Наблюдения покрытий звезд Луной
Существуют астрономические явления, наблюдения которых, с одной стороны, дают ценную научную информацию, а с другой — технически доступны многим любителям астрономии. Речь идет о довольно широком классе явлений — покрытиях звезд небесными телами Солнечной системы (в частности, Солнца Луной при солнечных затмениях), покрытиях и затмениях планет и их спутников другими телами Солнечной системы. Вообще говоря, термины «покрытие» (по-английски — «Occultation») и «затмение» («Eclipse») имеют несколько различный смысл, но здесь мы будем говорить именно о покрытиях, т.е. о ситуациях, когда небесное тело Солнечной системы при своем движении в определенный момент времени проецируется на тот участок небесной сферы, где находится более удаленный объект — чаще всего звезда, закрывая («экранируя») его от наблюдателя на некоторое время. Наиболее часто наблюдаются покрытия звезд Луной, реже — покрытия планет Луной, еще реже — другие явления.
Известно, что Луна в своем орбитальном движении вокруг Земли (точнее, вокруг центра масс системы Земля-Луна) медленно перемещается среди звезд с запада на восток со средней угловой скоростью около 0.5″/сек. При таком движении лунный диск время от времени закрывает от наблюдателя свет тех или иных звезд. В фазах между новолунием и полнолунием диск Луны покрывает звезды своим темным краем, а в фазах между полнолунием и следующим новолунием происходят покрытия светлым краем и «открытия», т.е. появления звезд из-за лунного диска на его темном крае.
Научный интерес
Еще в XVII веке астрономы осознали, что регистрация с максимально высокой точностью моментов времени покрытий или «открытий» звезд темным краем Луны позволяет весьма точно определять координаты места наблюдения на поверхности Земли. Действительно, видимое положение диска Луны на небе относительно звезд в данный момент времени будет несколько различным для наблюдателей, находящихся в разных пунктах, — это результат хорошо известного астрономам явления параллактического смещения, которое очень заметно в случае близкой к нам Луны и совсем незначительно для звезд. Поэтому моменты покрытия («открытия») лунным краем одной и той же звезды будут различными для наблюдателей с разными географическими координатами, и если эти моменты надежно измерены, по ним можно определять разности координат на Земле или сами координаты. В XVII веке это было важно для мореплавателей, и поэтому, когда в 1670 г. была основана знаменитая Гринвичская обсерватория, одной из главных ее задач была разработка методов определения координат по наблюдениям покрытий. К этому следует добавить, что точное значение момента покрытия зависит также от высоты точки наблюдения над некоторой стандартной поверхностью, описывающей фигуру Земли, поэтому в наше время для предвычисления этих моментов обязательно используются геодезические данные о высотах различных наблюдательных пунктов; если же высота пункта известна только приблизительно, высокоточные измерения моментов покрытий позволяют уточнить ее значение.
Регистрация моментов покрытий звезд Луной дает ценные данные для проверки и уточнения теории движения Луны. Если момент покрытия зарегистрирован с точностью, скажем, 0.05 сек, и координаты звезды хорошо известны (с точностью не хуже 0.01″), то при типичной величине угловой скорости движения Луны 0.5″/сек можно определить положение точки контакта на лунном лимбе с точностью около 0.02″ (это соответствует погрешности определения линейного расстояния в плоскости лунного края около 40 м). Далее, используя имеющиеся данные о рельефе лунного края в различных точках покрытий, можно получить ряд весьма точных положений лунного диска на небесной сфере в различные моменты времени, что позволяет сравнивать эти положения с вычисленными на основе теории движения Луны и, по мере накопления данных наблюдений, уточнять формулы теории либо предлагать ее новые варианты. Отметим, что современная теория движения Луны очень сложна, в этом движении присутствуют различные, в том числе долгопериодические составляющие, поэтому накопление данных наблюдении покрытии может сыграть в дальнейшем существенную роль в проверке и уточнении теории.
С другой стороны, если имеется хорошая теория, позволяющая очень точно предсказывать положения Луны, и есть подробные и надежные данные о профиле лунного лимба на участке покрытия, то по зарегистрированному моменту покрытия («открытия») можно с весьма высокой точностью определить координаты звезды; подобные независимые измерения координат звезд представляют интерес для важного раздела астрономии — астрометрии.
Представим себе теперь, что для звезд с хорошо известными координатами моменты их покрытий Луной зарегистрированы с высокой точностью. Использование современной теории движения Луны и достаточно подробных моделей профиля лунного лимба позволяет надежно предвычислить эти моменты с учетом положений точек контактов на лимбе, а при сопоставлении рассчитанных и зарегистрированных моментов мы можем получить более точную информацию о рельефе соответствующих участков лунного края, т.е. о поверхности Луны. Говоря упрощенно, это значит, что в случае, когда действительный момент покрытий на какое-то мгновение опережает предвычисленный, в точке контакта присутствует выступ лунной поверхности («горка»), не учтенный в модели профиля лимба, а если обнаружено «отставание» наблюдаемого момента, то в месте покрытия существует неучтенная «впадина». На самом деле ситуация сложнее, т.к. при выполнении пред-вычислений может быть несколько не полностью учтенных факторов, и достоверность обнаружения неровностей лунной поверхности зависит от того, какова реальная точность предвычислений.
При наблюдениях покрытий («открытий») имеется возможность получить важную и, зачастую, новую информацию о самих звездах. Среди звезд много двойных, и у значительной части из них угловые расстояния между компонентами настолько малы, что обнаружить эту двойственность при обычных наблюдениях далеко не всегда удается даже с крупным телескопом. Если же наблюдать визуально покрытие Луной такой тесной двойной звезды, то достаточно внимательный наблюдатель во многих случаях в состоянии заметить, что свет от нее гаснет как бы в два этапа: ведь сначала за лунным краем исчезает одна компонента, а затем другая; при этом человек в принципе способен зафиксировать такую «задержку» в процессе покрытия, если интервал времени между исчезновениями компонент составляет 0.1 сек и даже меньше. Отсюда, используя примерную величину угловой скорости Луны, получаем вывод, что при визуальных наблюдениях покрытия можно в благоприятной ситуации обнаружить двойственность звезды с угловым расстоянием между компонентами порядка 0.05″. Может оказаться, что двойственность данной звезды не была известна ранее, так что у наблюдателя есть шанс сделать открытие (без кавычек); во всяком случае, полученная оценка углового расстояния будет полезна астрономам, изучающим двойные звезды.
Здесь важно подчеркнуть, что сама возможность визуального обнаружения тесных двойных звезд при покрытиях существует благодаря тому факту, что момент покрытия одиночной звезды Луной можно визуально зарегистрировать при наличии соответствующих технических средств с точностью до сотых долей секунды. Еще в XIX веке астрономы обратили внимание на удивительно резкое, практически мгновенное исчезновение светового потока от звезд (одиночных) при покрытии их Луной. Причиной этого является фактически полное отсутствие у Луны атмосферы. Поэтому точность регистрации момента покрытия зависит только от возможностей наблюдателя и его аппаратуры.
Особый интерес представляют довольно редкие события — так называемые касательные покрытия звезд Луной, когда Луна при своем движении по звездному небу только касается своим темным или светлым лимбом звезды, и звезда как бы скользит по лунному краю со всеми его неровностями. Наблюдения таких явлений позволяют осуществлять очень точные измерения положений лунного края относительно звезд, на основе которых можно очень подробно (с погрешностью до 10 м и меньше) изучать рельеф лунного края на том участке, где происходит касательное покрытие: расчеты геометрии касания делаются вначале в предположении гладкого лунного лимба, а затем для предсказания реальной картины используется модель профиля лунного лимба в данном месте, основанная на имеющихся данных о рельефе соответствующего участка поверхности Луны и учитывающая либрации («покачивания» Луны относительно среднего положения ее оси вращения); после обработки данных наблюдений при сравнении с предвычис-ленным профилем можно получить весьма детальную информацию о реальном рельефе исследуемого участка. Еще одно возможное применение результатов — решение задач геодезии: наблюдаемая картина касательного покрытия очень сильно зависит от положения наблюдателя на поверхности Земли, в частности, от его высоты, поэтому подобные наблюдения позволяют уточнять данные о фигуре Земли.
Во время касательного покрытия может наблюдаться множество покрытий и «открытий» звезды лунными горами и впадинами. Главная задача — проследить прохождение звезды по краю лунного лимба и зафиксировать с максимально высокой точностью все моменты исчезновений и появлений звезды из-за края Луны.
Наблюдения покрытий Луной планет Солнечной системы также представляют большой интерес, поскольку, во-первых, они дают важный материал для проверки и уточнения теорий движения этих небесных тел, а во-вторых, позволяют изучать планеты и их атмосферы. В этом случае темный край Луны можно рассматривать как экран, довольно медленно закрывающий диск планеты: промежуток времени, в течение которого планета полностью скрывается за лунным краем, составляет десятки секунд. Если достаточно аккуратно проследить изменение блеска планеты в процессе ее покрытия, начиная с момента первого контакта ее видимого диска с лунным краем, можно получить информацию как об общих угловых размерах диска планеты, так и о распределении яркости по нему, а также, при определенных предположениях, о протяженности планетной атмосферы.
Регистрация времени
Из сказанного ясно, что принципиальное значение при наблюдениях покрытий имеет максимально точная регистрация соответствующих моментов времени. Поэтому наблюдателю необходимо иметь специальное устройство регистрации времени (электронный счетчик), позволяющее фиксировать эти моменты и обеспечивающее их «привязку» к сигналам точного времени. Такое устройство может быть реализовано различными способами. За неимением «серьезного» прибора, можно использовать, например, электронный секундомер от наручных часов, запустив его по сигналам точного времени, передаваемому каждый час по «Радио России», «Маяку» или другим широковещательным радиостанциям в виде серии шести коротких «пиканий» («начало шестого сигнала соответствует . часам московского времени»). Наблюдатель, глядя в окуляр телескопа и обнаружив исчезновение или появление звезды, должен в то же мгновение (насколько позволяет быстрота его реакции) нажать на кнопку остановки времени и тем самым зарегистрировать показание таймера.
Для получения максимально точных значений регистрируемых моментов необходимо определить поправку отсчетов таймера, чтобы более аккуратно «привязать» их к сигналам точного времени. Для этого следует использовать сигналы точного времени, передаваемые специальными радиостанциями типа РВМ на частотах 5.0, 10.0 и 15 Мгц в виде серий коротких импульсов с частотой повторения 10 гц (интервал между импульсами 0.1 сек).
Процедуру определения поправки желательно повторить как минимум дважды, чтобы выяснить, есть ли отличие темпа счета вашего таймера от темпа прихода сигналов точного времени. Если такое различие обнаруживается, необходимо учесть соответствующий систематический фактор при вычислении поправки. Кроме этого, нужно также учитывать время распространения радиосигнала до вашего приемника.
Другой вариант — осуществлять непрерывную запись на магнитофон звуковых сигналов радиостанции РВМ, включая сигналы, соответствующие началу минут с известными значениями, и записать на ту же ленту «поверх» этих сигналов ваш возглас либо какой-то другой короткий звуковой сигнал, произведенный в момент покрытия. Восстанавливая затем положение этого сигнала относительно сигналов точного времени, можно достаточно точно определить момент покрытия.
В настоящей статье нет возможности подробно описывать методику и особенности приема радиосигналов точного времени, обработки измерений и внесения необходимых поправок. Замечу лишь, что такие сигналы можно регистрировать, в частности, используя телевизионные передачи I канала ОРТ. Всю необходимую информацию и расписание работы соответствующих радиостанций можно получить в Институте метрологии времени и пространства (ИМВП) ГП «ВНИИФТРИ» по адресу: 141570, п/о Менделееве Московской обл.
Видеосъемка покрытий
В последние годы для наблюдений покрытий и «открытий» начали широко применяться видеокамеры. Они представляют собой весьма удобное средство регистрации этих явлений, поскольку позволяют записывать в виде последовательности изображений весь ход событий и затем воспроизводить его на более низкой скорости. В стандартном режиме видеокамера производит запись со скоростью 30 кадров в секунду, а при просмотре записи на низкой скорости, например, в наиболее типичном случае покрытия звезды Луной, можно легко найти те два соседних кадра, где звезда исчезает за лунным краем: на первом из них звезда видна, а на следующем — уже нет. Если последовательность кадров «привязана» к шкале точного времени, это дает возможность определить момент времени покрытия с погрешностью около 1/30 сек. Поскольку современные видеокамеры снабжены звукозаписывающими устройствами, для осуществления такой привязки нужно «поймать» на коротковолновый приемник звуковые сигналы радиостанции РВМ, включить видеокамеру на запись за несколько минут до ожидаемого момента покрытия («открытия») и продолжать одновременную видео- и звукозапись как во время самого события, так и в течение нескольких минут после него. В результате на фоне видеозаписи вы получите последовательность звуковых сигналов времени, к которым затем сможете «привязать» соответствующие видеокадры. На фоне сигналов времени следует также записать произнесенные вами значения соответствующего часа и целых минут (начало минут отмечается более длинным звуковым импульсом). Конечно, и в этом случае нужно учесть в окончательных расчетах запаздывание радиосигналов из-за конечного времени распространения их от радиостанции до вашего приемника.
При проведении наблюдений с видеокамерой достаточно направить ее на окуляр телескопа, наведенного на нужный участок неба рядом с лимбом Луны (следует использовать окуляр, дающий минимальное увеличение и максимальное поле зрения), сфокусировать (в «ручном» режиме) камеру и подобрать масштаб изображения, а затем вести съемку, держа камеру в руках. Конечно, полученные таким способом изображения на пленке будут «дрожащими», однако это не помешает достижению цели, если при просмотре записи исчезновение или появление звезды обнаружится уверенно. Другой вариант — поместить видеокамеру непосредственно вблизи фокальной плоскости телескопа и сфокусировать ее. Желательно, чтобы в поле зрения камеры при съемке оказался хотя бы небольшой яркий участок лунного диска, — это улучшает качество съемки.
Сбором и обработкой данных наблюдений покрытий и «открытий» занимается Международная Ассоциация по регистрации моментов времени (таймингу) покрытий — International Occupation Timing Association (ЮТА), а также Международный Центр данных наблюдений покрытий Луной — International Lunar Occupation Centre (ILOC). В этих организациях существует принятая ими специальная форма для подробных сообщений о наблюдениях покрытий звезд Луной и полученных результатах; файлы, содержащие такие формы, используются при обработке данных наблюдений. Эта форма (на английском языке) весьма объемна и предполагает сообщение большого количества информации, поэтому здесь нет возможности привести ее детальное описание.
ЮТА ведет многолетнюю статистику наблюдений покрытий и определяет рейтинг наблюдателей всего мира, что позволяет выделять тех из них, кто наиболее успешно проводит такие наблюдения и получил наибольшее количество качественных данных. В прошлые годы один из самых высоких рейтингов в этой области был у наблюдателей бывшего Советского Союза, а именно, у наблюдателей покрытий из Полтавы (Украина). Хочется надеяться, что среди читателей найдутся любители астрономии, которые серьезно заинтересуются этим, весьма доступным и в то же время безусловно полезным для науки видом астрономических наблюдений, и достигнут в этом деле не менее хороших результатов, чем упомянутые наши старшие коллеги. Помимо того, что имена победителей в этом своеобразном соревновании могут попасть на почетное место в международных списках астрономов-наблюдателей, эти энтузиасты имеют шанс получить призы или премии на соответствующих международных конференциях и симпозиумах.
Источник