Kladivo na čarodějnice aneb Budoucnost amatérského pozorování proměnných hvězd

Pozorování proměnných hvězd má ve světě i u nás dlouhou tradici. Amatérští pozorovatelé provedli za dobu existence lidstva přes 15 milionů vizuálních odhadů jasnosti a přispěli tak zásadní měrou např. k roztřídění proměnných hvězd do skupin. Vizuální pozorování ovšem nesloužila jenom ke vzniku fenomenologie, ale vedla také k odhalení několika tisíc nových proměnných hvězd nebo řadě dalších „speciálních“ objevů, jako například pulzací hvězd typu R Coronae Borealis v maximu.

Vizuálním pozorovatelům vždy konkurovaly objektivní metody. Od konce 19. století to byly fotografické desky, později fotoelektrické fotometry a v posledních desetiletích nastoupily CCD kamery. Ty se postupně stávaly a stávají dostupnějšími i pro amatéry. Dnes u nás má většina hvězdáren nějakou CCD kameru k dispozici. O tom, jestli je účelně využívají ke smysluplné odborné činnosti, se zde nechci rozepisovat. Tam kde je nadšený amatér, který má podporu vedení hvězdárny, se dají pořizovat vědecky hodnotná pozorování. Někteří amatéři si mohu finančně dovolit dalekohled se CCD kamerou i soukromě.

I přes to, že se jasnost hvězdy dá měřit, odhady jasnosti pomocí lidského oka přežily celé minulé století. Důvodem samozřejmě není jejich přesnost, ale především masovost s jakou jsou pořizovány. Velké množství nepřesných vizuálních odhadů může v řadě případů nahradit sporadická byť přesná měření. Ještě dodejme, že někteří vizuální pozorovatelé dosahují výjimečné přesnosti srovnatelné s fotoelektrickými měřeními.

Od roku 1996, kdy u nás vznikla skupina MEDÚZA zabývající se zpočátku výhradně vizuálním pozorováním zejména dlouhoperiodických pulzujících proměnných hvězd platilo, že se počet ročních přírůstků nových vizuálních pozorování každé dva roky zdvojnásoboval. Po svém největším úspěchu, kterým bylo objevení druhého vzplanutí V838 Mon v únoru 2002 začal paradoxně zájem vizuálních pozorovatelů znatelně klesat. Nemůže za to ale ona „podivná hvězda“ z Jednorožce, nýbrž pokrok techniky. Tzv. přehlídky oblohy, neboli automatické dalekohledy, které věnují všechen svůj pozorovací čas tomu, aby v co nejkratším čase nasnímaly co největší část oblohy, se postupně stávají pohrobkem vizuálního pozorování.

Vizuální pozorovatel už zkrátka nemá příliš chuť trávit celé noci pozorováním hvězd, které jsou mnohem přesněji sledovány vyspělou technikou (obr. 1). Samozřejmě tyto přehlídky dělají výbornou práci pro astronomii a jsou součástí nezadržitelného pokroku. Jednoho dne, a netroufnu si odhadnout jestli to bude za 15 nebo 30 let, bude existovat tak dokonalý systém, který nám bude v reálném čase monitorovat celou oblohu řekněme až do 20. hvězdné velikosti a bude tak činit hned v několika vlnových délkách (fotometrických filtrech) najednou. Potom budou pro vědu jako takovou zbytečná nejen jakákoli vizuální pozorování, ale také všechna CCD pozorování!

Je dnes taková situace, že vizuální pozorování nemají smysl? Může vůbec přehlídkám oblohy konkurovat i CCD pozorovatel? Jak se vypořádat s automatickými přehlídkami oblohy jinak, než že naplánujeme cestu kolem světa a rozmlátíme je kladivy?

Kladivo na čarodějnice aneb „Jak na ně?“

Navzdory velké komplexnosti problému se dá říci, že způsoby, jak konkurovat přehlídkám oblohy, jsou jenom dva. Pozorovat něco jiného nebo jinak. Je to logické, sledování proměnných hvězd, jež přehlídky nesledují má smysl i vizuálně. Hvězdy, které přehlídky měří, můžeme sledovat CCD kamerou a použít k tomu jiný filtr. Pokud přehlídka měří ve V, použijeme R nebo I a dostaneme další užitečné informace o hvězdě, které přehlídka není schopna zjistit.

Pojďme se podívat podrobně jaká jsou omezení přehlídek oblohy a uvést nějaké konkrétní příklady.

1. Nízké časové rozlišení

Pokud má přehlídka oblohy prohlédnout skutečně celou oblohu nebo alespoň její velkou část, nedá se to stihnout během pěti minut. Použité dalekohledy mají dané zorné pole a také expoziční doba jednoho snímku hraje určitou roli. Dejme tomu, že detektor na jednom snímku o rozměrech 7°x7° vidí plochu 49° čtverečních a pozorování této oblasti zabere 2 minuty. Souhvězdí Labutě o ploše 804° čtverečních tak vyfotí za 804/49*2 minut, což je zhruba půl hodiny (a to nepředpokládám, že se jednotlivá pole překrývají, což se běžně dělá). Takže kdyby taková přehlídka sledovala jen Labuť, žádné světelné změny kratší než půl hodiny by nezachytila. Přehlídky ovšem zdaleka nepozorují jen jedno souhvězdí, ale třeba čtvrtinu oblohy. Stejná část oblohy (pole na CCD snímku) se podaří nasnímat vlivem špatného počasí a případných technických problémů řekněme nanejvýš několikrát týdně.

Závěr:

1. Vizuální pozorovatel z této nevýhody přehlídek moc nevytěží. Většinou nedokáže pozorovat častěji než několikrát týdně a pozorování nepravidelných rychlých změn hvězdy během jedné noci žádný vědec neuvěří. Periodické proměnné viz bod 2.
2. CCD pozorovatel, který pozoruje častěji získá lepší data než přehlídka. Pokud bude provádět tzv. rychlou fotometrii, tj. během noci bude pozorovat jen jednu hvězdu a měřit ji třeba každé dvě minuty, nemůže mu žádná přehlídka konkurovat.

2. Periodické změny jasnosti

Existují ale typy proměnných hvězd, které se sice mění rychleji, než je přehlídky stačí pozorovat, nicméně se mění pravidelně. Typickým příkladem jsou zákrytové dvojhvězdy. Přísně periodické světelné změny můžeme jednoduše poskládat z různých nocí (obr. 2). Proto se daří z přehlídek oblohy jako je ASAS nebo ROTSE hledat elementy zákrytových soustav a s úspěchem je publikovat třeba ve známém odborném časopise IBVS. Dřívější snahy amatérů o hledání světelných elementů krátkoperiodických hvězd z vlastních dat jsou již dnes téměř zbytečné, z dat přehlídek to jde snáz.

Závěr:

1. Domnívám se, že vizuální pozorování zákrytových dvojhvězd a krátkoperiodických pulzujících hvězd (RR Lyr, delta Sct, apod.) dneska už nemá význam.
2. CCD pozorovatel sledující periodické proměnné hvězdy je na tom lépe, ale má šanci jen použije-li vícebarevnou fotometrii a bude pořizovat husté datové řady během noci.

3. Periodické proměnné s neperiodickými jevy

V předchozím odstavci jsem napsal, že periodické proměnné dokáží přehlídky oblohy pozorovat, i když jsou pod jejich časové rozlišení. Existují i výjimky a to jsou periodické proměnné s neperiodickými sekundárními aktivitami. Jinými slovy periodické hvězdy s proměnnou světelnou křivkou jako například RS CVn (skvrnité hvězdy) nebo hvězdy typu RR Lyr, u kterých se pozoruje tzv. Blažkův jev. Tyto změny hvězdné velikosti se nedají složit z více nocí.

Závěr:

1. Sekundární změny na světelných křivkách těchto hvězd jsou skoro vždy za hranicí možností vizuálního pozorovatele, protože se jedná o změny řádově setin maximálně pár desetin magnitudy.
2. CCD pozorovatel je u takových pozorování zatím nenahraditelný. Husté datové řady ve více filtrech jsou ideální.

4. Nepředvídatelné proměnné

Tuhle skupinu okupují zejména všechny typy kataklyzmických proměnných a symbiotické dvojhvězdy. Vyznačují se náhlými zjasněními doprovázenými často rychlými změnami jasnosti (superhumpy, flickering).

Závěr:

1. Vizuální pozorovatel může sloužit k tomu, že vzplanutí těchto hvězd ihned ohlásí.
2. CCD pozorovatel koná užitečnější práci než přehlídka oblohy. Ve spojení s jinými pozorovateli může pořídit velmi kvalitní světelnou křivku (viz obr. 3).

5. Krátká časová základna

Spousta automatických prohlídek funguje pouze omezený čas, většinou několik let. Důvodem je třeba omezené financování nebo technický vývoj systému. Třeba ASAS-2 pozoroval ve filtru I, zatímco následník ASAS-3 ve filtru V – data tedy nelze navázat. Pokud někdo zkoumá dlouhoperiodické proměnné hvězdy jako třeba symbiotické, polopravidelné, miridy a jiné, potřebuje k tomu co nejdelší řadu dat, nejlépe několik desetiletí. Dneska dokáží přehlídky oblohy produkovat nádherné a husté světelné křivky mirid, nicméně vědec se při analýze chování hvězdy nespokojí jen s nimi. Potřebuje starší data, a ta jsou až na pár výjimek výhradně vizuální či fotografická. Pokud se pokusíme sestavit dlouhodobou světelnou křivku, podaří se nám sehnat data třeba ze tří přehlídek, ale nebudou na sebe navazovat ani co se týká použitého filtru ani co se týká časového pokrytí.

Závěr:

1. Historická vizuálnídata dlouhoperiodických hvězd jsou velmi cenná. Pořizovat je dnes má menší význam, ale přesto se mohou hodit. Minimálně pro to, aby se vědělo jak na ně navázat současná CCD data. Detektory se jeden od druhého liší, ale lidské oko se nemění. Vizuální data tak tvoří a budou tvořit homogenní řadu. Je ale potřeba, aby jich bylo hodně a mohla se průměrovat.
2. CCD pozorovatel sledující několik let či dokonce desítky let vybrané objekty je nesmírně cenný (obr. 4). Musí se ale snažit používat stále stejný dalekohled, CCD kameru, filtry, aby jeho data nepodléhala změnám technických parametrů dalekohledu. Také by měl dbát na to, aby data zpracovával stále stejně, změna metody může vést např. k fiktivní změně amplitudy hvězdy či posunu střední hvězdné velikosti.

6. Vícebarevná fotometrie

Zatím žádná dostupná prohlídka neměří ve více barevných filtrech současně. Použití standardních filtrů nejen redukuje nežádoucí atmosférické vlivy, ale umožňuje i porovnání s ostatními pozorovateli. Můžeme také určit změny fyzikálních vlastností ve sledovaném objektu (teplota, omezeně i čáry ve spektru). Přehlídky používají jen jeden filtr z dobrého důvodu – stihnou toho více. Jinak by musely všechno měřit dvakrát a třeba časové rozlišení by se snížilo na polovinu. Buďme rádi, že alespoň nějaký filtr používají. Třeba ROTSE-1 měřil bez filtru a taková data mají jen omezené použití.

Závěr:

1. Bylo pár pokusů u vizuálních pozorovatelů používat filtr, ale v praxi to nikdo nedělá. Výsledky nestojí za to úsilí – jsou nepřesné a náročně získané.
2. Dá se tedy říci, že CCD pozorovatel může pozorovat cokoli - pokud použije třeba tříbarevnou fotometrii, vždycky bude jeho pozorování hodnotnější než pozorování přehlídkového dalekohledu (obr. 5).

7. Limitní hvězdné velikosti

Automatické prohlídky volí většinou konstantní expoziční dobu – z toho vyplývá, že hvězdy jasnější řekněme než 7 mag a slabší než cca 14 mag nejsou pokryty vůbec. Záleží to pochopitelně na dané přehlídce, ale můžeme říci, že hodně jasné a hodně slabé hvězdy unikají jejich schopnostem.

U jasných hvězd jsou užitečná pozorování hvězd všech typů. Objekty jsou většinou dobře prostudovány spektroskopicky, na jiných vlnových délkách apod.

Mezi slabými hvězdami si také můžeme vybírat libovolné typy a oproti jasným hvězdám se možnosti ještě rozšiřují. Lze objevovat supernovy a novy (hlavně v cizích galaxiích), nebo dosvity záblesků gama záření.

Je jasné, že přehlídka oblohy s omezením ve hvězdné velikosti nebude mít šanci sledovat např. celý cyklus miridy, prostě proto, že ji v minimu neuvidí (obr. 6).

Závěr:

1. Někteří vizuální pozorovatelé sledují velmi jasné hvězdy a jsou v tom velmi úspěšní. S. Otero z Argentiny vyvinul metodu, která mu umožňuje získávat vizuální odhady s přesností setin magnitudy, tedy podobné jakou mají fotometrická měření. Pro vizuální pozorování slabých hvězd je potřeba velký dalekohled, řekněme nad 50cm a ten je drahý. Kdo ho má, má peníze většinou i na CCD kameru.
2. Ještě dodejme, že i CCD pozorovatel je omezen hvězdou velikostí shora i zespoda, ale může to řešit vhodnou volbou expoziční doby.

8. Nízká amplituda

Obecně lze říci, že automatické přehlídky produkují kvantitu na úkor kvality. Pozorují obrovské množství hvězd, ale s nízkou přesností. V datech je vždy nějaký ten šum a pokud dokážeme pozorovat s menším šumem, vyhráli jsme. Můžeme se věnovat například pozorování exoplanet, pulzujících hvězd s malou amplitudou ( Sct, ZZ Ceti, RPHS).

Závěr:

1. Vizuální pozorovatel kvůli nízké amplitudě nemá žádnou šanci.
2. Tato pozorování vyžadují zkušeného CCD pozorovatele, který dokáže pečlivým měřením a vhodným zpracováním stlačit rozptyl světelné křivky na minimum.

9. Nízká flexibilita

Dalším omezením, které mě napadá, je malá „pružnost“ automatických přehlídek. Už samotná podstata čehokoli automatického spočívá v tom, že to funguje samo a nikdo do toho pokud možno nezasahuje. Takové automaty potom jen „tupě“ dělají pořád dokola to samé. Ale co když se v zorném poli objeví nova, supernova, kometa, vzplanutí kataklyzmické hvězdy? Automat neudělá nic neobvyklého – vyfotí pole jako vždycky. Naproti tomu živý astronom si toho všimne (ne vždycky) a hned to může ohlásit do světa a především může hned svůj pozorovací program přizpůsobit této události (obr. 7). Třeba už nebude tu noc pozorovat další miridy, které se do příští noci stejně moc nezmění a raději začne s rychlou fotometrií nového zajímavého objektu.

Závěr:

1. Vizuální pozorovatel je na ohlašování neobvyklého chování hvězd a různých vzplanutí přímo ideální „instrument“. Někteří se přímo specializují na hlídání trpasličích nov a předhání se s kolegy, kdo jako první výbuch ohlásí.
2. CCD pozorovatel, který během noci měření rovnou zpracovává si také může lecčeho všimnout. Ale málokdo to dělá a navíc CCD kamera řízená člověkem nedokáže během noci sledovat tolik objektů jako vizuální pozorovatel.

10. Stále ve střehu

Možná si někteří amatéři myslí, že taková přehlídka oblohy pozoruje neustále a nic jí neunikne. Jenomže to není možné z několika důvodů. Jednou denně tomu brání denní světlo, někdy špatné počasí, někdy technické problémy, které odstaví systém třeba na několik týdnů. Ve světelných křivkách hvězd, které vyžadují stálý dohled vznikají nepříjemné mezery a Murphyho zákon pro pozorování proměnných hvězd říká: „S hvězdou se děje něco zajímavého vždy, když ji zrovna nikdo nepozoruje“. V takovém případě by se na doplnění hodila data nějakého CCD pozorovatele (obr. 8).

Závěr:

1. Někdy se na doplnění fotometrických dat z přehlídky hodí i vizuální data.
2. V podstatě nejsou zbytečná žádná CCD měření, protože v datech z přehlídek oblohy jsou často velké mezery, které se pak dají CCD daty dobře doplnit.

Úplný závěr

Co říci závěrem? Automatické přehlídky pro CCD pozorovatele příliš velké ohrožení neznamenají, ale je třeba pečlivěji vybírat pozorovací program. Naopak v řadě případů mohou být data z přehlídek skvělým doplněním vašich CCD i vizuálních pozorování. Vizuální pozorovatel má úlohu stále méně významnou, ale přesto se může uplatnit např. ohlašováním neobvyklých událostí, vzplanutí hvězd apod. Všem pozorovatelům bych chtěl jasně říci, že není důvod k pesimismu – vaše pozorování jsou velmi cenná a v mnoha případech užitečnější než přehlídky oblohy. Při volbě pozorovacího programu se poraďte s odborníky a zapojte se do některé existující skupiny – více pozorovatelů znamená více dat a více dat znamená lepší výsledky. Proto neváhejte a sledujte noční oblohu, proměnných hvězd je známo čím dál více a o tisících z nich se nic neví!

Seznam přehlídek oblohy, jejichž data jsou volně k dispozici na internetu:
The All Sky Automated Survey – ASAS - http://archive.princeton.edu/~asas/
The Amateur Sky Survey - TASS - http://www.tass-survey.org/
Družice Hipparcos - http://astro.estec.esa.nl/Hipparcos
Robotic Optical Transient Search Experiment - ROTSE - http://skydot.lanl.gov/nsvs/nsvs.php

Poděkování

Tento přehled by nevznikl bez pozorování tisíců amatérských pozorovatelů proměnných hvězd jak ze světa, tak od nás. V článku jsou využity přednášky O. Pejchy a Pavola A. Dubovského přednesené na 10. setkání skupiny MEDÚZA v Hlohovci a XMedGraf L. Bráta.

Petr Sobotka, Ondřejov, 30. 10. 2004