Güneş yeryüzünde parladığında, gece gökyüzündeki parlak yıldızların neden gün boyunca görünmediğini hiç merak ettiniz mi?
Gece gökyüzü her zaman yıldızlar ve aydır, ancak gün boyunca yeryüzünde sadece güneş parlar ... Neden gündüz ve yıldızlar rüya?
İnternet forumunda amatör bir gökbilimcinin "Neden gün içinde yıldızlar parlamıyor?" Diye sorduğunu sık sık görüyoruz, şu anda ona "Çünkü gün içinde güneş var küçük aptal" cümlesini vermek yeterli değil. . Ben de sık sık bu bariz görünen fenomeni nasıl açıklayacağımı merak ediyorum. Filozof Thomas Kuhn'dan, eğer bilimsel olarak açıklamak istiyorsam, içsel düşünce ataletini kırmam ve probleme yeni bir perspektiften bakmam gerektiğini öğrendim.
İnsan gözünün ve renkli CCD kameraların hikayesi
Bir keresinde SAA forumunda renkli CCD kameralarla ilgili bir soru sormuştum ve bilim adamı John A. Blackwell daha sonra bu soruya cevap verdi. Bu tür renkli kamera prensibini çok profesyonel bir bakış açısıyla açıkladı.Yorumlarını okuduktan sonra aniden, ilgili sinyal / gürültü kavramlarının aldığımız gök cisimleriyle (ister yıldız ister rasgele gök cisimleri olsun) ilişkili olduğunu keşfettim. Görüntüler yakından ilişkilidir.
Bu oldukça karmaşık bir teori, okuyucunun anlayabilmesi için, burada daha fazlasını eklemeden kısaca açıklayacağım. Kısacası, insanların gün içinde yıldızları gözlemleyebilme yeteneği, gözlerin hassasiyeti ve gözlemcinin bulunduğu ortamdaki başıboş ışığın varlığı ile ilgilidir. Güçlü güneş ışığı, gökyüzündeki arka plan gürültüsü gibidir ve insan gözü, atmosferdeki dağınık ışıkla ilgilenen bir "filtre" gibidir. Öyleyse, insan gözünün yıldızları gözlemleme yeteneğini sinyal-gürültü oranıyla ilişkilendirmek için profesyonel terimleri nasıl kullanacağız? Aşağıda açıklamam var.
Kişisel bir bakış açısıyla başlayarak, bazı siyah beyaz ve renkli fotoğrafların (astronomik fotoğraflar dahil) kalitesini iyileştirmek için görüntü işleme tekniklerini ustaca kullanabilen profesyonel bir fotoğrafçıydım. Öğretmenim sık sık şunu söylüyor: "Lütfen bu filmi düzeltin. Renk dengesinin renk dengesi, yapısal keskinliğini zayıflatır, bu 'vurgulama alanındaki' ayrıntıları vurgular, ... Bunların hepsini anlıyorum! Sonunda, bu hedeflere ulaşmak için bulanık maskeleri ve diğer teknikleri kullanmayı öğrendim. Ama şimdi durum Bu değişti.Şimdi bir bilgisayar bilimcisiyim.Astrofotografi ile hala çok ilgilenmeme rağmen, mevcut problemler daha teknik çözümler gerektiriyor.Bilgisayar, görüntü amplifikatörü, CCD dedektörü vb. Kullanma zahmetine giriyoruz. Bekleyin ve tek tip renk, yüksek doygunluk ve minimum gürültü ile iyi bir görüntü elde etmek için görüntünün "kuantum kusurlarını" azaltmaya çalışın Kısacası, bu gerçek bir zorluktur!
Burada CCD'yi tartışıyorum çünkü onu insan gözünün yapısı ile nispeten daha kolay karşılaştırabiliriz. Artık her ikisinin de ışığı algılayabildiğini ve ayrık analog sinyalleri sürekli olarak işleyebileceğini biliyorsunuz. CCD detektörü fotonları dijital forma dönüştürdükten sonra (elektronlar ikili sayılara dönüştürülür), onları bilgisayarda kolayca işleyebiliriz çünkü iki sistem aynı dili "konuşur".
Gökbilimcinin gözü
SBIG ST10E'nin KAF-3200 CCD, 2184x1472 pikselleri 6.8 mikrondur
Neden sadece gece gökyüzündeki yıldızları görebildiğimizi anlamak için insan gözünü CCD gibi bir elektronik dedektörle karşılaştırdım ve bazı ilginç sonuçlar aldım. Aşağıdaki gibi açıklayın
Tıpkı bir CCD kamera gibi, gözlerimizin hassasiyeti de yalnızca göz küresinin yapısal özelliklerine değil, aynı zamanda beynimizin (bir CCD kamera için görüntü edinme yazılımıdır) orijinal sinyaldeki "gürültüyü" nasıl işleyebildiğine bağlıdır. .
Önceki bölümde özellikle CCD kameraları tanıttık. Bu "sesler", alıcı kafasının gürültüsünü içerebilir (not: alıcı kafa, canlı sesi toplamak ve ardından arka uç ekipmana iletmek için kullanılan bir cihazdır) gürültü (A / D dönüşümü sırasında ortaya çıkan gürültü), karanlık akım ve elektronik dalgalanmalar (Ortam sıcaklığıyla ilgili) sapmalar ve bazı doğal ve yapay arka plan sesleri (atmosferik ışınlar, ay ışığı, ışık kirliliği ...). İnsan gözü elektronik bir cihaz olmasa da, optik sinir yoluyla beyne bilgi iletmesi gerektiğinde, elektronların elektromanyetik özelliklerinden tam olarak yararlanacaktır. Şimdi sorum şu, insan gözü ile CCD sensörü arasındaki bağlantı nedir?
Nörofizikçi olmama rağmen (bu genellikle nörofizikçiler kategorisine aittir, ancak sonuçta gözler beynin uzantısının yalnızca bir parçasıdır) ve ben teknik bir analist değilim, ama bana göre az önce bahsettiğimiz İlk birkaç gürültü türü, yani "kapsülün gürültüsü" ve "karanlık akım" insan gözü (ve beyin) üzerinde belirgin bir etkiye sahip değildir. Işık uyaranı olmadığında, kör insanlar gibi herhangi bir görsel sinyal algılamayacağız ... Bu ışık sinyallerinin yapısı ve şekli ne olursa olsun, var olsalar da etkileri önemsiz hatta önemsizdir.
Daha sonra "arka plan gürültüsünün" etkisinden bahsedeceğiz. Geceleri, ister gökyüzündeki tüm uçuşları iptal edin, ister tüm jetlere uçmayı durdurmalarını isteyin, arka plan gürültüsü her zaman orada olacaktır. Bu gürültü, retinamıza ve diğer sinir hücrelerimize kozmik ışınlar şeklinde çarpabilir. Nadir durumlarda, tıpkı bir grup yeni yıldızın gece aniden patlaması gibi, gözlerimizde bir ışık parlaması görebiliriz. Ancak esas olarak gökyüzünün parlaklığına yansır (aktif atmosferik atomlar ışık yayar), ancak şimdi ışık kirliliği düşük ışıklı nesneleri ayırt etme yeteneğimizi sınırlar (hareketli bir şehirde, sinyal ve gürültü muhtemelen aynı yoğunluğa sahip olacaktır, bu nedenle biz Yıldızları gözlemlemek için neredeyse hiç şans yok).
Teorimi biraz daha kapsamlı hale getirmek için havayı dikkate almalıyız. Gözlem koşulları (türbülans ve hava şeffaflığı) iyiyse, sinyal kaynakları (gezegenler, aylar, yıldızlar, galaksiler) gürültüden daha güçlü sinyaller yayar. Sonuç olarak, bunun gibi anlaşılması kolay bir analiz, yıldızlı gökyüzünü neden sadece geceleri gözlemleyebildiğimiz sorusuna net bir cevap verebilir. Ek olarak, bu analizden bir sonuç çıkarabiliriz, yani tüm doğal arka plan "gürültüsünün" yoğunluğu, yıldızların yaydığı sinyalden çok daha düşüktür.
Gün içinde yıldızlar nasıldır?
Matematiksel mantık ve fiziksel yöntemlerin uygulanması
Gün ışığında yıldız bulmak istiyorsak, önce gündüzün çevre koşullarının gecelerdekinden tamamen farklı olduğunu anlamamız gerekir. Gün içindeki güneş ışığı ve gökyüzünün parlaklığı, yıldızların yaydığı ışın sinyallerine çok fazla "gürültü" katar, şu anda sadece bir "filtre" bu "sesleri" ortadan kaldıramaz. Aslında prensip bu kadar basit! Şimdi bu problemi matematiksel terimlerle açıklayalım.
Bir meditasyon egzersizi deneyi yaptığımızı varsayalım (sonraki gösteride ek sanal değerler olacak), meditasyon eğitiminin içeriği "geniş gün" de bir yıldızı nasıl gözlemleyeceğimizdir. Güneş ışığı, yıldızlardan gelen ışık ışınları ve çeşitli doğa sesleri, gözümüzdeki hassas hücrelere saniyede 10.000 foton hızla çarpıyor. Bu verilerin yıldızlardan gelen sinyalleri tüm karışık sinyallerden ayırmadığını not etmemiz gerekiyor. İnsan gözünün görüş alanı yaklaşık 120 ° olup geniş bir gökyüzünü ve çok fazla ışığı kapsar.Parlaklık faktörü de dahil edilebilir.Bunu daha sonra teyit edeceğiz.
Böyle bir sinyal, foton dalga dizileri ve enerji taşıyan kuantalardan oluşan karmaşık bir nesnedir ve kuantum fiziği yasalarına uygulanabilir. Kuantum fiziği yasalarına göre gürültüyü rastgele kuantum olarak düşünebiliriz. Bir CCD kamera gibi, çıplak gözle aradığımız sinyaldeki toplam gürültü miktarı (B), kuantum belirsizliğine veya göreceli ortalama parlaklığın standart sapmasına eşdeğerdir. İfadesi, her bir gürültü değerinin karelerinin toplamının karekökü olarak tanımlanır (kulağa çok zor geliyor!):
B = Ö (Gürültü 12 + Gürültü 22 + ...) < Denklem 1 >
Peki yıldızların sinyali tam olarak nedir? Bu özel yıldızı ölçtük ve gözlerin gün boyunca yıldızdan 50 foton yakalayabildiğini gördük. Yıldızlardan şu şekilde sinyal alıyoruz: toplam sinyal eksi güneşten ve diğer gürültülerden gelen sinyal. Aslında, her şey bir kuantum olayları meselesidir.Tüm gürültü (Denklem 1) üretecek: Ö10000 veya görsel birim başına 100 foton.
Şimdi 50 yıldız fotonun 9.950 diğer foton ile karıştırıldığı biliniyor.Bu fotonlar görüş alanında dağılmış ışıktan oluşuyor.Işık kaynağı güneşi, gökyüzünü ve bazı ışık kirliliği kaynaklarını içeriyor.Yıldızın yani mektubun sinyal gücünü belirleyebiliyoruz. Gürültü oranı veya S / B. Bu ilişkiyi bu duruma uygularsak, S / B = 50/100 veya 0.5 oranını buluruz. Bu numara neyi temsil ediyor?
Yukarıdaki, yıldız derecelendirmeleri artırılmış yıldızların simülasyonudur ve sinyal-gürültü oranı 2: 1 ile 16: 1 arasındadır. Yapay bir bulutsu üzerinde benzer bir test aşağıda tamamlanmıştır.
Bu örnekte, 0.5 verileri, değeri bir yıldızın kabul edilebilir tespitinden daha yüksek olan 2. öğe olmadığı sürece, 1 / 0.5'den daha yüksek bir doğrulukla bir yıldızın büyüklüğünü (veya parlaklığını) tahmin edemeyeceğimizi göstermektedir. Eşik 10 kat daha düşük. CCD dedektörü (piksel başına S / N oranı, saniyede kare başına 20e büyüklüğünde bir yıldızı algılamaya yetecek kadar 20 veya daha yükseğe ulaşabilir), ancak gözlerimiz CCD sensörlerine tamamen benzemiyor çünkü CCD sensörleri Retina işlevi gören yapı, ışığı hiç biriktiremez! Bu 0,5 değeri aynı zamanda yıldızın parlaklığının gökyüzünün arka plan ışığına gömüleceği anlamına gelir, bu da gün boyunca gözlemlemeye çalıştığımız yıldızların sinyal-gürültü oranını büyük ölçüde azaltır. Yıldızımız bir bilgisayar ekranında gösteriliyorsa, gün içinde neredeyse hiç desen göremeyiz ve en fazla bizi sadece boş bir ekranla bırakabiliriz.
Şimdi güneşte yıldızları gözlemleme sorununu nasıl çözeceğimizi deneyelim! Ne yapmalıyım? Aslında yıldızların sinyal-gürültü oranını artırmanız yeterli. Görüş alanımızı daraltmak için yaklaşık 10 'veya daha az görüş alanına sahip telefoto veya teleskop gibi bazı aletler kullanırsak, gürültünün etkisini büyük ölçüde 10 kat veya daha fazla azaltarak yıldızları artıracağız. S / B oranı. Bu yöntemi yıldızın S / B oranını artırmak için kullanabiliriz, ancak daha koyu hale gelen arka plan parlaklığı pahasına. Ekranda, görüntü daha yumuşak hale gelir ve yıldız artık mavi-gri bir hale içinde yıkanmış küçük bir parlak nokta gibi görünür ve bu, zayıflama sinyalinin tam olarak tipik performansıdır veya başka bir deyişle, bu Zaten kararsız S / B değerini küçültebilir.
Bu düşünceden dolayı yıldızların SNR'sindeki gürültü etkisini 50 / Ö10000 yerine 50 / Ö1000'e düşürdük ve şimdi bu değer 0,5 yerine 15 oldu. 30 kat "örnekleme" sayesinde, teorik olarak yıldızların sinyallerini diğer sinyallerden daha kolay ayırabiliriz, böylece gün içinde bazı yıldızları gözlemleyebilir ve büyüklüklerini 1/15 veya yaklaşık% 7 doğrulukla tahmin edebiliriz. . Genlik% 7, 2'nin basit katı değil!
sonuç olarak
CCD alanından ödünç alındığında, yıldızlarımızın görüntüsü aslında başlangıçta "az örneklenmiştir" ve görme dedektörlerimiz (gözler) tarafından algılanamaz. Örneğin okunabilirliğini artırmak ve yıldızlarımızı gün ışığında ayırt etmek için, daha büyük bir gradyan görüntüsü elde etmek için "teleskopun" odak uzunluğunu artırmalıyız. Ancak gözler ve CDD kameralar arasındaki karşılaştırma ancak burada sona erebilir, çünkü gözlerimizi odak uzunluğu düşürücüyü kullanmak gibi kullanamayız ve bize ulaşmak için piksel gruplama (piksel kombinasyonu) gibi profesyonel yöntemler kullanamayız. Amaç. Ancak CCD kamera tarafından yakalanan yıldızların sinyalini artırmak için gökyüzünün parlaklığını görüntüden çıkaramayacağımızı veya bu tür bilgileri görüntü işleme yazılımında işleyemeyeceğimizi hiç söylemedim. Beni yanlış anlamayın ...
Bu sorunu çözmemize izin verdiğiniz için matematik için teşekkürler!
Referans
1. WJ Ansiklopedisi
2. Astronomik terimler
3. Xiaotong. Q- web önbelleği
İlgili herhangi bir içerik ihlali varsa, silmek için lütfen 30 gün içinde yazarla iletişime geçin
Lütfen yeniden basım için yetki alın ve bütünlüğü korumaya ve kaynağı belirtmeye dikkat edin
