Астрономические исследования объектов ночного неба на

Вестник ДВО РАН. 2007. № 6
Г.И.КОРНИЕНКО, А.В.ЕРОФЕЕВА
Астрономические исследования
объектов ночного неба
на Дальнем Востоке России.
Состояние и перспективы
Представлены результаты наблюдений Уссурийской астрофизической обсерваторией ДВО РАН геостационарных космических объектов на 40-сантиметровом астрографе в 2005–2006 гг. Описана переделка оптической системы астрографа. Приведен список фундаментальных и прикладных задач, в решении которых
участвует обсерватория. Описаны ближайшие перспективы развития обсерватории и планы оснащения ее
новым оборудованием.
Astronomic investigations of the night sky objects in the Russian Far East. The current state and prospect.
G.I.KORNIENKO, A.V.EROFEEVA (Ussurijsk Astrophysical Observatory, FEB RAS, Ussurijsk).
Results of survey over geostationary space objects by UAFO FEB RAS in 2005−2006 using a 40-cm astrograph are
presented. Reconstruction of optical system of the astrograph is described. The list of fundamental and applied tasks, in
solution of which the observatory is involved, is supplied. The immediate outlooks of the observatory development and
its equipment with new facilities are provided.
Уссурийская астрофизическая обсерватория (УАФО) ДВО РАН – единственное
астрономическое учреждение на территории Восточной Сибири и Дальнего Востока. Она
создавалась в 1953 г. главным образом для наблюдений Солнца и солнечной активности.
Солнечная тематика и в настоящее время наиболее развита в обсерватории. Для исследований Солнца имеется несколько специализированных инструментов средней мощности, в том числе горизонтальный солнечный телескоп АЦУ-5 и внезатменный коронограф
ВК-2 с объективами диаметром 50 см.
Для наблюдения объектов ночного неба обсерватория располагает 40-сантиметровым
двойным астрографом фирмы «Карл Цейс», предназначенным для позиционных и фотометрических исследований прежде всего астероидов и комет. В современной России уссурийский астрограф – единственный инструмент этой серии. Наблюдения ночного неба в
Уссурийской обсерватории началась в 1970-х годах по личной инициативе В.А.Голубева и
В.Д.Дьяконовой: сначала визуальные на цейссовском бинокуляре, затем фотографические
на небольшом телескопе, переданном астрономической обсерваторией Киевского университета. Результаты исследований комет в 1970-х годах регулярно публиковались в Кометном и Астрономическом циркулярах.
С конца 2004 г. начаты регулярные наблюдения на астрографе с помощью ПЗС-матриц
в качестве приемников излучения. За это время инструмент был значительно модернизирован, расширены его возможности, сотрудники приобрели опыт исследований в этой
области. Все это позволяет надеяться на дальнейшее развитие тематики и решение ряда
фундаментальных и прикладных задач.
КОРНИЕНКО Геннадий Иванович – кандидат физико-математических наук, ЕРОФЕЕВА Анна Васильевна (Уссурийская астрофизическая обсерватория ДВО РАН, Уссурийск).
42
Наблюдения высокоорбитальных космических объектов
Для поиска и наблюдений комет фотографическим методом в 1990 г. в обсерватории установлен широкоугольный двойной астрограф, параллельные трубы которого
имеют 40-сантиметровые 4-линзовые объективы с фокусным расстоянием 300 см (рис. 1).
При фотографических наблюдениях на фотопластинке размером 30 х 30 см обеспечивается поле зрения 5 х 5 градусов. Но из-за отсутствия фотоматериалов и пригодных ПЗСкамер до 2004 г. на астрографе проводились лишь эпизодические наблюдения комет [2, 3].
Рис. 1. Двойной астрограф
В 2004 г. УАФО с помощью Института космических исследований РАН, Крымской
астрофизической обсерватории Украины и Главной астрономической обсерватории (ГАО)
РАН начала наблюдения геостационарных космических объектов (ГСО), поскольку в последние годы резко увеличилось число космических аппаратов различного назначения. Изза этого геостационарная орбита оказалась «перенаселена» действующими спутниками и
основательно «замусорена» отработанными аппаратами и их фрагментами, что составляет
несколько тысяч объектов. Это осложняет обеспечение безопасности как уже действующих, так и вновь запускаемых аппаратов. Все чаще наблюдаются аномальные отклонения
в движении космических объектов на геостационарных и квазигеостационарных орбитах, обусловленные их столкновением с «космическим мусором». Такая ситуация требует
проведения систематического мониторинга околоземного космического пространства, в
частности оптическими средствами наблюдений. На рис. 2 приведено негативное изображение участка геостационарной орбиты, полученное на астрографе УАФО ДВО РАН, где
в области неба размером 60 х 40 угловых минут находятся 6 ГСО, и это только объекты с
блеском ярче 13-й звездной величины.
Зона геостационарной орбиты восточнее 150° в.д. до ввода уссурийского астрографа
не контролировалась российскими средствами наблюдения. Сейчас в поле зрения ученых
УАФО находится интервал 80–210° в.д., причем 150–210° в.д. не перекрывается наблюдениями других российских пунктов. УАФО может наблюдать геостационарные объекты
с блеском до 16-й звездной величины. Самый мелкий зарегистрированный объект имеет
размер всего около 60 см (при высоте геостационарной орбиты 36 000 км).
Кроме наблюдений ГСО астрограф может дать уникальную, не дублированную другими обсерваториями информацию при исследовании нестационарных объектов с малым
временем жизни, например оптических источников, связанных с космическими гаммавсплесками. Как правило, эти космические объекты в оптическом диапазоне спектра
43
можно наблюдать лишь в течение
нескольких минут после начала
всплеска.
Регулярные наблюдения ГСО в
Уссурийске начаты с января 2005 г.
Первоначально для этого использовалась ПЗС-камера ST-6 фирмы
SBIG (США). Камера имеет матрицу 375 х 242 элементов с линейным размером 8 х 6 мм. Для проведения как позиционных, так и
фотометрических наблюдений важен размер поля, регистрируемого
камерой. Для достаточно точных
Рис. 2. Область неба с ГСО (1–6)
определений координат исследуемого объекта необходимо, чтобы одновременно с объектом были получены изображения
10–15 опорных звезд, по которым и определяются его координаты. Если использовать камеру ST-6 в прямом фокусе астрографа, то поле зрения составляет лишь 7 х 5΄, чего в большинстве случаев недостаточно из-за малого количества звезд, попадающих в поле.
Для качественных измерений координат было необходимо уменьшить фокусное расстояние астрографа и увеличить поле зрения. Для этого в оптическую систему астрографа введен
дополнительный объектив – оптический редуктор фокуса. Если между главным объективом
и его фокальной плоскостью ввести положительную линзу, то в зависимости от расстояния
между главным объективом и линзой можно в широких пределах варьировать эквивалентное фокусное расстояние системы. Параметры системы определяются выражением
1/F = 1/f1 + 1/f2 – d/(f1f2),
где f1 и f2 – фокусные расстояния соответственно главного и дополнительного объективов,
d – расстояние между ними, F – эквивалентное фокусное расстояние системы. В принципе
уменьшение эквивалентного фокусного расстояния при неизменном диаметре главного
объектива должно увеличивать светосилу и проницание системы, что дает возможность
регистрировать более слабые объекты. Реально же из-за того, что объектив редуктора, как
правило, многолинзовый, повышенное проницание компенсируется потерями на отражение и поглощение света в оптике редуктора и даже уменьшается.
При наблюдениях с камерой ST-6 в 2005 г. использовался трехлинзовый перестраивающий объектив, что обеспечило поле зрения 33 х 25 угловых минут при эквивалентном фокусном расстоянии системы 89 см. Проницающая сила при съемке с R-фильтром (700 нм)
составляет 14,0 звездной величины при экспозиции 10 с и 15,5 звездной величины при
экспозиции 60 с.
В конце 2005 г. обсерватория в рамках программы наблюдений ГСО и ряда других объектов получила новую цифровую камеру FLIIMAGE 6302E с матрицей 3076 х 2048 элементов и линейными размерами 27 х 18 мм. Для работы с этой камерой было изготовлено
несколько вариантов редуктора фокуса (рис. 3). В этом случае в качестве перестраивающего использован двухлинзовый объектив диаметром 100 мм с фокусным расстоянием
450 мм. Рабочий эквивалентный фокус системы 106 см, поле зрения 60 х 40΄. Фокусировка
камеры осуществляется микрометрическим винтом с точностью 0,01 мм. Расстояние между перестраивающим объективом и передним фланцем камеры достаточно для установки
там стандартного набора цветных светофильтров B, V, R. При наблюдениях используется
GPS-приемник, обеспечивающий временную привязку получаемого кадра изображения с
точностью 0,01 с.
44
Рис. 3. Редуктор фокуса с камерой FLI
Обычно при наблюдениях ГСО используется метод получения снимков с выключенным часовым ведением телескопа. Поэтому на снимке звезды имеют вид штрихов, длина
которых определяется временем экспонирования кадра, а ГСО выглядят почти как точечные объекты. Это происходит потому, что на точной геостационарной орбите скорость
движения аппарата равна скорости суточного вращения Земли, и ГСО «висит» над точкой земной поверхности (рис. 2). Однако большинство геостационарных аппаратов в зависимости от назначения имеют наклонения и эксцентриситеты орбит, иногда большие.
Поэтому изображения таких ГСО не точечные, а штриховые. Это создает трудности при
наблюдениях слабых ГСО с большими наклонениями и эксцентриситетами, поскольку
увеличение времени экспозиции не приводит к накоплению сигнала, как в случае неподвижного объекта, а лишь увеличивает длину штриха ГСО. Для уверенного наблюдения
таких объектов требуются более мощные инструменты.
Для обработки снимков используется компьютерная программа GEOS, разработанная
И.С.Гусевой (ГАО РАН). Точность определения координат ГСО составляет, как правило,
около 1΄΄.
Число ночей с наблюдениями / количество наблюденных ГСО в 2005–2006 гг.
Год
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Всего
2005
2006
4/10
11/42
8/89
11/59
11/97
11/62
8/31
9/111
8/54
11/61
7/34
6/31
6/31
9/81
8/51
4/23
13/121
12/96
13/54
12/72
14/63
17/98
5/26
12/73
105/671
125/809
Количество ночей с наблюдениями определяется главным образом погодой. По погодным условиям наиболее благоприятными сезонами для наблюдений являются осень, зима
и весна. Такая же ситуация и с дневными наблюдениями Солнца. Это выгодно отличает
УАФО от большинства обсерваторий России и Европы, где из-за астроклиматических условий в зимние месяцы наблюдений сравнительно мало.
Наблюдения других объектов, представляющих астрофизический интерес
Одна из самых сложных и интересных загадок современной астрофизики –
природа космических гамма-всплесков. Их начали наблюдать в середине 1960-х годов
при помощи орбитальных телескопов. Все зарегистрированные всплески имеют короткую
45
длительность (меньше 1 мин). Сейчас наиболее обоснована гипотеза космологической
природы гамма-всплесков, согласно которой их источники удалены на расстояния порядка
(10–15) х 109 световых лет и являются результатом слияния двух нейтронных звезд. Это означает, что при всплесках за несколько секунд выделяется колоссальная энергия – 1050–1052 эрг,
это самые мощные источники энергии во Вселенной. Отметим, что энергия такого же порядка выделяется при вспышках сверхновых, но там процесс растягивается на месяцы.
В феврале 1997 г. впервые в области источника гамма-всплеска было зарегистрировано
рентгеновское и оптическое излучение, а в апреле того же года всплеск сопровождался
рентгеновским, оптическим и радиоизлучением. В отличие от самого гамма-всплеска, его
оптическое послесвечение продолжается несколько часов, причем блеск оптического источника падает со временем по закону t-k, где k = 1,2–1,3. Спектральные наблюдения оптического послесвечения этого источника позволили по доплеровскому красному смещению
спектральных линий определить расстояние до источника. Оно оказалось сравнимым с
радиусом видимой части Вселенной, что подтверждает космологическую природу гамма-всплесков. Эти результаты стимулировали бурный рост числа обсерваторий, участвующих в поиске оптического послесвечения гамма-всплесков. Самое мощное оптическое
послесвечение было зарегистрировано в 1999 г. В максимуме яркости блеск его достигал
9-й звездной величины. Но для подавляющего большинства источников он гораздо слабее
(18–21-я звездная величина).
В настоящее время эти явления наблюдают несколько специализированных орбитальных телескопов: HETE, INTEGRAL, SWIFT. Информация о зарегистрированных всплесках
оперативно (через несколько секунд) поступает в сеть Интернет и в наземные обсерватории, участвующие в программе поиска оптического и радиопослесвечения гамма-всплесков. Задача обсерваторий – оперативно начать наблюдения с максимальным проницанием,
и при этом крайне желательно проводить фотометрические спектральные наблюдения.
С 2004 г. Уссурийская обсерватория участвует в этой программе. Проведены наблюдения
20 площадок, в которых были зарегистрированы гамма-всплески. Достаточно ярких для
обнаружения на астрографе объектов не найдено. Для наблюдений обычно используется
метод получения временных серий изображений исследуемой области с последующим
суммированием кадров. Такая методика позволяет увеличить проницающую силу инструмента: при суммировании 10 кадров проницание увеличивается на 1 звездную величину
по сравнению с одиночным кадром.
С конца 2006 г. Уссурийская обсерватория совместно с ГАО РАН участвует в наблюдениях двухкомпонентных астероидов. Их компоненты вне разрешения современных оптических средств, поэтому информацию получают косвенными методами.
В оптической области они проявляют себя как переменные объекты. Фотометрические исследования серий снимков таких астероидов, полученных с интервалом
15–20 мин, позволяют по кривым
блеска судить о размерах компонентов и их движении. В настоящее время получено несколько
серий длительностью 4–5 ч для
двух астероидов. Проводится
фотометрическая обработка этих
наблюдений. На рис. 4 дано негативное изображение области
неба с астероидом 5407 1992AX
Рис. 4. Область неба с астероидом 5407 1992AX (А)
(отмечен буквой A). Снимок
46
получен с R-фильтром при времени экспозиции 60 с. Блеск астероида приблизительно
15-й звездной величины.
Перспективы развития ночных астрономических наблюдений
С 2005 г. Уссурийская обсерватория входит в Пулковскую кооперацию оптических наблюдателей (ПулКОН), объединяющую ряд российских и зарубежных обсерваторий. Основная задача ПулКОН – организация и проведение регулярных наблюдений
за искусственными спутниками Земли (высокоорбитальными и низкоорбитальными) и
космическим мусором в пунктах, разнесенных по долготе для максимального покрытия
геостационарной орбиты. Некоторые результаты работы обсерватории в рамках ПулКОН
опубликованы в [1, 4].
Дальнейшее развитие этих работ требует усовершенствования инструментальной
базы обсерватории. Для расширения спутниковой тематики в обсерватории планируется в
2007 г. установить широкоугольный телескоп системы Рихтера–Слефогта–Теребижа (диаметр объектива 220 мм, фокусное расстояние 507 мм). Телескоп будет оснащен цифровой
камерой с большой матрицей (35 х 35 мм), что обеспечит поле зрения 20 квадратных градусов и проницание до 14-й звездной величины при экспозиции 10 с. В настоящее время
заканчивается изготовление оптики телескопа, заказана цифровая камера. Планируется
установить телескоп на монтировке уже действующего 15-сантиметрового рефрактора обсерватории. Ведутся работы по автоматизации приводов монтировки. Наведение телескопа на объект будет осуществляться шаговыми двигателями с персонального компьютера.
Телескоп позволит быстро и детально делать обзоры доступной зоны геостационарной
орбиты, а также наблюдать некоторые низкоорбитальные космические объекты, что невозможно делать на астрографе.
К концу 2007 г. для Уссурийской обсерватории будет изготовлен еще один телескоп
с объективом диаметром 50 см и фокусным расстоянием 110 см, оснащенный большой
матрицей. Проницающая сила телескопа – до 18-й звездной величины. Монтировка телескопа полностью автоматизирована, что позволяет наводиться на объект даже по алертам,
получаемым по сети Интернет. Финансирует работы по изготовлению телескопа Институт
космических исследований РАН. Основными задачами, решаемыми на этом инструменте,
будут поиск и наблюдение источников оптического послесвечения космических гаммавсплесков и наблюдения (в том числе фотометрические) высокоорбитальных и низкоорбитальных космических объектов.
Будут продолжены наблюдения и фотометрические исследования двухкомпонентных
астероидов.
Планируемое оснащение Уссурийской обсерватории современным оптическим оборудованием, цифровой техникой позволит создать хорошую приборную базу для решения
важных фундаментальных и прикладных задач современной астрономии и астрофизики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ерофеева А.В., Гусева И.С., Корниенко Г.И., Ващук И.О. Некоторые результаты наблюдений на 40-сантиметровом двойном астрографе Уссурийской обсерватории // Солнечная активность и ее влияние на Землю.
Владивосток: Дальнаука, 2006. С. 51-57. (Тр. УАФО; т. 9).
2. Корниенко Г.И., Лоскутников В.С., Фисенко М.И. Использование цифровой камеры ST-6 для регистрации
и обработки астрономических объектов // Солнечная активность и ее влияние на Землю. Владивосток: Дальнаука, 1997. С. 85-91. (Тр. УАФО; т. 2).
3. Корниенко Г.И., Крамынин А.П. Предварительные результаты исследования вариаций поверхностной яркости кометы Хэйла-–Боппа // Солнечная активность и ее влияние на Землю. Владивосток: Дальнаука, 1999.
С. 102-113. (Тр. УАФО; т. 3).
4. Molotov I., Agapov V., Kornienko G. Progress in development of the Russian scientific optical network for space
debris research // Abstracts of the 36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, China, 16–23 July 2006, 1 p., COSPAR
2006-A-01215.
47