Szkiełko i oko

Obserwacje Swift pokazały nam jak wygląda galaktyka (M31) z zewnątrz - patrz poprzednia notka. Na taki obraz naszej Galaktyki nie mamy jednak co liczyć w dającej się przewidzieć przyszłości. Trudno jest bowiem sfotografować dom, w którym się mieszka, nie mogąc z niego wyjść. Coś tam jednak, mimo wszystko, sfotografować się da.

Axel Mellinger, astronom z Central Michigan University postawił sobie za cel wykonanie fotomapy Grogi Mlecznej, wykonanej od środka, czyli z Ziemi. Przez około dwa lata fotografował wybrane fragmenty nieba z ciemnych miejsc w Południowej Afryce i USA (Michigan i Texas). Za każdym razem wykonywał trzy ekspozycje (240 s, 15 s, 0.5 s) aby zwiększyć rozdzielczość radiometryczną docelowego obrazu. Mellinger zebrał łącznie ponad 3000 obrazów, które musiał poddać żmudnemu procesowi mozaikowania w jedną dużą fotomapę. To była najcięższa część pracy - zdjęcia musiały zostać skalibrowane geometrycznie i fotometrycznie, dodatkowo oczyszczone z różnych zakłóceń niepożądanym światłem (światłem z ludzkich osiedli, poświaty atmosferycznej, światła zodiakalnego, źródeł rozproszonego światła w troposferze, itp.). Ostateczne dzieło charakteryzuje 36 arcsec/pixel i aż 18 bitowa głębia obrazu. Szczegóły całego procesu jego stworzenia można znaleźć w tej publikacji [1].

Powyżej: efekt pracy Axela Mellingera - Droga Mleczna widziana od środka, przedstawiona w odwzorowaniu Aitoffa. Fot. Axel Mellinger.

Choć opisane przedsięwzięcie nie jest stricte teledetekcyjnym, to metody, których Mellinger używał są niemal identyczne z tymi, jakich używamy do tworzenia fotomap satelitarnych czy lotniczych. Poza samą techniką pozyskania obrazu (pole widzenia kamery, zniekształcenia geometryczne obrazu, rozdzielczością radiometryczna i geometryczna, czas ekspozycji), pokrewne są metody korekcji zanieczyszczeń - teledetekcja ziemska musi sobie przecież poradzić z zakłóceniami sygnału wywołaniami pochłanianiem i rozpraszaniem promieniowania w atmosferze. No i samo łączenie obrazów - dopasowanie geometryczne oraz "kolorystyczne". Choć astronom i geograf patrzą w przeciwnych kierunkach, to jak widać znajdą temat na który można wspólnie podyskutować ;)

[1] Axel Mellinger, A Color All-Sky Panorama Image of the Milky Way, Publ. Astron. Soc. Pacific 121, 1180-1187 (2009) [PDF].

Linki a porpos:
Strona Mellinger na temat fotomapy: http://home.arcor.de/axel.mellinger/

Powyżej: Andromeda w ultrafiolecie. Im bliższy bieli jest odcień niebieskiego, tym gorętsze obiekty się za nim kryją - głównie rodzące się gwiazdy. Fioletowo-czerwonawy odcień zgrubienia centralnego to sugestia, iż znajdująca się tam materia jest chłodniejsza - młodych gwiazd prawie tu nie ma. Fot: S. Immler i E. Grand.

Przeglądając informacje o telekopie Swift, trafiłem na notkę prasową informującą o najdokładniejszym jak dotąd ultrafioletowym zobrazowaniu galaktyki M31 (NGC 224, Andromeda). Galaktyka jest naszej bardzo bliska - zarówno w sensie dosłownym, jak i morfologicznym: M31 jest galaktyką bez poprzeczki, podczas gdy Droga Mleczna poprzeczkę zapewne ma, lecz poza tym, ze względu na dobrze rozwinięty układ ramion, często M31 uważa się za "siostrę" naszej Galaktyki. Patrząc na M31 patrzymy więc trochę na siebie samych (podkreślam słowo trochę).

Jak to wszystko wygląda u ultrafiolecie? Widać na grafice. Powstała dzięki obserwacjom instrumentu Ultraviolet/Optical Telescope (UVOT), to jest teleskopowi do obserwacji w zakresie ultrafioletu i światła (techniczna metryczka: zakres 170-650 nm, 6 kanałów spektralnych, rozdzielczość 0.48 arcsec). Obserwacje zostały wykonane między majem a lipcem 2008 i ostatecznie złożyło się na nie 330 ekspozycji w trzech tylko zakresach: 192.8, 224.6 oraz 260 nm, a więc wyłącznie w ultrafioletowych zakresach instrumentu UVOT. Trud obróbki danych spadł na ręce (komputer) Erin Grand, studentki "undergraduate" (czyli coś około naszego licencjatu), odbywającej letni staż u Stefana Immlera, badacza z NASA, członka zespołu naukowego misji Swift. Efekt wakacyjnych prac pani Grand aż prosi się o powieszenie na ścianie w pięknej ramie.

Zdjęcie w pełnej rozdzielczości:
http://www.nasa.gov/images/content/386913main_Swift_M31_large_UV.jpg

Co działo się 13.1 mld lat temu nie wiedzą nawet najstarsi górale. No chyba, że są astrofizykami i w swych badaniach posługują się m.in. kosmicznym Swift. Swift to teleskop przeznaczony do polowania na błyski gamma (ang. skrót GRB) - najpotężniejsze eksplozje jakie kiedykolwiek ludzkość oglądała. Polowanie odbywa się głównie przy pomocy dwóch instrumentów Swift: zasadniczy ciężar detekcji spada na Burst Alert Telescope (BAT), szerokokątny instrument zdolny wskazać na sferze niebieskiej przybliżone miejsce wystąpienia GRB. Bardziej precyzyjne współrzędne zapewnia teleskop rentgenowski (X-ray Telescope, XRT).

Dokładność współrzędnych jest ważna, gdyż w wypadku zaobserwowania GRB, informacja o tym natychmiast trafia na Ziemię i jeśli to możliwe, największe ziemskie teleskopy spoglądają we wskazany fragment nieba. Ponieważ teleskopy te mają względnie małe pole widzenia, muszą być bardzo precyzyjnie ukierunkowane. Oczywiście promieniowania gamma nie zarejestrują (jest blokowane przez atmosferę), jednak mogą przyjrzeć się poświacie wybuchu, czyli następującemu po błysku gamma strumieniowi promieniowania widzialnego i podczerwonego - oczywiście, o ile taka poświata się pojawi, bo nie zawsze musi. Poświaty wypatruje też trzeci z instrumentów Swift - Ultraviolet/Optical Telescope (UVOT) - wyposażony w teleskopy zakresu ultrafioletu.

Powyżej: GRB 090423 z 23 kwietnia 2009 widziany przez hawajski teleskop Gemini. Widoczny jest nie sam błysk gamma, ale jego podczerwona poświata. Foto: D. Fox, A. Cucchiara, E. Berger.

23 kwietnia tego roku detektory Swift wykryły jeden z takich błysków. Informacja ze współrzędnymi trafiła do systemu alarmowania o GRB i po chwili na wskazane miejsce spoglądał jeden z teleskopów Gemini (hawajski). Obserwacja wykonana w podczerwieni pięć dni później była dostępna m.in. w internecie, ale dopiero dzisiaj trafia na czołówki wielu serwisów informacyjnych naukowych i niektórych gazet - a to za sprawą najnowszego numeru Nature, opisującego dokładnie całości obserwacji (Pudelek.pl oraz Plotel.pl niestety sprawę przemilczały).

Co w kwietniowym GRB było niezwykłego? Czas. Gdy na podstawie przesunięcie ku czerwieni oszacowano chwilę, w którym błysk faktycznie nastąpił, okazało się, że było to aż ~13,1 miliarda lat temu. Cały wszechświat liczył sobie wtedy ledwie 630 mln lat, czyli tylko 5% swojego dzisiejszego wieku. Oznacza to, że teleskopy Swift i Gemini były świadkami śmierci którejś z najwcześniejszych gwiazd, jakie we Wszechświecie świeciły. Okazało się tym samym, że na zdjęciu utrwalone zostało najstarsze zaobserwowane wydarzenie w historii. 13.1 mld lat... jakże śmieszne i małostkowe wydają się chociażby polityczne kłótnie o postpeerelowską rzeczywistość...

Powyżej: wykres pokazuje, z jak niezwykłym błyskiem gamma mamy do czynienia - podczas gdy wieszość z dotychczas zaobserwowanych GRB była młodsza niż ~12.7 mld lat, GRB 090423 dotarł do nas z czasów odległych o ~13.1 mld lat. Robi wrażenie. Rys: jak w opisie.

Nadrabiam ostatnie tygodnie wydarzeń związanych z teledetekcją i widzę, że bardzo ciekawy przebieg miał ostatni przelot sondy MESSENGER koło Merkurego. Sonda ma docelowo za 18 miesięcy stać się pierwszym sztucznym satelitą najbliższej Słońcu planety, nim jednak do tego dojdzie, między 2008 a 2011 rokiem miała trzykrotnie spotkać się z Merkurym, przelatując blisko niego i wykorzystując jego pole grawitacyjne do manewrów korekty trajektorii. Wszystkie trzy przeloty już za nami - ostatni miał miejsce tydzień temu.

Najważniejszym celu przelotu była zabawa w polu grawitacyjnym, a więc zmiana trajektorii lotu. W zasadzie sonda może być wtedy zupełnie bierna - fizyka robi swoje. Jednak przelot w odległości ledwie 230 km od powierzchni planety to niebywała okazja, aby wykonać kilka obserwacji i zobaczyć miejsca, których nigdy nigdy dotąd jeszcze nie widział. Zaplanowano zatem ponad 1.5 tysiąca zdjęć oraz wiele obserwacji spektrometrycznych. W ciągu 37 godzin pokładowa pamięć miała zapełnić się około 50 MB danych - wystarczająco dużo na kilka solidnych publikacji naukowych.

Tym czasem, gdy napięcie sięgało zenitu (czy raczej nadiru) sonda zamilkła. Stało się to w momencie, gdy zniknęła w cieniu planety i została odcięta od promieniowania słonecznego. Niby nic, a jednak coś. Nic - ponieważ taka sytuacja nie jest niczym niezwykłym i była przewidziana, a odpowiednie polecenia zawczasu trafiły do sondy. Jednak coś - gdyż jakieś niedopatrzenie spowodowało, że sonda zamiast intensywnie pracować weszła w tzw. tryb „safe mode” i żadnych obserwacji nie wykonała, realizując 0% planu badawczego. Historia kończy się jedna dobrze - sonda odzyskała kontakt z Ziemią po minięciu planety i inżynierowie misji ciężką praca i litrami kawy przywrócili wszystko do porządku, ratując co się dało, tj. sesję obserwacji „pozbliżeniowych” (wykonywanych w czasie oddalania się sondy od planety, swego rodzaju patrzenie za plecy).

Powyżej: Foto-mapa Merkurego na podstawie dotychczasowych przelotów. Najświeższe dane (z trzeciego przelotu) są zaznaczone żółtą obwódką. Obserwacji tej dokonał instrument Mercury Dual Imaging System (MDIS) jeszcze przed fazą największego zbliżenia, w której to sonda była w trybie “safe”. Foto: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington.

Tu nasuwa mi się refleksja. W sumie dwie. Pierwsza: pamiętam rok 2004, kiedy misja rozpoczynała się. Czytałem wtedy sporo o propozycjach alternatywnych. Jedna z nich zakładała, że zamiast orbitera Merkurego, lepiej wysłać sondę, która tylko kilka razy przeleci koło planety i wykona to wszystko, co większym nakładem czasu wykonałby orbiter. Koncepcja nie przeszła, poleciał MESSENGER. Gdyby jednak stało się inaczej, być może właśnie pisałbym o wielkiej porażce takowej alternatywnej misji. Czasem tak niewiele trzeba by ambitne i szalenie kosztowne (pół miliarda USD) badania, ich kulminacyjny moment, zastąpiła cisza i szum ślepych instrumentów.

Refleksja druga: MESSENGER rozpoczął podróż w 2004 roku. W 2011 trafi na orbitę Merkurego. Już jest bliżej celu, niż dalej. W 2004 w roku wydawało mi się, jak to odległy moment, ten 2011 roku... Jak ten czas szybko leci ;)

Hipotezy mówią, że spora część marsjańskiej wody, zapewne (to też hipoteza) obficie występującej niegdyś na powierzchni planety, obecnie skrywa się pod powierzchnią Marsa. Aby to sprawdzić wystarczy wylądować na Marsie, wykopać dołek i do niego zajrzeć. Geolodzy mają jednak jeszcze jeden sposób aby wykonywać takie odkrywki - korzystają z tego, co daje im sama natura: patrzą w kratery wybite przez najróżniejsze kosmiczne skały.

Tak też było i w przypadku najnowszych marsjańskich odkryć. Zaczęło się, gdy oczyma Context Camera (średniorozdzielczej kamery sondy Mars Reconnaissance Orbiter) wypatrzonych zostało kilka miejsc ze świeżymi kraterami uderzeniowymi. Znajdowały się one na granicy Utopia i Arcadia Planitia, na wschód od miejsca gdzie kiedyś wylądował Viking 2. Kratery były niewielkie - od 3.5 do 12 metrów średnicy, od 50 do 250 cm głębokości. Wszystkie były młodziutkie. Trzy z nich na pewno powstały w pierwszej połowie 2008 roku, jeden między 2004 rokiem a połową 2008, kolejny między 2006 a połową 2008. Po Context Camera, na kratery swoją uwagę skierował HiRISE - kolejny z instrumentów obrazujących Mars Reconnaissance Orbiter. Tym razem dane miały 30-40 cm rozdzielczość i kratery mogły pokazać się w pełnej krasie. A pokazywać było co. Okazało się, że wybita z gruntu materia jest śnieżnobiałobłękitna. I to bardzo. Tak bardzo, że od razu zaczęto spekulować, iż obserwowany jest wodny lód. Aby mieć pewność konieczne były obserwacje spektroradiometryczne instrumentem CRIMS (również na pokładzie Mars Reconnaissance Orbiter). Tu zaczęły się schody. Wielkość piksela obrazu CRIMS to około 18 metrów. Ewentualny lód pokrywałby więc ledwie ~10% powierzchni piksela, a tym samym, informacja, którą dostarczyłby CRIMS byłaby de facto informacją w 90% od innych obiektów. Tylko w przypadku jednego krateru powierzchnia wybitego "lodu" była wystarczająco duża, by przypadło na nią kila pikseli... i dało się uzyskać czyste widmo. Jak łatwo przewidzieć (chyba nie umiem budować napięcia :) było to widmo wody.

Powyżej: Zanik wodnego lodu, wybitego przednio w czasie uderzenia meteorytów. Lód widać w dwóch kraterach, każdy o średnicy około 4 m. Pierwsze zdjęcie zostało wykonane w połowie września 2008, ostatnie w Boże Narodzenie 2008. Ciekawa jest tez okolica. Widoczne są pewne geometryczne struktury - gleby poligonowe. Na ziemi powstają m.in. w regionach polarnych, w wyniku procesów związanych z podpowierzchniowym lodem. Przypadek? Fot. NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

Wszyscy się bardzo ucieszyli :) Zaczęły się obserwacje zaniku lodu - w większości wyparował, co nie co zostało przykryte nawiewanym pyłem. Po 140-200 dnach po wszystkim nie było śladu. To pozwoliło oszacować kilka innych parametrów lodu. Szczegóły w najnowszym Science [1]. Koniec historii :) Morał jest taki, iż mamy kolejny dowód na obecność wodnego lodu.

[1] Byrne S. et al., 2009, Distribution of Mid-Latitude Ground Ice on Mars from New Impact Craters, Science, 325, 1674-1676.