Метод ADI для безпосередньо дотримання екзоплантів - як він працює

[Перекладач] Напевно багато, коли справа доходить до пошуку екзоплантів, уявіть людину, яка дивиться через очі величезного телескопа. На жаль, це не працює. Навіть для кращих сучасних телескопів, з дотриманням екзопланту є складне завдання, так як самі планети невеликі і їх випромінювання дуже важко відрізнити від цього зірки. Для цього використовується низка цікавих методів, одна з яких є ADI (Angular диференціальне зображення) і буде розглянута в цій статті.


Вступ
Однією з найскладніших завдань, що стоять на сучасному астрономії, є фотографія планет за межами сонячної системи та орбіти інших зірок. З точки зору складності, це завдання може бути порівняно з пошуком вогнепальності, що летить навколо 300-ватного прожектора на відстані декількох кілометрів від спостерігача - для того, щоб відрізняти сусідні джерела випромінювання один від одного, вам буде потрібно не тільки дзеркала великого діаметра, але і найсучасніші оптики, які можуть компенсувати спотвори, введені атмосферою Землі. Проте, навіть якщо у вас є доступ до найсучасніших оптичних телескопів, то зображення можна буде виглядати щось схоже:

8963252

Це сире зображення зірки GJ 758. Виготовляється на хвилі 1,6 мкм, тому кольори тут помилкові - зміна кольору від чорного до червоного показує тільки зміну яскравості. Чорні плями в центрі є зонами так яскравого, що не вдалося точно вимірювати їх значення під настройками сучасного обладнання. Нарешті, білі промені дифракційні спотвори, які з'явилися в цьому випадку через наявність телескопа так званих розтяжок — структурних елементів, які утримують вторинне дзеркало телескопа.

Два екзопланетні кандидати обертаються навколо GJ 758, але неможливо відрізнити їх в цьому образі, так як величезні глотки повністю забивають їх світло. Щоб виявити ці об'єкти, необхідно «чистити» зображення від світла самої зірки максимально найкращою – але як відрізнити зірку від планетарного світла і дифракційних спотворень? Для цього необхідно спочатку зрозуміти, чому з'являються спотворення.

Зняття
Найвідомішим джерелом спотворень, які утворюють хол навколо зірки, є атмосфера Землі. Starlight, що проходить через неї, спотворюється навіть перед тим, як він потрапив до телескопа дзеркала. Більш того, оскільки атмосфера завжди в русі, ці спотворення не є постійними, але мінливими, і вони дуже швидко змінюються - кожні кілька десятків мілісекундів. Це розсіяний атмосферний зірочок, який буде виглядати як м'яке літо навколо зірки. Сучасна оптика дозволяє значно зменшити кількість таких спотворень, але вона не здатна повністю виключити їх.

Ще більшим джерелом спотворення є недоліки в дзеркалах телескопа, а також розтяжок, на які прикріплюється вторинне дзеркало. Ці спотворення будуть набагато більш постійними – вони зміняться, наприклад, через коливання температури або через переміщення деяких частин телескопа відносно інших. Через цю консистенцію такі спотворення називають псевдостатичним. Псевдостатичні спотворення відповідають за появу темних плям на галі, які, хоча подібні до планет, насправді не є планетами.



Порівняння основних і вторинних дзеркал великого телескопа.

Обертання поля
У зв’язку з спотвореннями ми перейдемо на функцію спостереження, що дозволило використовувати метод ADI.

Давайте подивимося на нічне небо. Замість безмежного космосу, спостерігач з Землі може добре уявити величезну сферу, яка оточує нашу планету і на яку продаються зірки. З цієї точки зору спостерігача, селестальна сфера буде повільно обертати, роблячи одну повну революцію протягом 24 годин. Це викликається обертанням Землі навколо осі і ускладнює процес спостереження, так як зірки, що обертаються разом з просторовою сферою, буде прагнути «запалювати» з поля зору телескопа. Для того, щоб компенсувати це, телескопи встановлюються на спеціальних обертальних платформах, які дозволяють регулювати кут нахилу (вимірюється з горизонту) і повернути телескоп на бажаний азімут. Після загострення на мішені телескоп починає постійно обертати на низькій швидкості, щоб видиме зображення з'являється стаціонарним. Також варто відзначити, що під час обертання небесної сфери, взаємне положення зірок відносно одного, а сама сфера залишається незмінною. Весь процес відображається в наступному зображенні:



Тут чорні квадрати з зірками є поле зору телескопа — що частина неба, яку ми бачимо. Як видно, поле постійно обертається, але взаємне положення зірок відносно одного і родича полю небесної сфери залишається незмінним. Якщо ми хочемо постійно отримувати ще картину, ми повинні перетворювати телескоп під певним кутом, показано червоними стрілками. Цей кут між п'ятою і стовпом селестальної сфери називається кутом паралакса. Під час ніч вона постійно змінюється, але швидкість цієї зміни не є постійним - це буде найбільшою, коли наш об'єкт цілі знаходиться в Zenith.

Технологія ADI
Використовуючи те, що поле телескопа обертається відносно його під час спостереження, метод ADI відрізняє гало, викликане спотвореннями з реальних джерел світла.

Як ми вже знайшли, в звичайних спостереженнях поле зору, завдяки обертанню телескопа, зберігається під постійним кутом до спостерігача. Це дозволяє приймати кілька зображень протягом усього періоду спостереження і надихати їх один на одного. Але за допомогою методу ADI телескоп не обертається. При цьому істинні джерела світла продовжують обертати з просторовою сферою, але джерела псевдостатичних спотворень (наприклад, розтяжки) перестають рухатися.

На наступному малюнку показано, як обробляється серія зображень, отриманих методом ADI (вони позначені як Ai). По-перше, потрібно розрахувати середній піксель між усіма зображеннями (B). У цьому середні конструкції, які не змінилися під час спостереження (псевдостатичні спотворення і сама зірка) будуть чітко видно, але планета практично не з'явиться. Отриманий середній потім віднімається від кожного з оригінальних зображень (Ci = Ai - B), залишаючи тільки планету і випадкові маленькі шуми. Після цього кожен з образів буде обертатись, щоб відповідати реальним координатам знаменитої сфери (тобто, як вони будуть виглядати за допомогою деротатора). Нарешті, з цих обертальних зображень D знову буде обчислено середу E. На ній всі випадкові шуми будуть розгладжені, але всі зображення планети перекриваються, що зробить їх більш чіткими.



У наступному зображенні ви побачите результат застосування цього методу до зірки з першої картини в цій статті. Незважаючи на те, що гало не був повністю видалений (не був повністю статичний), ADI дозволило нам ізолювати два об'єкти досить близько до зірки.



Об'єкт B в цьому образі був виявлений як планета, так і статус об'єкта C ще не був визначений. Білі смуги вище показано для порівняння розмірів орбітів об'єктів з розмірами орбіти деяких планет в сонячній системі.

Варто відзначити, що спостереження за застосуванням ADI слід проводити, коли ціль знаходиться на вершині, тобто при обертанні поля відбувається на найбільшій швидкості.

Логін
Отже, ми розглянемо найпростіший спосіб отримання і обробки зображень – ADI. Більш складний метод, який називається LOCI (посередньо оптимізоване поєднання зображень), використовує досить плутаний алгоритм, який замість простого відрахування в середньому дозволяє краще визначити фон на кожному з зображень в серії. Для цього зображення діляться на сегменти кільця, після чого кожен з сегментів оптимізується окремо. Це дозволяє краще виключити шум у зображеннях, знятих за короткий період часу, і збільшує контрастність отриманого зображення. Зокрема, картина вище отримана за допомогою LOCI.


CDPV - Телескоп Райан Уік, CC-BY

Джерело: habrahabr.ru/post/205480/