По основной профессии я инженер-разработчик, а в свободное время занимаюсь астрономией и астрофотографией. У меня есть домашняя обсерватория, где я снимаю туманности, галактики и другие объекты.
В какой-то момент захотелось найти себе домашний проект на пересечении этих двух увлечений. Хотелось написать что-то полезное, что можно применять в настоящих наблюдениях.
С задачей помог Сергей Валентинович Назаров - научный сотрудник Крымской Астрофизической обсерватории. Он предложил сделать просмотрщик астрономических снимков. В Крымской астрофизической обсерватории (КРАО) накопилось около двух миллионов таких кадров примерно за 25 лет наблюдений. Их нужно обработать и сделать удобными для поиска и просмотра.
Так началась работа над SkyCoverage. Сначала это был просмотрщик файлов. Постепенно он вырос в атлас, где можно посмотреть уже отснятые участки неба и подготовить план следующей съёмки.
FITS формат для хранения фотографий
Для хранения астрономических фотографий часто используют формат FITS. У таких файлов обычно расширение .fits или .fit.
Проще всего представить такой файл как снимок с приложенными метаданными. В нём может быть записано, когда сделан кадр, куда смотрел телескоп, сколько длилась выдержка, какая использовалась камера и какой стоял фильтр.
Архив FITS кадров КРАО
Обработчик астрономических наблюдений
Открыть один файл несложно. Разобраться с несколькими миллионами файлов - уже интереснее.
За 25 лет менялись камеры, телескопы и съемочные программы. Сведения в файлах тоже заполнялись по-разному. В одном кадре есть все необходимые параметры, в другом чего-то не хватает. Иногда нужно дополнительно проверить, какой участок неба вообще попал на снимок.
А искать хочется по понятным признакам. Например: покажи наблюдения этой области за определённый год. Или найди кадры, сделанные конкретным телескопом и фильтром.
Но даже хороший список файлов не отвечает на один важный вопрос: как все эти кадры расположены на небе?
Для этого программа должна пройти по архиву, прочитать файлы и собрать общий каталог. Тогда при поиске не придётся каждый раз открывать тысячи снимков.
Так появилась карта
Телескоп видит небольшой участок неба. Камера снимает его, и получается кадр с определёнными границами.
Если нанести эти границы на карту, сразу становится видно, какие участки снимали, где кадры перекрываются и где между ними остались пропуски.
Именно такая карта была сделана в SkyCoverage.
Можно посмотреть отдельное поле или общую картину наблюдений. Даты и названия файлов при этом остаются доступны, просто теперь у каждого снимка есть понятное место на карте.
Если координат в файле нет, программа может попытаться восстановить их по расположению звёзд. Она сравнивает звёздный рисунок на снимке с каталогом и определяет, куда смотрел телескоп. Заодно выясняет размер кадра и поворот камеры.
Это полезно и для большого архива обсерватории, и для обычного домашнего архива астрофотографа.
Как астрофотограф, я могу использовать такую карту при подготовке своих съёмок.
Допустим, хочется снять большую туманность. Целиком в камеру она не помещается, поэтому её нужно фотографировать частями, а затем собрать из них одну картинку. Это называется мозаикой.
Съёмка может растянуться на несколько ночей. Нужно помнить, какие части уже готовы, какие ещё предстоит снять и достаточно ли соседние кадры перекрывают друг друга.
На карте это гораздо понятнее. Видно, где уже есть материал и какого участка не хватает.
А ещё хочется заранее посмотреть, как объект поместится в кадре именно с моей камерой и телескопом. Можно подобрать положение, повернуть рамку и подготовить будущие поля.
Так к просмотру архива добавилось планирование наблюдений.
Три режима для разных задач
В результате в SkyCoverage появились три рабочих пространства: «Обсерватория», «Планировщик» и «Проект».
«Обсерватория» нужна для работы с историей наблюдений. Здесь можно смотреть архивные поля, искать объекты и сопоставлять разные слои карты. Основной вопрос этого режима: что уже наблюдали и какие данные у нас есть?
«Планировщик» нужен для подготовки новой съёмки. В нём можно подобрать положение и размер поля, поворот камеры, подготовить мозаику, указать выдержку и количество кадров. Готовый план можно экспортировать в NINA или CSV.
«Проект» позволяет сохранить рабочую область, снимки и план для конкретной задачи, а затем поделиться ссылкой с другими участниками. Это удобно, когда над одним объектом работают несколько человек и всем нужно видеть общую картину.
У этих режимов одна карта неба, но разные повседневные задачи. Кто-то разбирает старый архив, кто-то готовится к сегодняшней ночи, а кто-то собирает материал вместе с коллегами.
Minor Planet Center
Кроме собственного архива, в проекте есть данные Minor Planet Center (центр малых планет)
Туда поступают сведения о наблюдениях астероидов и комет от обсерваторий по всему миру. SkyCoverage использует доступные записи о направлениях наблюдений: какая обсерватория, когда и в какую область смотрела.
Сами фотографии из этих записей мы не получаем. Но можем показать направления наблюдений отдельным слоем на карте.
Это связано с одной из исходных задач проекта: помочь с выбором полей для поиска астероидов и комет. Небо большое, поле камеры небольшое, а ясная ночь ограничена по времени. Полезно знать, какие области недавно наблюдали другие участники и где в доступных данных остаются пробелы.
При этом пустое место на карте не означает, что туда никогда не смотрел ни один телескоп. Карта показывает только те наблюдения, сведения о которых есть у системы.
И повторная съёмка не обязательно лишняя. Для изучения движущихся объектов она часто необходима. Всё зависит от задачи наблюдений.
Данные из MPC, собственный архив наблюдений
Коллаборации
Ещё одна практическая задача появилась благодаря совместной cъемке объектов.
Когда материал собирают несколько участников, у каждого оказывается своё оборудование. Один телескоп снимает широкую область, другой значительно меньшую. Камеры тоже могут быть повёрнуты по-разному.
Просто отправить всем координаты недостаточно. Нужно увидеть, как реальные кадры соединятся между собой.
Для этого и полезен режим проекта. Можно держать перед глазами общий план и накладывать полученные снимки на карту. Так становится видно, попала ли нужная область в кадр, хорошо ли состыковались соседние поля и что ещё предстоит доснять.
Локальный FITS агент
Для собственного архива есть отдельная программа, локальный FITS Agent.
Ей нужно указать папку со снимками. Она прочитает файлы, соберёт информацию о них и подготовит данные для карты и поиска.
По мере появления новых снимков библиотеку можно дополнять. Это позволяет использовать ту же идею в небольшом домашнем архиве.
Кроме координат, система собирает параметры изображений. Например, оценки резкости звёзд и яркости фона. По ним можно сравнивать серии и замечать, в какие ночи результат получился лучше или когда появились проблемы с фокусом.
Я искал задачу, в которой можно было бы совместить разработку и своё увлечение астрономией.
Теперь в SkyCoverage можно разбирать старые наблюдения, смотреть их расположение на небе, учитывать доступные данные других обсерваторий и готовить новые съёмки.
Проект продолжает развиваться. Многое ещё предстоит улучшить.
На Луне день и ночь сменяются так медленно, что привычное расписание «утро — вечер» там не работает. В районе экватора солнечный свет может держаться примерно две земные недели, а затем наступает примерно такая же длинная ночь. Полный цикл от одного восхода Солнца до следующего занимает около 29,5 земных суток.
Это кажется странным: мы знаем, что Луна обходит Землю примерно за 27,3 суток. Почему тогда солнечные сутки ещё длиннее? Разница возникает потому, что есть два разных способа считать оборот. Один — относительно далёких звёзд. Другой — относительно Солнца. За время, пока Луна завершает круг вокруг Земли, Земля вместе с Луной проходит часть пути вокруг Солнца. Поэтому Луна должна чуть-чуть довернуться, чтобы Солнце снова оказалось над тем же местом.
Представьте беговую дорожку вокруг лампы. Вы идёте по кругу, всё время смотрите на далёкую стену и за полный круг поворачиваетесь на 360 градусов. Но сама дорожка с вами тоже движется вокруг лампы. Чтобы снова увидеть лампу в том же положении относительно себя, потребуется пройти немного больше, чем один полный оборот относительно стены. На Луне роль дорожки играет орбита Земли вокруг Солнца.
Это объясняет и размеренный ритм освещения. Солнце медленно поднимается над горизонтом, долго движется по небу и так же медленно садится. Температурные условия зависят от местности, освещения и рельефа, но в целом длинная ночь и день создают задачи для техники: аппаратам нужно пережить долгий период без солнечной энергии, если они не могут постоянно получать её от солнечных панелей.
При этом полюса ведут себя сложнее. Наклон оси Луны небольшой, а рельеф там пересечён кратерами и хребтами. Поэтому одни участки получают солнечный свет особенно долго, а некоторые глубокие кратеры остаются в постоянной тени. Это не значит, что на всём полюсе день или ночь длятся одинаково: соседние склоны могут освещаться по-разному.
Фраза «лунные сутки» тоже требует уточнения. Иногда так называют время оборота относительно звёзд, иногда — полный день от полудня до полудня. В разговоре легко смешать эти периоды и получить числа, которые кажутся противоречивыми. В астрономии обычно называют, относительно чего именно измеряют время.
Для Земли солнечные сутки короткие, потому что планета быстро вращается вокруг оси: рассветы и закаты укладываются в один день. Луна вращается медленнее и одновременно обращается вокруг Земли, поэтому солнечный цикл получается почти в месяц.
Так что «длинный лунный день» — не преувеличение. Это результат сложения движения вокруг своей оси, орбиты вокруг Земли и общего движения системы вокруг Солнца. На календаре это около месяца, а на горизонте — очень медленный рассвет.
Меркурий облетает Солнце быстрее любой другой планеты: его год длится примерно 88 земных суток. А вот от одного восхода Солнца до следующего на поверхности проходит около 176 земных суток. Получается странный календарь: солнечный день там длиннее года примерно вдвое.
Причина не в том, что планета остановилась. Меркурий вращается вокруг своей оси, но делает это медленно и особым образом связан с орбитой. За два оборота вокруг Солнца он успевает повернуться вокруг собственной оси ровно три раза. Такое соотношение называют резонансом 3:2.
Считать нужно аккуратно. Период осевого вращения относительно далёких звёзд составляет около 58,6 земных суток. Орбитальный год — около 88 суток. Но солнечный день зависит от обоих движений сразу. Пока Меркурий вращается и движется по орбите, направление на Солнце меняется не так, как если бы планета просто крутилась на месте. Поэтому солнечные сутки оказываются примерно 176 дней.
Есть ещё зрительный эффект: орбита Меркурия заметно вытянута. Когда планета проходит ближайшую к Солнцу часть пути, она движется быстрее. В некоторых областях поверхности Солнце может почти остановиться в небе, немного отступить назад, а потом снова продолжить путь. Это не Солнце меняет направление на самом деле — так выглядит комбинация скорости вращения планеты и её неравномерного движения по вытянутой орбите.
Почему Меркурий вращается именно так? Важную роль сыграли приливные силы Солнца и вытянутая орбита. Гравитация звезды постепенно повлияла на вращение планеты, а устойчивое соотношение 3:2 закрепилось благодаря особенностям её движения. Это не обычная синхронная блокировка, как у Луны, которая повёрнута к Земле почти одной стороной: Меркурий за два года делает три оборота, а не один.
Если бы Меркурий вращался намного быстрее, солнечные сутки были бы короче. Если бы он всегда показывал Солнцу одну сторону, ситуация была бы похожа на синхронный поворот Луны относительно Земли. Но наблюдения показывают именно резонанс 3:2, который создаёт длинный и необычный цикл освещения.
Для будущего путешественника это означало бы очень неторопливый календарь. За один меркурианский год Солнце ещё не успело бы вернуться к тому же месту в небе. А в некоторых точках поверхность переживает долгую жаркую дневную сторону и долгую холодную ночь.
Планета не обязана подчиняться нашему земному ощущению суток. Меркурий напоминает: «год» — это оборот вокруг звезды, «звёздные сутки» — поворот относительно далёкого фона, а «солнечные сутки» — время между двумя одинаковыми положениями Солнца. Эти три периода могут сильно отличаться.
На фотографиях лунной поверхности часто видна ярко освещённая земля, белые скафандры и совершенно чёрное небо. Звёзд почти нет. Из этого иногда делают вывод, что космонавты не могли их видеть или что снимки поддельные. Но дело обычно в настройках камеры и большой разнице яркости между поверхностью и далёкими звёздами.
На Луне почти нет атмосферы, которая рассеивала бы солнечный свет по всему небу. Поэтому даже днём небо выглядит чёрным, хотя Солнце ярко освещает грунт. На Земле атмосфера разбрасывает солнечные лучи и делает небо голубым; на Луне такого голубого фона нет. Но чёрное небо ещё не означает, что рядом со светлой поверхностью звёзды легко снять.
Камера, фотографирующая белый скафандр на освещённом грунте, должна получить очень мало света за короткое время, иначе яркие детали пересветятся. Для звёзд, которые гораздо тусклее, такая выдержка слишком короткая: их слабый свет не успевает оставить заметный след на снимке. Если же увеличить выдержку, освещённая поверхность превратится в белое пятно.
Это похоже на попытку снять одновременно яркую лампу и тусклую искру рядом с ней. Камера выбирает экспозицию под основной объект, и слабая искра теряется. Нужны разные настройки, снимки с разной выдержкой или отдельная камера, направленная на тёмный участок неба.
Человеческий глаз тоже приспосабливается к свету, но не мгновенно и не без ограничений. Если смотреть на яркий грунт или скафандр, зрачок и сетчатка работают в режиме яркого освещения. Звёзды могут быть видимы, если смотреть в тёмную область и дать зрению адаптироваться, однако это не гарантирует впечатляющую картину: условия, блики на визоре и освещение влияют на наблюдение.
Астронавты не фотографировали звёзды на каждом кадре, потому что их задача часто была другой: запечатлеть место посадки, оборудование и друг друга. Для этого камера должна была хорошо передать яркие объекты. Снимки звёздного неба требуют другой экспозиции и другой цели съёмки.
На Земле днём звёзды обычно теряются на фоне рассеянного света атмосферы. На Луне небо чёрное, но яркость поверхности всё равно мешает обычной фотосъёмке слабых точек. Парадокс только на первый взгляд: цвет неба и возможность снять звёзды — не одно и то же.
Так что отсутствие звёзд на конкретном кадре объясняется экспозицией, а не тем, что звёзд над Луной нет. Стоит поменять настройки и направить камеру в подходящую темноту — и сцена будет выглядеть совсем иначе.
Есть кадры, где звёздное небо снято отдельно от лунного дня. Там камера специально настроена на слабые источники света, а освещённая поверхность не попадает в кадр или остаётся за пределами экспозиции. Это тот же принцип, по которому ночной пейзаж фотографируют с длинной выдержкой, а яркий предмет снимают быстро. Одним универсальным режимом трудно одинаково хорошо передать и солнечный грунт, и далёкие звёзды.
Знаете как оно бывает? Сидишь себе, никого не трогаешь, примус починяешь, а потом как вскочишь, как понесёшься воробьём в небесную высь!
- Эге-гей! - кричишь. Вона как припекает, аж зудит все.
Так и я нынче: сижу себе, смотрю в окно - Луна. Вчера для проформы, конечно, вылез наружу, расставил свое железо, но как-то без вдохновения. А нынче как схватил ЗМ-5А, как прикрутил к нему телефон, как снял! Эх, мать-гармонь, держите меня семеро!
Снял. Прямо через стекло балконное. В телефоне чуток попилил редактором и попустило.
Примерно через 4,5 миллиарда лет Млечный Путь столкнётся с галактикой Андромеда, затем, постепенно к ним присоединятся около 70 карликовых галактик, образуя одну гигантскую эллиптическую супергалактику - Млекомеда ( название вроде официальное xD ) Она станет эллиптической галактикой - в ней больше не будет четких спиральных рукавов, красивых темных полос пыли и ярких туманностей, где рождаются звезды, вся галактика превратится в один сплошной, плавно угасающий к границам эллипсоид. Небо будет залито мягким, желтовато - белым сиянием миллиардов старых звезд, по мере удаления от центра плотность звезд будет падать, переходя в глубокую, бесконечную тьму. Примерно через 325 миллиардов лет расширение космоса изолирует эту супергалактику настолько, что за её пределами космос для условного наблюдателя станет абсолютно черным, пустым и статичным. Если в этой далекой галактике будущего возникнет разумная цивилизация, её астрономы, глядя в телескопы, не увидят ни реликтового излучения, ни других галактик. Они будут искренне считать, что их островная вселенная - это и есть весь мир, окруженный вечной темнотой. Мы живем в удивительное время. Небо, во всем его великолепии, ещё нам доступно. Просто чаще поднимайте голову вверх :)
Встал под утро отлить, а там вон чего, красота какая. Забыл, зачем и вставал. Фото на смартфон не передаёт всего величия этого зрелища. Как назло, под рукой не оказалось моей любимой зеркалки, которой у меня никогда, правда, и не было 😒
