Databáze EDMOND – jak vlastně pracujeme?

V současné době poskytují tyto sítě vysoce kvalitní data plně srovnatelná s výsledky profesionálního pozorování, přitom amatérští astronomové pracují zdarma večer po návratu z jiného zaměstnání. Neznamená to však, že by byli ve své činnosti izolováni. Jejich vynikající výsledky vedly k intenzivní spolupráci s akademickou sférou, např. Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR v oblasti simulace dynamiky a spektrálních charakteristik impaktu meteoroidů a asteroidů pomocí výkonových laserů či v souvislosti s observační činností s Univerzitou J. Komenského v Bratislavě. Bouřlivým rozvojem procházejí metody amatérského radioastronomického pozorování v rámci sítě Ionozor. Díky entuziasmu amatérů a zájmu akademické sféry českých spektroskopiků a slovenských astronomů tak vzniká světově unikátní síť zabývající se terénní observační činností i studiem fyziky a chemie meteorů za přísně kontrolovaných laboratorních podmínek.

EDMOND

EDMOND (European viDeo MeteOr Network Database) je databáze drah [1], která je vypočítaná z dat získaných každodenním pozorováním meteorů pomocí videokamer, které jsou rozmístěné po celém světě. Jedná se tedy o nadnárodní databázi, která spojuje národní video sítě. V EDMONDu je také začleněna kompletní databáze sítě IMO VMN (International Meteor Organization Video Meteor Network) a také nezávislá chorvatská síť CMN (Croatian Meteor Network).

Kromě SVMN (Slovak Video Meteor Network) používají všechny amatérské stanice citlivé analogové CCTV kamery postavené na CCD čipech Sony (1/2" ExView HAD, 1/3" Super HAD II) s běžným rozlišením 720×576 pixelů pro PAL B systém (720×480 pixelů pro NTSC M systém) a s varifokálními objektivy, které mají ohnisko 3 až 8 mm a světelnost mezi f/0,8 a f/1,4. Běžně jsou také používány monofokální objektivy, které mají ohnisko 4 až 6 mm a světelnost rovněž mezi f/0,8 a f/1,4.

Většina stanic používá na zaznamenání meteorů software UFO Capture, pro zpracování dat pak UFO Analyzer. Celý balíček se pak nazývá UFO Tools. Pouze IMO VMN využívá MetRec, jehož autorem je Sirko Molau. Rozměr zorného pole stanic je od 60° do 80° v horizontálním směru a stanice dokáží zachytit meteory, které jsou jasnější než +2,5 magnitudy. Avšak ani UFO Capture, ani MetRec nezaručí 100 procentní úspěšnost zaznamenání meteorů v zorném poli kamery. Velmi záleží na výkonu konkrétní kamery a místních podmínkách. Průměrná sestava zachytí v průběhu jasné noci 5 až 10 meteorů, při zvýšené aktivitě rojů 30 až 50 meteorů, při maximu aktivity silných rojů (Perseidy, Geminidy, Quadrantidy) až 400 videometeorů.

Spektrografy jsou osazeny monochromatickými kamerami QHY5L-IIM s CMOS snímačem Aptina MT9M034 (1/3") s rozlišením 1280×960 pixelů, které jsou vybaveny světelným megapixelovým objektivem Tamron (f/1,0) s proměnným ohniskem (3-8 mm) a jsou vybaveny difrakční mřížkou s hustotou 1000 čar/mm. Zorné pole spektrografu je při použití objektivu Tamron od 60° do 70° v horizontálním směru. Dále jsou v případě spektrografů používány monochromatické kamery PointGrey Grasshoper3 GS3-U3-32S4M-C s CMOS snímačem Sony Pregius IMX252 (1/1,8") s rozlišením 2048×1536 pixelů, které jsou vybaveny světelným megapixelovým objektivem VS Technology (9 Mpx) se světelností f/1,4 a délkou ohniska 6 mm. Zorné pole spektrografu je při použití objektivu VS Technology (F=6 mm) 60×45°, vzhledem k rozlišení instalovaného čipu a velikosti zorného pole jsou použity holografické mřížky s hustotou 1000 vrypů na mm.

UFO Capture

Program UFO Capture [2] je založen na detekci pohyblivých objektů a slouží k jejich zaznamenání formou sekvencí ve formátu *.avi, které jsou zapisovány na disk počítače. Zároveň jsou k danému úkazu ukládány pomocné soubory, údaje o videu (čas, poloha stanoviště, snímkovací frekvence, atd.) jsou ukládány do textového souboru (*.xml), maska hvězd zaznamenaných během sekvence pak jako bitmapový obrázek (*.bmp). Tyto soubory jsou potřebné pro analýzu zaznamenaných meteorů.

Program UFO Capture - pracovní prostředí. Autor: Jakub Koukal

UFO Analyzer

Program UFO Analyzer [2] slouží pro astrometrii a fotometrii zaznamenaných meteorů nebo TLE jevů pomocí programu UFO Capture. Jedná se o program, který umožňuje jak plně automatickou analýzu meteorů, tak také analýzu v poloautomatickém režimu. V případě poloautomatického režimu umožňuje změnu velkého množství parametrů, které lze přizpůsobit aktuální potřebě pro jednotlivé problematické záznamy. Proces automatické analýzy je poměrně účinný, a to zhruba v 60 % případů, ovšem pokud je automaticky analyzován jasný meteor (bolid), případně naopak slabý a krátký meteor, je nutné poloautomatické vyhodnocení daného záznamu.

K poloautomatické analýze slouží úprava parametrů ddl (změny jasu pozadí v detekované oblasti), leap (spojení rychle se pohybujících úhlově dlouhých objektů) a také f1, f2 (odebrání určeného počtu snímků na začátku a konci dráhy meteoru). Doporučené hodnoty pro automatickou analýzu jsou ddl = 5, leap = 50 a f1, f2 = -1 (při analýze je ignorován první a poslední snímek dráhy meteoru). Snížením parametru ddl (například na hodnotu 3) je možné provést korektní analýzu slabých nebo krátkých meteorů, které jsou detekovány jako „none“, „noise“ nebo „slow“.

Výsledek vyhodnocení slabého a krátkého meteoru v automatickém režimu programu UFO Analyzer. Autor: Jakub Koukal	Výsledek vyhodnocení slabého a krátkého meteoru v poloautomatického režimu se změnou parametru ddl, první a poslední snímek sekvence je ignorován. Autor: Jakub Koukal

Naopak zvýšením parametru ddl (běžně i přes 40) je možné provést korektní analýzu jasných meteorů (bolidů). V případě dlouhého meteoru, který je při automatické analýze rozdělen na několik částí, je možné zvýšením parametru leap (doporučená hodnota je 150-200) spojit tyto části v jeden, skutečně pozorovaný meteor. Snížení hodnoty ddl vede k potlačení pozadí v měřeném snímku videa, její zvýšení naopak umožňuje potlačení oblastí měřeného snímku, kde dochází k přetečení kapacity pixelů v důsledku vysoké intenzity dopadajících světla, zvláště u jasných meteorů.

Vliv zvýšení hodnoty parametru ddl na výpočet úhlové rychlosti meteoru a změna standardní deviace lineárního fitu úhlové rychlosti. Autor: Jakub Koukal

Výpočet úhlové rychlosti probíhá parciálně pro každou dvojici po sobě jdoucích snímků sekvence, výsledná úhlová rychlost je počítána jako lineární fit těchto dílčích hodnot. Zároveň je počítána standardní deviace tohoto fitu od dílčích hodnot. Veškeré tyto parametry jsou ukládány při vyhodnocení do logů v podobě *.txt a *A.XML souborů.

Zcela speciálním případem jsou pak velmi jasné bolidy o jasnostech blížících se nebo dokonce přesahujících jasnost Měsíce. V tomto případě automatický algoritmus programu UFO Analyzer zcela selhává a je nutné provést astrometrii zaznamenaného bolidu manuálně z jednotlivých separovaných snímků sekvence, přičemž jsou vynechány saturované snímky, ze kterých není možné spolehlivě určit polohu centroidu. Zde nastupuje postup zmiňovaný v článku [3], kdy pozorovatel posuzuje v rámci svých možností polohu centroidu a podvědomě koriguje efekty vznikající saturací čipu kamery. Následný postup vyhodnocení je shodný s automatickým postupem, pouze je prováděn manuálně. Je změřena poloha centroidu v každém snímku, vypočítána dílčí úhlová rychlost mezi dvěma po sobě jdoucími snímky a následně určen její lineární fit.

Souhrnný snímek bolidu 20140218_204556 ze stanice Pilipovich (MeteorsUA). Autor: meteorsUA	Souhrnný snímek bolidu 20140218_204556 ze stanice Pilipovich (MeteorsUA) s redukcí saturovaných dílčích snímků sekvence. Autor: meteorsUA

Redukční kritéria v databázi EDMOND

V současné době se nachází v databázi EDMOND celkem 4 655 640 jednotlivých záznamů meteorů, z nichž bylo vytvořeno 592 699 vícestaničních drah (Q₀ dráhy). Databáze jako taková je od počátku chápána jako multiplatformní, tedy sdružuje výstupy ze systémů s různými parametry a také ze systémů s různou metodikou záznamu a vyhodnocení (UFO Capture, MetRec, CMN). Vzhledem k nehomogenitě vstupních dat je nezbytně nutné v rámci databáze EDMOND stanovit redukční kritéria, díky nimž je možné vyřadit z databáze dráhy, které nesplňují požadované geometrické podmínky, případně díky jejichž nehomogenitě nejsou kompatibilní. Výsledkem aplikace redukčních kritérií (viz. tabulka níže) je výrazná redukce na 326 823 vícestaničních drah, které jsou uloženy ve výstupní verzi databáze EDMOND.

Vstupní parametry (UFO Orbit) pro zobrazení všech reálných drah (tzv. Q₀ dráhy)

Redukční kritéria pro zobrazení přesných drah (databáze EDMOND)

Tab. 1: Přehled redukčních kritérií vícestaničních drah v databázi EDMOND

Radianty vícestaničních meteorů v databázi EDMOND po aplikaci redukčních kritérií v systému rovníkových souřadnic (Hammerova projekce). Autor: Jakub Koukal

Přesnost vyhodnocení

Základním limitem přesnosti vyhodnocení záznamů z kamer v databázi EDMOND je absolutní rozlišení snímacích prvků (CCD nebo CMOS čipů) v závislosti na velikosti zorného pole. Absolutní rozlišení kamer pracujících v systému PAL (720×576 pixelů) se pohybuje kolem 6´na pixel. Rozlišení CMOS kamer QHY5L-IIM (1280×960 pixelů) se pohybuje kolem 3´na pixel a konečně rozlišení CMOS kamer PointGrey Grasshoper3 GS3-U3-32S4M-C (2048×1536 pixelů) se pohybuje kolem 1,8´na pixel. Při samotném výpočtu drah meteoroidů v rámci Sluneční soustavy není v současné době uvažována decelerace při průletu tělesa v atmosféře Země. Ve specifických případech (výpočty středních drah rojů, jasné bolidy atd.) je decelerace dopočítávána. Systematická odchylka zmiňovaná v článku [3] je tedy způsobena zanedbáním vlivu decelerace. Tento aspekt je zmíněn v článku [4], ze kterého je při analýze systematických chyb automatických videosítí čerpáno, není tudíž nutné spekulovat nad „těžko odhalitelnými“ systematickými chybami měření. V rámci každé analýzy dat čerpající z databáze EDMOND je důsledně uvedeno, zda použitá data obsahují vliv decelerace či nikoliv. Vliv zanedbání decelerace na geocentrickou rychlost v_g jednotlivých drah meteoroidů je demonstrován níže, včetně střední v_g meteorického roje Geminid, která je počítána ze vzorku 332 členů tohoto meteorického roje s aplikovaným kritériem podobnosti drah D_SH < 0,1 ve vztahu ke střední dráze proudu Geminid. Střední geocentrická rychlost meteorického roje Geminid bez započítání vlivu decelerace dosahuje 33,57 ± 1,36 km/s, kdežto se započítáním vlivu decelerace dosahuje 34,10 ± 0,83 km/s. Tato hodnota je tedy prakticky shodná s hodnotou dosaženou v rámci databáze drah ASÚ AVČR Ondřejov. Srovnávací střední geocentrická rychlost Geminid získaná z fotografických dat (Photo IAU) dosahuje 34,32 km/s.

Graf závislosti geocentrické rychlosti vg na absolutní magnitudě pro jednotlivé vícestaniční dráhy meteorického roje Geminid včetně započítání vlivu decelerace. Autor: Jakub Koukal

Závěr

Vzhledem k filozofii práce v rámci databáze EDMOND nejsou ostatní videosítě, které se zabývají studiem meteorů a nejsou součástí databáze, vnímány jako konkurence. Naopak je zde zakotvena spolupráce, která v současné době funguje velmi dobře na úrovni profesionál-amatér, a to ať už v případě spolupráce s pracovníky Astronomického a geofyzikálneho observatória UK v Modre, anebo v případě Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR. Poznatky a zkušenosti předávané zkušenými vědeckými pracovníky jsou v tomto případě nepostradatelnými pro rozvoj a zdokonalování práce jednotlivých pozorovatelů, jejichž pozorování jsou součástí databáze EDMOND.

Databáze EDMOND je od počátku svého vzniku postavena na mezinárodní spolupráci a průniku pozorovacích metod a vybavení. Z tohoto důvodu je metodicky výrazně jednodušší výpočet drah z menšího počtu stanic s prakticky typizovaným vybavením (ASÚ AVČR Ondřejov) než práce s nehomogenním souborem vstupních dat. Dalším limitem je samozřejmě absolutní rozlišení používaných kamer, kde jenom v tomto ohledu dosahuje kamera s vysokým rozlišení 4x až 5x vyšší přesnosti při stejném zorném poli. Chybějící započítání vlivu decelerace pro dráhy meteoroidů v databázi EDMOND je v současné době řešeno pomocí nadstavbového programu, který je nadřazen programu UFO Orbit [2], ve kterém se realizuje výpočet vícestaničních drah v rámci databáze. Veškeré nedostatky uvedené v článku [3], tedy např. podhodnocení orbitálních elementů, posun radiantu atd. jdou v tomto případě na vrub nezapočítání vlivu decelerace do výsledné dráhy meteoroidu. Přitom tato chyba, vzhledem k závislosti velikosti decelerace např. na konečné výšce tělesa v atmosféře Země a jeho rychlosti, se projevuje více u jasnějších meteorů (a tedy hmotnějších) než u těch slabších.

Poděkování

Děkujeme operátorům ze všech národních sítí a nezávislých databází, jejichž dlouhodobá a precizní práce umožnila vznik databáze EDMOND.

Projekt KOSOAP (Kooperující síť v oblasti astronomických odborně-pozorovatelských programů) a RPKS (Rozvoj přeshraniční kooperující sítě pro odbornou práci a vzdělávání) byl realizován hvězdárnou Valašské Meziříčí (CZ) a hvězdárnou v Kysuckém Novém Mestě (SK) ve spolupráci se Společností pro MeziPlanetární Hmotu a byl spolufinancován z operačního programu EU (Program přeshraniční spolupráce Slovenská republika – Česká republika 2007–2013).

Projekt nákupu a provozu spektroskopických kamer s vysokým rozlišením je částečně dotován Programem pro regionální spolupráci AV ČR, reg. č. R200401521 a interním grantem Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského č. 994316. Na pořízení přístrojové techniky umístěné na Hvězdárně Valašské Meziříčí, p. o. přispěly také společnosti DEZA, a. s. a CS CABOT, spol. s r. o.

Zdroje

[1] Kornoš L., Koukal J., Piffl R., and Tóth J. (2014a). “EDMOND Meteor Database”. In Gyssens M. and Roggemans P., editors, Proceedings of the International Meteor Conference, Poznań, Poland, Aug. 22-25, 2013. International Meteor Organization, pages 23–25.

[2] SonotaCo (2009). “A meteor shower catalog based on video observations in 2007-2008”. WGN, Journal of the International Meteor Organization 37:2, 2009, pages 55-62.

[3] Výzkumy v ASU AV ČR (93): Videometeory jako nástroj určení orbit meteoroidů.

[4] Hajduková M., Koten P. a kol., Meteoroid orbits from video meteors. The case of the Geminid stream, Planetary and Space Science 143 (2017) 89-98, preprint arXiv:1704.03750