе.  Исходя из своего любительского опыта, величина 0.1” кажется мне столь малой, что измерения на этом уровне представляются чудовищно сложными. Отсюда и все сомнения.
Спасибо Li за интересную дискуссию (+).