Книга: Космос

Методы и средства обнаружения и слежения

Методы и средства обнаружения и слежения

Если астероиды открывают, как правило, астрономы-профессионалы, то большая часть комет была обнаружена любителями астрономии. Тому есть два объяснения. Во-первых, приближающиеся к Солнцу кометы, окутываясь обширной газовопылевой оболочкой, бывают настолько яркими объектами, что становятся доступными для наблюдения с помощью относительно скромных любительских средств. Во-вторых, только многочисленная армия любителей науки, «охотясь» за кометами, в состоянии практически ежесуточно обозревать всю небесную сферу. Правда, на более мощных телескопах профессиональных обсерваторий кометы могут быть обнаружены на гораздо более далёком расстоянии, что очень важно для своевременного принятия мер защиты. Понятно, что опасность может представить столкновение именно с ядром кометы, а не с его обширной оболочкой или хвостом.

До конца прошлого века было учтено восемьсот астероидов, сближающихся с Землёй (АСЗ). Значительная часть из них была обнаружена с помощью фотосъемки на телескопах. Наблюдения с целью определения положения и орбиты небесных объектов называют астрометрическими. Результаты многолетних астрометрических наблюдений заносят в каталоги. Есть, например звёздные каталоги, каталоги малых планет, каталоги объектов, сближающиеся с Землёй. Для поиска и отслеживания малых планет астрофотография применялась более 100 лет. Для этого чаще всего использовались специальные телескопы — астрографы с кассетой для больших фотопластинок. В дополнении к главной оптической системе астрограф имеет ещё один соосный телескоп — гид. С помощью гида наблюдатель во время экспонирования удерживает наблюдаемый участок неба в поле зрения. Это позволяет в течение достаточного времени накапливать свет от слабых объектов и получать изображение значительного участка ночного неба. Создаваемая таким образом стеклянная библиотека дает возможность сравнивать снимки одного участка, полученные с интервалами несколько суток, месяцев и лет. Астероиды на них удается выявить, т.к. они «ползут», перемещаются на фоне далёких звёзд, практически не меняющих своего положения относительно друг друга. Чем астероид ближе к Земле, тем на больший угол он смещается в единицу времени. Для определения истинного движения астероида надо учитывать, что его видимое перемещение есть сумма движений по своим орбитам астероида и Земли. Видимое движение астероида за сутки может составлять от долей градуса до десятков градусов.

На территории стран СНГ наибольший опыт поиска и исследования астероидов накоплен в Крымской астрофизической обсерватории (КрАО). Путем фотографических наблюдений с помощью двойного 40-см телескопа-астрографа здесь было открыто около трети всех каталогизированных к концу прошлого века астероидов. Модельные математические эксперименты показали, как должны выглядеть объекты перед столкновением с Землёй. В последний период перед столкновением величина углового перемещения зависит от направления подхода астероида к Земле. Некоторые из них становятся «очень медленными», а в последние 10 дней почти стационарными объектами. И это вполне естественно. Ведь в это время астероид летит прямо на нас, быстро увеличивая свой блеск, но очень мало перемещаясь поперёк луча зрения. В таком случае для определения расстояния до объекта и параметров его траектории необходимо провести серию наблюдений на двух телескопах, достаточно удалённых друг от друга. Такие наблюдения называют базисными. Они позволяют использовать триангуляционный метод определения расстояния до объекта. Поможет здесь и радиолокация потенциально опасного объекта.

На помощь учёным пришли новейшие средства микроэлектроники и компьютерные технологии. После 2000 г. астрономы полностью перешли на электронно-оптические методы наблюдений. В качестве чувствительных приемников излучения в телескопах начали использовать твердотельные приборы с зарядовой связью (ПЗС). В наши дни ПЗС-матрицы используют в мобильных телефонах, в цифровых фото- и видеокамерах. Основой ПЗС-матрицы является плоский слой монокристалла полупроводника (как правило, кремния). На эту подложку наносят много металлических площадок, расположенных в правильном геометрическом порядке в виде строк и столбцов. Каждая площадка вместе с подложкой образует ячейку, чувствительную к свету. Такая ячейка становится элементарным конденсатором, который может накапливать электроны, возникающие под действием падающего потока фотонов. Возникающие таким образом электрические сигналы передаются вдоль столбцов в следующие строки. С последней строки электрические заряды попадают на усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Этим процессом управляет компьютер. Чтобы снизить помехи от самой матрицы, её охлаждают до -130 °С.

Современные ПЗС-матрицы изготовляют с числом светочувствительных элементов (пикселей) от 4096–4096 и более. Размеры каждого элемента от 3–3 до 30–30 мкм. Профессиональные ПЗС-камеры обеспечивают не только сверхвысокую чувствительность, но и высокоточное определение координат изображений в оцифрованном виде. Это даёт другое важнейшее преимущество метода — возможность получения и компьютерной обработки информации почти в реальном масштабе времени.

Каждая звезда проявляется на площади в несколько пикселей. Компьютер определяет блеск звезды и её координаты с точностью не ниже 0,1 размера пикселя. В результате получают массив прямоугольных координат и блеск объектов, попавших в поле, покрываемое матрицей. После этой обработки компьютер пересчитывает прямоугольные координаты в привычные для астрономов сферические экваториальные.

Если за одну ночь получено два-три кадра одной и той же площадки неба, то компьютер, в памяти которого есть каталоги опорных звёзд, данные об известных подвижных объектах естественного и искусственного происхождения, сможет выделить новые подвижные объекты, представляющие опасность для землян. На практике наблюдатели получают три измерения положения объекта с перерывом 20–30 мин. Этого бывает достаточно, чтобы определить скорость изменения координат исследуемого объекта и сопоставить полученные параметры с параметрами объектов, уже занесённых в базу данных. Следующая задача, решаемая компьютером, определение координат, а затем по нескольким наблюдениям — и построение предварительной орбиты объектов. Об открытых объектах, которые в будущем могут опасно сблизиться с Землёй, все данные отправляют в координационный центр, чтобы пополнить ими каталог опасных объектов.

Из-за движения астероида на фоне звёзд его слабый световой поток как бы «размазывается» по направлению движения и не позволяет накапливать сигнал при длительном экспонировании. Учёные из Новосибирска, работающие в Вычислительном центре Сибирского отделения Академии наук, разработали алгоритм компьютерного преобразования массивов чисел от ПЗС-матриц в параметры орбитального движения. При этом изображения тел, движущихся по эфемеридам заданного класса, представляются как бы неподвижными, что допускает длительное накопление сигнала.

Разработанный алгоритм позволяет избирательно считывать заряды с пикселей ПЗС только в те моменты, когда на них падает свет от движущегося малого объекта. Используя предложенный алгоритм, можно создать систему, которая позволит объединить в центральном компьютере промежуточные результаты наблюдений с нескольких телескопов наземного и космического базирования. Эта система избирательно обнаруживает не любые малые тела, которых, по оценкам, многие миллионы, а лишь те из них, которые сближаются с Землёй.

По результатам численного моделирования и анализа гелиоцентрического движения ОКО установлено, что за несколько лет до тесного и опасного сближения с Землёй происходят их менее тесные сближения с нашей планетой. В эти периоды предварительных сближений и желательно обнаружить потенциально опасный объект. Расчёты, в частности, показывают, что зона контроля космического пространства радиусом 1 5 млн. км гарантирует обнаружение большинства АСЗ за 10 лет до столкновения. Опасные астероиды на предыдущих оборотах могут быть замечены и на гораздо меньшем расстоянии.

Опыт сотрудников ИНАСАН показывает, что с помощью сравнительно небольших телескопов (с диаметром зеркала от 60 см), оснащённых современными светоприемниками с проницающей силой до 18-й звёздной величины, можно обнаруживать тела десятиметрового размера на расстоянии нескольких миллионов километров от Земли. В этом случае время до столкновения составит более суток. Этого будет достаточно, чтобы принять срочные меры защиты. Однако для своевременного обнаружения более крупных, но удалённых потенциально опасных объектов необходимо использовать проницающую силу самых крупных телескопов. Сейчас в мире их несколько десятков, причём, как правило, они располагаются в местах с наилучшими для наблюдений природными условиями. Одно из мест с прекрасным астроклиматом — Гавайские острова.

Над вершиной Мауна-Кеа Большого острова Гавайского вулканического архипелага опрокинута чаша тёмного сухого безоблачного неба. Поэтому там на высоте более 4000 м возникло настоящее созвездие крупнейших астрономических инструментов. Достаточно назвать лишь некоторые из них: два телескопа «Кек» с 10-м зеркалами, телескоп «Джемини» («Близнецы») северный с зеркалом размером 8,1 м; инфракрасный телескоп NASA и инфракрасный телескоп Великобритании, японский телескоп «Субару».

^{Обсерватория на острове Мауна-Кеа на Гавайях}

^{Башня телескопа «Субару» на острове Мауна-Кеа}

«Субару» введён в строй в 1999 г. Диаметр его зеркала составляет 8,2 м. Телескоп установлен на высоте 4 139 м над уровнем моря. Адаптивные устройства телескопа отслеживают, как при поворотах изменяется форма главного зеркала, и минимизируют возникающие искажения. Кроме того, специальные меры помогают избавиться от «размывания» изображения, вызываемого струением атмосферы. Компьютерная система управляет цилиндрическим куполом обсерватории, что заметно снижает тепловое перемешивание воздуха. Как и в других крупнейших обсерваториях, во время наблюдений сотрудники не заходят в подкупольное помещение, чтобы не создавать дополнительных вибраций и тепловых потоков. Специалисты находятся в комнате операторов. Управление телескопом «Субару» можно вести и по сети Интернет.

Благодаря прекрасному астроклимату и использованию высоких технологий уже на этапе наладки телескопа «Субару» достигнуто разрешение 0,2” (две десятых угловой секунды!). Замечательно, что инструмент позволяет вести наблюдение и в ультрафиолетовой, и в видимой, и в инфракрасной областях спектра.

На обсерватории Мауна-Кеа получают самые качественные астрономические снимки на Земле. Во многих проектах обеспечения космической безопасности предлагается в случае необходимости использовать всю мощь наземных обсерваторий.

Для надежного патрульного обзора всего небосвода необходимо создать международную службу мониторинга на базе наземных и космических телескопов.