CC BY
0I. ФИЗИКА И АСТРОФИЗИКА
ПОВЫШЕНИЕ РАЗРЕШЕНИЯ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЦИФРОВОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ НАБЛЮДЕНИЙ
Асфандияров И.М., Салямов Р.А., Гайсин Р.А., Хафизов Б.М.
Астрономический институт АН РУз., Ташкент, Узбекистан
Аннотация
В статье рассматриваются комплексные методы и возможности повышения углового разрешения астрономических изображений, получаемых телескопами-рефлекторами, оснащенных астрономическими ПЗС камерами, а также возможности и перспективы цифровой автоматизации и дистанционного управления телескопами высокогорной обсерватории Майданак. Рассмотрены вопросы астроклимата, влияния качества и чистоты оптики 1.5-м телескопа АЗТ-22, возможности цифровой обработки изображений методом MCS-деконволюции, возможности внедрения цифровых систем контроля и тонкой коррекции СК-ЕТ-60 для 60 см телескопов серии ЦЕЙСС-600.
Ключевые слова: угловое разрешение, астроклимат, телескоп.
Введение
Высокогорная астрономическая обсерватория Майданак Астрономического института АН РУз, расположенная на высоте 2700 м на отрогах Пами-ро-Алайской горной системы, и обладает хорошим астроклиматом со средним значением seeing -0.67” и более 2000 ясных часов в году [1, 2]. Такое географическое расположение и качество астроклимата дает возможность проводить актуальные астрофизические наблюдения и исследования, как по локальным, так и по международным проектам. Качество и хорошее угловое
разрешение астрономических изображений необходимо для проведения исследований в таких актуальных направлениях астрофизики как гравитацион-но-линзированные квазары (ГЛК), исследования звездных скоплений, наблюдения экзопланент, задачи обнаружения и сопровождение астероидов и др.
Обсерватория предоставляет возможности проведения наблюдений на телескопах по соглашениям и совместным грантам с зарубежными исследовательскими центрами и университетами и с возможностью установки новых инструментов. В рамках таких соглашений проводятся наблюдения и совместные исследования с МГУ и ИНАСАН (Россия), EPFL (Швейцария), Yunnan observatories, CAS (Китай), SNU университет (Корея) и др.
Наблюдения с телескопа АЗТ-22
Одной из современных актуальных направлений астрофизики является исследования гравитационно-линзированных квазаров (ГЛК), наблюдения которых проводятся на 1.5-м телескопе АЗТ-22.
Квазары представляют собой ярчайшие источники во Вселенной, излучающие в широком спектре электромагнитных волн в результате аккреции вещества на центральную сверхмассивную черную дыру, расположенные, как правило, в ядрах активных галактик. ГЛК представляет собой уникальное астрофизическое явление, наблюдаемое исключительно в космосе в результате расположения на одном луче зрения яркого удаленного квазара и относительно более близкой галактики выполняющей роль линзы. В результате такого расположения образуются множественные линзиованные изображения удаленного квазара.
Наблюдения ГЛК и их использования в качестве инструментов астрофизики дают уникальную возможность исследования и измерения времени задержки в ГЛК, а также оценки константы Хаббла, H0 и различные параметры необходимые для космологических моделей [3].
Рисунок 1 - Главный инструмент обсерватории - 1.5-м телескоп АЗТ-22
Исследования ГЛК требуют максимально хорошего углового разрешения и наземных мониторинговых наблюдений в обсерваториях с хорошим астроклиматом и качеством изображений seeing <1" Также для ГЛК необходим достаточно крупный телескоп с высококачественной и чистой оптикой. Обсерватория Майданак с 1.5-м телескопом АЗТ-22 установленным в 80х годах Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ, является хорошим профессиональным инструментом, на котором ведутся такие совместные наблюдения ГЛК. Последующий анализ наблюдений ГЛК требует применение современных методов цифровой обработки изображений с целью дополнительного повышения углового разрешения. Например, метод MCS-деконволюции [4], позволяет разделить и получить высокоточную астрометрию и интенсивности отдельных линзированных компонентов линзированного квазара.
Таким образом, угловое разрешение изображений ГЛК определяется тремя факторами: астроклиматом обсерватории, качеством и чистотой опти-
ки и применением цифровых методов деконволюции обработки изображений.
• •
' 0
4 . Л721
ь 9 ф
’ . .. .3 .2
4
• •
SDSS ЛГ2ЫНМ7
0016 3020 <к117 7090 «416 3000
Рисунок 2 - Поле изображения ГЛК SDSS J1721+8842 по наблюдениям с 1.5-м телескопа АЗТ-22 и результаты улучшение разрешения
Первый фактор - астроклимат и турбулентность атмосферы над обсерваториями исследуются небольшими DIMM телескопами позволяющие оценить качество seeing. Для обсерватории Майданак оцененное среднее качество seeing -0.67" и более 2000 часов наблюдательного времени в году.
Второй фактор, влияющий на разрешение изображений ГЛК, определяется качеством и чистотой оптики телескопа от пыли, что также является немаловажной составляющей. Оптика телескопа в идеале должна быть дифракционного качества с хорошим алюминиевым покрытием. Очень важна степень чистоты(запыленность) зеркал и фильтров ПЗС камеры, что влияет на проницаемость и итоговый регистрируемый поток излучения от объекта определяющее отношение сигнал-шум и конечные ошибки измерений. Для
1*
чистки оптики АЗТ-22 применяется специально разработанная система бесконтактной чистки СБЧ и специальное средство «Orvus» для оптики.
На рисунке 2 приведены результаты улучшения изображений наблюдений SDSS J1721+8842 после чистки оптики телескопа АЗТ-22. В результате измерений получено: увеличение общего потока - в 4.6 раз, увеличение инструментальной магнитуды - на 1.654 звездные величины(с 19.536 до 17.882), уменьшение ошибки фотометрии - в 2.75 раз (уменьшение с 0.011 до 0.004).
Третий фактор, определяющий разрешение изображений ГЛК - цифровая обработка полученных изображений специализированными программами деконволюций, которые позволяют существенно увеличить разрешения изображений ГЛК и «разделить» отдельные линзированные компоненты. Предварительная цифровая обработка полученных ПЗС изображений ГЛК с АЗТ-22 проводится в стандартном пакете обработки и анализа астрономических данных IRAF в ОС Linux, а последующее повышение разрешения программой MCS-деконволюции.
Принцип деконволюции подразумевает проведение операции обратной математической свертке. Наблюдаемые изображения звезд на кадрах астрономических изображений можно представить как математическую свертку S-функции с функцией рассеяния точки(ФРТ) телескопа, плюс шумы фона неба и шум считывания ПЗС кадра. Построив по отдельным звездам на кадрах профиль ФРТ для данного телескопа и камеры, можно провести цифровую обработку деконволюции по «восстановлению» исходного неискаженного профиля ГЛК, как например, в методе MCS.
Цифровой метод MCS деконволюции отличается прежде всего детальным построением профиля ФРТ для каждого кадра и учетом исходного разрешения (размера пикселя) изображений учитывающего теорему дискретизации Котельникова. Т.е. метод MCS восстанавливает точечные изображе-
9
ния звезд не до бесконечно узкой ^-функции, а до ширины FWHM У исходного размера пикселя, что позволяет избежать появления артефактов на обработанных изображениях часто присущих другим методам деконволюции.
Рисунок 3 - Результаты наблюдений ГЛК с 1.5-м телескопа АЗТ-22 и обработки методом MCS в сравнении с изображениями с Космического Телескопа КТХ
При повышении разрешения изображений ГЛК в методе MCS также можно использовать априорную информация о точных координатах линзи-рованных компонент квазара, и сопоставлять полученные результаты с изображениями с Космического Телескопа Хаббла (КТХ), (рисунок 3). Это существенно повышает достоверность и соответствие результатов обработки наземных изображений. Т.е. в случае повышения разрешения наземных
изображений ГЛК с АЗТ-22, точная фиксация координат центров компонент
10
ГЛК и сравнение изображений с КТХ позволяет алгоритму MCS существенно быстрее, точнее и достовернее восстановить исходное изображение.
Наблюдения с телескопа ЦЕЙСС-600-Восточный
В 2023г. в обсерватории был введен в строй третий 60-см телескоп ЦЕЙСС-600 «Восточный». Телескоп оснащен современной ПЗС камерой FLI и начаты наблюдения по совместному соглашению с Юннанской обсерваторией в рамках выделенного гранта AL-5921122128 «Исследования и наблюдения специальных затменно-двойных систем по данным LAMOST на телескопах Узбекистана и Китая».
Для расширения и более эффективного международного сотрудничества стоит задача максимального использования потенциала обсерватории и модернизации телескопа с целью повышения качества и углового разрешения получаемых наблюдений, а также создание возможностей дистанционного цифрового контроля и передачи данных наблюдений удаленному пользователю для обработки [5, 6].
Рисунок 4 - Телескоп Цейсс-600-Восточный во время наблюдений и первый свет 300 секундного ПЗС кадра звездного скопления
Качество и угловое разрешение изображений имеют определенную связь. Однако под качеством, прежде всего, понимается хорошие точечные изображения звезд по всему ПЗС кадру без заметной эллиптичности и искажений, что связанно с работой механики и оптикой телескопа, а также понимается стабильность изображений, получаемых в продолжительных многочасовых мониторинговых наблюдениях. Под угловым разрешением понимается параметр seeing, характерный для обсерватории, определяемый по профилю распределения яркости изображения звезды на ПЗС кадре. Угловое разрешение определяется шириной профиля на половине максимума (FWHM) звезды, а также возможность разрешения изображений двух близко расположенных звезд.
Современные астрономические наблюдения получаются с помощью ПЗС камер в цифровом виде, что позволяет оценивать качество и угловое разрешение изображений в реальном времени. Это предоставляет возможности автоматического цифрового контроля параметров телескопа таких как фокусировка и тонкая коррекция слежения при создании электронной системы с обратной связью (ОС) с телескопом и применением специализированного программного обеспечения (ПО).
Повысить эффективность и качество наблюдений на телескопе Цейсс-600-Восточный стало возможным благодаря разработкам и внедрению ряда современных систем таких как: бесперебойное питание от солнечной фотоэлектростанции ФЭС ETS-30KVА, бесконтактная чистка зеркала, лазерная система юстировки (ЛСЮ-6), цифровой генератор частоты (ЦГЧ-50), цифровая система тонкой коррекции (СК-ЕТ-60) на базе микроконтроллера STM-32F, специализированное программное обеспечение (ПО) и др.
Создание новых цифровых систем управления, а также усовершенствования имеющейся механики Цейсс-600-Восточный необходимы с целью дальнейшего повышения качества и стабильности мониторинговых наблю-
12
дений, получаемых по международному проекту, а также для возможности внедрения скоростного дистанционного и автоматического управления с контролем в удаленном режиме.
Рисунок 5 - Система цифровой коррекции (СК-ЕТ-60) телескопа Цейсс-600-Восточный и результаты тестирования коррекции
В обсерватории Майданак также имеется два складированных телескопа: ЦЕЙСС-600 и АЗТ-14. В рамках международных соглашений и грантов возможна установка и модернизация этих телескопов с внедрением современных цифровых систем и дополнительной механики для возможности дистанционных удаленных наблюдений по сети Интернет. Такой опыт дистанционных наблюдений из Ташкента уже имеется на базе телескопа АСТРОТЕЛ-Майданак (телескоп «Астросиб RC-500»)
Заключение
Обеспечение качества научных мониторинговых программ и высокого углового разрешения с seeing <1" астрономических наблюдений требует
применения комплексных методов таких как: учет факторов астроклимата обсерватории и его потенциала, поддержание качества юстировки и чистоты оптики телескопов, применение современных методов цифровой обработки ПЗС изображений, необходимость внедрения современных цифровых систем контроля коррекции телескопов с ОС и применение специализированного ПО, а также наличие солнечной ФЭС в обсерватории обеспечивающей стабильность и надежность работы современной и дорогой электронной аппаратуры и ПЗС камер.
Библиографический список
1. Sh. A. Ehgamberdiev, A. K. Baijumanov, S. P. Ilyasov, M. Sarazin, Y. A. Tillayev, A. A. Tokovinin, and A. Ziad, The astroclimate of Maidanak Observatory in Uzbekistan // Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 145, 293-304 (2000)
2. Ehgamberdiev Sh., Modern astronomy at the Maidanak observatory in Uzbekistan, // Nature Astronomy, vol.2, pp. 349-351, May 2018
3. F. Courbin, V. Chantry, Y. Revaz, et.al., COSMOGRAIL: the COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses-IX. Time delays, lens dynamics and baryonic fraction in HE 0435-1223 // Astronomy & Astrophysics 536, A53
4. P. Magain, Courbin, F., & Sohy, S. Deconvolution with Correct Sampling // 1998, ApJ, 494, 472
5. Асфандияров И.М., Перспективы инновационных методов автоматизации управления и первый свет с телескопа ЦЕЙСС-600-Восточный // «Наука и инновации», 2022г., c. 325-326.
6. Асфандияров И. М., Халикова А. В., Резултьтаты инновационной цифровой системы коррекции телескопа ЦЕЙСС-600-Восточный и обнаружение затмения звезды MX-Her в созвездии геркулеса // «Наука и инновации», 2023г., c. 207-209.
