Робот-телескоп МАСТЕР: система автоматической обработки изображений и результаты наблюдений некоторых транзиентных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат физико-математических наук Белинский, Александр Александрович

• Белинский, Александр Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Белинский, Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. Поисковые робот-телескопы.

2. Общая характеристика работы.

Глава I. Комплекс программного обеспечения для обработки и хранения данных, получаемых с робот-телескопа МАСТЕР.

1.1. Общие принципы автоматической обработки изображений.

1.2. Обработка изображений в алертном режиме.

1.3. Обработка изображений в режиме обзора.

1.4. Система хранения (база) данных.

Глава II. Алертные наблюдения оптического излучения гаммавсплесков

II. 1. Результаты наблюдений оптического послесвечения некоторых гамма-всплесков.

11.1.1. Гамма-всплеск GRB 030329.

II. 1.2. Гамма-всплеск GRB 050824.

II. 1.3. Гамма-всплеск GRB 060926.

II.2. Оценка верхнего предела блеска гамма-всплесков, у которых оптическое излучение не было зарегистрировано.

Глава III. Возможности системы МАСТЕР при наблюдениях в обзорном режиме.

III. 1. Обнаружение сверхновых звезд.

111.2. Наблюдения астероидов.

111.3. Наблюдения экзопланеты TrES-2.

111.4. Неотождествленные транзиентные события.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Робот-телескоп МАСТЕР: система автоматической обработки изображений и результаты наблюдений некоторых транзиентных объектов»

1. Поисковые робот-телескопы.

Создание роботизированных обсерваторий - одно из самых актуальных и быстро развивающихся направлений современной астрономии. Автоматизированные астрономические комплексы, обладающие широким полем зрения и способностью быстро наводиться в любую точку неба, незаменимы при поиске транзиептных феноменов на небе (гамма-всплесков, вспышек сверхновых и новых звезд и т.п.), когда невозможно заранее предугадать в какой момент и куда следует наводить телескоп.

На сегодняшний день в разных странах создано несколько десятков телескопов-роботов, каждый из которых, как правило, предназначен для решения определенного класса задач. Например, автоматическая система ROTSE-III создана, прежде всего, для обнаружения оптического послесвечения гамма-всплесков, система KAIT предназначена исключительно для поиска сверхновых звезд, а главной задачей комплекса робот-телескопов SuperWASP является обнаружение новых экзопланет.

Оптические схемы, размер поля зрения, характеристики приемников и типы монтировок значительно варьируются у различных систем робот-телескопов, что связано с различными классами решаемых задач. Так система ROTSE-III представляет собой телескоп с диаметром зеркала 450 мм и полем зрения около 4 квадратных градусов. Он установлен на монтировке, которая обеспечивает наведение на объект со скоростью порядка 20°/сек. Указанные характеристики робот-телескопа позволяют ему быстро наводиться в область ошибок гамма-всплесков и обнаруживать их сравнительно слабые оптические послесвечения. Основу системы KAIT составляет телескоп системы Ричи-Кретьена с диаметром зеркала 760 мм и полем зрения порядка 10'. Скорость наведения на объект у этого телескопа сравнительно небольшая, поскольку поиск сверхновых производится в режиме последовательного просмотра заранее выбранных областей неба, зато предел обнаружения у данной системы существенно лучше, чем у системы ROTSE-III. Что касается системы SuperWASP, то она состоит из 8 камер с фотографическими объективами диаметром 110 мм, которые установлены на общей монтировке, но смотрят в разные стороны, охватывая в сумме область около 475 квадратных градусов. Ясно, что для поиска экзопланет эта система, вообще, не нуждается в монтировке, обеспечивающей сколь-иибудь быстрое наведение.

Работа автоматических астрономических систем обеспечивается комплексом программного обеспечения, который позволяет управлять робот-телескопом и его укрытием, обеспечивать, как минимум, первичную обработку получаемых изображений, а затем хранить соответствующую информацию. Программное обеспечение каждого автоматизированного астрономического комплекса имеет свою специфику, определяемую решаемой задачей, т.е. не может быть универсальным.

Рис. 1. Робот-телескоп МАСТЕР широкого поля зрения вблизи г. Домодедово, МО.

Робот-телескоп МАСТЕР (http://оbserv.pereрlet.ru), фотография которого приведена на Рис.1, был создан коллективом сотрудников Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ под руководством профессора В.М. Ляпунова и установлен в 30 км от Москвы. Главным элементом системы МАСТЕР является телескоп модифицированной системы Рихтера-Слефогта - он отмечен цифрой 1 на Рис.1 - на автоматизированной монтировке. Автор идеи и расчетов оптической схемы телескопа, приведенной на Рис. 2, д.ф.-м.н. В.Ю.Теребиж. Диаметр входного зрачка телескопа - 355 мм, фокусное расстояние - 920 мм. В ньютоновском фокусе телескопа установлена ПЗС-камера Apogee Alta U16 (основные характеристики представлены в таблице 1). Указанные параметры приемника и оптической схемы обеспечивают поле зрения системы МАСТЕР ~ 6 квадратных градусов.

Рис. 2. Оптическая схема модифицированной системы Рихтера-Слефогта

Управляемая компьютером параллактическая монтировка немецкого типа позволяет наводиться в заданную точку неба со скоростью 5 градусов/сек. Телескоп находится в помещении, крыша которого открывается и закрывается по команде компьютера, анализирующего поступающую от метеодатчиков информацию.

Таблица 1. Основные характеристики ПЗС-камеры Apogee Alta U16

Тип ПЗС-приемника ПЗС-матрица с прямой засветкой, Kodak КАР-1680IE

Размерность ПЗС-приемника 4096 х 4096 пикселей

Размер пикселя 9x9 мкм

Размер чувствительной области 36.86x 36.86 мм

Динамический диапазон 76 dB

Пиковая квантовая эффективность (580-660 нм) 66%

Длительность экспозиции 30 мс — 183 мин.

Система охлаждения Термоэлектрическая, до -40° С от окружающей температуры

Разрядность 16 бит при частоте считывания 1МГц

Полное время считывания (типичное) 25 секунд

Кроме основного телескопа на монтировку установлены еще три телескопа меньшего диаметра с потенциальным полем зрения до 20 квадратных градусов - см. Рис.1, на котором цифрами 2-4 обозначены эти телескоры: 1) модифицированный Рихтер-Слефогт телескоп (№2 па рисунке, D=200 мм, D/F - 1:2,6, построен Г.В. Борисовым); 2) телескоп системы Флюгге (№3 на рисунке, D=280 мм, D/F - 1:2,6); 3) телескоп системы Райта (№4 на рисунке, D=200 мм, изготовлен А.В. Санковичем), оборудованный турелью фильтров и камерой Sbig ST-10XME. Все телескопы установлены параллельно друг другу, что при необходимости позволяет вести синхронные наблюдения в разных фильтрах. На телескопе системы Флюгге установлена гризма с ПЗС-камерой, позволяющая получать низко-дисперсионные спектры объектов с блеском до 13ш в поле 30' х 40' с экспозицией 1 минута.

Чтобы обеспечить быстрое и сравнительно точное наведение телескопов на заданную область неба на параллактическую монтировку были установлены два идентичных привода: один - для оси склонения, другой - для полярной оси. Привод состоит из шагового двигателя ДШИ-200 и специально разработанного интеллектуального контроллера, связанного с управляющим компьютером через интерфейс RS485. Контроллер обеспечивает перемещение на заданное расстояние с заданной скоростью п параметрами разгона и торможения.

Управляющая программа, работающая в операционной системы Linux, обеспечивает выполнение запросов на наведение телескопов от сервера. Программа, главным образом, обеспечивает пересчет астрономических координат объекта наведения в инструментальную систему координат и определяет оптимальный маршрут перемещения телескопа внутри разрешенной для движения области. Последнее обстоятельство особенно актуально, поскольку используется монтировка немецкого типа, которая при наведении на случайную (заранее неизвестную) область неба примерно в 30% случаев требует перекладки телескопа.

Грубая привязка инструментальной системы координат обеспечивается датчиками нуль-пунктов, ее коррекция проводится по объектам с известными координатами. Эта система обеспечивает точность наведения порядка 5 угл. мин, что вполне достаточно, учитывая размеры поля зрения телескопов.

Сводная информация о характеристиках телескопов представлена в таблице 2.

N Система Диаметр Светосила Регистрирующий прибор Поле зрения (град.) Пике

1 Рихтер-Слефогт 355мм 2.6 Apogee Alta U16 2.4 x 2.4 16 Мпс

2 Рихтер-Слефогт 200мм 2.6 Sony LCL 902K 1x0.7 0.4 Мпс о j Флюгге 280мм 2.5 Pictor-416 1 x0.7 0.4 Мпс

4 Райт 200мм 4 SbigST-lOXME 1 x 0.7 3.2 Мпс

Робот-телескоп МАСТЕР, как правило, работает в полностью автономном режиме. С наступлением сумерек при удовлетворительных погодных условиях (к управляющему компьютеру постоянно подключен датчик погоды - метеостанция) автоматически открывается крыша, телескоп наводится на яркие звезды, проводит коррекцию собственной координатной системы, а затем, в зависимости от погодных условий, либо переходит в режим ожидания, либо начинает обзор в автоматическом режиме в соответствии с заранее заданной программой.

В дальнейшем в диссертации будет описываться система обработки данных и наблюдения, выполненные с помощью основного телескопа системы МАСТЕР (№ 1 на Рис.1).

В отличие от большинства существующих робот-телескопов, система МАСТЕР создавалась для решения широкого круга астрономических задач, что обусловило необходимость работы телескопа в двух режимах. В режиме обзора телескоп последовательно наводиться на различные области неба, заранее выбранные по определенному принципу, и получает серию изображений каждой области с экспозицией 45 секунд. Такой режим позволяет исследовать переменность блеска и перемещение по небу различных астрономических объектов, например, обнаруживать вспыхнувшие сверхновые или выявлять астероиды.

Интерес к обнаружению и определению параметров сверхновых звезд в последние годы резко возрос. Прежде всего, это связано с возможностью использования сверхновых типа 1а в качестве «стандартной свечи» для проверки закона Хаббла. Исследования, выполненные в конце прошлого века, показали, что Вселенная расширяется не замедленно, а ускоренно, и это указывает на наличие т.н. темной энергии [1], [2]. Однако данный вывод нуждается в подтверждении на большом статистическом материале, а для этого необходимо изучить спектры нескольких тысячах сверхновых типа 1а. Замечательно, что вклад энергии вакуума увеличивается со временем и становится существенным при z < 1, поэтому наблюдения сверхновых типа 1а ярче 20т так важны для проверки гипотезы о существовании темной энергии. Кроме того, достигнутый в последние годы прогресс в понимании механизма вспышек сверхновых требует детального сравнения расчетов с наблюдениями - это уже относится к сверхновым всех типов.

Используя результаты расчетов частоты' вспышек сверхновых, выполненных на основе популяционного синтеза [3], можно показать, что в среднем на поле зрения 6 квадратных градусов число N сверхновых звезд в любой момент времени должно быть:

N-2-10a6(m"20), где m - предельная звездная величина, регистрируемая на полученном изображении.

Следует подчеркнуть, что эта оценка получена в предположении об изотропном распределении галактик и потому применима для сверхновых звезд, находящихся на расстояниях более 100 Мпк, то есть для сверхновых, которые имеют в максимуме блеска звездную величину слабее 15m-16m. Отметим, что видимая звездная величина сверхновых типа 1а, расположенных на красном смещении z ~ 1, например, будет порядка 20ш (без учета поглощения). Следовательно, даже случайный обзор неба с помощью широкопольного телескопа типа МАСТЕР должен привести к массовому открытию сверхновых звезд. Естественно, что после открытия сверхновой с помощью робот-телескопа информация о ее координатах и блеске должна передаваться на более крупные инструменты, которые смогут детально изучать сверхновую спектральными методами.

Второй режим работы системы МАСТЕР — режим алертных наблюдений, когда телескоп максимально быстро перенаводится на определенную область. Это необходимо, главным образом, для регистрации и последующего изучения оптического послесвечения гамма-всплесков. Вообще говоря, чем крупнее телескоп, тем больше информации можно получить при изучении этого класса транзиентных источников, которые, обычно достаточно слабы. С другой стороны, большинство крупных телескопов имеет поле зрения меньшее, чем квадрат ошибок, определяемых по рентгеновским данным, и для наведения на объект им требуется довольно продолжительное время. Таким образом, робот-телескопы должны параллельно решать две задачи: во-первых, как молено быстрее, обнаружить оптическое послесвечение всплеска и начать определение его параметров, и, во-вторых, немедленно сообщить уточненные координаты всплеска на крупные телескопы.

Для изучения оптического свечения гамма-всплесков создана специальная служба GCN (The Gamma ray bursts Coordinates Network) [4], работу которой вкратце можно описать следующим образом — см. Рис. 3, заимствованный с сайта http://gcn.gsfc.nasa.gov.

Рис 3. Схема работы службы GCN (The Gamma ray bursts Coordinates Network)

Информация о всплеске гамма-излучения передается с космического аппарата в центр управления этого аппарата, а оттуда, после первичной обработки, в координационный центр GCN, расположенный в США. Отметим, что время первичной обработки, как правило, порядка несколько секунд, однако в некоторых случаях оно может достигать нескольких часов. Центр GCN через интернет немедленно транслирует поступившую информацию в обсерватории, участвующие в данной программе, в частности, на робот-телескопе МАСТЕР. Кстати, как следует из Рис. 3, наблюдения гамма-всплесков проводятся не только в оптическом диапазоне. Наиболее важная часть информационного сообщения - это время регистрации всплеска, его координаты и область ошибок. Как только в обсерваторию поступает сигнал (алертное сообщение или, для краткости, алерт), телескоп, если позволяют время суток и погодные условия, наводится в указанную область. Получив изображение области, система его обрабатывает, после чего информация передается в координационный центр GCN. Если оптическое свечение удается обнаружить, то сообщаются координаты и блеск источника-кандидата, в противном случае - передается информация о верхнем пределе блеска оптического послесвечения в области ошибок. Дальнейшая стратегия наблюдений зависит от обстоятельств — подробнее см. раздел 1.2 диссертации.

Принятая схема наблюдений в алертном режиме накладывает жесткое временное ограничения на параметры робот телескопа: суммарное время наведения в область квадрата ошибок, экспозиция кадра и его первичная обработка должно быть как можно меньше, и, во всяком случае, не должно превышать нескольких десятков секунд. Для системы МАСТЕР алертный режим является приоритетным: основное время ведутся наблюдения в режиме обзора, которые немедленно прерываются при получении алертного сообщения.

Программное обеспечение системы МАСТЕР можно условно разделить на три части: 1) комплекс программ, обеспечивающих управление телескопом и куполом башни; 2) система обработки получаемых телескопом изображений; 3) хранение полученных данных. Два последних блока программного обеспечения были созданы автором и описываются в данной диссертации. Особенности разработанного программного обеспечения отражают специфику системы МАСТЕР, созданную, как уже отмечалось, для решения широкого круга задач. Комплекс программ для обработки изображений прнзван решать следующие задачи в режиме реального времени: определять абсолютные координаты и блеск всех объектов попавших в кадр площадью б квадратных градусов; классифицировать объекты по типам (звезды, галактики, астероиды и т.д.); обнаруживать транзиентные объекты и проводить их первичную классификацию.

Комплекс программ для хранения данных должен сразу же после первичной обработки сохранить информацию о блеске и координатах всех попавших в кадр астрономических объектах, формируя соответствующую базу данных. Особенность этой базы данных в том, что поступающая информация сразу же должна использоваться для обработки новых изображений, и в этом смысле хранение информации - составная часть обработки. Кроме информации об объектах, в базе данных должны храниться исходные изображения, обеспечивая возможность при необходимости заново обработать старые наблюдения. Общая схема программного комплекса робот-телескопа МАСТЕР изображена на Рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема программного комплекса робот-телескопа МАСТЕР.

В качестве примера, иллюстрирующего эффективность работы программных комплексов обработки и хранения данных, в диссертации приведены результаты наблюдений, в ходе которых было обнаружено оптическое послесвечение нескольких гамма-всплесков и открыты сверхновые звезды различных типов.

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Белинский, Александр Александрович

Заключение

В диссертации описан программный комплекс, обеспечивающий обработку изображений, получаемых робот телескопом МАСТЕР, а также сохранение полученной при наблюдениях информации. Отличительной особенностью созданного нами комплекса является то обстоятельство, что не только обработка, но и сохранение данных (исходные изображения и результаты измерений) проводится в режиме реального времени. Это позволяет использовать базу данных в процессе обработки текущих наблюдений, поэтому в нашем случае формирование базы данных можно считать частью процесса обработки изображений.

Система МАСТЕР состоит из четырех телескопов, однако в диссертации рассматриваются лишь наблюдения, проведенные с помощью основного телескопа системы. Изображение, получаемое этим телескопом, охватывает область размером около 6 квадратных градусов, которая проецируется на ПЗС-матрицу размером 4096x4096 пикселов. Время считывания матрицы - 20 сек, а типичная экспозиция при наблюдениях ~ 40 сек, а это значит, что за время порядка 1 минуты созданный нами комплекс программ проводит обработку изображения, содержащего ~ 16 млн. элементов (пикселей). В среднем в кадр попадает несколько тысяч астрономических объектов (звезд, галактик и т.п.).

Вообще говоря, обработка состоит из следующих этапов:

1) первичная редукция изображения;

2) определение абсолютных (экваториальных) координат и блеска всех объектов, попавших в кадр;

3) первичная классификация этих объектов по типам (звезды, галактики, астероиды и т.д.);

4) обнаружение транзиентных объектов и проведение их первичной классификации;

5) сохранение соответствующей информации в базе данных.

Система МАСТЕР создавалась для решения широкого круга астрономических задач, что обусловило необходимость работы телескопа в двух режимах. В режиме обзора телескоп последовательно наводиться на различные области неба, заранее выбранные по определенному принципу, и получает несколько изображений каждой области, с экспозицией 45 сек. Такой режим позволяет исследовать переменность блеска и перемещение по небу различных астрономических объектов, например, обнаруживать вспыхнувшие сверхновые или выявлять астероиды. В диссертации (Глава III), в частности, сообщается об открытии системой МАСТЕР четырех сверхновых звезд (2005bv, 2005ее, 2006ak, 2006Х). На сегодняшний день в ходе обзора получены и обработаны более 80% областей неба, доступных при наблюдениях в Подмосковье.

Второй режим работы системы МАСТЕР - режим алертных наблюдений, когда телескоп максимально быстро перенаводится на определенную область. Это необходимо, главным образом, для регистрации и последующего изучения оптического послесвечения гамма-всплесков. Для системы МАСТЕР алертный режим является приоритетным: основное время ведутся наблюдения в режиме обзора, которые немедленно прерываются при получении алертного сообщения. Демонстрацией возможностей нашего робот-телескопа может служить обнаружение оптического послесвечения оптического послесвечения гамма-всплесков GRB 030329, GRB 050824, GRB 060926 - см. Главу И.

Суммирование трех последовательных кадров, полученных с экспозицией 45 сек. каждый, позволило нам даже в условиях Подмосковья регистрировать объекты с блеском до ~ 19.5Ш - предел обнаружения определяется флуктуациями фона по уровню За. Характерная точность определения координат при стандартной обработке всего кадра ~ 1", а блеска ~ 0.1ш - подробнее см. Главу I. Однако если для обработки из всего кадра выбрать область гораздо меньшего размера, то точность определения блеска и координат можно повысить в несколько раз - примеры, иллюстрирующие это утверждение, приведены в третьей главе диссертации.

Приведенные в диссертации примеры изучения различных типов астрономических объектов иллюстрируют широкие возможности, которые робот-телескопы с широким полем зрения открывают перед Российскими астрономами. Кроме этих примеров хотелось бы отметить возможность массового изучения переменных звезд, причем не только профессиональными астрономами, но и любителями. Мы надеемся в ближайшем будущем интегрировать содержимое нашей базы данных в Российский сегмент Всемирной виртуальной обсерватории. Создание центра хранения данных в ГАИШ общим объемом несколько десятков терабайт, запланированное на первую половину 2009 г., - один из первых шагов в этом направлении.

Опыт шести лет работы системы МАСТЕР позволил опытным путем найти оптимальные методики наблюдений различных типов астрономических объектов и понять, в каком направлении следует усовершенствовать систему МАСТЕР. Это опыт весьма пригодился при разработке робот-телескопов нового поколения МАСТЕР-2, монтаж которых уже начат в обсерваториях ГАИШ (вблизи г. Кисловодска) и Уральского

Государственного университета (Коуровка). Каждая из этих систем состоит из двух телескопов с диаметром входного зрачка 400 мм, установленных на общей монтировке. Телескопы могут смотреть в разные участки неба, но могут быть быстро перенаправлены на одну и ту же область, и проводить синхронные наблюдения в разных фильтрах. Если бы удалось установить еще несколько аналогичных систем в разных часовых поясах России, то появилась бы поистине уникальная возможность мониторинга северного неба, что открывает качественно новые возможности для изучения широкого класса астрономических объектов, а также для контроля ближнего и дальнего космического пространства. Следует отметить, что для обработки изображений на системах МАСТЕР-2 будет использовано программное обеспечение, описанное в диссертации.

Автор выражает признательность следующим лицам и организациям:

• научному руководителю, профессору В.М. Липунову;

• коллегам по группе МАСТЕР;

• генеральному директору ОАО «ОПТИКА» - Сергею Михайловичу Бодрову, обеспечившему проект МАСТЕР дорогостоящей аппаратурой;

• д.ф.м.н. В.Л.Афанасьеву за полезные обсуждения идеи эксперимента и любезно предоставленную гризму;

• к.ф.-м.н. В.В. Чазову за помощь в интеграции программы расчета положений малых планет;

• интернет-провайдеру ИНЕТ (http://inetcomm.ru/) за бесплатное предоставление Интернета для системы МАСТЕР в поселке Востряково Домодедовского района Московской области.

• д.ф.-м.н. С.А. Ламзину за помощь в оформлении диссертации;

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Белинский, Александр Александрович, 2008 год

1. Riess A.G., Filippenko A.V., Challis P. et al., 1998, ApJ, 116, 1009

2. Jorgensen, H. E.; Lipunov, V. M.; Panchenko, I. E.; Postnov, K. A.; Prokhorov, M. E. 1997, ApJ, v. 486, p. 110

3. Barthelmy, S. D., Butterworth, P., Cline, T. L., Gehrels, N., Fishman, G. J., Kouveliotou, C., Meegan, C. A., et al. 1995, Ap&SS, 231,235

4. Bertin, E., Arnouts, S., 1996, A&AS, v.l 17, pp. 393-404

5. Hog E., Fabricius C., Makarov V.V., Urban S., Corbin Т., Wycoff G., Bastian U., Schwekendiek P., Wicenec A., 2000, A&A, v.355, pp. L27-L30

6. Monet, D. G. 1998. BAAS. V. 30. p. 1427

7. Monet D.G., Levine S.E., Casian В., et al., 2003, AJ , v. 125, p. 984

8. Paturel, G.; Petit, C.; Prugniel, P.; Theureau, G.; Rousseau, J.; Brouty, M.; Dubois, P.; Cambresy, L. 2003. A&A. V. 412. P.45

9. Mazets, E. P.; Golenetskii, S. V., 1981, A&AA, v.75, pp. 47-81

10. Daniel E. Reichart, 1998, ApJ, v.495, p.L99

11. Rees, M.J. & Meszaros, P., Mon. Not. R. Astron. Soc. 258, 41-43, 1992

12. Berger, E.; Price, P. A.; Cenko, S. B. et al., 2005, Nature, v.438, pp. 988-990

13. Zhang, В.; Fan, Y.; Dyks, J. et al., 2006, ApJ, v. 642, pp. 354-370

14. Lipunov, V.; Krylov, A.; Kornilov, V.; Borisov, G.; Kuvshinov, D.; Belinski, A.; Chilingarian, I.; Kuznetsov, M.; Potanin, S.; Vitrischak, V.; Antipov, G., 2003, GCN, № 200216.