Legendárna kamera ožíva alebo reinkarnácia Baker-Nunn

História

Tento rok 4. októbra si pripomíname 60-te výročie vypustenia prvej umelej družice Zeme, Sputnik 1. Málokto z mladšej generácie (vrátane autora) si vie predstaviť, aký úžas, ohromenie ale aj strach táto udalosť vyvolala najmä na západnej hemisfére. Kým na východe jasali, v Pentagone pociťovali obavy a úzkosť pri predstave implikácií, ktoré let Sputnika 1 vyvolal. Let prvej umelej družice Zeme totiž znamenal, že Sovietsky zväz ako prvý disponuje použiteľnou interkontinentálnou balistickou strelou (raketa R-7). A práve spomínaná udalosť a potreba sledovania prvých umelých družíc má úzku väzbu na predmet tohto článku, sledovaciu kameru s konštrukciou Baker-Nunn (BNC).

Ale aby sme sa preniesli od poézie k próze, americká strana z pragmatických dôvodov pracovala na sledovacom systéme od začiatku 50-tych rokov v rámci tzv. projektu Vanguard.  Projekt spočíval na dvoch hlavných komponentách, rádioelektronickej (Minitrack) a optickej (Baker-Nunn). Za optickú časť pritom zodpovedali Fred Whipple a J. Allen Hynek zo Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO), pričom jej jadro malo tvoriť dvanásť pozorovacích staníc spolu s presnými časovými normálami umiestených v rôznych lokalitách sveta. Optický návrh bol zverený J. G. Bakerovi, konzultantovi spoločnosti Perkin-Elmer a mechanickú časť navrhol Joseph Nunn. Optiku následne konštruoval a dodával Perkin-Elmer a mechaniku Boller and Chivens. Pre doplnenie, Perkin-Elmer bude asi rozhľadenejším amatérom resp. fotografom znieť povedome, je to spoločnosť s dlhou tradíciou v oblasti optiky, ktorá stála napr. za (nekorigovanou) konštrukciou optiky pre Hubblov teleskop. Celkove bolo podľa dostupných informácií vyrobených približne 22 BNC, z toho 10 prevádzkovalo americké vojenské letectvo USAF v rámci vlastného programu sledovania a kategorizácie objektov na obežnej dráhe. Ohľadom presnej lokalizácie jednotlivých prístrojov panujú v dostupnej literatúre značné rozpory, napriek tomu sa autor pokúsil o sumarizáciu informácií, ktoré sú uvedené v tabuľke.

Konštrukcia kamery je znázornená na fotografii vľavo. Z optického hľadiska je pôvodný Baker-Nunn katadioptrický aplanát s priemerom primárneho zrkadla 0,78 m a svetelnosťou 1,0 (!!!) s trojšošovkovým čiastočne asférickým korekčným členom s priemerom 0,5 m. Tento korekčný člen spolu s absenciou sekundárneho zrkadla je hlavným rozdielom oproti tradičnejším katadioptrickým systémom typu Schmidt-Cassegrain resp. Maksutov-Cassegrain, ktoré pozná asi každý fanúšik astronómie. Daňou za vysokú svetelnosť konštrukcie BN je práve korekčný člen s veľkou optickou mohutnosťou, ktorý tak do konštrukcie vnášal dodatočnú chromatickú aberáciu (tzv. farebná chyba).  Baker sa s tým vysporiadal tak, že pre dve vonkajšie šošovky korekčného člena použil exotické sklo Schott KzFS-2 a pre vnútornú šošovku sklo Schott SK-14. Obrazová rovina bola podobne ako v prípade klasickej Schmidtovej komory nerovinná. Cez ňu bol z postranných bubnových zásobníkov prevíjaný fotografický film Cinemascope so šírkou 55 mm, ktorý poskytoval zorné pole až 30°×5°.

V danej dobe boli optické parametre systému fenomenálne. Systém umožňoval meranie pozícií satelitov s uhlovou presnosťou 2”. Presné pozorovania umožnili po prvýkrát určiť parametre ako odpor atmosféry pri pohybe satelitov, sploštenie Zeme, radiálne rozloženie hmoty Zeme a mnohé ďalšie. V noci 4. októbra 1957 bola prvá BNC ešte v rozloženom stave a prechádzala úpravami ale vzhľadom na eufóriu, ktoré vypustenie Sputnika 1 vyvolalo, boli už 17. októbra zhotovené prvé fotografické záznamy družice. Sledovacia sieť SAO pritom začala pracovať od r. 1958, s tým, že postupne dochádzalo k jej rozširovaniu a aj pomerne častým presunom jednotlivých kamier. Začiatkom 80-tych rokov, zároveň s príchodom modernejších pozorovacích technológií  ako GEODSS (Ground Based-Electro-Optical Deep Space Surveillance) to vyzeralo na labutiu pieseň BNC a väčšina systémov bola buď demontovaná alebo zrušená.

Na veľkú radosť fanúšikov (vrátane autora) ale masívny nástup CCD technológie v astronómii v priebehu 90-tych rokov a následný prechod k robotizácii ďalekohľadov a tzv. automatizovaným prehliadkam oblohy znamenal oživenie záujmu o vysokosvetelné systémy s veľkým zorným poľom. V tomto ohľade predstavuje BNC prakticky ideálne riešenie.

Pôvodná lokalita	Prevádzkovateľ	Aktuálny prevádzkovateľ/stav
Jupiter, Florida	USAF	Premiestnená do Dionysos, Grécko
Organ Pass, Nové Mexiko	SAO	r.  1968 na Mt. Hopkins, od r. 1980 do NASM
Olifantsfontein, Juhoafrická Republika	SAO	r. 1975 prevezená do St. Margarets, Kanada, aktuálne v EASM?
Cadiz, Španielsko	SAO	Fabra ROA, upgrade na CCD a robotizácia
Mitaka, Japonsko	SAO	Himeji Science Museum, Japonsko
Nainital, India	SAO	ARIES, upgrade na CCD
Arequipa, Peru	SAO	PHASTTER, plánovaný upgrade
Shiraz, Irán	SAO	V r. 1966 prevezená do Debre Zeit, Etiópia, v r. 2012 obeťou požiaru v EASM?
Curacao, Holandské Antily	SAO	V r. 1967, prevezená do Natal, Brazília, momentálne Center for Culture and Tourist Information
Villa Dolores, Argentína	SAO	Zrušená, ?
Comodoro Rivadavia, Argentína	SAO	Zrušená, ?
Haleakala, Havaj	SAO	Phoenix USAF, CCD
Woomera, Austrália	SAO	Prevezená do Siding Spring, APT, CCD, robotizácia
Dakar, Senegal	SAO	?
Edwards AFB, Kalifornia	USAF	?
Johnston Island	USAF	?
San Vito, Taliansko	USAF	Zrušená, aktuálne ?
Cold Lake, Kanada	USAF	Presun do RAO, Kanada, CCD
Harestua, Nórsko	USAF	Prevezená na Mt. John, Nový Zéland, aktuálne?
Santiago, Chile	USAF	?
Pulmosan, Južná Kórea	USAF	?
Kwajalein, US	USAF	?

SAO - Smithsonian Astrophysical Observatory, EASM – Evergreen Aviation and Space Museum

 

Návrat legendy

Ako vidieť z priloženej tabuľky, existuje v prípade viacerých prístrojov značná neistota ohľadom ich ďalšieho osudu. To sa týka najmä kamier prevádzkovaných USAF, kde je z pochopiteľných príčin ťažké vysledovať jednotlivé súvislosti. Čo ale vieme s určitosťou povedať je, že najmenej v štyroch prípadoch došlo k repasovaniu pôvodných prístrojov s následným upgradom na CCD. Týka sa to prístroja observatória Montsec Fabra ROA v Katalánsku, prístroja ARIES v indickom Nainital, Phoenix na Havaji, APT v austrálskom Siding Spring a observatória RAO v Kanade. Skupina okolo BN kamery v Arequipa sa pokúsila o získanie potrebných prostriedkov pre upgrade schémou „crowd funding“, ale podľa dostupných informácií zatiaľ neuspela.

Ďalej si budeme všímať iba prípad teleskopu observatória Fabra ROA v Španielsku, ktorý sa z hľadiska realizovaných úprav dá považovať za typický, naviac je veľmi dobre zdokumentovaný. Popri rutinných úpravách, ktoré spočívali v opätovnom leštení optických plôch a znovupokrytí primárneho zrkadla reflexnou vrstvou (Diamond-Brite^TM), resp. pokrytí ostatných prvkov ochrannými a antireflexnými vrstvami, hlavnú výzvu predstavovala konštrukcia dodatočného korekčného prvku pre vyrovnanie poľa v obrazovej rovine. Ako už bolo uvedené, pôvodná konštrukcia BNC využívala nerovinnú obrazovú rovinu, kým súčasná technológia CCD v princípe neumožňuje konštrukciu zakrivených CCD čipov. Korekčný člen pozostáva z troch prvkov: dvojvypuklej (bikonvexnej) šošovky z materiálu CaF₂, čiastočne asférického menisku a planárneho farebného filtra. Úlohou menisku je korekcia astigmatizmu a poduškovitého skreslenia, ktoré do systému vnáša dodatočná bikonvexná šošovka. Kamera po rekonštrukcii vykazuje svetelnosť 0,96 s rovinným zorným poľom s rozmerom 4,4°×4,4° a celkovou priepustnosťou systému 63 %, t.j. 63 % svetla dopadajúceho na vstupnú apertúru kamery dopadne na plochu CCD detektora. Prístroj dáva uhlovú rozlišovaciu schopnosť 3,9” a limitnú magnitúdu V ~ 19.5 mag.

Po rekonštrukcii sa španielsky (resp. katalánsky) prístroj využíva v dvoch ťažiskových pozorovacích programoch, ide o fotometrické vyhľadávanie exoplanét a monitoring tzv. kozmického smetia. Sekundárnym programom je sledovanie a monitoring populácie blízkozemných asteroidov. Nepochybne pôvodný tvorcovia BNC ani netušili, že ich výtvor bude veľmi žiadaným artiklom v repertoári astronómie 21. storočia, pričom kamera zostáva z hľadiska optiky unikátnou aj po uplynutí  šesťdesiatich rokov.

Opäť sa raz ukazuje, že dobrá optika nestarne. Pre príklady nemusíme chodiť ďaleko. Pracovníci Astronomického a geofyzikálneho observatória v Modre veľmi úspešne prevádzkujú tzv. „staroďalskú šesťdesiatku,“ t.j. newtonov ďalekohľad s priemerom primárneho zrkadla 60 cm konštrukcie Zeiss, ktorý bol pôvodne ešte v r. 1927 nainštalovaný na hvezdárni v Starej Ďale (súčasné Hurbanovo). Ďalekohľad sa tak tohto roku dožíva úctyhodných 90 rokov od prvej inštalácie.

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] The Rothney Astrophysical Observatory
[2] NASA
[3] Telescope Fabra ROA Montsec
[4] Boller & Chivens
[5] bakernunn.org