... i kako je moguće da su tako tamni svetovi poput Plutona tako svetli na kosmičkim fotografijama?
Pretražujući svetske sajtove o kosmosu, primećujem da se često vrte ista laička pitanja naučnicima. Ima toga, mada u daleko manjoj meri, i na našem sajtu. Višak svakojakih informacija, manjak elementarnih znanja, nedostatak navike analitičkog načina mišljenja i nepoštovanje nauke i autoriteta... Jedno od pitanja, i vrlo čest adut brojnih intelektualnih extremista, glasi: Ako noću pogledamo u nebo vidimo da je posuto bezbrojnim zvezdama. Zašto ih onda nema ni najednoj fotografiji snimljenoj u kosmosu? Naravno da ih nema kad je sve rađeno u studiju! Ne samo NASA, već to rade i Kinezi! Provalili ih uvek budni i svevideći pametnjakovići, jer kako drugačije objasniti da nema zvezda na Mesečevom nebu na fotografijama 'Chang'ea'.
Žao mi je ali je odgovor prost: zvezde su kao i milijardana godina ranije tu, ali su previše blede da bi ih videli!!!
To je moguće objasniti primerom iz svakodnevnog života. Svako ko je probao da napravi fotku nekog ko stoji ispred osvetljenog prozora video je da je snimio samo siluetu; lice slikane osobe je praktično potpuno u senci i na njemi se praktično ne razaznaje nijedan detalj. Lice je, naravno, tu, ali nije bilo dovoljno osvetljeno da bi se pojavilo na fotografiji.
Isti problemi koji utiču da naše slike ponekad budu loše mogu da uzrokuju i loše slike iz kosmosa.
Pogledajmo malo tri stvari koje utiču na detalje koje možemo da vidimo na bilo kojoj slici, bilo da se radi o zvezdama, planetama ili facama: osetljivost kamere, vreme koje ima tvoja kamera da prikupi svetlost, i dinamički raspon tvoje kamere.
KOLIKO JE OSETLJIVA TVOJA KAMERA?
Koliko svetla treba tvojoj kameri da bi mogla da snima? Savremene kamere i aparati mogu da povećavaju ostetljivost otvatanjem i zatvaranjem otvora blende koja pušta svetlost unutra. Naše oko radi istu stvar, automatski, sve vreme, opuštanjem i kontrahovanjem zenice. Ako gledamo u neku osobu koja iz osvetljene sobe izlazi napolje u mrak, takođe nećemo da vidimo zvezde na nebu, bar ne odmah. Ali kako naše oko podešava svoju osetljivost otvarajući zenicu, polako ćemo uočavati sve sitnije zvezde.
Većina kosmičkih kamera nije u stanju da podešava otvor na takav način. Umesto toga, naučnici proračunski predviđaju nivo osvetljenosti koji očekuje kameru tokom misije, pa tek onda konstruišu instrument da ima otvor odgovarajuće dimenzije za udaljenosti od meta koje se očekuju prilikom susreta. To može da bude veliki izazov ako će letilica da proleće pored više objekata različite osvetljenosti, ali kameru treba napraviti tako da prvenstveno ostvari zacrtane naučne ciljeve i ne treba mnogo brinuti ako ne bude idealna za dodatnu zabavu koju bi mogli da fotografišemo tokom putovanja. Nasina sonda za istraživanje asteroida, 'OSIRIS-REx', čija je MapCam konstruisana za studiranje boja veoma tamnog asteroida, nije mogla da prilikom fly-byasnima Zemlju a da ne bude zaslepljena blještavom svetlošću reflektovanom od sjajnih oblaka, te je dobila artefakte koje možemo da vidimo na vrhu sledeće slike.
Zemlja kroz kameru MapCam'OSIRIS-REx': 'OSIRIS-REx' je proleteo pored Zemlje 22. septembra 2017. i poslao ovu sliku sat vremena kasnije. Tihi okean pokriva čitav kadar, sem što se dole levo vidi Australija i gore desno deo Kalifornije. Sunce se nalazilo iza letilice, a svetlo područje u sredini okeana je njegov odraz u vodenoj površini. Ova slika je napravljena od tri preklopljene slike načinjene kroz infracrveni, zeleni i plavi filter sa vremenom ekspozicije od 1,5 milisekunde. 'Ledenice' na vrhu slike su nastale usled prekratkog vremena ekspozicije jer kamera nije predviđena za slikanje tako sjajnih objekata kao što je Zemlja.
Ali slika MatCama asteroida Bennu izgleda lepo, jer je to ono za šta je MapCam dizanirana. (Prometi da ni na toj fotografiji nije moguće uočiti zvezde na nebu.)
Bennu snimljen s juga 17. decembra 2018. Vreme ekspozicije je 9,3 milisekunde i snimljeno je sa visine od 12 km.
KOLIKO DUGO KAMERA MORA DA JE PRIKUPLJA SVETLOST?
Duža ekspozicija prikuplja više svetla – pomažući da se snime tamnije stvari – od kraće ekspozicije. Ne postoji pravi ekvivalent za podešavanje ekspozicije u ljudskom načinu gledanja – vidimo nešto bolje ako duže zurimo u nešto, ali to nije potpuno ista stvar. Fotografije noćnog neba koje je puno zvezda duže su eksponirane, često i više minuta – toliko je potrebno da kamera detektuje dovoljno fotona za lepu sliku. Kratke ekspozicije ne hvataju zvezde. Donja fotografija je eksponirana puno minuta. Ono što na slici izgleda kao Sunčeva svetlost na obroncima planine je zapravo Mesečina...
Dok su boje Mlečnog puta vidljive jedino pri dugoj ekspoziciji, većina detalja se vidi i običnim okom ako se gleda dovoljno dugo.
Fotografije 'Apolovih' astronauta prikazuju blještavu lunarnu površinu osvetljenu Suncem i bele skafandere. Njihove ekspozicije su bile prekratke da bi detektovale zvezde na nebu.
Tokom drugog izlaska na površinu zapovednika 'Apola 17'D. Scotta1. avgusta 1971. on je postavio paket lunarnih eksperimenata ALSEP.
Kosmičke kamere mogu da obezbeđuju vrlo veliki vremenski raspon ekspozicija. Recimo, 'New Horizonsova' kamera LORRI, mogla se da pravi slike sa ekspozicijom od 1 milisekunde do 30 sekundi. Svoje najkraće ekspozicije je koristila prilikom proletanja pored Jupitera, koji je mnogo bliži Suncu i daleko svetliji od Plutona. Najduže ekspozicije su sačuvane za najtamnije mete – daleke svetove Kajperovog pojasa.
Nezavisno od ovoga, ovo je odgovor na još jedno uobičajeno pitanje u vezi sa kosmičkim slikama: Kako su kamere u stanju da prave slike tako daleko od Sunca, gde je svetlost stotinama puta slabija nego na Zemlji[1]? Odgovor glasi: Šaljemo osetljive kamere i, po potrevi, koristimo dugačke ekspozicije. 'Voyager 2' na Neptunu pruža dobar primer šta se dešava kada pošaljemo kameru koja nije dovoljno osetljiva. Konstruisana za Jupiter i Saturn, prilično se mučila da posmatra Neptun u relativnom mraku[2].
Najbolje slike 'Voyagera 2' Neptunovog meseca Proteusa. Njegove kamere su dizajnirane za nivo osvetljenosti Jupitera i Saturna, te su se zato mučile da se prilagode uslovima na Uranu i Neptunu, posebno kada je trebalo slikati njihove tamne mesece. Ovo su najbolje 'Voyagerove 2' slike Proteusa. Gornja levo je načinjena kroz čist filter ekspozicijom 3,84 sec. Tri manje, napravljene kroz filtere u boji, zahtevale su ekspozicije od 15,36 sec, a dve od njih su zamrljane zbog pokreta letilice tokom dige ekspozicije. Desna slika je imala ekspoziciju 1,92 sec; ona nije zamrljana ali je nivo osvetljenosti toliko nizak da je nemoguće videti detalje.
Slike Proteusa posle obrade.
KOLIKI JE DINAMIČKI OPSEG TVOJE KAMERE?
Da li tvoja kamera može da na istoj slici vidi i slabo i dobro osvetljene predmete? Ili se njena sposobnost prikupljanja svetlosti brzo zasiti svetlijim objektima pre nego što uspe da detektuje bilo kakvo svetlo sa tamnijih objekata? Za ove stvari naše oči su uglavnom bolje od naših kamera. Kada gledamo nekog prijatelja koji sedi ispred prozora, možemo da mu vidimo lice sasvim lepo jer su naše oči sposobne uočavati detalje i u senci i na svetlu. To je delom zato što naše oči nisu misne kad gledamo neki prizor. Naše oči se neprestano kreću, gledaju kroz prozor, gledajući po sobi, gledajući u lice prijatelja, svaki put podešavajući fokus i otvor zenice. Od svih tih informacija naš mozak stvara kompoziciju, čineći sliku u mozgi detaljnijom od bilo koje koju pravi naše oko. Ako onda izvadimo kameru i napravimo fotografiju, videćemo da će izgledati užasno...
Ali samo malo – savremene digitalne kamere poseduju trik koji imitira ono što rade naš mozak naše oko. Na našoj kameri u mobilnom možemo da uključimo ono što se zove 'HDR', što znači high dynamic range. Kada slikamo u HDR režimu, kamera će napraviti zapravo dve fotke (jednu sa dužom ekspozicijom, jedni sa dužom) i merdžovati (spojiti) najbolje delove sa obe slike, prikazujući nam detalje i onoga kroz prozor i na licu našeg prijatelja.
Kosmičke kamere obično imaju veći dinamički raspon od komercijalnih kamera, pa su u stanju snimati relativno tamne i svetle stvari na istoj fotografiji. Teško je proceniti koliko se detalja krije u senkana kosmičkih senki, jer naši svakodnevni digitalni displeji najčešće nisu sposobni za veliki dinamički raspon. Ali mi možemo da se igramo sa osvetljenošću i kontrastima na kosmičkim slikama da bi otkrili skrivene detalje u senkama. Proverimo šta se vidi na dve slike sa različitim kontrastima na slici komete Čurjumov-Gerasimenko napravljene kamerom OSIRIS sonde 'Rosetta'. To je ista slika, sem što je računaru naređeno da prikaže niže vrednosti piksela sa većom osvetljenošću.
Stavite kursor na fotografiju
Menjajući osvetljenost slike otkrivaju se detalji u senci koji su osvetljeni jedino indirektno.
PRIMER: 'NEW HORIZONS'
Istražimo kako podešavanje ekspozicije i neki drugi faktori utiču na to da se zvezde nekada vide nekada ne. Poletimo zajedno sa 'New Horizonsom' jer on koristi svoju teleskopsku kameru LORRI(Long-Range Reconnaissance Imager) za snimanje ciljeva razlilitog intenziteta osvetljenosti, hvatajući usput poneku zvezdu. Kao što sam pomenuo ranije, LORRI ima fiksni otvor i veliki dinamički raspon ali može da koristi širok raspov vrzine ekspozicije. Jedna od najzanimljivijih ciljeva u Jupiterovom sistemu je njegov vulkanski mesec Ija. Sledi LORRI-jeva slika Ije napravljena tokom prilaska NH Jupiterovom sistemu. Kamera je koristila 4.milisekundnu ekspoziciju. Ija je dobo eksponirana ali se ne vidi nijedna zvezda.
Ija je snimljena u februarau 2007. LORRI-jem sa udaljenosti od 2865 km. Vreme ekspozicije – 4 msec.
Nekoliko sekundi kasnije, LORRI je napravio još jednu sliku Ije, sa mnogo dužom ekspozicijom: 75 milisekunde. Ija je prilično preeksponirana, a to je izazvalo nešto što se zove 'readout smear' (zamrljano očitavanje?), efekat linija preko slike. Zašto je to urađeno? Pogledajmo rub Jijinog diska. Videćemo makar tri vulkanske 'pečurke' kako se dižu sa Ijine površine. Pri tao ekspoziciji, vide se mnogi detalji u pečurkama dima. Ipak, čak i pri skoro 20 puta dužoj ekspoziciji nije vidljiva nijedna zvezda. (Ne zna se šta je ta jedna svetla tačka desno od Ije, ali ona je jedina na slici i vrlo je sjajna; berovatno se radi o pogotku kosmičkog zraka a možda je i neki udaljeni mesec.)
Sunčeva svetlost na dnevnoj strani Ije je zasitiodetektor kamere izazivajući linije preko slike. Ali duga ekspozicija je otkrila lepe strukture u dimu oblika kišobrana iz vulkana Tvashtar. Još najmanje dva dima se vide sa desne strane.
Pogledajmo sada drugačiji set Ijinih slika. Ovog puta, 2 dana kasnije, Ija se pomerila i ušla u Jupiterovu senku. Sunčevi zraci ne pogađaju Ijinu površinu. Vidimo da Ija svetli u mraku, osvetljena svojim vulkanima. (Takođe vidimo mnogo efekata izazvanih zalutalim svetlom – Ija se nalazila u senci ali ne i 'New Horizons'; Jupiterovo svetlo se odbijalo u kameru, izazivajući bljeskove u pozadini. Tu je i mnogo tonova uzrokovanih energetskim česticama koje pokađaju CCD detektor – mnogo toga leti oko Jupitera.) Razmisli na trenutak kako bi bilo lepo da možemo da posmatramo kako plamte Ijini vulkani u mraku pomračenja! Trebala je mnogo duža ekspozicija, skoro 8 sekundi, da svetlost Ijinih vulkana bude idljiva za LORRI. Konačno smo imali dovoljno dugu ekspoziciju da bidimo zvezde u bekgraundu. Zapravo, te zvezde su korišćene za poravnavanja slika; na ovoj animaciji, zvezde se ne pomeraju dok se Ija kreće a NH podešava svoje nišanjenje.
Kliknite na fotografiju
Kada je Ija zašla iza Jupitera i blokirala Sunce, NH je mogao da snimi svetlost koju emituju Ijini vulkani. Svaka slika ove animacije od 28 kadrova zahtevala je 8-sekundnu ekspoziciju da bi se videli vreli vulkani. Duga ekspozicija takođe čini vidljivim i zvezde. Sve ovo ostalo su bespotrebni efekti sporedne svetlosti koja je upadala u cev LORRI-ja – sjajni Jupiter nije bio daleko od vidnog polja kamere pa se svetlost odbijala od oblaka i slala svetlost u optiku kamere. Takođe se viidi i 'sneg' od energetskih čestica koje pogađaju detektora.
Da bi bilo lakše, na sledećoj slici su obeležene neke zvezde. Ako se koncentrišeš, videćeš ih još; sigurno ih ima još manje svetlih u gornjem delu amimacije.
(Da ne komplikujem previše – o tome sam pisao u više navrata prateći višegodišnju misiju 'New Horizons' i rad brodskog teleskopa LORRI – sonda je, pored duže ekspozicije, imala u rukavu još jedan trik da bi tamne stvari učinila vidljivim. Ona je grupisala 4×4 piksela i pretvarala sliku u dimenzije 256×256 piksela umesto 1024×1024. Grupisanjem podataka dobijamo 16 puta manje piksela, ali je time kamera postajala znatno osetljivije, manje izložena pozadinskim smetnjama. Grupisanjem podataka je takođe sprečavalo zamrljanost slika usled pomeranja sonde tokom duge ekspozicije.)
Dok se 'New Horizons' približavao Plutonu, zvezde su i dalje bile vidljive prilikom relativno dugačkih ekspoziicija. I dalje možemo da vidimo zvezde na tim prilaznim animacijama; dole, amater Matthew Earl, iskoristio je zvezde da poravnava slike i prikaže smešnu rotaciju Plutona i Harona.
Matthew Earl je kreirao ovu animaciju koristeći Python script za automasko poravnavanje sondinih slika za opričku navigaciju premma pozadinskim zvezdama.
Dakle 'majstori', kada se budete sledeći put pitali zašto se na slikama ne vide zvezde, bolje vam je da se pitate sledeće: šta je na slici toliko svetlo da ne mogu da vidim zvezde?
[1]Recimo, na Ultimi ThuleSunce sija jedno 2000 puta slabije nego na Zemlji!
[2]U našoj knjizi o tome sam pisao sledeće: .... ”Vojadžeri” su usmeravali svoje kamere pomoću pokretne platforme sa preciznošću od desetog dela stepena. Da bi se izbegla ”razmazanost” ”Vojadžerovih” TV slika, bilo je potrebno da za vreme ekspozicije ugaono kretanje letilice bude što je moguće manje. Pomoću moćnog softvera izvođeno je paljenje trastera na takav način da im se rad merio u milisekundama, što je trenutku ekspozicije svodilo pomeranje letilice na minimum. Tokom takvih manevara, letilice su se kretale 15 puta sporije od velike kazaljke na satu.
Ali čak ni to nije bilo dovoljno kada se snimao Neptun, čiji je nivo osvetljenosti oko 900 puta manji od onog na Zemlji. Zato su inženjeri pronašli način (pomoću žiroskopa) da kamera na ”Vojadžeru 2” bude 30 puta mirnija od velike kazaljke na ručnom satu...
,