Робот-телескоп МАСТЕР: система автоматической обработки изображений и результаты наблюдений некоторых транзиентных объектов тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга

Белинский Александр Александрович

Робот-телескоп МАСТЕР: система автоматической обработки изображений и результаты наблюдений некоторых транзиентных объектов

Специальность 01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Москва - 2008

003456923

Работа выполнена на кафедре астрофизики и звездной астрономии физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Липунов Владимир Михайлович (ГАИШ МГУ)

Официальные оппоненты:

• доктор физико-математических наук Тутуков Александр Васильевич,

• доктор физико-математических наук Свертилов Сергей Игоревич, НИИЯФ МГУ

Ведущая организация: ГАО РАН

Защита состоится 18 декабря 2008 года в 14е0 на заседании диссертационного совета Д501.001.86 в Государственном астрономическом институте им. П.К. Штернберга МГУ по адресу: 119992, г. Москва, Университетский пр-т, дом 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАИШ МГУ. Автореферат разослан 18 ноября 2008 года.

ИНАСАН

Ученый секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

Создание роботизированных обсерваторий - одно из самых актуальных и быстро развивающихся направлений современной астрономии. Автоматизированные астрономические комплексы, обладающие широким полем зрения и способностью быстро наводиться в любую точку неба незаменимы при поиске транзиентных феноменов на небе (гамма-всплесков, вспышек сверхновых и новых звезд и т.п.), когда невозможно заранее предугадать в какой момент и куда следует наводить телескоп.

На сегодняшний день в разных странах создано несколько десятков телескопов-роботов, каждый из которых, как правило, предназначен для решения определенного класса задач. Например, автоматическая система КОТБЕ-Ш создана, прежде всего, для обнаружения оптического послесвечения гамма-всплесков, система КА1Т предназначена исключительно для поиска сверхновых звезд, а главной задачей комплекса робот-телескопов Бире^АБР является обнаружение новых экзопланет.

Работа автоматических астрономических систем обеспечивается комплексом программного обеспечения, который позволяет управлять робот-телескопом и его укрытием, обеспечивать, как минимум, первичную обработку получаемых изображений, а затем хранить соответствующую информацию. Программное обеспечение каждого автоматизированного астрономического комплекса имеет свою специфику, определяемую решаемой задачей, т.е. не может быть универсальным.

Робот-телескоп МАСТЕР (http://observ.pereplet.ru), был создан коллективом сотрудников Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ под руководством профессора В.М. Липунова и установлен в 30 км от Москвы. Главным элементом системы МАСТЕР является телескоп модифицированной системы Рихтера-Слефогта на автоматизированной монтировке. Диаметр телескопа - 355 мм, фокусное расстояние - 920 мм. В ньютоновском фокусе телескопа установлена камера с

размером ПЗС-приемника 4096x4096 пикселов, размер одного пикселя составляет 9 мкм, что обеспечивает поле зрения системы около 6 квадратных градусов. Управляемая компьютером монтировка позволяет наводиться в заданную точку неба со скоростью 5 градусов/сек. Телескоп находится в помещении, крыша которого открывается и закрывается по команде компьютера, анализирующего поступающую от метеодатчиков информацию.

В отличие от большинства существующих робот-телескопов, система МАСТЕР создавалась для решения широкого круга астрономических задач, что обусловило необходимость работы телескопа в двух режимах. В режиме обзора телескоп последовательно наводиться на различные области неба, заранее выбранные по определенному принципу, и получает серию изображений каждой области с экспозицией 45 сек. Такой режим позволяет исследовать переменность блеска и перемещение по небу различных астрономических объектов, например, обнаруживать вспыхнувшие сверхновые или выявлять астероиды. Второй режим - это режим алертных наблюдений, когда телескоп максимально быстро перенаводится на определенную область. Это необходимо, главным образом, для регистрации и последующего изучения оптического послесвечения гамма-всплесков, информация о которых поступает на управляющий компьютер телескопа по сети интернет от международной сети наблюдения гамма-всплесков (вОМ, http://gcn.gsfc.nasa.gov). Для системы МАСТЕР алертный режим является приоритетным: основное время ведутся наблюдения в режиме обзора, которые немедленно прерываются при получении алертного сообщения.

Функционирование системы МАСТЕР невозможно без программного обеспечения, которое условно можно разделить на три части: 1) комплекс программ, обеспечивающих управление телескопом и куполом башни; 2) система обработки получаемых телескопом изображений; 3) хранение полученных данных. Два последних блока программного обеспечения были созданы автором и описываются в данной диссертации. Особенности разработанного программного обеспечения отражают специфику системы

МАСТЕР, созданную, как уже отмечалось, для решения широкого круга задач. Комплекс программ для обработки изображений призван решать следующие задачи в режиме реального времени: определять абсолютные координаты и блеск всех объектов попавших в кадр площадью 6 квадратных градусов; классифицировать объекты по типам (звезды, галактики, астероиды и т.д.); обнаруживать транзиентные объекты и проводить их первичную классификацию.

Комплекс программ для хранения данных должен сразу же после первичной обработки сохранить информацию о блеске и координатах всех попавших в кадр астрономических объектах, формируя соответствующую базу данных. Особенность этой базы данных в том, что поступающая информация сразу же должна использоваться для обработки новых изображений, и в этом смысле хранение информации - составная часть обработки. Кроме информации об объектах, в базе данных должны храниться исходные изображения, обеспечивая возможность при необходимости заново обработать старые наблюдения.

В качестве примера, иллюстрирующего эффективность работы программных комплексов обработки и хранения данных, в диссертации приведены результаты наблюдений, в ходе которых было обнаружено оптическое послесвечение нескольких гамма-всплесков и открыты сверхновые звезды различных типов.

Актуальность работы

Изучение природы гамма-всплесков, подтверждение существования и выявление природы т.н. всплесков - сирот, а также накопление информации о параметрах большого количества сверхновых звезд типа 1а («стандартные свечи») - проблемы, которые являются одними из самых актуальных в современной астрофизике, и их решение невозможно без использования робот-телескопов. Вместе с тем, автоматические системы с широким полем зрения

могут помочь в решении многих других астрономических задач: слежение за уже известными астероидами и поиск новых астероидов и комет, в том числе, потенциально опасных для Земли, массовое изучение переменности блеска звезд, обусловленное их нестационарностью либо прохождением по их диску экзопланет или микролинзированием.

После распада Советского Союза ГАИШ МГУ лишился наблюдательных баз, которые теперь принадлежат другим государствам. Создание автоматической системы МАСТЕР, установленной на территории России, не только частично компенсировало эту потерю, но и позволило астрономам ГАИШ выйти на мировой уровень в области обзорных (поисковых) наблюдений. Установка в 2009 г. робот-телескопов нового поколения МАСТЕР -2, которые будут использовать описанное в диссертации программное обеспечение, на обсерваториях ГАИШ (вблизи г. Кисловодска) и Уральского Государственного университета еще больше расширит возможности Российских астрономов в этой области.

Цели работы

1. Разработка программного обеспечения для обработки потока астрономических изображений с ПЗС-камер робот-телескопа МАСТЕР в режиме реального времени.

2. Создание базы данных, содержащей все полученные с помощью робот-телескопа изображения, а так же информацию о всех астрономических объектах которые хоть раз попали в кадр. База должна иметь удобный пользовательский интерфейс и быть легко доступной через интернет для пользователей. Пополнение базы должно происходить в режиме реального времени по мере поступления новой информации.

3. Изучение оптического послесвечения гамма-всплесков по алертным сигналам с космических аппаратов.

4. Обнаружение сверхновых звезд и других астрономических объектов, координаты и/или блеск которых меняются с течением времени.

Новизна работы

Система МАСТЕР предназначена для изучения широкого круга явлений и объектов: от метеоров до оптического послесвечения гамма-всплесков. С учетом этой специфики нами впервые создан пакет программ, позволяющий в реальном времени решать следующий комплекс задач:

• определять абсолютные координаты и блеск всех объектов попавших в кадр размером 6 кв. градусов;

• классифицировать объекты по типам (звезды, галактики, астероиды и т.д.);

• обнаруживать транзиентные объекты;

• проводить первичную классификацию транзиентных объектов.

Для изучения любых типов объектов создана и поддерживается база данных, в которой собраны результаты всех наблюдений. С помощью описанного в диссертации программного обеспечения были, в частности, обнаружены и изучены несколько сверхновых звезд и источников гамма-всплесков.

Достоверность научных результатов.

Результаты диссертации опубликованы в рецензируемых журналах, докладывались на международных и российских симпозиумах, а также подтверждены независимыми наблюдениями других обсерваторий.

Практическая значимость работы

Описанный в диссертации комплекс программ для обработки данных позволил практически решать задачи, для которых была создана система

МАСТЕР, установленная в Подмосковье: обнаружение и оперативное исследование транзиентных объектов. Созданная и постоянно пополняемая текущими наблюдениями база данных содержит информацию, которая может быть использована любым астрономом для изучения самых разных астрономических объектов. Рассматриваемый комплекс программ для обработки и хранения данных предполагается использовать в робот-телескопах МАСТЕР-2, которые в 2009 г. будут установлены в обсерваториях ГАИШ МГУ и Уральского Государственного университета.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Комплекс программ для обработки изображений, получаемых робот-телескопом МАСТЕР, который позволяет:

- в реальном времени определять абсолютные координаты и блеск всех объектов попавших в кадр площадью 6 квадратных градусов;

- классифицировать объекты по типам (звезды, галактики, астероиды и т.д.);

- обнаруживать транзиентные объекты;

- проводить первичную классификацию транзиентных объектов.

2. Программное обеспечение, позволившее создать базу данных, содержащую информацию о всех объектах на всех изображениях, полученных на робот-телескопе МАСТЕР (свыше 500 млн. объектов до 19,5т).

3. Обнаружение оптического послесвечения гамма-всплесков СИВ 030329, вЯВ 050824, СТ^В 060926 с помощью робот-телескопа МАСТЕР.

4. Открытие сверхновых звезд 2005Ьу, 2005ее, 2006ак, 2008gy.

Личный вклад автора

Для обеспечения работы системы МАСТЕР необходимо программное обеспечение, которое условно можно разделить на три части: комплекс

программ, обеспечивающих управление телескопом и куполом башни, система обработки получаемых телескопом изображений, и, наконец, хранение полученных данных. В создание комплекса программ, обеспечивающих обработку и хранение данных, автор внес определяющий вклад: ему принадлежит постановка задачи и программная реализация соответствующих алгоритмов. Что касается наблюдений транзиентных источников, результаты которых вынесены на защиту, то здесь вклад автора состоит в обработке наблюдательного материала и равноправное (с соавторами соответствующих публикаций) участие в интерпретации полученных результатов.

Структура диссертации

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Она содержит 95 страниц печатного текста, 34 рисунка, 15 таблиц и список литературы, включающий 130 наименований.

В первой части Введения описано, для каких целей создаются робот-телескопы, описаны основные характеристики существующих телескопов этого типа, и проводится сравнение системы МАСТЕР с отечественными и зарубежными аналогами. Объясняется, в чем состоит специфика программного обеспечения, обеспечивающего функционирование робот-телескопа МАСТЕР. Во второй части Введения сформулированы цели и задачи работы, а также положения, выносимые на защиту, обоснована актуальность темы диссертации, указано, в чем состоит новизна работы и пояснено, что позволяет считать полученные результаты достоверными.

Глава I состоит из четырех разделов. В первом разделе содержится описание пакета программ, предназначенных для первичной обработки изображений, получаемых с ПЗС-камеры робот-телескопа МАСТЕР. В процессе этой обработки, кроме стандартных процедур редукции (вычитание

подложки, темнового тока и т.п.) производится определение координат и блеска всех объектов, попавших в кадр. Точность определения координат при этом = 1", а блеска - не хуже 0.2т. Описано, как происходит последующая фильтрация артефактов (космические частиц и т.п.) и идентификация уже известных астрономических объектов. Последующая обработка зависит от типа наблюдений. В разделе 1.2 описано, как производится обработка наблюдений при поиске оптического послесвечения гамма-всплесков (наблюдения в т.н. алертном режиме), а в разделе 1.3 - обзорных наблюдений (поиск сверхновых, например). Существенно, что обработка производится в реальном времени. В алертном режиме, например, информация о потенциальном транзиентном источнике выдается менее чем через минуту после получения кадра, который содержит 5-10 тысяч астрономических объектов, блеск и координаты которых также определяются.

После того, как первичная обработка завершена, информация о блеске и координатах всех попавших в кадр астрономических объектов немедленно заносится в базу данных, описанию организации и пользовательского интерфейса которой посвящен раздел 1.4 диссертации. Информация об объектах используется в дальнейшем для обработки последующих изображений при поиске транзиентных источников, а также позволяет исследовать переменность блеска и/или координат любого астрономического объекта. Кроме того, в базе данных хранятся исходные изображения, что позволяет при необходимости заново обработать старые наблюдения - примеры такого рода обработки приведены в третьей главе диссертации. На данный момент база данных робот-телескопа МАСТЕР содержит свыше 80 тысяч исходных изображений, а также информацию о блеске и координатах примерно 100 млн. астрономических объектов. Текущий объем базы данных - более 4 терабайт.

Во второй главе приведены некоторые результаты наблюдений на робот-телескопе МАСТЕР в алертном режиме. Обработка этих наблюдений по

описанной в первой главе методике позволила исследовать оптическое послесвечение гамма-всплесков GRB 030329, GRB 050824 и GRB 060926. Для гамма-всплеска GRB 030329 по наблюдениям, непрерывно продолжавших 8,5 часов построена кривая блеска и определен ее наклон.

В случае гамма-всплеска GRB 050824 нам удалось первыми обнаружить оптическое послесвечение (через 92 сек. после получения алерта), а у гамма-всплеска GRB060926 (первое изображение получено системой МАСТЕР через 76 сек после получения алерта) обнаружено возрастание оптического блеска в районе 500-й секунды. Во всех случаях полученные нами данные были подтверждены наблюдениями других групп. Кроме того сообщается о нескольких десятках алертных наблюдений гамма-всплесков, которые не привели к обнаружению оптического транзиента - для этих наблюдений приведена оценка верхнего предела блеска.

В третьей главе диссертации приведены некоторые результаты наблюдений на робот-телескопе МАСТЕР в режиме обзора. В ходе этих наблюдений были открыты сверхновые звезды 2005bv (тип 1а), 2005ее (яркая сверхновая II типа), 2006ак (тип Ia), 2006Х (тип Ia), 2008gy (тип пока не определен). Зарегистрировано более десяти тысяч известных астероидов, и на примере трансплутонового астероида 2003 UB313 показана возможность определения координат небесных тел с точностью 0,2". В этой главе также приведены результаты наблюдений экзопланеты TrES-2, в ходе которых блеск затмеваемой ею звезды был определен с точностью 0.016т.

Сообщается также об обнаружении нескольких неотождествленных транзиентных источников, природу которых определить не удалось.

В Заключении подводится итог выполненным исследованиям и намечены перспективы дальнейшего развития программно-аппаратного комплекса робот-телескопов типа МАСТЕР.

Апробация работы и публикации

Результаты работы были доложены на 2 международных и 3

российских конференциях:

1. Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2004 (г. Москва, 3-10 июня 2004)

2. Robotic Astronomy (г. Потсдам, 12-15 июля 2004)

3. JENAM-2004 (г. Гранада, 14-17 сентября 2004)

4. Астероидно-кометная опасность - 2005 (г. С.-Петербург, 3-7 октября 2005)

5. Научная сессия МИФИ-2008 (г. Москва, 21 -27 января 2008)

Результаты работы изложены в 5 статьях, опубликованных в

рецензируемых журналах:

1. V.M. Lipunov, А. V. Krylov, V. G. Komilov, G. V. Borisov, D. A. Kuvshinov, A. A. Belinsky, M. V. Kuznetsov, S. A. Potanin, G. A. Antipov, N. V. Tyurina, E. S. Gorbovskoy, I. Chilingaryan, MASTER: The Mobile Astronomical System of Telescope-Robots, Astronomische Nachrichten 2004, 325,580-582

2. V. M. Lipunov, V. G. Kornilov, A. V. Krylov, G. V. Borisov, D. A. Kuvshinov, A. A. Belinski, E. S. Gorbovskoy, G. A. Antipov, N. V. Tyurina,

V. M. Vitrischak, S. A. Potanin and M. V. Kuznetsov, The Master Mobile Astronomical System. Optical Observations of Gamma-Ray Bursts, Astrophysics (Publisher: Consultants Bureau, An Imprint of Springer Verlag New York LLC), 2005, V.48(3), 389 - 399

3. V. M. Lipunov, V. G. Kornilov, A. V. Krylov, D. A. Kuvshinov, E. S. Gorbovskoy, N. V. Tyurina, A. A. Belinsky, G. V. Borisov, A. V. Sankovich, Observations of gamma-ray bursts and a supernovae search at the robotic telescope MASTER, Astronomical & Astrophysical Transactions, 2007, V.26, P.79

4. В.М.Липунов, В.Г.Корнилов, Е.С.Горбовской, А.В.Крылов, Н.В.Тюрина, Д.А.Кувшинов, А.А.Белинский, П.А.Грицык, А.В.Санкович, В. В.

Владимиров, "Оптические наблюдения гамма-всплесков, открытие сверхновых звезд 2005bv, 2005ее, 2006ак и поиск транзиентов на телескопе-роботе МАСТЕР", Астрономический журнал, 2007, т.84, N12, с. 1110-1134 5. В.М.Липунов, В.Г.Корнилов, Е.С.Горбовской, А.В.Крылов, Н.В.Тюрина, Д.А.Кувшинов, А.А.Белинский, П.А.Грицык, А.В.Санковнч, В. В. Владимиров, "Открытие оптической вспышки гамма-всплеска GRB060926 телескопом-роботом МАСТЕР: образование предельно-вращающейся черной дыры.", Письма в Астрономический журнал, 2008, т.34, № 3, с. 167173

Кроме того, автор диссертации является соавтором свыше 80 электронных публикаций в циркулярах GCN (The Gamma ray bursts Coordinates Network Circulars, http://gcn.gsfc.nasa.gov/gcn/gcn3_archive.html), в двух циркулярах IAU (http://cfa-www.harvard.edu/iau/cbat.html) и двух циркулярах СВЕТ (http://www.cfa.harvard.edu/iau/cbet/RecentCBETs.html).

ВВЕДЕНИЕ.

1. Поисковые робот-телескопы.

2. Общая характеристика работы.

Глава I. Комплекс программного обеспечения для обработки и хранения данных, получаемых с робот-телескопа МАСТЕР.

1.1. Общие принципы автоматической обработки изображений.

1.2. Обработка изображений в алертном режиме.

1.3. Обработка изображений в режиме обзора.

1.4. Система хранения (база) данных.

Глава II. Алертные наблюдения оптического излучения гаммавсплесков

II. 1. Результаты наблюдений оптического послесвечения некоторых гамма-всплесков.

11.1.1. Гамма-всплеск GRB 030329.

II. 1.2. Гамма-всплеск GRB 050824.

II. 1.3. Гамма-всплеск GRB 060926.

II.2. Оценка верхнего предела блеска гамма-всплесков, у которых оптическое излучение не было зарегистрировано.

Глава III. Возможности системы МАСТЕР при наблюдениях в обзорном режиме.

III. 1. Обнаружение сверхновых звезд.

111.2. Наблюдения астероидов.

111.3. Наблюдения экзопланеты TrES-2.

111.4. Неотождествленные транзиентные события.

1. Поисковые робот-телескопы.

Создание роботизированных обсерваторий - одно из самых актуальных и быстро развивающихся направлений современной астрономии. Автоматизированные астрономические комплексы, обладающие широким полем зрения и способностью быстро наводиться в любую точку неба, незаменимы при поиске транзиептных феноменов на небе (гамма-всплесков, вспышек сверхновых и новых звезд и т.п.), когда невозможно заранее предугадать в какой момент и куда следует наводить телескоп.

На сегодняшний день в разных странах создано несколько десятков телескопов-роботов, каждый из которых, как правило, предназначен для решения определенного класса задач. Например, автоматическая система ROTSE-III создана, прежде всего, для обнаружения оптического послесвечения гамма-всплесков, система KAIT предназначена исключительно для поиска сверхновых звезд, а главной задачей комплекса робот-телескопов SuperWASP является обнаружение новых экзопланет.

Оптические схемы, размер поля зрения, характеристики приемников и типы монтировок значительно варьируются у различных систем робот-телескопов, что связано с различными классами решаемых задач. Так система ROTSE-III представляет собой телескоп с диаметром зеркала 450 мм и полем зрения около 4 квадратных градусов. Он установлен на монтировке, которая обеспечивает наведение на объект со скоростью порядка 20°/сек. Указанные характеристики робот-телескопа позволяют ему быстро наводиться в область ошибок гамма-всплесков и обнаруживать их сравнительно слабые оптические послесвечения. Основу системы KAIT составляет телескоп системы Ричи-Кретьена с диаметром зеркала 760 мм и полем зрения порядка 10'. Скорость наведения на объект у этого телескопа сравнительно небольшая, поскольку поиск сверхновых производится в режиме последовательного просмотра заранее выбранных областей неба, зато предел обнаружения у данной системы существенно лучше, чем у системы ROTSE-III. Что касается системы SuperWASP, то она состоит из 8 камер с фотографическими объективами диаметром 110 мм, которые установлены на общей монтировке, но смотрят в разные стороны, охватывая в сумме область около 475 квадратных градусов. Ясно, что для поиска экзопланет эта система, вообще, не нуждается в монтировке, обеспечивающей сколь-иибудь быстрое наведение.

Работа автоматических астрономических систем обеспечивается комплексом программного обеспечения, который позволяет управлять робот-телескопом и его укрытием, обеспечивать, как минимум, первичную обработку получаемых изображений, а затем хранить соответствующую информацию. Программное обеспечение каждого автоматизированного астрономического комплекса имеет свою специфику, определяемую решаемой задачей, т.е. не может быть универсальным.

Рис. 1. Робот-телескоп МАСТЕР широкого поля зрения вблизи г. Домодедово, МО.

Робот-телескоп МАСТЕР (http://оbserv.pereрlet.ru), фотография которого приведена на Рис.1, был создан коллективом сотрудников Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ под руководством профессора В.М. Ляпунова и установлен в 30 км от Москвы. Главным элементом системы МАСТЕР является телескоп модифицированной системы Рихтера-Слефогта - он отмечен цифрой 1 на Рис.1 - на автоматизированной монтировке. Автор идеи и расчетов оптической схемы телескопа, приведенной на Рис. 2, д.ф.-м.н. В.Ю.Теребиж. Диаметр входного зрачка телескопа - 355 мм, фокусное расстояние - 920 мм. В ньютоновском фокусе телескопа установлена ПЗС-камера Apogee Alta U16 (основные характеристики представлены в таблице 1). Указанные параметры приемника и оптической схемы обеспечивают поле зрения системы МАСТЕР ~ 6 квадратных градусов.

Рис. 2. Оптическая схема модифицированной системы Рихтера-Слефогта

Управляемая компьютером параллактическая монтировка немецкого типа позволяет наводиться в заданную точку неба со скоростью 5 градусов/сек. Телескоп находится в помещении, крыша которого открывается и закрывается по команде компьютера, анализирующего поступающую от метеодатчиков информацию.

Таблица 1. Основные характеристики ПЗС-камеры Apogee Alta U16

Тип ПЗС-приемника ПЗС-матрица с прямой засветкой, Kodak КАР-1680IE

Размерность ПЗС-приемника 4096 х 4096 пикселей

Размер пикселя 9x9 мкм

Размер чувствительной области 36.86x 36.86 мм

Динамический диапазон 76 dB

Пиковая квантовая эффективность (580-660 нм) 66%

Длительность экспозиции 30 мс — 183 мин.

Система охлаждения Термоэлектрическая, до -40° С от окружающей температуры

Разрядность 16 бит при частоте считывания 1МГц

Полное время считывания (типичное) 25 секунд

Кроме основного телескопа на монтировку установлены еще три телескопа меньшего диаметра с потенциальным полем зрения до 20 квадратных градусов - см. Рис.1, на котором цифрами 2-4 обозначены эти телескоры: 1) модифицированный Рихтер-Слефогт телескоп (№2 па рисунке, D=200 мм, D/F - 1:2,6, построен Г.В. Борисовым); 2) телескоп системы Флюгге (№3 на рисунке, D=280 мм, D/F - 1:2,6); 3) телескоп системы Райта (№4 на рисунке, D=200 мм, изготовлен А.В. Санковичем), оборудованный турелью фильтров и камерой Sbig ST-10XME. Все телескопы установлены параллельно друг другу, что при необходимости позволяет вести синхронные наблюдения в разных фильтрах. На телескопе системы Флюгге установлена гризма с ПЗС-камерой, позволяющая получать низко-дисперсионные спектры объектов с блеском до 13ш в поле 30' х 40' с экспозицией 1 минута.

Чтобы обеспечить быстрое и сравнительно точное наведение телескопов на заданную область неба на параллактическую монтировку были установлены два идентичных привода: один - для оси склонения, другой - для полярной оси. Привод состоит из шагового двигателя ДШИ-200 и специально разработанного интеллектуального контроллера, связанного с управляющим компьютером через интерфейс RS485. Контроллер обеспечивает перемещение на заданное расстояние с заданной скоростью п параметрами разгона и торможения.

Управляющая программа, работающая в операционной системы Linux, обеспечивает выполнение запросов на наведение телескопов от сервера. Программа, главным образом, обеспечивает пересчет астрономических координат объекта наведения в инструментальную систему координат и определяет оптимальный маршрут перемещения телескопа внутри разрешенной для движения области. Последнее обстоятельство особенно актуально, поскольку используется монтировка немецкого типа, которая при наведении на случайную (заранее неизвестную) область неба примерно в 30% случаев требует перекладки телескопа.

Грубая привязка инструментальной системы координат обеспечивается датчиками нуль-пунктов, ее коррекция проводится по объектам с известными координатами. Эта система обеспечивает точность наведения порядка 5 угл. мин, что вполне достаточно, учитывая размеры поля зрения телескопов.

Сводная информация о характеристиках телескопов представлена в таблице 2.

N Система Диаметр Светосила Регистрирующий прибор Поле зрения (град.) Пике

1 Рихтер-Слефогт 355мм 2.6 Apogee Alta U16 2.4 x 2.4 16 Мпс

2 Рихтер-Слефогт 200мм 2.6 Sony LCL 902K 1x0.7 0.4 Мпс о j Флюгге 280мм 2.5 Pictor-416 1 x0.7 0.4 Мпс

4 Райт 200мм 4 SbigST-lOXME 1 x 0.7 3.2 Мпс

Робот-телескоп МАСТЕР, как правило, работает в полностью автономном режиме. С наступлением сумерек при удовлетворительных погодных условиях (к управляющему компьютеру постоянно подключен датчик погоды - метеостанция) автоматически открывается крыша, телескоп наводится на яркие звезды, проводит коррекцию собственной координатной системы, а затем, в зависимости от погодных условий, либо переходит в режим ожидания, либо начинает обзор в автоматическом режиме в соответствии с заранее заданной программой.

В дальнейшем в диссертации будет описываться система обработки данных и наблюдения, выполненные с помощью основного телескопа системы МАСТЕР (№ 1 на Рис.1).

В отличие от большинства существующих робот-телескопов, система МАСТЕР создавалась для решения широкого круга астрономических задач, что обусловило необходимость работы телескопа в двух режимах. В режиме обзора телескоп последовательно наводиться на различные области неба, заранее выбранные по определенному принципу, и получает серию изображений каждой области с экспозицией 45 секунд. Такой режим позволяет исследовать переменность блеска и перемещение по небу различных астрономических объектов, например, обнаруживать вспыхнувшие сверхновые или выявлять астероиды.

Интерес к обнаружению и определению параметров сверхновых звезд в последние годы резко возрос. Прежде всего, это связано с возможностью использования сверхновых типа 1а в качестве «стандартной свечи» для проверки закона Хаббла. Исследования, выполненные в конце прошлого века, показали, что Вселенная расширяется не замедленно, а ускоренно, и это указывает на наличие т.н. темной энергии [1], [2]. Однако данный вывод нуждается в подтверждении на большом статистическом материале, а для этого необходимо изучить спектры нескольких тысячах сверхновых типа 1а. Замечательно, что вклад энергии вакуума увеличивается со временем и становится существенным при z < 1, поэтому наблюдения сверхновых типа 1а ярче 20т так важны для проверки гипотезы о существовании темной энергии. Кроме того, достигнутый в последние годы прогресс в понимании механизма вспышек сверхновых требует детального сравнения расчетов с наблюдениями - это уже относится к сверхновым всех типов.

Используя результаты расчетов частоты' вспышек сверхновых, выполненных на основе популяционного синтеза [3], можно показать, что в среднем на поле зрения 6 квадратных градусов число N сверхновых звезд в любой момент времени должно быть:

N-2-10a6(m"20), где m - предельная звездная величина, регистрируемая на полученном изображении.

Следует подчеркнуть, что эта оценка получена в предположении об изотропном распределении галактик и потому применима для сверхновых звезд, находящихся на расстояниях более 100 Мпк, то есть для сверхновых, которые имеют в максимуме блеска звездную величину слабее 15m-16m. Отметим, что видимая звездная величина сверхновых типа 1а, расположенных на красном смещении z ~ 1, например, будет порядка 20ш (без учета поглощения). Следовательно, даже случайный обзор неба с помощью широкопольного телескопа типа МАСТЕР должен привести к массовому открытию сверхновых звезд. Естественно, что после открытия сверхновой с помощью робот-телескопа информация о ее координатах и блеске должна передаваться на более крупные инструменты, которые смогут детально изучать сверхновую спектральными методами.

Второй режим работы системы МАСТЕР — режим алертных наблюдений, когда телескоп максимально быстро перенаводится на определенную область. Это необходимо, главным образом, для регистрации и последующего изучения оптического послесвечения гамма-всплесков. Вообще говоря, чем крупнее телескоп, тем больше информации можно получить при изучении этого класса транзиентных источников, которые, обычно достаточно слабы. С другой стороны, большинство крупных телескопов имеет поле зрения меньшее, чем квадрат ошибок, определяемых по рентгеновским данным, и для наведения на объект им требуется довольно продолжительное время. Таким образом, робот-телескопы должны параллельно решать две задачи: во-первых, как молено быстрее, обнаружить оптическое послесвечение всплеска и начать определение его параметров, и, во-вторых, немедленно сообщить уточненные координаты всплеска на крупные телескопы.

Для изучения оптического свечения гамма-всплесков создана специальная служба GCN (The Gamma ray bursts Coordinates Network) [4], работу которой вкратце можно описать следующим образом — см. Рис. 3, заимствованный с сайта http://gcn.gsfc.nasa.gov.

Рис 3. Схема работы службы GCN (The Gamma ray bursts Coordinates Network)

Информация о всплеске гамма-излучения передается с космического аппарата в центр управления этого аппарата, а оттуда, после первичной обработки, в координационный центр GCN, расположенный в США. Отметим, что время первичной обработки, как правило, порядка несколько секунд, однако в некоторых случаях оно может достигать нескольких часов. Центр GCN через интернет немедленно транслирует поступившую информацию в обсерватории, участвующие в данной программе, в частности, на робот-телескопе МАСТЕР. Кстати, как следует из Рис. 3, наблюдения гамма-всплесков проводятся не только в оптическом диапазоне. Наиболее важная часть информационного сообщения - это время регистрации всплеска, его координаты и область ошибок. Как только в обсерваторию поступает сигнал (алертное сообщение или, для краткости, алерт), телескоп, если позволяют время суток и погодные условия, наводится в указанную область. Получив изображение области, система его обрабатывает, после чего информация передается в координационный центр GCN. Если оптическое свечение удается обнаружить, то сообщаются координаты и блеск источника-кандидата, в противном случае - передается информация о верхнем пределе блеска оптического послесвечения в области ошибок. Дальнейшая стратегия наблюдений зависит от обстоятельств — подробнее см. раздел 1.2 диссертации.

Принятая схема наблюдений в алертном режиме накладывает жесткое временное ограничения на параметры робот телескопа: суммарное время наведения в область квадрата ошибок, экспозиция кадра и его первичная обработка должно быть как можно меньше, и, во всяком случае, не должно превышать нескольких десятков секунд. Для системы МАСТЕР алертный режим является приоритетным: основное время ведутся наблюдения в режиме обзора, которые немедленно прерываются при получении алертного сообщения.

Программное обеспечение системы МАСТЕР можно условно разделить на три части: 1) комплекс программ, обеспечивающих управление телескопом и куполом башни; 2) система обработки получаемых телескопом изображений; 3) хранение полученных данных. Два последних блока программного обеспечения были созданы автором и описываются в данной диссертации. Особенности разработанного программного обеспечения отражают специфику системы МАСТЕР, созданную, как уже отмечалось, для решения широкого круга задач. Комплекс программ для обработки изображений прнзван решать следующие задачи в режиме реального времени: определять абсолютные координаты и блеск всех объектов попавших в кадр площадью б квадратных градусов; классифицировать объекты по типам (звезды, галактики, астероиды и т.д.); обнаруживать транзиентные объекты и проводить их первичную классификацию.

Комплекс программ для хранения данных должен сразу же после первичной обработки сохранить информацию о блеске и координатах всех попавших в кадр астрономических объектах, формируя соответствующую базу данных. Особенность этой базы данных в том, что поступающая информация сразу же должна использоваться для обработки новых изображений, и в этом смысле хранение информации - составная часть обработки. Кроме информации об объектах, в базе данных должны храниться исходные изображения, обеспечивая возможность при необходимости заново обработать старые наблюдения. Общая схема программного комплекса робот-телескопа МАСТЕР изображена на Рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема программного комплекса робот-телескопа МАСТЕР.

В качестве примера, иллюстрирующего эффективность работы программных комплексов обработки и хранения данных, в диссертации приведены результаты наблюдений, в ходе которых было обнаружено оптическое послесвечение нескольких гамма-всплесков и открыты сверхновые звезды различных типов.

Заключение

В диссертации описан программный комплекс, обеспечивающий обработку изображений, получаемых робот телескопом МАСТЕР, а также сохранение полученной при наблюдениях информации. Отличительной особенностью созданного нами комплекса является то обстоятельство, что не только обработка, но и сохранение данных (исходные изображения и результаты измерений) проводится в режиме реального времени. Это позволяет использовать базу данных в процессе обработки текущих наблюдений, поэтому в нашем случае формирование базы данных можно считать частью процесса обработки изображений.

Система МАСТЕР состоит из четырех телескопов, однако в диссертации рассматриваются лишь наблюдения, проведенные с помощью основного телескопа системы. Изображение, получаемое этим телескопом, охватывает область размером около 6 квадратных градусов, которая проецируется на ПЗС-матрицу размером 4096x4096 пикселов. Время считывания матрицы - 20 сек, а типичная экспозиция при наблюдениях ~ 40 сек, а это значит, что за время порядка 1 минуты созданный нами комплекс программ проводит обработку изображения, содержащего ~ 16 млн. элементов (пикселей). В среднем в кадр попадает несколько тысяч астрономических объектов (звезд, галактик и т.п.).

Вообще говоря, обработка состоит из следующих этапов:

1) первичная редукция изображения;

2) определение абсолютных (экваториальных) координат и блеска всех объектов, попавших в кадр;

3) первичная классификация этих объектов по типам (звезды, галактики, астероиды и т.д.);

4) обнаружение транзиентных объектов и проведение их первичной классификации;

5) сохранение соответствующей информации в базе данных.

Система МАСТЕР создавалась для решения широкого круга астрономических задач, что обусловило необходимость работы телескопа в двух режимах. В режиме обзора телескоп последовательно наводиться на различные области неба, заранее выбранные по определенному принципу, и получает несколько изображений каждой области, с экспозицией 45 сек. Такой режим позволяет исследовать переменность блеска и перемещение по небу различных астрономических объектов, например, обнаруживать вспыхнувшие сверхновые или выявлять астероиды. В диссертации (Глава III), в частности, сообщается об открытии системой МАСТЕР четырех сверхновых звезд (2005bv, 2005ее, 2006ak, 2006Х). На сегодняшний день в ходе обзора получены и обработаны более 80% областей неба, доступных при наблюдениях в Подмосковье.

Второй режим работы системы МАСТЕР - режим алертных наблюдений, когда телескоп максимально быстро перенаводится на определенную область. Это необходимо, главным образом, для регистрации и последующего изучения оптического послесвечения гамма-всплесков. Для системы МАСТЕР алертный режим является приоритетным: основное время ведутся наблюдения в режиме обзора, которые немедленно прерываются при получении алертного сообщения. Демонстрацией возможностей нашего робот-телескопа может служить обнаружение оптического послесвечения оптического послесвечения гамма-всплесков GRB 030329, GRB 050824, GRB 060926 - см. Главу И.

Суммирование трех последовательных кадров, полученных с экспозицией 45 сек. каждый, позволило нам даже в условиях Подмосковья регистрировать объекты с блеском до ~ 19.5Ш - предел обнаружения определяется флуктуациями фона по уровню За. Характерная точность определения координат при стандартной обработке всего кадра ~ 1", а блеска ~ 0.1ш - подробнее см. Главу I. Однако если для обработки из всего кадра выбрать область гораздо меньшего размера, то точность определения блеска и координат можно повысить в несколько раз - примеры, иллюстрирующие это утверждение, приведены в третьей главе диссертации.

Приведенные в диссертации примеры изучения различных типов астрономических объектов иллюстрируют широкие возможности, которые робот-телескопы с широким полем зрения открывают перед Российскими астрономами. Кроме этих примеров хотелось бы отметить возможность массового изучения переменных звезд, причем не только профессиональными астрономами, но и любителями. Мы надеемся в ближайшем будущем интегрировать содержимое нашей базы данных в Российский сегмент Всемирной виртуальной обсерватории. Создание центра хранения данных в ГАИШ общим объемом несколько десятков терабайт, запланированное на первую половину 2009 г., - один из первых шагов в этом направлении.

Опыт шести лет работы системы МАСТЕР позволил опытным путем найти оптимальные методики наблюдений различных типов астрономических объектов и понять, в каком направлении следует усовершенствовать систему МАСТЕР. Это опыт весьма пригодился при разработке робот-телескопов нового поколения МАСТЕР-2, монтаж которых уже начат в обсерваториях ГАИШ (вблизи г. Кисловодска) и Уральского

Государственного университета (Коуровка). Каждая из этих систем состоит из двух телескопов с диаметром входного зрачка 400 мм, установленных на общей монтировке. Телескопы могут смотреть в разные участки неба, но могут быть быстро перенаправлены на одну и ту же область, и проводить синхронные наблюдения в разных фильтрах. Если бы удалось установить еще несколько аналогичных систем в разных часовых поясах России, то появилась бы поистине уникальная возможность мониторинга северного неба, что открывает качественно новые возможности для изучения широкого класса астрономических объектов, а также для контроля ближнего и дальнего космического пространства. Следует отметить, что для обработки изображений на системах МАСТЕР-2 будет использовано программное обеспечение, описанное в диссертации.

Автор выражает признательность следующим лицам и организациям:

• научному руководителю, профессору В.М. Липунову;

• коллегам по группе МАСТЕР;

• генеральному директору ОАО «ОПТИКА» - Сергею Михайловичу Бодрову, обеспечившему проект МАСТЕР дорогостоящей аппаратурой;

• д.ф.м.н. В.Л.Афанасьеву за полезные обсуждения идеи эксперимента и любезно предоставленную гризму;

• к.ф.-м.н. В.В. Чазову за помощь в интеграции программы расчета положений малых планет;

• интернет-провайдеру ИНЕТ (http://inetcomm.ru/) за бесплатное предоставление Интернета для системы МАСТЕР в поселке Востряково Домодедовского района Московской области.

• д.ф.-м.н. С.А. Ламзину за помощь в оформлении диссертации;

1. Riess A.G., Filippenko A.V., Challis P. et al., 1998, ApJ, 116, 1009

2. Jorgensen, H. E.; Lipunov, V. M.; Panchenko, I. E.; Postnov, K. A.; Prokhorov, M. E. 1997, ApJ, v. 486, p. 110

3. Barthelmy, S. D., Butterworth, P., Cline, T. L., Gehrels, N., Fishman, G. J., Kouveliotou, C., Meegan, C. A., et al. 1995, Ap&SS, 231,235

4. Bertin, E., Arnouts, S., 1996, A&AS, v.l 17, pp. 393-404

5. Hog E., Fabricius C., Makarov V.V., Urban S., Corbin Т., Wycoff G., Bastian U., Schwekendiek P., Wicenec A., 2000, A&A, v.355, pp. L27-L30

6. Monet, D. G. 1998. BAAS. V. 30. p. 1427

7. Monet D.G., Levine S.E., Casian В., et al., 2003, AJ , v. 125, p. 984

8. Paturel, G.; Petit, C.; Prugniel, P.; Theureau, G.; Rousseau, J.; Brouty, M.; Dubois, P.; Cambresy, L. 2003. A&A. V. 412. P.45

9. Mazets, E. P.; Golenetskii, S. V., 1981, A&AA, v.75, pp. 47-81

10. Daniel E. Reichart, 1998, ApJ, v.495, p.L99

11. Rees, M.J. & Meszaros, P., Mon. Not. R. Astron. Soc. 258, 41-43, 1992

12. Berger, E.; Price, P. A.; Cenko, S. B. et al., 2005, Nature, v.438, pp. 988-990

13. Zhang, В.; Fan, Y.; Dyks, J. et al., 2006, ApJ, v. 642, pp. 354-370

14. Lipunov, V.; Krylov, A.; Kornilov, V.; Borisov, G.; Kuvshinov, D.; Belinski, A.; Chilingarian, I.; Kuznetsov, M.; Potanin, S.; Vitrischak, V.; Antipov, G., 2003, GCN, № 200216.