Testování systému NFC pro záznam slabých meteorů

Úvod

Běžné kamerové systémy fungující v síti 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 rozměrem 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). Již delší dobu se proto uvažovalo o konstrukci systému s mnohem vyšším dosahem, pokud možno za použití stávajících kamer Watec 902 H2 Ultimate, pouze s využitím světelného objektivu s delší ohniskovou vzdáleností. Tento koncept ovšem narážel na překážky v podobě malé dostupnosti požadovaných typů objektivů, případně na jejich neúměrnou cenu – videometeorové sítě EDMONd i BRAMON jsou od počátku koncipovány jako amatérské, proto je důraz kladen na co nejlepší finanční dostupnost veškerých komponent systémů.

Návrh systému a jeho testování

Maximální ohnisková vzdálenost objektivu byla stanovena na 50 mm z důvodu zachování použitelné velikosti FOV, světelnost pak F/1.0 nebo vyšší. Díky Hvězdárně Valašské Meziříčí byly k dispozici objektivy, které tyto parametry splňovaly – a to objektivy z filmových projektorů Meopta Meostigmat 1/50 – 52,5 mm, o ohniskové vzdálenosti 50 mm a světelnosti F/1.0. Důležitým požadavkem pro budoucí vícestaniční videopozorování meteorických rojů byla identita komponent systémů na obou stanicích, proto bylo předběžně počítáno s použitím jak shodných objektivů na obou stanicích (Meostigmat 1/50), tak také shodných snímacích prvků, tedy CCTV kamer Watec 902 H2 Ultimate s 1/2“ čipem Sony ICX429ALL a citlivostí v BW režimu 0,0001 lx. Pro záznam a vyhodnocení jednotlivých meteorů byl použit software UFO Tools (Ufo Capture, Ufo Analyzer a Ufo Orbit).

První test byl uskutečněn na Hvězdárně Kroměříž 19.8.2014, jako testovací pole pro zjištění limitní hvězdné velikosti byla zvolena otevřená hvězdokupa X a h Persei. Vzhledem k tomu, že objektiv Meostigmat 1/50 není vybaven závitem CS, který je nutný pro upnutí objektivu k tělu kamery Watec, byla testovací sestava dopasována bez použití redukce, čímž utrpěla kolmost optické osy objektivu na čip kamery a také možnost přesného zaostření objektivu. Nicméně i přes tyto nedostatky byla zjištěna limitní hvězdná velikost +9,0 mag (nejslabší zachycená hvězda +9,6 mag) a také byly zachyceny první tři meteory. U slabšího z nich byla určena zdánlivá jasnost +4,1 mag, čímž byly pokořeny dosavadní limity systémů v sítích EDMONd a BRAMON.

Druhý test byl proveden na Hvězdárně Kroměříž 25.8.2014, objektiv byl již osazen s redukcí na CS závit těla kamery Watec. Tato redukce umožňovala jednak dodržení kolmosti optické osy objektivu na CCD čip kamery a také přesné zaostření. Během testu, který byl proveden jako celonoční, bylo zachyceno 6 meteorů, nejslabší pak měl zdánlivou jasnost +5,5 mag, zorné pole bylo při použití rozlišení 720x576 px stanoveno na 6,9x5,5 stupně a limitní hvězdná velikost sestavy byla upřesněna na +9,6 mag (nejslabší zachycená hvězda +10,2 mag). Jako testovací pole bylo opět použita otevřená hvězdokupa X a h Persei.

Vícestaniční pozorování videometeorů systémem NFC

Po úspěchu jednostaničních testů, jejichž cílem bylo definování limitní hvězdné velikosti sestavy, zjištění citlivosti sestavy na slabé meteory a také zjištění deformací obrazu v rámci FOV systému bylo realizováno dvojstaniční videopozorování meteorických rojů dvěma identickými sestavami. První noc (27.8.2014) bylo pozorování uskutečněno ze stanic sítě CEMeNt (Central European Meteor Network) Valašské Meziříčí (Hvězdárna Valašské Meziříčí) a Kroměříž. Druhou noc (28.8.2014) pak byla první stanice umístěna v obci Mikulůvka. Tento systém pro dvojstaniční pozorování slabých meteorů byl pracovně nazván NFC (Narrow Field Camera).

Vzdálenost mezi stanicemi Kroměříž a Valašské Meziříčí je 47,0 km, mezi stanicemi Kroměříž a Mikulůvka je 41,4 km, elevace středu zorného pole byla zvolena 45 stupňů, projekce středu zorných polí pak byla stanovena na 100 km nad povrchem Země. Během těchto dvou nocí bylo zaznamenáno celkem 54 jednostaničních meteorů, přičemž první noc bylo pozorování na stanici Valašské Meziříčí výrazně ovlivněno nepřízní počasí (mlha). Nejslabší zaznamenaný meteor měl zdánlivou jasnost +6,4 mag, nejjasnější pak +2,4 mag. Průměrná zdánlivá jasnost všech zaznamenaných meteorů byla +3,9 mag, průměrná zdánlivá jasnost z běžných kamerových systémů sítě CEMeNt v roce 2014 je +0,6 mag.

Před tímto testovacím provozem systému NFC 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. 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 +3,5 mag. Taktéž celkové množství zaznamenaných meteorů v poměru k běžnému kamerovému systému je podle modelu kolem 60%, podle reálných dat je to pak kolem 50%. Nicméně toto je ovlivněno jednak nepřízní počasí během první pozorovací noci na stanici Valašské Meziříčí a také malým množstvím dat získaných během dvou nocí.

Výsledky – dvojstaniční dráhy slabých meteorů

Během obou nocí bylo zaznamenáno celkem 14 dvojstaničních drah, efektivita párování jednostaničních meteorů byla tedy 70%. 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 0,88 km/s, poměrný rozdíl (ve vztahu ke geocentrické rychlosti unifikované dráhy) pak byl minimálně 0,12%, maximálně 21,71% a průměrně 2,55%. V tabulce je uveden přehled všech vícestaničních drah i s jednotlivými rozdíly vg mezi stanicemi, hodnoty (dráhy) vyznačené tučnou kurzívou jsou ovlivněny velmi krátkým trváním (0,06 s) meteoru z některé ze stanic, což znemožňuje přesné změření rychlosti meteoru.

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 udávaný v úhlových stupních. Minimální hodnota parametru ddeg ze všech 54 jednostaničních meteorů byla 0,00203, maximální 0,00591 a průměrná 0,00410, přičemž průměrná hodnota ddeg ze všech běžných kamerových systémů v síti CEMeNt v roce 2014 je 0,05962. Kamerový systém NFC je tedy v tomto směru víc jak 14x přesnější jak běžné systémy. Minimální hodnota parametru cdeg ze všech 54 jednostaničních meteorů byla 0,00106, maximální 0,00323 a průměrná 0,00168, přičemž průměrná hodnota cdeg ze všech běžných kamerových systémů v síti CEMeNt v roce 2014 je 0,01978. Kamerový systém NFC je tedy v tomto směru víc jak 11x přesnější jak běžné systémy.

Závěr

Výsledky testů jednoznačně ukazují, že trvalá instalace systému NFC může přispět jak k prohloubení poznání vlastností slabých meteorů, tak také k výraznému zpřesnění orbitálních elementů drah meteoroidů ve Sluneční soustavě.