Сучасні спостереження метеорів

Вступ
Метеорні явища (у просторіччі – «падаючі зірки») відомі людині з давнини, відколи він став дивитися на небо. Вони відбуваються під час проникнення атмосферу Землі метеороїдів зі швидкістю від 11 до 72 км/сек. Звичайні метеори (яскравістю від +1m до +5m), породжуються тілами з масою від 1 до 0,01 р. При польоті тіла через атмосферу відбувається зіткнення метеороїду з молекулами та атомами повітря, дроблення, втрата маси виникає свічення та іонізація повітря вздовж траєкторії, а наприкінці польоту і значне зменшення швидкості. Метеорні явища відбуваються здебільшого висоті від 120 до 70 км. Залишки великих метеороїдів досягають Землі як метеорити.
Унікальністю метеорної астрономії і те, що вона стикається з короткочасними, а часом раптовими явищами. Метеорні тіла спостерігаються переважно на частки секунди, дуже рідко протягом кількох секунд. Це відбувається саме в момент припинення свого існування, на дуже маленькій ділянці орбіти. Довгий час око спостерігачів було єдиним приладом, здатним фіксувати метеори. Візуальні спостереження за метеорами зазвичай розглядалися як недорогий та звичайний метод зайнятися астрономією. Отримання зображень було дорогим як з точки зору початкових витрат на фотокамеру, так і з точки зору витрачених експозицій плівки.
В даний час для реєстрації метеорів використовуються кілька методик спостережень, які насправді вже витіснили візуальні спостереження.
Наукову цінність представляють не просто спостереження, а розрахунок орбіт метеорів з допомогою синхронних спостережень на базисних станціях тих самих метеорів.

Фотографічні спостереження.
Цей метод був першим, який став порівняно з візуальними спостереженнями по-справжньому об’єктивним способом. 27 листопада 1885 року була отримана найперша відома фотографія метеора. Знімок зробив австро-угорський астроном Ладислав Вайнек.
У наш час вже звичайно не використовуються фотопластинки, але принцип залишився тим же: відкривається затвор на тривалий час, сподіваючись на те, що випадково зображення метеора потрапить на електронний сенсор фотокамери. В останні роки досягнення в галузі технологій дзеркальних та відеокамер радикально змінили ситуацію. Раніше, в епоху плівкових камер експозиції становили хвилини, зараз, у вік цифри, за наявності світлосильного об’єктива експозиція одного кадру становлять максимум пару десятків секунд.
Умовно фотографічні спостереження можна розбити на два способи: фотографування нерухомою камерою зі штативом та за допомогою закріпленого на трекері (або монтуванні телескопа) фотоапарата.
Фотографування нерухомою камерою-найпростіший приклад отримання знімка метеора, який може реалізувати будь-який бажаючий що має сучасну фотокамеру або навіть смартфон з можливістю зйомки режиму таймлапсу. Головною умовою є наявність досить якісного світлосильного об’єктиву та програмованого пульта з таймером. На знімках за допомогою нерухомої камерою зірки будуть у вигляді невеликих дуг, а метеор у вигляді зеленого треку. За кольором трек метеора добре відрізняється від схожих на нього штрихів ШСЗ, яких зараз безліч. Сліди від супутників зазвичай є білого або жовтуватого відтінку.
Фотографування камерою на монтуванні з веденням, крім фотоапарата та пульта вимагають природно самого приводу. При цьому зірки бачитимуть нерухомі точки, на тлі яких буде безліч штрихів від супутників. Виявити трек метеора допоможе веретеноподібна форма та зеленуватий колір. В цьому випадку можна отримати гарну суму кадрів за ніч, на якій буде помітно радіант метеорного потоку.
При фотографуванні фотокамерами після прольоту яскравих метеорів іноді залишається димний слід,

Гіфанімація яскравого метеора з наступним димним слідом. Складено 14 к по 1хв.

який видно на наступних кадрах. Можна відзначити напрямок і швидкість руху та характер розсіювання в атмосфері Землі такого сліду. Це перевага даного методу над іншими.

Відеоспостереження метеорів.
Перші експерименти, що показали ефективність відеоспостережень, було здійснено ще у 70-х роках минулого століття. Тоді вони у вигляді телевізійних спостережень аналогової апаратури. У 80-х роках, з розвитком техніки були перші спроби спостережень та аматорами астрономії. Японські (1986 р.) та голландські (1987 р.) спостерігачі першими застосували цю технологію. Регулярні спостереження метеорних потоків за допомогою автоматичних відеосистем розпочалися у Німеччині ще 1999 року.
Революцію щодо доступності та ефективності відеоспостережень зробили комп’ютери. Доступність, потужність і автономна робота обладнання стали доступні лише першому і другому десятилітті 21 століття.
На цей час відеоспостереження любителів досягли професійного рівня.
Відеоспостереження має ряд переваг перед іншими методами спостереження, часом навіть поєднує позитивні властивості інших методів. Використовуючи відеосистему, ви отримуєте можливості візуального або навіть телескопічного спостерігача (для цього достатньо поставити більш довгофокусний об’єктив), але з більш високою точністю. Можна визначити всі важливі параметри метеора, такі як час, положення, яскравість та швидкість. Крім того, можна отримати криві блиску, метеорні спектри та інші особливості падаючих зірок. Співпрацюючи з іншими спостерігачами, або маючи не менше двох відеокамер, розташованих на відстані від 30 до 100 км між собою, можна проаналізувати відео того самого метеора, отримане з різних місць. Використовуючи тріангуляцію, можна визначити швидкість і траєкторію метеору в момент його попадання в атмосферу і на підставі цього визначити вихідну орбіту метеороїду Сонячної системи.
Крім поліпшення розуміння головних метеорних потоків, безперервні спостереження виявляються неоціненними, коли доходить до ідентифікації слабких метеорних потоків. Точний аналіз відео дозволяє спостерігачам визначити, які справжні, а які помилкові. Крім того, що метеорні потоки дуже динамічні, їх активність зростає і зменшується в міру зміни орбіти потоку метеорного через вплив гравітації планет і радіаційного тиску Сонця. Тому існує значна наукова цінність у продовженні моніторингу метеорних потоків рік у рік.
До недавнього часу, точність позиціонування відеометеорів була не така гарна, як у фотографій. Але в останні роки, з появою досить чутливих сенсорів з роздільною здатністю 1920х1080 (а в фотокамерах в режимі відео навіть вище – 4к) та об’єктивів з фокусною відстанню від 6мм і вище, вона стала практично порівнянною. Крім того, спостерігач відеометеорів отримує в кілька разів більше метеорів, ніж будь-яка фотокамера через автоматичну реєстрацію, навіть незважаючи на хмарність. Відеоспостереження, ймовірно, є найкращим методом реєстрації слабких телескопічних метеорів. В даний час недоліком є немала ціна усієї системи.

Яскравий Персеїд у 2023р

Різновиди відеоспостережень
В даний час, для звичайних користувачів, любителів та професіоналів, є два доступні способи відеоспостережень метеорів.
Перший метод заснований на понадчутливих аналогових цифрових камерах, які за допомогою зовнішніх плат відеозахоплення передають зображення на комп’ютер. Для детекції та запису прольоту метеорів використовується спеціальна програма. Найпоширенішою стала UFOCapture. Ця програма платна та розроблена спочатку для японської метеорної мережі SonotaCo Network. Розроблена вона під ОС Windows, починаючи з 2004 р. своєю простотою поступово завоювала серця більшості спостерігачів метеорів по всьому світу. Для того, щоб була можливість обробити метеори, що записані в UFOCapture, необхідна програма UFOAnalyzer. Ця програма вже безкоштовна. Після того як всі відеокліпи з UFOCapture оброблені, зазвичай результати зберігають у csv файл для подальшого експорту до бази даних. Саму базу даних, або окремі csv файли, можна завантажити у програму UFOOrbit (вона теж безкоштовна) і побудувати орбіти всіх базових метеорів. UFOOrbit має власні файли даних безлічі метеорних потоків, які можна самому коригувати при необхідності. Завдяки цьому можна з достатньою часткою ймовірності ідентифікувати отримані під час спостережень метеори і розуміти, до якого потоку вони належали.
Протягом багатьох років багато хто віддавав перевагу камерам Watec 902H. Вона чутлива, надійна, забезпечувала швидкість 25 кадрів в секунду при роздільній здатності 752 x 582. Дешевою заміною, але трохи з найгіршими параметрами чутливості стала камера VE-6047EF. Йшов час і прогрес в індустрії камер зробив якісний стрибок. З’явилися досить дешеві, але при цьому дуже чутливі камери (в основному IP), оснащені надчутливими сенсорами IMX291 та IMX327. При цьому вони оснащувалися також дешевими, але при цьому набагато якіснішими об’єктивами в порівнянні з тими, що використовувалися з камерами Watec. З’явилися у продажу модулі AHD камер та на таких матрицях і сучасні плати відеозахоплення, які через USB3 прямим потоком подавали сигнал на комп’ютер.
Програма UFOCapture вийшла новою версією UFOCaptureHD2, яка може працювати з роздільною здатністю аж до 4096×2160 при частоті 60 кадрів. Багато астрономів (любителів і професіоналів) у кого є фінансова можливість використовувати безпосередньо камери типу DMK, QHY або навіть фотокамери Sony (типу А7) підключаючи до комп’ютера через UFOCapture для реєстрації метеорів. Мінімальна вимога до комп’ютера- процесор i5-4200U
Другий метод відеоспостережень, заснований на RMS (RaspberryPi Meteor Station) – це система спостереження метеорів, що ґрунтується на програмному забезпеченні Глобальної метеорної мережі (GMN). Вона працює на мікрокомп’ютері Raspberry Pi (ОС Linux), а як оптичний модуль зазвичай використовує дешеву, але чутливу IP-камеру для виявлення метеорів, для подальшого аналізу їх слідів та завантаження результатів на сервери для детального наукового аналізу. В роботі здебільшого використовується роздільна здатність 1280х720 через слабкість процесорів на мікрокомп’ютері та обмежені можливості з обробки та зберігання матеріалів мережі GMN.
У 2015 році одноплатні комп’ютери типу Raspberry Pi2 стали досить потужними, щоб замінити персональні комп’ютери для збору та автоматизованої відеообробки метеорних даних. Vida та ін. (2016) розробили алгоритм виявлення метеорів для ОС Лінукс. Початкові випробування системи проводилися з використанням аналогової камери Sony.
У 2017 році з’явилися IP камери із встановленими на них чіпами IMX290, забезпечували відео з роздільною здатністю 1920*1080 із 25 кадрами в секунду. Недоліком цих камер було те, що вони стискали відеопотік, що використовує стандарт стиснення H.264 з втратами і вимагали додаткових обчислень для розпакування. Наприкінці 2017 року став доступний потужніший Raspberry Pi 3, який вже міг робити всі необхідні обчислення.
Ентузіасти метеорних спостережень з товариства «АСТРОДЕС» в 2021 р застосували на практиці лише найкращі можливості та доступні компоненти на наших станціях RMS. див. Базисні відеоспостереження метеорів за допомогою системи RMS та роздільною здатністю 1920х1080
Зйомка ведеться з повною (1920*1080) роздільною здатністю, закуплено спеціально розроблений для raspberry Pi відеомодуль  на чіпі IMX 462. На нашу думку, використання IP камер неприпустимо через втрату при стисканні та декодуванні сигналу. Насправді це виглядає як штучний слід після кожного прольоту метеора. Це не справжній слід, а артефакт перетворень. Немає ідеальної синхронності за часом подій. В IP камері можливо (і нами виявлено) відставання, що ковзає, що може призвести до додаткових помилок орбіт.
Розрахунок параметрів орбіт здійснюється нами в UFOOrbit без підключення до мережі GMN. Можливо це й не зовсім правильно, але регулярні перегляди подій самостійно виявили безліч огріхів системи, які, по можливості, керувалися індивідуальними налаштуваннями.

Основні переваги системи RMS перед спостереженням систем софту від sonotaco.com:
1) Більш повна автоматизація процесу реєстрації та обробки. Детекція події та обробка даних на кожній камері здійснюється автоматично. Не потрібно використовувати UFOAnalyzer для обробки. Зазвичай вранці весь матеріал із CSV файлами подій ночі вже готовий. Вручну бажано лише зробити підтвердження самих метеорних подій, а хибні (їх насправді не так багато, як летючі миші, рідше птиці тощо) видалити.
2) Надійність системи. Щоранку після обробки даних комп’ютер після оновлення автоматично перезавантажується, запобігаючи збоям. За досвідом роботи на ПК та старих камер на системі софту від sonotaco.com, іноді потрібно було втручання місцевого персоналу для перезапуску або інших маніпуляцій.
3) Ергономічність та компактність. Модуль та комп’ютер можна розташувати прямо в боксі камери, назовні спускається лише кабель до адаптера POE.
4) Повторюваність системи. Неважко зробити багато абсолютно однотипних камер і встановити в будь-яких місцях.
5) Відкритість вихідного коду є можливість перевірки алгоритмів обробки.
6) Можливість автоматичного створення суми кадрів усіх метеорів за ніч та таймлапсу подій усієї ночі. Складання кадрів з метеорами здійснюється за зірками, з урахуванням аберацій об’єктива. При цьому наочно видно напрям метеорів активного потоку.

Незважаючи на переваги, є й недоліки:
1) штучні FIT файли, що складаються з 256 кадрів, не дозволяють наочно продемонструвати політ метеора у всій красі. Результат реєстрації метеора не є вихідним матеріалом, оригінальні відео не зберігаються.
2) Застосовується лише ЧБ зображення (навіть із кольоровими модулями) через недостатню потужність мікрокомп’ютера для обробки інформації.
3) Вкрай недружній інтерфейс ОС Лінукс для користувачів. Це, мабуть, найголовніший недолік системи. Потрібне розуміння в IT, щоб налаштувати та запустити RMS.
4) Алгоритм детекції метеорів недосконалий, хоча досить рідко, але іноді детекція польоту одного метеора здійснюється двічі, і якщо метеорне подія потрапляє на 2 окремих FIT файлу, вважається двома різними подіями. Незважаючи на все це, сучасні камери (наприклад, з чіпом IMX 462) реєструють близько десятка метеорів на годину спостережень, що навіть трохи вище, ніж звичайне спорадичний фон при візуальних спостереженнях.
5) Алгоритм детекції болідів потребує повної переробки. У порівнянні з UFOCapture. часто абсолютно сліпий до болід і навіть не записує відео. Яскраві метеори (яскравіше -2,5m, для 6мм об’єктива) автоматично не обробляються і потребують складних маніпуляцій від спостерігача. З-за цього фактора, під великим питанням застосування станцій RMS для спектральних спостережень метеорів. Через такі недоліки станції RMS також мало придатні і для виявлення спрайтів.

Радіоспостереження
Радіо розсіювання метеорів  є ідеальним методом для безперервного спостереження метеорів. Сліди метеорів можуть відбивати радіохвилі від віддалених передавачів назад на Землю, тому, коли з’являється метеор, іноді можна отримувати невеликі порції трансляцій від радіостанцій на відстані до 2000 км від місця спостереження.
Радіоспостереження є простим, але корисним засобом перевірки загальної метеорної активності; дощ, хмари, денне світло, вогні міста, … усі ці проблеми для візуальної та фотографічної роботи виключені. Навіть радар не потрібен. Наприклад, комерційні радіомовні станції під горизонтом виробляють достатню кількість радіохвиль, щоб їх відбивали сліди метеорів, якщо геометричні обставини сприятливі. Популярність методу серед астрономів-любителів метеорів стає все більш популярною. В останні роки деякі групи почали автоматизувати радіоспостереження, контролюючи сигнал з радіоприймача за допомогою комп’ютера.