Киевский клуб любителей астрономии "Астрополис"

astromagazin.net
* *
Ласкаво просимо, Гість. Будь ласка, увійдіть або зареєструйтеся.
20 Вересня 2019, 23:50:02

Увійти

google


Частина Перша


Із збільшенням потужності і складності астрономічного обладнання та методів, залишилось дуже небагато науково корисних справ, які можуть виконувати астрономи-аматори.  Однією з таких справ, яка може принести дійсно велику користь, є спостереження змінних зірок (variable stars).


Класифікація змінних зірок була багаторазово висвітлена у різній літературі, тому не буду гаяти часу тут повторюючи те, що було написано набагато більш талановитими письменниками.  Я сам займаюсь вивченням цих найцікавіших об'єктів нашої Галактики і запрошую усіх охочих приєднатися до цієї корисної справи.


Ця стаття має своєю метою ознайомити українських аматорів з найкращими існуючими методами спостережень змінних зірок, ідеальним обладнанням для таких спостережень, методами обробки та публікації даних спостережень та колаборації з іншими аматорами у всьому світі.


Матеріали, які використані тут, були підготовлені Американською Асоціацією Спостерігачів Змінних Зірок (American Association of Variable Star Observers) та Центру Городньої Астрофізики (Center of Backyard Astrophysics).  Також були використані посилання на товари з Інтернет-магазину компанії OPT Corporation, хоча обладнання можна придбати у будь-якого продавця з гарною репутацією.


Ментальні приготування


Треба сказати, що життя тих аматорів, які вирішили зайнятися спостереженням змінних зірок, теж драматично змінюється (каламбур!). До прийняття цього рішення, більшість серйозних аматорів витрачало час на пошук та спостереження об'єктів каталогу NGC, які хоч і виглядають цікаво в окуляр або на знімку, але їх вигляд у аматорський телескоп не може конкурувати зі знімками, зробленими професійними інструментами.


Тепер Ви будете займатися справжніми науковими дослідженнями, які будуть використовувати інші науковці у своїх роботах, тому до цього треба серйозно підготуватись, у першу чергу ментально.


Отже, щоб займатись науковими дослідженнями, перш за все треба почати думати як науковець.  Це є найважливішим кроком на шляху до успішних спостережень змінних зірок, набагато важливішим ніж обладнання, наявність вільного часу, тощо.  


Дослідник, навіть за назвою, це майже те ж саме, що слідчий.  На відміну від переважної більшості інших професій, дослідник нічого не створює. Більше того, створення чогось, чого немає, є найвеличезнішим етичним злочином, який може скоїти дослідник або слідчий.  Дослідник повинен неупереджено спостерігати і фіксувати тільки те, що є (або немає) насправді.


Ще одною важливою ментальною якістю дослідника є те, що він завжди точно знає, що робить помилкові спостереження.  Навіть якщо все виглядає логічно, дослідник точно знає, що помиляється.  Тому він завжди шукає причини помилок у спостереженнях і методи їх виключення.


Важливою якістю дослідника також є наполегливість.  Ця якість є мабуть найважливішою для астронома, бо з часів Великого Вибуху у Всесвіті нічого не стається дуже швидко.  Завчасто потребуються роки щоб довести або спростувати якусь теорію шляхом спостережень.


Але найбільш важливою якістю дослідника є бажання безперервно вчитися.  Читати статті і форуми треба безперервно, якщо щось незрозуміло, треба питати інших.  Ніколи не бійтесь виглядати нерозумним, у нашому хобі Вас оточують люди, які завжди хочуть Вам допомогти і теж колись були початківцями у своїх напрямках досліджень.


У астрономів-аматорів в Україні до бажання вчитися додається ще один виклик -- для навчання абсолютно необхідно читати англомовну інформацію, включаючи англомовні сайти, форуми, літературу, тощо.  Нажаль, російсько- та україномовної інформації дуже мало і вона здебільшого застаріла, або навіть буває неправильною, бо перекладена тими, хто або мови не знає, або астрономії.  Часто можливо натрапити на інформацію, яка була спеціально викривлена задля комерційних чи політичних цілей.  Автор рекомендує завжди звертатися до перевірених джерел інформації, таких як сайти AAVSO (http://aavso.org) та CBA (http://cbastro.org), форуму аматорів астрономії Cloudy Nights (http://www.cloudynights.com) та інших респектабельних ресурсів.


Фотометрія як метод вивчення змінних зірок


У сучасній астрофізиці є два основних методи вивчення змінних зірок -- фотометрія та спектрофотометрія.  Обидва ці методи наразі доступні сучасному аматору, але треба зазначити, що спектрофотометрія потребує набагато більш потужного обладнання, ніж фотометрія для дослідження зірок однакової яскравості.  Це викликано тим, що для спектрофотометрії, світло зірки розкладається на окремі елементи, які потім реєструються цифровим приймачем світла (CMOS чи CCD) і на кожен піксель приймача попадає набагато менше фотонів від зірки, ніж попало б без розкладання світла у спектр.  Для підвищення відношення корисного сигналу до шуму (SNR), необхідно або зменшувати дисперсію світла спектроскопом, або збільшувати діаметр телескопа.  При зменшенні дисперсії ми втрачаємо корисну інформацію, а збільшення розміру телескопу приводить до значного підвищення вартості усього обладнання, та робить наявність постійної обсерваторії абсолютно необхідною для регулярних спостережень.


Виходячи з цього, ми будемо розглядати інший метод досліджень змінних зірок -- фотометрію.  Метою фотометричних досліджень є визначення яскравості зірки як функції часу з найбільшою доступною для нас акуратністю.  Фотометричні дослідження змінних зірок є найбільш важливим інструментом усіх сучасних наукових досліджень цих об'єктів і це робить аматорську фотометрію цих зірок дуже цінною для науки.


Окремим дуже важливим аспектом вивчення змінних зірок є їх відкриття та класифікація.  Існує дуже багато зірок, щодо яких є підозра у їх змінності і ці зірки вимагають постійної роботи, яка абсолютно під силу пересічному аматорові.  Також існує велика кількість необробленої інформації з чисельних масових обзорів неба, де можна знайти ще більше потенційних змінних зірок.


Треба зазначити, що більшість яскравих змінних зірок були виявлені та добре вивчені протягом останніх ста років, тому зараз найбільшим попитом користуються спостереження зірок менше ніж дванадцятої зоряної величини.  Звичайно, є й виключення з цього правила, особливо це стосується каткалізмених змінних зірок (CV), які можуть несподівано спалахувати більше ніж на п'ять зоряних величин і потребують постійного моніторингу.


Отже, як бачимо, існують різноманітні дослідження, які під силу аматорам-астрономам і які можуть принести велику користь для сучасної науки!


Збираємо усе необхідне


Якщо Ви готові ментально до дослідження змінних зірок, час збирати необхідне обладнання.


Перш за все, необхідно зрозуміти, на який бюджет Ви можете розраховувати і що з необхідного у Вас вже є.  Нажаль, якісне астрономічне обладнання є досить дорогим, але цілеспрямований аматор може зібрати усе необхідне з великою економією, купуючи вживане обладнання або навіть виготовляючи деякі компоненти власноручно. Головне -- бажання та наполегливість. Єдине, що треба пам'ятати, це те, що економити треба тільки там, де це має сенс.  Рекомендації, надані у цій статті, розраховані на придбання такого обладнання, яке дозволить Вам отримати найбільш науково цінні спостереження змінних зірок, одночасно даючи Вам змогу отримувати чудові знімки цікавих об'єктів Всесвіту на радість Вам і Вашим дітям.


Оскільки ми все ж таки є аматорами, що означає що ми займаємось астрономією заради задоволення і нам треба ходити на роботу, треба розраховувати, що по буднях у нас буде всього декілька годин для спостережень, причому оскільки ми не живемо на Ла Палмі, гарні ночі (без Луни та хмар) бувають не занадто часто і ми повинні бути до них завжди готові.  Це означає, що ми мусимо мати свою постійну обсерваторію, або наше обладнання мусить бути якнаймога портативнішим.


Розглянемо спочатку варіант портативного обладнання, яке потім може бути встановлене і в постійній обсерваторії.


Найважливішим компонентом є екваторіальне монтування з комп'ютерним контролем.  Не слухайте нікого, хто буде казати щось інше,  Ви мені дуже подячите коли почнете регулярні спостереження.  Екваторіальне монтування дозволить Вам робити досить довгі експозиції без ефекту обертання поля зору, а комп'ютерний контроль зробить налаштування на полюс і знаходження об'єктів швидким, залишаючи більше часу на спостереження.  Але щоб Ви не робили, ніколи не купляйте дешеве монтування.  Ніколи.  Навіть якщо Вам доплатять.


Треба також розуміти, що чим надійніше монтування Ви збираєтесь придбати, тим дорожчим та важчим воно буде.  Важке монтування буде дуже складно і довго збирати кожен раз коли у Вас буде змога спостерігати, особливо якщо Ви не в найкращій фізичній формі.  Тому, звичайне правило купляти найкраще тут працює тільки з огляду на те, наскільки портативним буде монтування, яке Ви плануєте придбати і чи зможете Ви його легко і швидко встановити самотужки.  Тут є дуже важливий психологічний момент -- якщо Ваше обладнання буде дуже складним, важким та незручним, Ви будете знаходити які завгодно аргументи, аби не поїхати на спостереження.


Нажаль, я наразі не зміг знайти в наявності в Україні жодного монтування, яке можна було б порекомендувати без ризику бути побитим пізніше.  Якщо ж розглядати монтування, які пропонуються у США, то найбільш оптимальними з точку зору ціна/якість/портативність є наступні:


http://www.optcorp.com/celestron-cgem-computerized-equatorial-mount.html

http://www.optcorp.com/skywatcher-eq6-computerized-equatorial-mount-s30100.html

http://www.optcorp.com/orion-atlas-eq-g-computerized-goto-mount.html


Другим по значенню компонентом є цифрова камера.  Тут треба уважно розглянути свій бюджет, бо діапазон можливостей витратити гроші просто як при купівлі автівки -- є рішення за 2000 грн, а є й за 300000.  Обрана камера також обумовить вибір труби телескопу.


Існує два підходи до вибору камери -- можна обрати універсальну камеру, яка буде придатна і для наших наукових цілей, і для чогось іншого, або обрати спеціалізовану камеру тільки для наукових спостережень.  Виходячи з свого досвіду, я б рекомендував обрати більш універсальне рішення, але ні в якому разі не рекомендував би використовувати побутову камеру типу DSLR або компактну камеру, хоча у інших статтях Ви можете прочитати, що вони абсолютно підходять для досліджень змінних зірок.

Для наших цілей такі камери, нажаль не дуже підходять, хоча можуть використовуватись у інших випадках.  Побутові камери мають дві проблеми, які будуть Вам дуже заважати -- відсутність вбудованої системи охолодження і складність керування за допомогою комп'ютера.


З власного досвіду я б рекомендував обрати кольорову астрономічну камеру, хоча у літературі Ви побачите здебільшого рекомендації до використання монохромної камери з набором фільтрів.  Якщо Вашою метою є придбання камери тільки для досліджень і Ви ніколи не захочете показати Вашій дитині як виглядає туманність Андромеди або М57, то купуйте таку камеру. Зйомки астрономічних об'єктів у різних фільтрах послідовно потребують довгого часу та обробки даних, а діти (та й дорослі неастрономи теж!) потребують миттєвого задоволення.  Ще однією причиною купівлі кольорової камери є те, що набір якісних широкоформатних фільтрів BVR дуже дорогий. Отже, для більшості аматорів, спеціалізована кольорова астрономічна камера буде чудовим придбанням і дозволить швидко робити чудові знімки об'єктів, також даючи змогу збирати науково корисні дані.


Найважливішим елементом камери є приймач світла (CCD чи CMOS чип).  Для астрономічних потреб, приймач має дві надзвичайно важливі характеристики -- розмір пікселя та рівень шуму.  Розмір пікселя мусить бути якомога більше, а шум якомога менше.  Слід зазначити, що чим більше приймач задовольняє цим вимогам, тим дорожче він стає, тому знову будемо орієнтуватись на найкраще співвідношення якості і ціни.


Мої спроби знайти якісні і недорогі астрономічні камери в Україні потерпіли таке ж саме фіаско, як і мої спроби знайти монтування.  Тому я знов звернувся до ринку США і знайшов камеру, яка задовольняє всім моїм критеріям -- наявність регульованого охолодження, якнайменша вага та розміри, відносно невелика вартість, та використання сенсору Sony ICX413.  Базуючись на власному досвіді, я стверджую, що цей сенсор найкраще підходить для кольорових астрономічних світлин завдяки досить великому (7.8 нм) розміру пікселя, який до того ж є квадратним, і низькому рівню шуму.


http://www.optcorp.com/qhy8l-one-shot-color-camera-sony-super-had-icx413aq-sensor.html


На другому місці у моєму списку сенсорів, які можна використовувати в астрономії, знаходиться Kodak KAF-8300.  Найкращою камерою з цим сенсором наразі є така:


http://www.optcorp.com/celestron-nightscape-8300-ccd-camera-95560.html


Оскільки такі камери мають досить високу ціну, можливою альтернативою є саморобні камери з використанням сенсору ICX413AQ.  Такий сенсор можна купити приблизно за $80 на популярному китайському порталі AliExpress.  Схема самої камери дуже проста і детально викладена тут:


http://www.cloudynights.com/topic/497530-diy-astro-ccd-16-bit-color-6mpx-camera/


Оскільки автор цієї ідеї знаходиться у Києві, цілком можливо, що він допоможе Вам з питаннями збірки та налагодження такої саморобної камери.

Отже, після підбору камери, нам залишився останній великий компонент -- оптична труба телескопу.  Цікаво, що вибір монтування та камери майже повністю обумовить тип труби, яку потрібно вибрати.  Якщо ми маємо камеру з сенсором ICX413, то нескладно порахувати, що нам потрібний телескоп з фокусною відстанню приблизно 800 мм.  Монтування обмежує нас загальною корисною вагою приблизно 15 кг, тому бажано знайти трубу телескопу з вагою до 10 кг.


На ринку США наразі є лише один інструмент, який задовольняє усім цим вимогам за розумну ціну -- це спеціалізований телескоп Ньютона діаметром 200 мм:


http://www.optcorp.com/tpo-8inch-f4-imaging-newtonian-telescope-steel-ota.html


Це дійсно чудовий інструмент для наших потреб, він легкий, не має фронтального коректора і не потребує підігріву від запотівання та дає ідеальний масштаб у 2”/піксель.  Одним з недоліків цього інструменту є сталева труба, яка буде змінювати довжину з коливаннями температури та наявність коми, тому необхідно буде придбати ще такий коректор:


http://www.optcorp.com/ba-mpcc-multi-purpose-coma-corrector-mpcc-mark-iii.html


Останній важливий елемент --  нам потрібен телескоп та камера для гідування.  З власного досвіду я знаю, що одним з найкращих камер для гідування є така:


http://www.optcorp.com/or-52064-starshoot-autoguider.html


Для того, щоб забезпечити правильне співвідношення масштабів цієї камери і камери основного телескопу, Вам потрібно знайти телескоп з фокальною відстанню приблизно 600 мм.  Такий телескоп теж є на ринку США:


http://www.optcorp.com/ce-52309-80mm-guidescope-package.html


Вам потрібно буде ще купити пластину для кріплення цього телескопу і прикрутити її до кілець, які кріплять трубу основного телескопу, або розібрати кільця кріплення гіда і прикрутити їх до кілець окремо.  У всякому випадку, Вам потрібно буде завжди тримати обидва телескопи змонтованими разом, інакше Вам доведеться кожен раз налагоджувати коаксиальність двох телескопів.  Також потрібні трубки-подовжувачі для монтування камер на труби телескопів. Бажано також придбати пристрої для фокусування з електромоторами, щоб якнаймога менше торкатись телескопа під час спостережень.


Інший важливий компонент -- це ноутбук.  Ноутбук для спостережень мусить бути недорогим, надійним, з великим диском та якнайбільшою кількістю портів USB і мати ОС Windows XP.  Це не помилка, на жаль більшість астрономічних програм працює не дуже надійно з новими ОС, тому нам поки доводиться користатись XP.  Також існують варіанти програм, які розраховані на ОС Linux та MacOS, але їх надійність для використання у якості астрономічного обладнання на жаль дуже низька.  Для з’єднання ноутбука з камерами використовуються USB кабелі, які треба підібрати потрібної довжини та обов'язково такі, що не втрачають гнучкість на морозі.  Зазвичай також потрібен перехідник з порту RS232 на порт USB для підключення контролера монтування до ноутбука та спеціальний кабель для з’єднання контролера з портом R2-232.  Дуже важливо придбати перехідник RS-232-USB, який використовує мікросхему фірми FTDI і ні в якому разі не Prolific, інакше у Вас виникнуть проблеми при роботі з контролером монтування.  


Бажано також мати пристрій для з’єднання з Інтернетом, або мати доступ до Інтернету від Вашого мобільного провайдера, який би працював у тій місцевості, де Ви будете спостерігати. Такий доступ перш за все надасть Вам можливість синхронізувати час між Вашим ноутбуком та сервісами точного часу в Інтернеті.  Точний час, бажано в межах ста мілісекунд, дуже важливий для спостережень змінних зірок.  Важливо також встановити спеціальну програму синхронізації часу http://www.timesynctool.com/, тому що системна програма синхронізації в Windows дуже неточна.  


Якщо Ви спостерігаєте у місці, де нема доступу до Інтернету, але маєте мобільний пристрій на ОС Android, я рекомендую встановити на ньому дві аплікації -- Time Server та Smart Time Sync.  Перша дозволить Вам використовувати Ваш пристрій як джерело точного часу для Вашого ноутбука, а друга -- синхронізувати час за допомогою GPS.  Під час спостережень Вам потрібно буде ввімкнути точку доступу по WiFi на Вашому Android пристрої, потім запустити сервер точного часу та синхронізувати час з GPS.  Вам треба також під’єднати Ваш ноутбук до точки доступу та налагодити програму синхронізації часу для роботи з Вашим Android пристроєм.  Синхронізуватись треба якомога частіше під час спостережень, тому що комп'ютери мають тенденцію втрачати точний час протягом години-двох, особливо якщо температура повітря швидко змінюється під час спостережень. Поки ви встановлюєте програми для Android, я порекомендував би ще програму Compas від Gabriel Nativo та Google Sky Map. Ці аплікації допоможуть Вам в орієнтуванні по зірковому небу та при знаходженні небесного полюсу.


Окремо треба наголосити на важливості правильного програмного забезпечення для керування камерами та телескопом.  Комерційні камери зазвичай укомплектовані однією з таких програм.  Найважливішою вимогою до програмного забезпечення є можливість безперервного гідування телескопа по обраній зірці, можливість контролю температури основної камери, та збереження даних у форматі FITS, включаючи спеціальні калібрувальні дані.


Чудовою альтернативою є програма MaximDL Pro, яка дозволяє одночасне керування усіма елементами обладнання і навіть автоматизацію спостережень.  Незважаючи на те, що ця програма досить недешева, я дуже рекомендую саме її.  Використання цієї програми збереже Вам багато часу, а також зробить зйомку астрономічних об'єктів дуже зручною і швидкою.


Якщо Ви хочете робити дійсно якісні знімки астрономічних об'єктів та якісні фотометричні спостереження, Вам буде необхідна досить незвичайна конструкція, яка називається маскою плоского поля.  Такі маски продаються готовими, але коштують невиправдано багато, тому дешевше її зібрати самому.  Для такої маски використовується електролюмінесцентна плівка на зразок такої -- http://www.e-luminates.com/osc3/size-backlight-sheet-pink-white-p-75.html. Ця плівка, коли на неї подається напруга, має дуже рівномірне біле освітлення по всій площині аркушу.  Для живлення плівки використовується пристрій живлення на зразок такого -- http://www.e-luminates.com/osc3/inverter-size-sheet-12vdc-p-73.html.  Фотолюмінесцентна плівка вставляється між двома листами твердого чорного пластика, в одному з яких вирізається отвір, діаметр якого дорівнює зовнішньому діаметру труби телескопа.  Потім все це склеюється разом, а навколо отвору робляться пластикові бортики, які можуть тримати маску на трубі телескопу. В результаті у Вас повинна вийти конструкція схожа на таку:

Ця конструкція буде надягатися на трубу телескопа і  використовуватися нами для отримання знімків плоского та темного полів, які необхідні для калібрування нашого обладнання. Використовувати стандартну кришку від телескопа для зйомки темного поля небажано, тому що Вам доведеться прикладати зусилля до налагодженого телескопу щоб одягти чи знати таку кришку, тобто Ви ризикуєте збити налаштування.


Тепер нам залишились деякі дрібні, але важливі компоненти:


  • розбірний стіл та стілець для кемпінгу

  • невеликий за розмірами, але високий намет на кшталт тих, якими користуються рибалки

  • джерело живлення на 220 вольт, для цього можна використати великий акумулятор та інвертор або портативний інверторний генератор

  • нагрівачі труби телескопа та гіда, існує багато різновидів таких нагрівачів, зазвичай для телескопа та гіда у нашому випадку потрібна потужність до 20 Вт

  • необхідні кабелі та блоки живлення

  • Червоний ліхтарик

  • Два окуляри -- зазвичай 25 та 9 мм

  • Пристрій для моторизованого фокусування принаймні головної труби телескопу, хоча бажано мати такий і для гіда

  • Приціл для грубого наведення на зірки, або зелений лазер, закріплений паралельно осі труби телескопа

  • Портативний фен з живленням від 12 вольт

  • Герметична скриня, в якій Ви будете зберігати найбільш тонкі та чутливі компоненти обладнання

  • Засіб від москітів окрім зимового періоду

  • Термос з кавою

  • Одяг залежно від прогнозу погоди на ніч

  • Автомобіль для перевезення всього цього мотлоху до місця спостереження

У результаті у Вас повинно вийти щось на кшталт такого набору:

Частина Друга

Отже, Ви зібрали усе необхідне обладнання, налаштували усі програми на комп'ютері і готові до спостережень.

Є три важливих питання -- коли, де і що спостерігати.  Найголовніше питання -- що саме Ви б хотіли спостерігати.

Перш за все, потрібно вирішити, спостереження яких змінних зірок є найбільш доцільним.  Існують два типи спостережень -- моніторингові та класифікаційні.  Мониіторингові спостереження направлені на спостереження відомих змінних зірок, у поведінці яких бувають непередбачувані зміни.  Класифікаційні спостереження направлені на підтвердження або вияв типу змінних зірок.


Найбільш важливим є філософський вибір між спостереженням того, що цікаво Вам та того, що потрібно іншим.  Якщо Вам цікаво самому отримати результати, обробити їх, та повісити на стіну як трофей, то Ваша задача сильно полегшується -- вибирайте собі зірку, яка зручно розташована, досить яскрава, та цікава Вам і спостерігайте!  Не ображайтесь, якщо Ваші результати ніколи не будуть ніким іншим використані і ніхто Вам не віддячить за Вашу роботу.  Вашою подякою у цьому випадку буде задоволення Вашої особистої зацікавленості.


Якщо ж Вам цікаво зробити внесок у розвиток науки, Вам варто звернути увагу на ті об'єкти, які є найбільш цікавими іншим астрономам, які будуть користуватись Вашими результатами і дякувати Вам за Ваш внесок, в тому числі пропонувати Вам співавторство у статтях, де будуть використовувати Ваші результати.  


Знайти такі об'єкти досить просто, достатньо звернутися до сайту AAVSO, розділ Campaigns (https://www.aavso.org/observing-campaigns), де наведені усі актуальні програми, які були перевірені і рекомендовані AAVSO.  Ця рекомендація дуже важлива, адже AAVSO вимагає задоволення певних критеріїв від будь-яких науковців, які хочуть користуватися ресурсами аматорів, у тому числі обов'язковість посилання на роботу аматора, певна наукова цінність дослідження, тощо.


Дуже цікавим класом змінних зірок є катаклізмені змінні.  Наразі, є дві організації, які координують кампанії спостережень цих об'єктів -- AAVSO CVNet (https://sites.google.com/site/aavsocvsection/ ) та СBA (http://cbastro.org).  


Кожна з цих організацій проводить свої кампанії зі спостережень катаклізмених змінних, тому список об'єктів для спостережень завжди дуже цікавий.


Наприклад, CVNet наразі рекомендує спостереження катаклізмених змінних зірок типу Z Cam (https://sites.google.com/site/thezcamlist/ ).  


Це надзвичайно цікавий клас об'єктів, і спостереження за ними є фундаментальними для багатьох інших розділів астрофізики.  Зірки типу Z Cam є підкласом карликових нових. Додатково до звичайних спалахів, притаманних карликовим новим, зірки типу Z Cam мають періоди спокою. Під час цих періодів, які тривають протягом місяців або навіть років, ці зірки мають  постійну яскравість близько однієї величини менше, ніж в максимумі.


Взагалі, вивчення карликових нових зірок є надзвичайно цікавим і корисним, адже карликові нові є природними лабораторіями для вивчення фізики аккреційного диску. Аккреційні диски є дуже поширеним явищем у Всесвіті і виникають в будь-який ситуації де сила тяжіння і кутовий момент впливають на матерію в просторі, а це присутнє майже завжди!  Усі зірки, як вважають вчені, утворюються в аккреційних дисках.


Аккреційний диск є причиною того, чому планети в Сонячній системі усі розташовані майже в одній площині -- вони сформувалися під дією сили тяжіння в колишньому аккреційному диску Сонця.  Те, що більшість зірок в Галактиці знаходяться у подвійних системах, ймовірно, є тому, що кутовий момент стягує газ в площину диску, де він часто утворює іншу зірку.  Вважається навіть, що Юпітер є недоформованою зіркою.


Вивчення аккреційних дисків дозволяє нам краще зрозуміти деякі з найбільш цікавих об'єктів у Всесвіті, такі як нейтронні зірки і чорні діри.  Надмасивні чорні діри, як вважають, знаходяться у центрах усіх галактик.  Дивлячись на те, як обертаються галактики, важко не прийти до висновку, що їх центральні двигуни також живляться від аккреційних дисків.


Проблема з вивченням процесу формування зірок, спостереженням нейтронних зірок, чорних дір і активних галактик полягає в тому, що всі ці об'єкти є складними, важкими для спостереження, або такими незвичайними, що кидають виклик здоровому глузду, або часто усі три проблеми одночасно!  Ось чому карликові нові такі корисні -- вони вчать нас основам фізичних процесів, які повинні регулювати ці більш екзотичні системи.  Карликові нові є такими собі астрономічними пісочницями, тому що процеси в них змінюються у звичайних масштабах часу -- від хвилин до десятиліть, а не століть до тисячоліть. Вони обертаються часто, так що їх основна геометрія більш-менш зрозуміла, навіть якщо не абсолютно точно, але ж геометрія протозірок і квазарів часто незрозуміла взагалі!


Незалежно від типу об'єкту який Ви обрали для спостережень, Вам необхідна програма для організації спостережень.  Я рекомендую користуватись програмою SkyTools Pro, яка дуже скорочує час планування спостережень, але підійде й будь-яка інша програма, включаючи Microsoft Excel або Google Sheets, яка дозволить Вам зробити список об'єктів для спостереження і слідкувати за прогресом Вашої роботи.


Тепер час вирішити коли і де спостерігати.


Для спостережень змінних зірок треба обирати ночі з задовільною прозорістю повітря, без хмар та Луни.  Для того, щоб побачити погодні умови на найближчі декілька днів, можна скористатися цим сайтом, обравши найближче до Вас місто та елемент меню Air -> Astronomical Seeing -- https://www.meteoblue.com


Варто обирати ночі, коли індекси 1 та 2 мають оцінку 3 або більше та відсутня хмарність в усіх трьох шарах атмосфери.


Місце для спостережень є надзвичайно важливим фактором успіху Вашої програми.  Це місце повинно бути безпечним, бажано з упевненим покриттям Вашого мобільного оператора з міркувань безпеки.  Ідеально, якщо Ваш мобільний оператор надає у цьому місці доступ до Інтернету.


Бажано, щоб горизонт в усіх напрямках був відкритий принаймні до двадцяти градусів, але особливо важливо мати відкритий горизонт на південь, схід та захід.


Важливо також, щоб поблизу місця спостережень не було великих площ незахищеного ґрунту.  Такий ґрунт буде розноситись вітром на декілька кілометрів, погіршувати видимість та осідати на Вашому обладнанні.  Не забувайте також, що вночі вологість буде конденсуватись на всіх поверхнях, які знаходяться під відкритим небом, включаючи землю, тому місце треба вибирати таке, щоб не було забагато бруду.  


Ідеальним місцем є велика автомобільна стоянка засипана утрамбованим гравієм.  Гравій пропускає вологість, швидко охолоджується і погано передає вібрації від ходіння та їзди автомобілями.  Великі асфальтові та бетонні площі не є ідеальними для спостережень, бо вони повільно охолоджуються і створюють потоки повітря, що піднімаються, а це призводить до погіршення прозорості атмосфери.  Такі поверхні також добре передають вібрації, тому треба використовувати спеціальні підкладки-демпфери під ніжки триноги телескопу.  


Також можливо спостерігати з трав'яного газону або скошеного поля, але приготуйтесь боротися з брудом та ходити у мокрому взутті.


Окремо розглянемо питання постійного місця для спостережень.  Для тих, хто живе за межами міста, має свій будинок з подвір'ям, особливо якщо світлове забруднення невелике, ідеальним буде побудувати у себе на подвір'ї невелику споруду і змонтувати своє обладнання там постійно.  На численних форумах це питання обговорювалось багато разів, включаючи конструкції таких споруд, тому ми не будемо гаяти на це часу тут.


Альтернативою може бути вкопування трьох тротуарних плиток з відмітками для ніжок триноги, які розташовані таким чином, щоб монтування встановлювалось на ці плитки і вказувало на північний полюс.  Землю навколо плиток можна покрити геотекстилем і засипати гравієм.  Таке просте та дешеве рішення можна встановити на будь-якій ділянці за згодою з володарем і не буде нікому заважати, водночас економлячи величезну кількість часу на встановлення обладнання кожен раз коли Ви виїжджаєте на спостереження.


Самим головним питанням місця і часу для спостереження є те, щоб Ви поїхали спостерігати, а не залишилися вдома дивитись телевізор!  Зробіть усе можливе, щоб Вам було комфортно, цікаво, щоб все ваше обладнання працювало і щоб Вам не потрібно було їхати занадто довго до місця спостережень, або щоб у Вас була можливість трохи відпочити перед дорогою додому.


Калібрування обладнання та підготовка до спостережень

Якщо Ви думаєте, що після читання цього манускрипту та витрачання неймовірної кількості грошей на обладнання Ви готові до спостережень, Ви прикро помиляєтесь!

Перед початком власне спостережень змінних зірок, Вам необхідно провести калібрування Вашого обладнання.  Перш за все, нам потрібно пам'ятати, що на відміну від рекреаційної астрофотографії, наша мета не отримання світлин, а виміри інтенсивності світлового потоку (кількості фотонів за одиницю часу), який надходить від зірки через певний кольоровий фільтр.  Тому ми повинні дивитись на нашу камеру як на багатоканальний фотометр, тобто як на серйозний науковий інструмент.

Цей інструмент має цілу низку похибок, які він вносить у виміри:

  1. Квантова ефективність. Це показник ефективності конверсії сенсором фотонів в електрони в залежності від довжини хвилі.  Чим більше цей показник, тим краща Ваша камера.  Зазвичай, показники квантової ефективності вказуються виробником у технічних параметрах сенсора у відсотках як функція довжини хвилі
  2. Нелінійність чутливості камери.  Сенсор конвертує кожен фотон в певну кількість електронів згідно до квантової ефективності, але тільки до того, як накопичить певну кількість електронів у пікселі.  При досягненні цього ліміту, квантова ефективність почне змінюватись і нам потрібно точно знати, яку максимальну кількість електронів Ви можете накопичити до того, як з’явиться ефект нелінійності

  3. Дефекти сенсора. Нечутливі або перманентно засвічені (холодні та гарячі) пікселі, колонки пікселів, які не читаються, тощо.  Ці дефекти треба виключати за допомогою калібрування

  4. Термічний шум.  Навіть якщо на сенсор не попадає світло, він буде накопичувати електрони, які виникають завдяки внутрішнім фізичним ефектам сенсора, причому рівень цього шуму буде тим вищий, чим вища температура сенсора.  Саме тому потрібно охолоджувати камеру та виключати термічний шум за допомогою калібрування

  5. Шум електроніки камери.  У камері використовується електроніка, яка перетворює накопичений у пікселі заряд в цифрове значення (АЦП), яке передається в ноутбук.  Ця електроніка має похибки, які треба виключити за допомогою калібрування

  6. Сліди космічних часток.  Під час експозиції може виникати засвітлювання певних пікселів сенсору, якщо на них попали космічні частки.  Ці сліди треба виключати при обробці даних

  7. Нестандартна спектральна чутливість.  Незалежно від того, використовуєте Ви монохромну камеру чи кольорову та якості фільтрів, спектральна чутливість Вашого інструменту буде відрізнятись від стандартної системи UBVRI прийнятої у фотометрії, тому потрібно калібрувати спектральну чутливість Вашого інструменту

  8. Нерівне освітлення сенсору у полі зору телескопа.  Завдяки геометрії телескопу, пилу який накопичується на оптичних поверхнях, потемніння дзеркал, тощо виникає ефект нерівномірного освітлення різних частин сенсора світлом, що проходить через телескоп.  Часто навіть сенсор має нерівну чутливість по своїй поверхні, тому ці похибки треба виключати за допомогою калібрування


Передусім, нам потрібно визначити межі лінійності нашого сенсору для того, щоб знати яку довжину експозиції вибрати для того чи іншого об'єкту залежно від його яскравості.

Для того, щоб це зробити, необхідно використати маску плоского поля:


  1. Надягніть маску на телескоп і робіть 10 секундні експозиції, регулюючи яскравість маски таким чином, щоб середнє значення виміру АЦП дорівнювала приблизно 10000.

  2. Збільшуйте експозиції на 10 секунд доти, поки із збільшенням експозиції максимальний вимір не буде збільшуватись, тобто поки Ви не отримаєте повністю засвічений знімок

  3. Намалюйте графік середнього виміру по усіх пікселях знімку як функції експозиції та знайдіть регіон, де вимір зростає лінійно.  У цьому регіоні зробіть додаткові знімки через 5 секунд, а у регіонах де починається нелінійність -- через одну секунду та додайте на графік. У Вас повинна вийти крива на зразок такої:

  4. Запишіть мінімальний та максимальний вимір АЦП, де лінійність ще зберігається.  У майбутньому Вам буде потрібно завжди переконуватись, що виміри зображень змінної зірки та зірок порівняння попадають у цей діапазон


Після виміру лінійності, Вам варто подивитись на один з знімків, які Ви робили у негативі і знайти дефекти сенсора, приділяючи найбільшу увагу колонкам пікселів, що виглядають як чорні риски, приблизно так як на йьому зображенні:


Знайдіть регіон сенсора, де таких дефектів та гарячих пікселів якнайменше і завжди намагайтесь, щоб зображення змінної зірки та зірок порівняння попадали у цей регіон.  Ви будете видаляти ці дефекти під час обробки даних, але завжди варто щоб втрачалось якнайменше корисної інформації.


Для наступних кроків з калібрування сенсору нам нарешті знадобиться зоряне небо!


Вам необхідно зробити знімки одного з стандартних полів який під час спостереження знаходиться найвище у небі.  Ці поля розташовані досить щільно, тому вибрати буде дуже просто.


Стандартні поля, включаючи знімки та точні виміри яскравостей можна знайти тут -- http://www.cadc-ccda.hia-iha.nrc-cnrc.gc.ca/en/community/STETSON/standards/


Знімки стандартного поля буде використано для визначення параметру FWHM (“Full width at Half Maximum) та калібрування спектральної чутливості Вашої системи.


Отже, для першого наукового спостереження, я рекомендую починати сесію за годину до темряви для того, щоб переконатися, що все обладнання працює коректно і зробити потрібні калібрувальні виміри як тільки стене темно.


Розпочніть спостереження з винаходження півночі.  Це досить легко зробити за допомогою компасної аплікації для вашого мобільного пристрою або за допомогою компаса та калькулятору магнітної корекції тут -- http://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web/#declination.  Для більшості України ця корекція складає 7 градусів на схід.


Для полегшення налаштування монтування на північ до настання темряви, рекомендую такий метод:


  1. Оберіть місце для встановлення монтування і покладіть на землю якусь невелику річ у цьому місці

  2. Поставте компас зверху на цю точку і зробіть відмітку на південь на відстані близько метра від компасу

  3. Встановіть триногу телескопа таким чином, щоб центр триноги був над першою точкою, а задня нога триноги на лінії між першою та другою точками

  4. Встановіть монтування, зафіксуйте триногу, та встановіть на шкалі широти приблизне значення широти місця спостереження

  5. Добийтесь вертикальності триноги за допомогою вмонтованого рівня, тут дуже помогли б тротуарні плитки, підкладені під ніжки триноги, або спеціальні антивібраційні підставки

  6. Коли настануть сутінки і з’являться найяскравіші зірки, налаштуйте монтування телескопу на полюс за допомогою контролера якомога точніше, повторіть процедуру налаштування найменше тричі для підвищення точності налаштування


Під час сутінок, зробіть калібрувальні знімки за наступним методом:


  1. Оберіть в програмі управління камерою запис в форматі RAW незалежно від типу камери, якою Ви користуєтесь, ввімкніть охолодження камери та дочекайтесь поки її температура не збалансується.  Одночасно потрібно ввімкнути вентилятор охолодження головного дзеркала телескопу

  2. Надійно закріпіть камеру, трубу телескопу і інші рухомі елементи оптичної системи у тому положенні, в якому вони будуть знаходитись під час роботи

  3. Наведіть телескоп на яскраву зірку і добийтесь якомога точнішого фокусу.  Найкраще це робити за допомогою або автоматичної системи фокусування, або за допомогою зображення профілю зірки

  4. Надягніть на телескоп маску плоского поля, але не вмикайте живлення електролюмінесцентного елементу

  5. Зробіть серію з п'ять знімків з найкоротшою експозицією, яку дозволяє Ваша камера і збережіть їх у папку під назвою bias_yyyy_mm_dd.

  6. Ввімкніть живлення маски плоского поля, встановіть експозицію приблизно у 0.1-0.2 секунди і регулюванням яскравості маски добийтесь щоб середнє значення по цілому полю було в межах лінійності сенсору для усіх фільтрів Вашої системи, але важливо пам'ятати, що електролюмінесцентна плівка має неоднорідності при низький напрузі живлення.  Якщо цього не вдається зробити, підвищуйте або зменшуйте експозицію потрохи для досягнення потрібного результату

  7. Зробіть п'ять знімків поля у кожному фільтрі (якщо Ви використовуєте монохромну камеру з фільтрами) і збережіть їх у папку під назвою flat_yyyy_mm_dd

  8. Зніміть маску плоского поля, але ні в якому разі не змінюйте положення камери, обертання труби телескопу, юстування, тощо протягом всієї сесії


Після отримання калібрувальних знімків, наведіть телескоп на обране стандартне поле, яке має якомога більше зірок.  Дуже важливо позитивно ідентифікувати усі зірки стандартного поля і розташувати їх якнайближче до центру поля зору телескопа.


Зробіть знімки стандартного поля за наступним методом:


  1. Налаштуйте та запустіть систему автоматичного гідування по зірці у полі зору, яка б дала змогу робити найкоротші експозиції через гід, та дочекайтесь стабілізації гідування.  Якщо Ви не зробили це раніше, запрограмуйте систему корекції періодичної помилки Вашого монтування за допомогою автоматичного гідування, а також налаштуйте систему компенсації люфтів по осях телескопа

  2. Переконайтесь що стандартне поле знаходиться у потрібному місці поля зору основного сенсору

  3. Розташуйте маску плоского поля поблизу себе таким чином, щоб Вам легко було її надягати та знімати з телескопу

  4. Зробіть знімок стандартного поля з експозицією 60 секунд і ідентифікуйте усі зірки поля з каталогу.  Ви можете збільшувати експозицію до тих пір, поки загальний рівень темного фону не перевищить одну третину діапазон лінійності Вашої камери.  Не звертайте увагу на можливі засвічені зірки у полі зору, якщо вони не є стандартними, наша мета не красива світлина, а точна калібрування системи

  5. Зробіть якнайменше 50 знімків стандартного поля, причому розплануйте сесію таким чином, щоб знімати по п'ять знімків темного поля кожну годину, а також якнайменше п'ять експозицій плоского поля у кінці сесії

  6. Якщо під час сесії Ви побачите, що система розфокусується, зупиніть зйомки стандартного поля, зфокусуйте систему, зробіть п'ять знімків плоского поля і продовжуйте сесію


Після зйомки стандартного поля, можна починати спостерігати безпосередньо змінні зірки.  Типова нічна програма спостережень виглядає так:


  1. Ідентифікувати усі цікаві змінні зірки, які знаходяться вище подвійного значення повітряної маси (airmass) протягом ночі

  2. Отримати мапи з AAVSO (https://www.aavso.org/apps/vsp/) для обраних об'єктів та переконатись що вони мають якнайменше п'ять зірок порівняння на кожній мапі з добре визначеними яскравостями принаймні у фільтрах B та V. Власне для порівняння Ви будете використовувати лише дві зірки, одна з яких мусить бути трохи яскравішою, а друга трохи тьмянішою за змінну зірку, але обрати такі зірки легше з більшої кількості

  3. Якщо зірок порівняння недостатньо, або для обраної зірки AAVSO не розробив мапу (таке можливо для нових об'єктів), то Вам потрібно знайти найближче до об'єкту стандартне поле і обрати зірки порівняння з нього

  4. Перевірити інформацію про зірку, яку Ви плануєте спостерігати та визначити, яка програма буде оптимальною для неї -- багато швидких вимірів яскравості протягом однієї ночі, один вимір за ніч протягом якнайбільше ночей, тощо

  5. Найоптимальнішим буде підбір декількох зірок, які потребують одного виміру протягом ночі та однієї зірки, яка потребує швидкої фотометрії протягом ночі

  6. Почніть сесію з наведення на першу “повільну” зірку, зніміть плоске поле п'ять разів, потім змінну зірку з зірками порівняння п'ять разів, потім темне поле п'ять разів

  7. Потім перейдіть до наступної “повільної” зірки і повторіть все знову і так для всіх зірок з цієї категорії

  8. Потім перейдіть до “швидкої” зірки, знов зніміть плоске поле, потім темне поле, потім робіть знімки змінної зірки з найменшою практичною експозицією (таким чином щоб відношення S/N для змінної зірки та зірок порівняння був не менше 5) протягом години, потім повторіть плоске поле, темне поле і знов знімайте зірку

  9. Під кінець сесії знов пройдіть по усіх “повільних” зірках як зазначено у п. 6 та 7


Особливо прискіпливі спостерігачі, які намагаються робити найточніші виміри, також обов'язково роблять п'ять знімків одного з стандартних полів кожну ніч для точнішого переходу до стандартної фотометричної системи тому, що прозорість атмосфери у різних довжинах хвиль може змінюватись навіть протягом однієї доби.