Космос. Все о звёздах, планетах, космических странниках

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.
 
Измерения координат астероидов на фотопластинках проводят с помощью специальных высокоточных приборов. Эти положения определяют относительно нескольких окружающих звёзд, координаты которых хорошо известны. Такие звёзды называют опорными. Существует несколько астрометрических каталогов опорных звёзд. Наиболее обширен и точен каталог Guide Star Catalogue (GSC), созданный в Научном институте космического телескопа. В каталог занесено 20 млн. (!) звёзд от 9 до 16 звёздной величины. Их положение приведено со средней точностью около 0,3угловой секунды. Понятно, что GSC был издан не в виде книг, а представляет собой серию компактных компьютерных лазерных дисков, а также доступен по Интернету. Работа над каталогом продолжается. GSC широко используют и в кометной астрономии. 
 
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.
 
 При всех достоинствах фотографический метод имеет один существенный недостаток — слабую чувствительность фотоэмульсий, или, как говорят специалисты, их низкий квантовый выход (лишь небольшой процент падающих на фотоэмульсию квантов света проявляется после обработки). Даже у самых современных высокочувствительных фотоматериалов квантовый выход не превышает нескольких процентов. Поэтому фотографический метод не позволяет открывать сравнительно небольшие и потому неяркие опасные космические объекты, которых больше всего в окрестностях земной орбиты. Не обладает астрофотография и необходимой для целей космической защиты оперативностью получения результатов наблюдений. 
  
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.