Кратковременные лунные явления. Что это такое и легко ли поймать их
Восход Луны над морем. Снято в Феодосии
Луна — первый астрономический объект, с которым встречаются люди. Если, конечно, не считать Землю и Солнце. Когда начинающий любитель астрономии получает в руки телескоп или бинокль, то сразу начинает искать Луну.
Взгляд на спутник Земли всегда впечатляет публику. Огромная и рельефная, с множеством кратеров и горных цепей — она выглядит совсем не похожей на то желтоватое пятно, которое мы привыкли видеть невооружённым глазом.
Рельеф Луны в первое время нравится всякому, кто наблюдает за ней, ведь на протяжении месяца по её поверхности медленно ползёт земная тень. На линии терминатора, находящейся между светлой и затемнённой стороной, контрастируют мелкие детали рельефа.
Тем не менее рано или поздно астроном-любитель захочет большего. Этим большим становятся газовые гиганты: Юпитер с барашками облаков, кольца Сатурна, далёкий и блеклый Уран, красноватый диск Марса или венерианский серп. Все это заставляет позабыть о Луне.
Дальше любители прокачивают навыки ориентации по звёздному небу или покупают монтировку с системой автонаведения.
В астрономии монтировкой называют опорно-поворотное устройство. Оно выполняет двойную функцию. С одной стороны монтировка служит переходным звеном от штатива к, собственно, телескопу. С другой — опорно-поворотное устройство обеспечивает вращение наблюдательного прибора, его наведение на объект и компенсацию смещения, вызванного суточным вращением Земли.
С такими гаджетами астролюбителям открывается deep sky — сборная солянка из объектов глубокого космоса. Тусклые галактики и туманности окончательно гасят интерес к Луне.
Люди не раз высаживались на Луну и даже привозили оттуда образцы грунта. Многие считают её скучным шаром из камня, о котором известно абсолютно всё. Но так ли это на самом деле?
Кратковременные лунные явления
На поверхности мёртвой Луны регулярно регистрируют кратковременные лунные явления (КЛЯ). Они подразумевают локальные аномалии внешнего вида лунной поверхности и прилегающего пространства. Это вполне серьёзный термин, встречающийся в научной литературе.
Карта распределения КЛЯ по данным наблюдений более 300 случаев. Авторы Барбара Миддлехерст и Патрик Мур
Визуализация кратковременных лунных явлений
Для того чтобы составить впечатление о кратковременных лунных явлениях, мы решили следовать официальной классификации из книги Дэвида Дарлинга «Кратковременные лунные явления — Руководство наблюдателя».
Напомним, что Луна расположена в зоне приливного захвата Земли. Их орбиты синхронизированы, поэтому спутник всегда повёрнут к нашей планете одной стороной. Так-то оно так, но не совсем. Тёмная сторона Луны частично доступна наблюдениям за счёт эффекта либрации.
Наблюдателю с Земли доступна не половина, а все 59% лунной поверхности.
Либрации и фазы Луны на 2023 год. По данным сайта NASA
Кратковременные лунные явления — это короткоживущие процессы. Они вполне физические и поддаются наблюдению с помощью технических средств. Ориентируясь на описания из астрономической литературы, авторы этой статьи сделали визуализацию типичных КЛЯ ресурсами компьютерной графики.
Газовые выбросы могут размывать лунную поверхность или обуславливать появление странных сияний. Чаще всего их регистрируют в кратере Платон и Море Кризисов.
Повышение яркости чаще всего бывает на валах кратера Аристарх и Прокл. Они возникают из-за вариаций альбедо не вполне ясной природы.
Потемнения выглядят как нестабильное пятно чернильного оттенка. Ими богаты кратеры Пикар и Рейнер.
Голубоватые и красноватые сияния бывают видны в окрестностях Аристарха. Они требуют соблюдения ряда условий. Например, затенения искомой части Луны. Вероятнее всего, сияния возникают из-за свечения ионизированных газов.
Теневые явления — нечто интересное. Они заключаются в регистрации теней там, где их быть не должно. К примеру, на дне крупного кратера в тот момент, когда Солнце достигает зенита.
Звездоподобные вспышки по природе своей — это яркий и кратковременный взрыв. Скорее всего, они вызваны падением метеоритов. При импактном событии кинетическая энергия камня частично переходит в лучистую.
Звездоподобные огни чем-то похожи на явления предыдущей категории, только вот живут намного дольше. Чаще всего их видят на затенённой стороне Луны.
Причины кратковременных лунных явлений
В кратковременных лунных явлениях нет никакой мистики. Если что-то испустило фотон видимого света, то можно отследить траекторию кванта и догадаться, какие обстоятельства сопутствовали его рождению.
У. Камерон досконально разобрал причины КЛЯ в статье «Comparative analyses of observations of lunar transient phenomena».
В двух словах, по Камерону можно условно выделить два источника КЛЯ: импактные события (столкновение метеорита с Землёй или другим небесным телом) и разнородную группу явлений, обусловленных геологическими процессами Луны.
Значительная доля КЛЯ будет вращаться вокруг газа. Для начала его следует откуда-то получить. Он берётся из лунных пород вследствие медленного распада радиоактивных элементов.
Приливные воздействия, оказываемые Землёй на Луну, в 32.5 раза больше приливных сил от Луны на Земле. Дважды в месяц они вызывают лунотрясения.
Гравитационное поле Земли растягивает лунные базальты. Они категорически не согласны с такой наглостью и включают силы упругости. Локальные возмущения порождают слабое тепло. К этому добавляется тепловой удар. Переходя из тени на свет, порода резко меняет температуру с -100 °С до +120 °С. Резкое расширение вносит свою лепту в «раскачивание» базальта.
Эффекты пьезоэлектричества никто не отменял. Сильные механические изменения в скалах приводят к появлению электромагнитного поля. Когда камень трескается, газ выходит на свободу и начинает сиять.
Ультрафиолетовое излучение Солнца вызывает ионизацию газа. Минуя земную магнитосферу, Луна испытывает регулярные изменения собственного электромагнитного поля. Оно крайне слабое и обусловлено остаточным магнетизмом, однако способно порождать локальные разряды.
На Луне атмосферы толком нет, но своеобразные бури там бывают. Конечно, они мало похожи на марсианские ураганы, и природа их иная.
Ультрафиолетовое излучение работает в комплексе с низкой электропроводностью лунных пород. Таким образом по разные стороны терминатора возникает разность потенциалов. Согласно мнению авторов книги «The Lunar Source Book: a user’s guide to the Moon», наэлектризованная пыль может взлетать на высоту до 10 м и находиться там какое-то время. Сформированные «облака» экранируют поверхность и даже способны перемещаться в некоторых пределах.
Все эти процессы усиливают друг друга. Выход газа тревожит пыль. Пыль взмывает над кратером, вызывая аномалии видимости.
На словах всё звучит логично, однако точный механизм КЛЯ будет выяснен только в ходе пилотируемых экспедиций.
Как нейросети помогают исследовать Луну
Дабы подтвердить, что КЛЯ наблюдалось в конкретном месте и конкретное время, нужно предоставить убедительные доказательства самого факта наблюдения. С этим у любителей беда.
Никто не знает, где и когда природные факторы сложатся таким образом, чтобы лунный феномен стал заметен астроному. Его нельзя поймать слёту. Остаётся лишь методично заниматься просмотром захваченного видеопотока.
На выручку приходят технологии искусственного интеллекта.
Немецкий учёный Хакан Каял, профессор космических технологий Вюрцбургского университета Юлиуса-Максимилиана, решил максимально автоматизировать просмотр снимков.
С декабря 2021 года связка наблюдает за Луной с крыши обсерватории JMU
«Я хотел бы оснастить систему камер дополнительными инфракрасными датчиками, чтобы иметь возможность наблюдать за небом в другом спектральном диапазоне. Также было бы выгодно иметь систему слежения в виде телескопа, который быстро выравнивается с движущимися объектами, зумирует в них и следует за ними на их пути».
Компьютер с алгоритмами потоковой обработки данных не устаёт и нуждается лишь в техобслуживании. Этим он уже имеет огромное преимущество перед астрономом, хотя по-прежнему требует человека-оператора.
Как мы ловили лунные явления и что из этого вышло
Естественно, мы не могли пройти мимо кратковременных лунных явлений.
Для того чтобы найти аномалию лунной поверхности, достаточно иметь телескоп и ясное небо. К сожалению, в этом деле возникает ряд нюансов. Главный — как убедительно документировать сам факт наблюдения? Ответ кажется очевидным: заснять спутник на камеру.
Первая ночь оказалась неподходящей для наблюдения. Облачность мешала визуализации лунного диска, а кристаллики льда в атмосфере формировали узнаваемое гало.
Гало вокруг Луны
Телескоп, применявшийся в поиске КЛЯ. Ветер и дымка над морем ощутимо мешали наблюдениям, так что скоро было решено искать место с более стабильной атмосферой
Телескоп у нас был. Это Levenhuk Skyline PRO 90 MAK, построенный по схеме Максутова-Кассегрена. Зеркально-линзовое устройство сочетает в себе достоинства телескопов-рефракторов и рефлекторов. Апертура в 90 мм собирает свет. Фокусное расстояние в 1250 мм упаковано в трубу длиной 25 см с разрешением до 1,5 угловых секунд.
Оптическая схема телескопа. Зеркально-линзовый комплекс помещён в небольшую трубу. За компактность приходится платить узким полем зрения и не самой большой светосилой
Проницающая способность этого телескопа составляет 11,7 звёздных величин. Это много или мало? Давайте разбираться.
Ещё во времена Древней Греции люди начали задумываться, чем одна звезда отличается от другой. Ответ казался очевидным, ведь любой наблюдатель может уверенно сказать, что Сириус ярче какой-нибудь тусклой точки, не имеющей даже нормального названия. Таким образом звёздная величина стала безразмерной единицей. Чем больше цифра — тем слабее свет от звезды.
Позже выяснилось, что со звёздными величинами не всё так просто. Зависимость между реальной яркостью и видимой — логарифмическая. Это значит, что глаз воспринимает усиление яркости в одинаковое количество раз как изменение на одинаковую величину.
В 1856 году Норман Погсон вывел следующую формулу:
По факту астрономия — это практическая математика. В формуле переменная m скрывает безразмерную и абстрактную звёздную величину. L — освещённость от объекта
Падение освещённости в 100 раз воспринимается как повышение звёздной величины на 5 пунктов.
Для наблюдательной астрономии принята аксиома, в которой за ноль принята Вега. Яркие объекты получают отрицательную звёздную величину. Солнце жжёт с мощью −26,7m. Полная Луна горит на −12,7m.
Мощности «Левенгука» хватает для комфортного наблюдения за Луной, планет и самых ярких объектов из каталога Мессье. В случае с deep sky такой телескоп зверски темнит. Лунные и планетарные наблюдения не слишком страдают от этого недостатка. Объекты Солнечной системы, как правило, достаточно яркие.
В нелёгком деле астрофотографии существует много нюансов. На бытовом уровне хватает фотокамеры со штативом.
В нашем случае это Nikon D5600 с китовым объективом Nikkor 18–140 mm f 3.5 — 5.6 G ED VR
К сожалению, мощности объектива не хватало для достижения требуемого увеличения. Значит, следовало превратить в объектив сам телескоп. Сначала решался вопрос о способе, которым возможно «помирить» камеру и телескоп. То есть о проекции.
Время шло. Луна переходила из одной фазы в другую. Первые эксперименты с поднесением смартфона Galaxy A21 S к окуляру 1.25'' были занимательными. После довольно серьёзной постобработки нам удалось привести картинку в более или менее пригодный вид.
Луна глазами смартфона. Так выглядит окулярная, она же афокальная проекция. В ней фиксирующее устройство как бы присоединяется к связке «окуляр-телескоп»
Чем больше препятствий между матрицей камеры и телескопом, тем хуже изображение. Рынок предлагает множество адаптеров для смартфона, которые развязывают руки оператору. Однако эти «костыли» не устраняют фатальных недостатков окулярной проекции.
Значит, придётся использовать прямую проекцию, расположив матрицу камеры непосредственно в фокусе телескопа.
Астрокамера своими руками
Донором стала веб-камера, найденная в ящике стола. Её рыночная цена — не более $5.
Интерес представляла не столько сама камера, сколько её матрица
Снимаем переднюю крышку и видим, что самой электроники в устройстве не очень много
Матрица скрывается непосредственно под «объективом». Он состоит из линзы и светофильтра. Словом, того, что нам не нужно
Матрица веб-камеры находится в центре платы. Нетрудно заметить, что её размеры совсем крошечные
Этот окуляр стал переходным звеном от самодельной астрокамеры к оптической системе телескопа. Когда-то давно он шёл в наборе с детским телескопом, а потому был исполнен с ожидаемым качеством. Его ценность состояла исключительно в посадочном размере, который подходил для применения в «Левенгуке». Линзы, естественно, пришлось убрать
Самодельная астрокамера в сборе
Готовый «Франкенштейн» отправился в окрестности Бахчисарайского района. На высоте 500 м над уровнем моря не так много атмосферных явлений, мешающих наблюдению. Удалённость от крупных городов нивелирует антропогенную засветку.
Цивилизация делает много хорошего для человечества, но она же закрывает нам звёздное небо. Слабые лучи, приходящие из космоса, оказываются «перебиты» огнями мегаполисов.
В городах, которые метят в миллионники, о deep sky не может быть и речи. Десяток наиболее ярких звёзд, планеты и Луна — вот и всё, что видно с балкона.
В горах всё иначе. Над ними восходит полноценный Млечный путь.
Млечный Путь, Бахчисарайский район
Во время использования веб-камеры вскрылся ряд проблем. Главными стали хроматические аберрации и небольшое поле зрения.
Механизм формирования хроматической аберрации (рис. 1). Исправление дефекта при помощи ахроматической линзы (рис. 2)
Откуда берутся хроматические аберрации?
Телескоп собирает свет благодаря преломляющей линзе. Поскольку белый свет состоит из лучей видимого спектра, в ходе дифракции (преломления) образуется несколько цветных картинок, немного смещённых относительно друг друга.
С первыми удалось справиться на этапе постобработки. Относительно крупные кадры, представленные ниже, были получены путём склейки нескольких фреймов.
Кратеры через веб-камеру
Лунные моря
Эти снимки получены с помощью программы захвата видеопотока, к которой мы ещё вернёмся. В процессе работы применялся ноутбук Laptop-TE5ATM4J.
Как видно, ресурсов веб-камеры вполне хватает для производства обзорных снимков лунной поверхности. Они далеки от произведений искусства, но всё же позволяют увидеть основные детали. Однако этого мало.
В конце концов мы вытащили из рюкзака устройство SVBONY SV-105. На сайте производителя она гордо именуется планетарной камерой, но по факту это всего лишь видеоокуляр.
Камера функционирует по технологии Plug-and-Play и совместима с ОС Windows. Процессор обработки видеопотока самостоятельно компенсирует недостаток освещённости. Два USB-разъёма дают питание и скорость передачи, достаточную для наблюдения планеты в реальном времени. Что видит камера — то видит оператор на дисплее ПК. Как водится, с небольшими задержками.
Тестирование проводилось на Юпитере и Сатурне.
Юпитер на максимальном увеличении
Сатурн, аналогичные параметры оборудования
Эти снимки далеки от фотографий с сайта NASA. Они были получены с помощью крайне бюджетного оборудования, однако даже так фотографии дают представление о внешнем виде газовых гигантов
Выяснилось, что для детальной фотосъёмки придётся расширять функциональность телескопа. Решение было простым: использовать линзу Барлоу Sky-Watcher 2×1,25».
Линза Барлоу — отличное решение для тех, кто желает повысить увеличение. Эта линза относится к рассеивающим. Она увеличивает эффективное фокусное расстояние окуляра телескопа, одновременно сужая поле зрения.
Принципиальная схема линзы Барлоу
Благодаря линзе Барлоу фокусное расстояние телескопа удвоилось, достигнув значения в 2500 мм. Ожидаемой платой за 2,5 м стало снижение качества изображения. По астрофотографиям видно, что с деталями атмосферы у Юпитера и Сатурна всё очень плохо. Конечно, там видны облачные пояса и кольца, но не более того.
В случае с Луной этот недостаток уходит на второй план. Её поверхность достаточно яркая, чтобы компенсировать потери качества, неизбежные при манипуляциях с оптической схемой телескопа.
Фильтр IR-650 отсекает инфракрасный спектр. Для нашего исследования это было приемлемо: меньше шума, да и с бюджетным оборудованием нечего и думать о наблюдениях в ИК-диапазоне.
Перед стартом наблюдений монтировку телескопа наводят на так называемую «ось мира» — воображаемую точку, совпадающую с Полярной звездой. Этот объект незаходящий, а также он не смещается в течение суток. С точки зрения наблюдателя все небесные тела описывают дуги вокруг него
Математика тут простая. Луна движется по небу со скоростью приблизительно один градус дуги за 4 минуты. Поле зрения телескопа составляет 52 градуса. Следовательно, Луна будет непрерывно «убегать» от наблюдателя.
Негативный эффект гасился при помощи экваториальной монтировки EQ-1 с ручками тонкой настройки.
Камера была установлена в посадочное гнездо окуляра. Съёмка велась в 2К на скорости 30 кадров в секунду. Захват видео проводился программой SharpCap Capture. Она поддерживает множество астро- и вебкамер, позволяет анализировать параметры телеметрии в реальном времени, а также сохранять отснятое на хард. В про-версии функциональность SharpCap Capture расширяется ещё больше.
Интерфейс программы довольно аскетичен и доступен интуитивному пониманию
Вопросы обработки
Инструментальная часть осталась позади. Полученные ролики были весьма сырым продуктом, который нуждался в постобработке. Артефакты съёмки, атмосферная турбулентность, тряска от ветра заметно дестабилизировали видео. Набор кадров следовало объединить в одно усреднённое изображение.
Сегодня астрофотографы располагают большим количеством бесплатного ПО, которое с успехом решает поставленные задачи.
Видеоролик был загружен в программу PIPP. Planetary Imaging Preprocessor находится в бесплатном доступе, не требует больших ресурсов ПК и работает крайне шустро. Цель этого ПО — постобработка видео, его центрирование и форматирование в тот вид, который будет понятен следующему звену процесса.
Интерфейс PIPP. В малом окне видно, что ролик не отличался выдающимся качеством
Следующим инструментом стал AutoStakkert. Трудно сказать, чего он не умеет.
Астрофотографы редко снимают небесные тела одним кадром. Чаще всего оператор записывает ролик продолжительностью от нескольких секунд до целых часов.
Обзорный видеоролик с кадрами лунной поверхности. Обратите внимание на смещение диска относительно наблюдателя
Полуфабрикат отправляется в вычислительную топку AutoStakkert«а, ориентированного на сложение кадров.
И тут начинается магия.
1. Параметры стабилизации. Мы выбрали опцию SURFACE, которая обращает внимание на мелкие детали поверхности; 2. Кнопка, инициирующая анализ и классификацию кадров; 3. Окно с промежуточными результатами; 4. Ползунок FRAMES отображает кадры, начиная с наиболее удачных и заканчивая худшими по качеству. Ниже — параметры изображения и тонкая настройка точек выравнивания. Зелёный прямоугольник располагает область стабилизации
Почему важно поместить область стабилизации? Программе следует понимать, какая часть видеоролика остаётся неизменной на всём его протяжении. Она выступает первичным «маяком».
1. Гистограмма с кадрами, проанализированными по качеству; 2. Количество точек выравнивания, установленных в автоматическом режиме; 3. Рабочая зона
Применив инструмент PLACE AP GRID, мы выделили точки выравнивания, совпадающие с наиболее контрастными участками поверхности (обозначены синими прямоугольниками). Дальнейший процессинг следовал, ориентируясь на них.
Autostakkert самостоятельно выделил наиболее качественные кадры и начал их совмещать.
Чем больше годных снимков попадёт в работу, тем качественнее получится итоговый продукт. Соответственно, появление в стаке некачественных фреймов способно ухудшить конечный результат. Обычно «достойными» сложения признаются от силы 30% заснятых кадров.
Доводка полученных изображений проходила в фоторедакторе. Там вносились мелкие правки вроде исправления экспозиции, улучшения цветопередачи и подавления избыточных шумов.
Пример «сырого» стека без тонкой обработки в фоторедакторе. На нём видно, что детализация поверхности значительно выше, чем в видеоролике, а сдвинутая экспозиция и неровные границы фрейма выглядят сомнительно с эстетической точки зрения
Обзорные снимки после обработки:
Обработанные кадры, прошедшие через сложение. Некоторая зашумленность обусловлена особенностями оптики и ПО камеры, а также явлениями атмосферной турбулентности
Результаты исследования
Проведённое исследование дало своеобразные результаты. Нам не удалось увидеть ни одной аномалии, но значит ли это, что кратковременные лунные явления в принципе не поддаются наблюдению?
КЛЯ происходят при соблюдении ряда условий, которые наступают практически непредсказуемо.
Применяя весьма кустарные технологии, мы сумели получить несколько снимков с разрешением ориентировочно в десятки-сотни километров на пиксель. Крупные детали поверхности похожи на то, что изображено в астрономических атласах. По картинкам вполне можно судить, какие селенографические области попали в окуляр. Это значит, что если бы в то время и в том месте произошло КЛЯ, оно бы оказалось заснятым на астрокамеру.
Эпилог
Как видно, старушка-Луна хранит немало сюрпризов. Кратковременные лунные явления вдыхают новую жизнь в наблюдения нашего спутника. Так сложилось, что астрономия — одна из немногих наук, охотно принимающих помощь со стороны любителей. Они, как правило, снаряжены весьма серьёзным оборудованием, отличаются упорством бульдозера и готовы работать даже не за спасибо, а из любви к искусству.
Если педантично заниматься наблюдениями, документировать результаты, не охотиться за НЛО и не оспаривать законы физики, можно войти в историю как первооткрыватель какого-нибудь мелкого явления.
Чем полезна информация о КЛЯ? Составив статистику о местах, где наиболее часто встречаются кратковременные явления, можно косвенно судить о точках остаточной геологической активности Луны, месторождениях полезных ископаемых и даже местах залегания льдов. Такие данные будут полезны для планирования пилотируемых экспедиций, а в перспективе — колонизации Луны.
Источники и ссылки
Авторы: Никита Игнатенко, Иван Игнатенко.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога: — 15% на заказ любого VDS(кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
