Úvodní strana  >  Články  >  Hvězdy  >  V každém astronomickém snímku se může skrývat věda

V každém astronomickém snímku se může skrývat věda

I na pěkných fotogenických snímcích se dá dělat věda, zorné pole obsahuje spoustu proměnných hvězd.
Autor: Pavel Cagaš

V době prvních snímků objektů noční oblohy velkými dalekohledy a širokoúhlými komorami na filmy či skleněné desky pokryté emulzí představovala astronomická fotografie významnou část astronomického výzkumu. Stejné snímky mlhovin, hvězdokup i vzdálených galaxií, které jsme obdivovali přetištěné v astronomických  knihách, sloužily k poznání stavby těchto objektů a vedly k prvním teoriím popisujícím jejich historii a vývoj.

Technika snímání noční oblohy i postupy zpracování se ale postupně rozešly a estetická astrofotografie se od astronomického výzkumu oddělila. Ty nejkrásnější snímky objektů hlubokého vesmíru se staly doménou amatérských astronomů možná i proto, že amatéři si mohou dovolit pozorovat objekty podle libosti, nejsou vázáni přiděleným pozorovacím časem a nemusí vykazovat odborné publikace. Astronomické fotografie pořizované dnes amatéry po celém světě (včetně Česka – podívejte se například do galerie České astrofografie měsíce) nepřestávají udivovat svou kvalitou, dosahem, ostrostí, šířkou pole...

Snímek mlhoviny M20 Trifid  pořízený 60-palcovým reflektorem hvězdárny na Mount Wilson 4. - 5. června 1910 Autor: Mount Wilson Observatory
Snímek mlhoviny M20 Trifid pořízený 60-palcovým reflektorem hvězdárny na Mount Wilson 4. - 5. června 1910
Autor: Mount Wilson Observatory
Vždy když už se zdá, že nějaký snímek je „dokonalý“, přijdou nadšení a zapálení amatérští astronomové s něčím novým a ještě úžasnějším. Po desítkách minut se kumulované expoziční doby prodloužily na desítky a někdy i stovky hodin. Výkonné osobní počítače a pokročilé programy provádějící matematická kouzla při digitálním zpracování snímků dokáží zvýraznit i nejjemnější detaily slaboučkých mlhovin na pozadí. Výrobci optiky a obecně astronomické techniky nabízejí přístroje schopné kvalitně vykreslit nebývale široké zorné pole, montáže udržující obrazy hvězd perfektně zaostřené i během dlouhých expozic a kamery s polovodičovými senzory svou plochou hodně přesahující dřívější standard políčka kinofilmu a současně (na rozdíl od filmů) schraňujícími téměř všechno světlo, které na ně dalekohled soustředí.

Obsah pojmu „pěkná astrofotografie“ se postupně mění a vyvíjí a nároky na kvalitu neustále rostou. Snad nejvýraznější změna se zřejmě udála při zpracování snímků. Dnešní snímky „musí“ současně obsahovat nejen detailně prokreslené jasné jádro galaxie či střed mlhoviny, ale také i extrémně slabé detaily na pozadí, často jen světlo hvězd naší galaxie rozptýlené na temných mračnech mezihvězdného materiálu. Je zcela zřejmé, že po všech operacích komprimujících dynamický rozsah snímků, zostřujících hvězdy, vyhlazujících šum apod. nelze usuzovat na jas zobrazených hvězd nebo jiných objektů.

Amatérští astronomové vynakládají na pořizování estetických snímků vesmíru obrovské množství pozorovacího času. Ať se pokusíme vyhledat fotografie téměř jakéhokoliv objektu, nalezneme stovky snímků vytvořených spoustou různých dalekohledů a kamer. Přitom data, z nichž tyto snímky vznikly, jistě skrývají velké množství vědecky hodnotných informací, jen je ještě nikdo nezpracoval tak, aby tyto informace získal.

Fotometrie astronomických snímků

Blízkozemní planetka 2012 DA14 Autor: FRAM/GLORIA/Martin Mašek
Blízkozemní planetka 2012 DA14
Autor: FRAM/GLORIA/Martin Mašek
V principu lze z každého snímku noční oblohy získat dva typy informací o zachycených objektech – polohu těchto objektů (astrometrie) a jejich jas (fotometrie). Poloha je cenná u objektů, které se pohybují, tedy prakticky u objektů patřících do naší Sluneční soustavy, což jsou hlavně planetky a komety. Ovšem sledování planetek (a zejména těch blízkozemních) je dnes podporováno velkými a bohatými organizacemi a věnuje se mu řada velkých dalekohledů, neboť lidé mají na paměti jak dopadli dinosauři. Většina těchto objektů v dosahu amatérských přístrojů je změřena a není příliš zapotřebí jejich další pozorování. Dalekohledy se zrcadly, jejichž průměr je udáván už v metrech a ne jen v centimetrech, zachytí i velice slabá tělesa, daleko za hranicemi dosahu běžných amatérských přístrojů.

Zcela jiná je situace na poli proměnných hvězd. I těch je známo mnoho set tisíc a neustále jich přibývá, přesto je dosud naprostá většina pozorovatelných proměnných hvězd neznámá. U proměnných hvězd není ani tak důležitá jejich poloha, protože jsou téměř všechny už obsaženy v nějakém existujícím katalogu, jen u nich není známo, že jsou proměnné. Důležitá je ale fotometrie, tedy měření jejich jasnosti. Přesněji měření změn jasnosti v čase, tedy jasnosti na sérii po sobě jdoucích snímků. Právě nutnost sledovat hvězdu delší dobu, aby bylo možno odhalit její proměnnost, stojí za skutečností, že je jich taková spousta ještě neodhalených. Vesmír je opravdu velký a profesionální přístroje nemají čas věnovat každému kousku oblohy dostatek času.

Nelze ale spolehlivě měřit jas všech hvězd na snímku. Pro dosažení co nejlepšího poměru signálu ku šumu bývají jednotlivé „astrofotografické“ snímky hodně dlouhé – mnoho minut. Za tuto dobu značné množství hvězd v poli dosáhne maximálního dynamického rozsahu kamery (u kamer s 16 bitovým převodem je to hodnota 65 535) a na tomto maximu se zarazí. U takových hvězd samozřejmě nelze jas určit. Měřit lze jen hvězdy, u nichž ani jeden pixel nedosáhl maxima. Jen tak se lze spolehnout na to, že součet hodnot jednotlivých pixelů náležejících dané hvězdě odpovídá množství světla, které dalekohled zachytil. Dlouhé expozice, typické pro astrofotografii, tedy znemožní měření jasnějších hvězd v poli kvůli saturaci, ale na druhou stranu umožní měření většího množství slabších hvězd, které by za kratší expoziční čas nedosáhly potřebné úrovně signálu pro dostatečně přesná měření.

CCD kamera na dalekohledu Autor: Martin Myslivec
CCD kamera na dalekohledu
Autor: Martin Myslivec
Menší množství delších expozic má pro fotometrická měření ale jednu podstatnou nevýhodu – omezení časového rozlišení. Pokud nějaký jev (třeba průchod minimem zákrytové dvojhvězdy) trvá dostatečně dlouhou dobu (řádově hodiny), není na závadu, že intervaly mezi jednotlivými snímky dosahují mnoho minut. U rychlejších změn, jako např. krátký zákryt kataklyzmických proměnných hvězd nebo změny rychlých pulzujících hvězd, ale dlouhé časové intervaly mohou znemožnit zaznamenání daného jevu.

Druhou podmínkou správného fotometrického měření je korektní kalibrace snímků, tedy odečtení temného snímku a aplikace tzv. „flat field“. Naneštěstí někteří astrofotografové občas praktikují ne zcela korektní zpracování, jako jsou interpolace temných snímků s jinou expoziční dobou nebo digitální filtry určené k odstranění stop po horkých pixelech (filtry „sůl a pepř“) apod. Tyto operace vylepší vzhled snímků a pro estetickou astrofotografii tedy plní svůj účel, ale poškozují jasovou informaci a buď omezují přesnost měření nebo je zcela znemožňují.

Máme-li sadu snímků nějakého vesmírného objektu a k této sadě máme příslušný temný snímek a „flat field“, můžeme ji zkusit zpracovat programem pro výpočet fotometrie (nejčastěji zdarma stažitelný Muniwin nebo také SIPS). Podrobný popis práce s těmito programy přesahuje možnosti tohoto článku, oba ale dovolují vykreslit časovou řadu vývoje jasnosti zvolené hvězdy v porovnání s určenou srovnávací hvězdou a také dovolují vyhledávat v poli hvězdy, jejichž jasnost se výrazně mění. 

Samozřejmě má smysl v rámci jedné řady zpracovávat pouze snímky pořízené přes jeden barevný filtr, případně zcela bez filtru. Snímky exponované s jiným filtrem pak tvoří jinou řadu. Přesto, že pro vědecká měření se nejčastěji používají filtry s jiným rozdělením rozsahů vlnových délek, i řady získané přes fotografické filtry mohou přinést spoustu zajímavých informací (jak je ukázáno dále).

Je ale důležité mít na paměti, že zaznamenaná změna jasnosti hvězdy v průběhu pozorovací řady může, ale nemusí svědčit o její proměnnosti. Opět je za hranicemi možností tohoto článku popsat všechny záludnosti číhající na pozorovatele – za změnou jasu může být celá řada příčin, např. změny počasí, rozostřování dalekohledu, nekvalitní kalibrace apod. Zkušenost, pečlivé a především poctivé zpracování ale časem pomohou falešné a skutečné změny odlišit.

Snímek Velké Galaxie v Andromedě pořízený Edwinem Hubblem pomocí 100-palcového reflektoru hvězdárny na Mount Wilson. Na desce jsou vyznačeny novy, ale u jedné hvězdy je změněn popis z
Snímek Velké Galaxie v Andromedě pořízený Edwinem Hubblem pomocí 100-palcového reflektoru hvězdárny na Mount Wilson. Na desce jsou vyznačeny novy, ale u jedné hvězdy je změněn popis z "N" na "VAR" ukazující, že si Hubble všiml její periodické proměnnosti.
Autor: Carnegie Observatories
Pokud se v našich datech objeví proměnná hvězda, první informaci o tom, jestli se jedná o známou hvězdu, je nejlépe získat z databáze VSX (Variable Star Index), spravované americkou asociací pozorovatelů proměnných hvězd AAVSO. Dříve užívaný katalog GCVS (General Catalog of Variable Stars) již bohužel naprosto nestačí sledovat vývoj a naprostá většina známých proměnných hvězd v tomto katalogu není obsažena. Ať tak či onak, vždy je dobré získaná měření uložit do online pozorovacího deníku, spravovaného Sekcí proměnných hvězd a exoplanet (SPHE) ČAS. Tento server poskytuje kromě ukládání a archivace samotných pozorování celou řadu služeb, např. uživatelsky velice snadné a přitom matematicky velice sofistikované určení okamžiků minim.

Pokud je proměnná hvězda dosud neznámá, je možné ji vložit do databáze CzeV, kterou také spravuje SPHE. Bude ale zapotřebí následných pozorování, aby byla jistota, že se skutečně jedná o proměnnou hvězdu a nikoliv o artefakt. Pozorované okamžiky minim známých zákrytových proměnných hvězd lze vložit do databáze projektu BRNO. Informace o časech minim budou publikovány, poslouží ke zpřesnění elementů (periody) dané hvězdy a mohou vést i k případnému odhalení dalších zajímavých jevů (třeba existenci další složky vícenásobné soustavy apod.), zejména pokud se intervaly mezi okamžiky minim v čase mění.

Musíme ale počítat s tím, že naprostá většina proměnných hvězd (bez ohledu na to, jestli již známých nebo nově objevených) je vědecky nezajímavá, tedy kromě samotného faktu že se jedná o proměnnou hvězdu. Většina hvězd periodicky bliká bez jakýchkoliv odchylek a jejím sledováním nic nového nezjistíme. Proměnných hvězd jsou ale spousty a je jen otázka času, kdy se mezi velkým množstvím objeví vzácná hvězda, zasluhující si například vědeckou publikaci. Pak k radosti z krásných snímků oblohy přibude ještě báječný pocit z přispění k výzkumu Vesmíru.

Proměnné hvězdy v polích známých objektů

Je až překvapivé, jak velké množství proměnných hvězd je možné pozorovat v zorných polích velice populárních a často fotografovaných objektů noční oblohy. Ukažme si několik příkladů.

Hvězdokupa M45 Plejády v souhvězdí Býka Autor: Pavel Cagaš a Martin Myslivec
Hvězdokupa M45 Plejády v souhvězdí Býka
Autor: Pavel Cagaš a Martin Myslivec

V poli otevřené hvězdokupy M45 Plejády v souhvězdí Býka je řada už známých proměnných hvězd. Zjevně je to pole dobře prozkoumané a jasné hvězdy jsou zahrnuty i v řadě robotických přehlídek (např. HAT). Přesto lze u řady proměnných hvězd pozorovat minima a zpřesnit tak jejich periodu.

U některých proměnných hvězd v Plejádách nastalo během asi 3 hodin expozic dobře pozorované minimum, u řady dalších ale minimum zjevně nastalo před nebo naopak po čase pozorování Autor: Pavel Cagaš
U některých proměnných hvězd v Plejádách nastalo během asi 3 hodin expozic dobře pozorované minimum, u řady dalších ale minimum zjevně nastalo před nebo naopak po čase pozorování
Autor: Pavel Cagaš

Velká galaxie v Andromedě M31 patří k nejčastěji fotografovaným objektům noční oblohy vůbec. Přesto je v jejím poli řada ještě neznámých proměnných hvězd včetně některých vzácných a velice zajímavých objektů.

Galaxie M31 v Andromedě Autor: Pavel Cagaš a Martin Myslivec
Galaxie M31 v Andromedě
Autor: Pavel Cagaš a Martin Myslivec

Za pouhých 5 hodin, během kterých byla tato galaxie fotografována, se v poli objevilo 5 proměnných hvězd. Dvě jsou již katalogizované, další 3 hvězdy nebyly ale dosud objeveny. Příkladem již známého, ale velice zajímavého objektu v tomto poli je PTFEB11.441 – zakrývající se pár dvou hvězdných trpaslíků, jednoho velice žhavého a svítivého bílého trpaslíka a jednoho slabého a relativně chladného červeného trpaslíka. Rozdílné teploty a tedy i rozdílné barvy (vlnové délky), ve kterých obě hvězdy vyzařují maximum energie, se velice zřetelně projeví právě při zákrytu. Když bílý trpaslík zmizí za červeným trpaslíkem, v červené barvě je pokles jasnosti tak slabý, že může snadno uniknout pozornosti, protože bílý trpaslík je velice žhavý a svítí především na krátkých vlnových délkách. Naopak v modré barvě je je minimum velice zřetelné, jas na těchto vlnových délkách poklesne téměř sedminásobně. Současně má minimum velice ostré hrany, protože bílý trpaslík je velice malý objekt i v porovnání s nevelkým červeným trpaslíkem.

Zákryt bílého trpaslíka za červeným trpaslíkem v červené, zelené a modré barvě hvězdy PTFEB11.441 Autor: Pavel Cagaš
Zákryt bílého trpaslíka za červeným trpaslíkem v červené, zelené a modré barvě hvězdy PTFEB11.441
Autor: Pavel Cagaš

Specifikem galaxie v Andromedě je její velikost (je to galaxie srovnatelná s naší Mléčnou dráhou, se kterou tvoří dvě největší galaxie místní skupiny) a její blízkost. Tyto vlastnosti dovolují v této galaxii pozorovat novy pomocí běžně dostupných dalekohledů. Systematické sledování nov v M31 nám přitom dává velice dobrý přehled výskytu těchto úkazů v rámci celé galaxie. Průkopníkem v objevování nov v galaxii M31 je český astronom Kamil Hornoch, který současně také drží rekord v počtu objevených nov v této galaxii. Dnes se sledování M31 a číhání na novy věnuje řada skupin po celém světě a objev dosud nepozorované novy je tak poměrně vzácný, stále ale není vyloučený. Příkladem je právě výše uvedený snímek M31, na němž shodou okolností právě Kamil Hornoch objevil novu M31N 2015-12a, později potvrzenou také spektroskopicky pomocí 2m Liverpool Telescope. V tomto případě se nova promítala úhlově velice blízko kulové hvězdokupy Bol 124 a zřejmě proto unikala pozornosti jiných pozorovatelů.

Nova M31N 2015-12a těsně u kulové hvězdokupy Bol 124 a pozice zobrazeného výřezu v kontextu celého pole M31. Autor: Pavel Cagaš, Kamil Hornoch a Martin Myslivec
Nova M31N 2015-12a těsně u kulové hvězdokupy Bol 124 a pozice zobrazeného výřezu v kontextu celého pole M31.
Autor: Pavel Cagaš, Kamil Hornoch a Martin Myslivec

Hvězdokupa a mlhovina IC1396 v souhvězdí Kefea je příkladem velmi populárního a často fotografovaného objektu, který současně díky vysoké hustotě hvězd obsahuje také velké množství hvězd proměnných. Je přitom překvapivé, že naprostá většina těchto proměnných hvězd dosud unikala pozornosti, i když různých snímků této mlhoviny jsou doslova tisíce. Lze dohledat několik desítek let starou publikaci, založenou na fotografických snímcích tohoto pole. Na základě pouze několika měření bylo odhaleno několik hvězd s rozdílnou jasností mezi snímky. Protože ale nebyla k dispozici dostatečně dlouhá řada, ani u jedné hvězdy nebyla určena perioda ani typ proměnnosti a zmíněné hvězdy byly zařazeny pouze do katalogu hvězd podezřelých z proměnnosti NSV (New Suspected Variable). Přitom IC1396 obsahuje desítky proměnných hvězd, které lze pohodlně měřit s pomocí přístrojů amatérských astronomů.

IC1396 s výraznou temnou mlhovinou nazýváno „Sloní chobot“. Autor: Pavel Cagaš a Martin Myslivec
IC1396 s výraznou temnou mlhovinou nazýváno „Sloní chobot“.
Autor: Pavel Cagaš a Martin Myslivec

 

Jeden snímek pole IC1396 s vyznačenými proměnnými (VAR)  a srovnávacími (CMP) hvězdami. Autor: Pavel Cagaš
Jeden snímek pole IC1396 s vyznačenými proměnnými (VAR) a srovnávacími (CMP) hvězdami.
Autor: Pavel Cagaš

V poli IC1396 bylo v průběhu 9 pozorovacích nocí na podzim 2015 pozorováno 69 proměnných hvězd a dosud nepotvrzených kandidátů, přičemž pouze 3 byly zahrnuty v katalogu NSV. 57 hvězd už přibylo do katalogu CzeV a u 45 hvězd již bylo možné z pozorovaných dat určit periodu. Mezi proměnnými hvězdami jsou zahrnuty téměř všechny významné skupiny zákrytových i pulzujících hvězd, některé hvězdy se chovají poměrně neobvykle a objasnit jejich podstatu může jen další pozorování.

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Sekce proměnných hvězd a exoplanet ČAS
[2] Variable Star Index (VSX)
[3] Program pro zpracování fotometrie C-munipack
[4] Program pro zpracování fotometrie SIPS
[5] Návod na zpracování fotometrie v C-munipacku
[6] Začínáme s astrofotografií na Astro.cz
[7] Soukromá hvězdárna Pavla Cagaše



O autorovi

Pavel Cagaš

Pavel Cagaš

Pavel Cagaš (*1966) je členem Zlínské astronomické společnosti. Na Hvězdárně ve Zlíně kterou navštěvoval od dětství, se věnuje občasným exkurzím pro školní skupiny a přednáškám pro širokou veřejnost. Je členem Sekce proměnných hvězd a exoplanet ČAS a jejím velmi aktivním pozorovatelem. V roce 2011 se stal Astrofotografem roku ČAM za svůj snímek "Proměnný vesmír" (který pořídil s jeho kolegou Václavem Přibíkem)

Štítky: Pavel Cagaš, Proměnná hvězda, Sekce proměnných hvězd a exoplanet, M45, Astrofotografie , M31, Nová proměnná hvězda


39. vesmírný týden 2016

39. vesmírný týden 2016

Přehled událostí na obloze od 26. 9. do 2. 10. 2016. Měsíc bude v novu. Venuše, Mars a Saturn najdeme večer stále jen nízko nad obzorem. Neptun a Uran můžeme pozorovat celou noc. Na ranní obloze můžeme před svítáním pozorovat kužel zvířetníkového světla do něhož před východem Slunce stoupá planeta Merkur a bude zde také srpek Měsíce.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

Pradědovy Perseidy 2016

Píše se rok 258, 10. srpen. Na rošt nad horké uhlí je položen správce chrámové pokladny před několika dny popraveného papeže Sixta II a je opékán zaživa. Po chvíli volá: „Z jedné strany jsem již opečený, pokud mě chcete mít dobře udělaného, je čas mě otočit na druhou stranu.“ Toto utrpení podstoupil

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Mesic

Mesic

Další informace »