NFC - nový systém pro pozorování slabých meteorů

05.05.2015

ÚVOD

Běžné kamerové systémy fungující v sítích EDMONd (European viDeo MeteOr Network) a BRAMON (BRAzilian MeteOr Network) pracují s CCTV kamerami, které jsou vybaveny CCD čipy o velikosti 1/2“ a 1/3“ a většinou CCTV objektivy s proměnným ohniskem (varifokální). Tyto systémy disponují zorným polem (FOV) o velikosti kolem 70 stupňů horizontálně a 56 stupňů vertikálně, což odpovídá běžnému PAL D1 signálu s rozlišením obrazu 720x576 pixelů. Kamery v této konfiguraci jsou schopné zaznamenat nejslabší meteory o zdánlivých jasnostech mezi +1,5 a +2,0 mag. Spíše výjimečně jsou pak schopné zaznamenat i meteory slabší, nicméně účinnost systémů pak drasticky klesá (pro meteory kolem +2,5 mag je to pouze kolem 10% - tedy průměrně každý desátý meteor této hvězdné velikosti je systémem zachycen).

Úvodní obrázek ve větším rozlišení.

CCTV systém zaměřený na sledování slabých meteorů s limitní mezní hvězdnou velikostí kolem +6,5 mag (meteory) umožňuje výzkum drah méně hmotných meteoroidů v rámci jednotlivých meteorických rojů, případně sporadického pozadí, a také výzkum fragmentace slabých meteorů. Stále otevřenou otázkou je pak absence stop u slabých meteorů. Zatímco standardní CCTV kamery zaznamenávají tělesa o hmotnostech v řádech gramů, citlivý NFC systém je schopný zaznamenat tělesa se vstupní hmotností mezi 10^-1 až 10^-2 g (v závislosti na vstupní rychlosti tělesa).

HISTORIE VÍCESTANIČNÍHO POZOROVÁNÍ SLABÝCH METEORŮ

„Narrow field camera“ systému CAMO

Vícestaniční pozorování slabých meteorů, ať už videotechnikou nebo fotografickou technikou, je v současné době poměrně opomíjeným odvětvím meteorické astronomie.

Prvním systémem pro zaznamenávání slabých meteorů byla dvojice Baker Super-Schmidt kamer (se třemi menisky), která byla instalována na dvou stanicích v USA (Sacramento Peak, Mayhill) od roku 1952 do roku 1954. Jednalo se o fotografický systém se zorným polem 56° a limitní mezní hvězdnou velikostí +11,0 mag (hvězdy) a +4,0 mag (meteory). Rotační sektor s 1 800 otáčkami za minutu dokázal rozdělit dráhu meteoru 60krát během jedné sekundy letu. Během trvání programu bylo zaznamenáno celkem 4 500 meteorů, z nichž více jak 3 500 bylo zachyceno z obou stanic. Výsledkem práce systému byl katalog 413 velmi přesných drah meteorů (Jacchia a Whipple, 1956).

Dalším pokusem bylo použití dvou identických zrcadlových dalekohledů (systém Newton) s průměrem zrcadla 40 cm a světelností f/4,5 v kombinaci s CCD kamerou se zesilovačem obrazu (QIEBIR) na observatoři Elginfield (Kanada). Systém byl spuštěn během 6 nocí v září 2003 a květnu 2004, zorné pole každého dalekohledu bylo 0,48° horizontálně a 0,34° vertikálně s limitní mezní hvězdnou velikostí +13,0 mag (hvězdy) a +9,0 mag (meteory). Vzdálenost obou dalekohledů byla pouze 27,5 m (9/2003) a 105,2 m (5/2004). V uvedeném období bylo zaznamenáno celkem 87 slabých meteorů, z nichž 56 bylo dvojstaničních.

Posledním dlouhodobějším projektem (fungujícím i v současné době) je kanadský systém CAMI (The Canadian Automated Meteor Observatory), který je v provozu od roku 2005. Systém sestává ze dvou identických stanic ve vzdálenosti 50 km. Každá stanice obsahuje vysokorychlostní (80 sn/s) CCD kameru Imperx LYNX IPX-VGA120-L se širokým zorným polem (25x10°) se zesilovačem obrazu ITT Nitecam 380i, která má limitní mezní hvězdnou velikost +7,0 mag (hvězdy). Slouží pro zaznamenání meteorů v reálném čase a pro určení pozice dvou zrcadel v okamžiku přeletu meteoru. Tato zrcadla dále odráží světlo meteoru do části kamery s úzkým zorným polem, která se skládá z refraktoru ZenithStar 80/545 mm (f/6,8) s vysokorychlostní (80 sn/s) CCD kamerou Imperx LYNX IPX-VGA120-L se zesilovačem obrazu ITT Nitecam 380i. Průměr zorného pole této části systému je 1,5° a absolutní magnitudy zaznamenaných meteorů se pohybují obvykle mezi +4,1 mag a -1,7 mag, limitní mezní hvězdná velikost tohoto systému je +6,0 mag (meteory). S tímto projektem je také spojena dvojice kamer PCO Imaging 1600, opět se zesilovačem obrazu ITT Nitecam 380i a širším zorným polem 21° (horizontálně), která má limitní mezní hvězdnou velikostí +10,0 mag (hvězdy) a +7,5 mag (meteory), nevýhodou je poměrně nízká snímkovací frekvence (20 sn/s), výhodou pak vysoké rozlišení (1 600 x 1 200 px).

SPECIFIKACE SYSTÉMU

Osazení a skladba systému NFC – stanice Kroměříž	NFC stanice na hvězdárně Valašské Meziříčí

Rozsah systému NFC (Narrow Field Camera) v rámci sítě CEMeNt je prozatím plánován v počtu 6 stanic, z nichž 4 jsou realizovány v rámci projektu RPKS. Dvě jsou již v provozu a jsou umístěny v ČR (Valašské Meziříčí, Kroměříž) a 4 budou umístěny v SR (Banská Bystrica-Vartovka, Žiar nad Hronom, Zákopčie a Kysucké Nové Mesto).

Základem každé ze stanic je citlivá CCTV kamera Watec 902 H2 Ultimate s 1/2“ čipem Sony ICX429ALL a citlivostí v BW režimu 0,0001 lx se světelným objektivem Meopta Meostigmat 1/50 – 52,5 mm, o ohniskové vzdálenosti 50 mm a světelnosti f/1,0. Převod signálu z analogového výstupu z kamery Watec na digitální vstup do PC je zajištěn USB A/D převodníkem AverMedia DVD EzMaker, pro záznam a vyhodnocení jednotlivých meteorů je používán software UFO Tools (Ufo Capture, Ufo Analyzer a Ufo Orbit). Ochrana systému proti povětrnostním podmínkám je realizována krytem s vyhříváním Marathon MH 805/12 s krytím IP 66.

Zorné pole systému o rozměru 6,8° horizontálně a 5,4° vertikálně je plošně zhruba 100krát menší než zorné pole klasických CCTV kamer v síti EDMONd nebo BRAMON. Limitní mezní hvězdná velikost v průběhu nocí s průměrnými podmínkami je +9,5 mag (hvězdy) a +6,0 mag (meteory), v průběhu nocí s výbornými podmínkami pak +10,4 mag (hvězdy) a +7,0 mag (meteory).

VÍCESTANIČNÍ POZOROVÁNÍ METEORŮ SYSTÉMEM NFC

První meteor zaznamenaný systémem NFC a také běžnou kamerou (Kroměříž ENE)

První pevně instalovaná stanice systému NFC byla uvedena do provozu 1. 4. 2015 v Kroměříži. Stanice má fixní uložení, není tedy možné měnit polohu FOV, s azimutem středu FOV 27,9° a elevací 43,4°. Jako druhá v pořadí byla instalovaná stanice Valašské Meziříčí (15. 4. 2015), která je umístěna na terase jižní budovy hvězdárny. Stanice má možnost měnit polohu FOV jak v horizontálním, tak ve vertikálním směru a stávající azimut středu FOV je 4,1° a elevace 53,8°.

Do 28. 4. 2015 bylo oběma systémy (včetně testovacího provozu v roce 2014) zaznamenáno v průběhu 22 nocí celkem 227 jednostaničních meteorů, z nichž 88 bylo zaznamenáno oběma stanicemi. K tomuto datu je tedy k dispozici 44 drah vícestaničních meteorů, největší zastoupení mají sporadické meteory (32 drah), z rojových pak ZCY (3 dráhy), LVI (2 dráhy) a KCG, LYR, PUM, SPE, AIC, NIA a NCY (po 1 dráze). Vzhledem k datu uvedení do provozu stanice Valašské Meziříčí (15. 4. 2015) byla tato stanice v provozu pouze 13 nocí, a to včetně 2 nocí v roce 2014.

Srovnání zorného pole (FOV) stanic Kroměříž ENE a Kroměříž NFC	Zorné pole (FOV) stanic Kroměříž a Valašské Meziříčí

Před testovacím provozem systému NFC v roce 2014 byla zpracována teoretická distribuce rozložení zdánlivých jasností a odhad počtu zaznamenaných meteorů, který je možné očekávat při použití systému NFC. Jako referenční vzorek dat bylo využito distribuce zdánlivých jasností z běžných kamer sítě CEMeNt v roce 2014 (59 925 meteorů), uvažovaná mezní hvězdná velikost těchto systémů byla +5,2 mag. Odhad počtu zaznamenaných meteorů systémem NFC byl korigován na malé zorné pole systému a také na vyšší počet meteorů slabších magnitud při populačním indexu 2,8. Limitní hvězdná velikost systému NFC byla uvažována +9,6 mag, v souladu s měřeními provedenými během jednostaničních testů v roce 2014.

Teoretická distribuce jasností meteorů a její srovnání s reálnou distribucí jasností ze systému NFC (stanice Kroměříž a Valašské Meziříčí)

Během provozu stanic v uvedeném období byla zpracována skutečná distribuce jasností z obou NFC kamer, která byla porovnána se skutečným počtem meteorů zaznamenaných v uvedeném období na běžných kamerách sítě CEMeNt, které mají shodný směr FOV jako kamery NFC. Pro stanici Kroměříž NFC bylo využito stanice Kroměříž ENE a pro stanici Valašské Meziříčí NFC pak kamery Zlín N, neboť na hvězdárně Valašské Meziříčí není osazena kamera se shodným směrem FOV kromě spektrografu, který není pro tyto účely vhodný.

Podle teoretického modelu by se mělo maximální množství meteorů zaznamenaných systémem NFC nacházet kolem zdánlivé jasnosti +5,0 mag, podle reálné distribuce jasností je to pak kolem +4,75 mag. Taktéž celkové množství zaznamenaných meteorů v poměru k běžnému kamerovému systému je podle modelu kolem 60%, podle reálných dat je to pak 79%. Vyšší množství zaznamenaných meteorů systémem NFC proti předpokladu ovšem může být způsobeno výběrovým efektem. Měsíc duben je charakteristický obecně nízkou meteorickou aktivitou (s výjimkou meteorického roje Lyrid) a také vyšším výskytem slabých meteorů. Pro přesné srovnání teoretického modelu a reálných počtů meteorů je tedy nutné mít větší soubor dat, ideálně pak z celého roku provozu NFC systému.

VÝSLEDKY – VÍCESTANIČNÍ DRÁHY SLABÝCH METEORŮ

2D projekce 44 dvojstaničních drah ve Sluneční soustavě

Během 13 nocí vícestaničního provozu systému NFC bylo zaznamenáno celkem 44 dvojstaničních drah, efektivita párování jednostaničních meteorů byla tedy 47%. Nižší efektivita párování je způsobena rozdílným stavem počasí na obou stanicích v některých nocích vícestaničního provozu. Prvním kritériem pro hodnocení kvality získaných dat bylo posouzení rozdílu geocentrických rychlostí (vg) drah meteoroidů mezi jednotlivými stanicemi. Minimální absolutní rozdíl vg byl 0,03 km/s, maximální 7,47 km/s a průměrný pak 0,81 km/s, poměrný rozdíl (ve vztahu ke geocentrické rychlosti unifikované dráhy) pak byl minimálně 0,12%, maximálně 21,71% a průměrně 4,11%. Průměrná zdánlivá jasnost meteorů zaznamenaných systémem NFC byla v uvedeném období +4,19 mag, zatímco průměrná zdánlivá jasnost meteorů zaznamenaných na přiřazených klasických kamerách sítě CEMeNt (Kroměříž ENE, Zlín N) byla +0,31mag.

2D projekce atmosférických drah 44 dvojstaničních meteorů

Dalším kritériem pro posouzení kvality drah meteoroidů byla úhlová odchylka proložené přímky a skutečného záznamu meteoru (cdeg) a také odchylka v přesnosti určení polohy bodů dráhy meteoru, vycházející z astrometrie hvězdného pozadí (ddeg). Obě tyto hodnoty jsou udávány v úhlových stupních. Minimální hodnota parametru ddeg ze všech 227 jednostaničních meteorů byla 0,0014, maximální 0,00591 a průměrná 0,0027, přičemž průměrná hodnota ddeg ze všech běžných kamerových systémů v síti CEMeNt v roce 2014 je 0,0347. Kamerový systém NFC je tedy v tomto směru víc jak 13krát přesnější než běžné systémy. Minimální hodnota parametru cdeg ze všech 54 jednostaničních meteorů byla 0,0009, maximální 0,00323 a průměrná 0,0015, přičemž průměrná hodnota cdeg ze všech běžných kamerových systémů v síti CEMeNt v roce 2014 je 0,0195. Kamerový systém NFC je tedy v tomto směru víc jak 13krát přesnější než běžné systémy. V tabulce je uveden přehled části vícestaničních drah i s jednotlivými rozdíly vg mezi stanicemi.

ZÁVĚR

Výsledky z prvního měsíce provozu dvojice stanic systému NFC jednoznačně ukazují možnosti jeho uplatnění při studiu slabých meteorů – výrazné zpřesnění orbitálních elementů drah meteoroidů ve Sluneční soustavě, možnost výzkumu stop slabých meteorů a také možnost detailního výzkumu fragmentace i v případě jasnějších meteorů.

Observační systémy jsou rozvíjeny v rámci mikroprojektu Rozvoj přeshraniční kooperující sítě pro odbornou práci a vzdělávání.

Projekt je spolufinancován z Fondu Mikroprojektů Operačního programu příhraniční spolupráce Slovenská republika – Česká republika 2007 – 2013

autor: Jakub Koukal