Članek iz Spike, številka 6 letnik 7, junij 1999

Slike v prispevku so bile posnete s CCD kamero ST7 takorekoč na en mah. Slike mogoče niso kaj posebnega, je pa bila pot do njih dolga in mogoče tudi poučna. Moj namen je bil le prepričati Spiko, da objavi vsaj kakšno izmed slik, a je urednik hotel kot pogoj še nekoliko daljši spremni tekst. Odločil sem se, da kar se da realistično opišem nekatere začetne okorne korake, ki spremljajo uvajanje v čisto novo in neznano delo s CCD kamero. Zraven sem vključil tudi del zgodbe, kako smo sploh prišli do kamere. Vse to pa zato, da bi mogoče pomagal in dal voljo tudi ostalim astronomskim skupinam po slovenskih šolah. Na Gimnaziji Šentvid-Ljubljana smo med prvimi šli v tako imenovano urbano (mestno) astronomijo, z gradnjo observatorija na terasi šole. Pri tem so nam mnogi jemali voljo, češ v mestu se ne da opazovati, kaj šele fotografirati. Mislim, da je potem po naši poti šla še prenekatera šola. Zanimivo je to, da so se želje po CCD kameri pojavile že na začetku devetdesetih, in da je nikakor nismo uspeli kupiti. Nekatere šole so nas posnemale, tudi prehitele in nas pri nakupu že pred leti spraševale po nasvetih o CCD kameri, saj so bile prepričane, da jo že zdavnaj imamo. Dobili smo jo torej relativno zelo pozno in tukaj je nekaj prvih izkušenj in začetnih korakov. Seveda je astronomija na šoli tudi brez kamere tekla po ustaljenih korakih: opazovanja, predavanja, raziskovalne naloge, klasična astrofotografija, ki nikakor ni nepomembna ali zastarela.

Prvi posnetki
Začnimo na koncu. Brž ko smo prejeli CCD kamero, smo jo testirali v šolskem observatoriju kar na delovni mizi. Najprej smo z Interneta sneli DOS program CCDOPS za delo s kamero. Programa, ki smo ga prejeli za WIN95 skupaj s kamero, namreč ni moč uporabiti na 8 let starem pc-ju s takratno konfiguracijo. Kamero smo s strahom in tudi s spoštljivostjo malo po občutkih malo po izkušnjah priklopili na pc in pred vhodno odprtino postavili kar lupo. Program CCDOPS nam je uspelo kmalu v grobem ukrotiti (nastavitev porta in vmesnika v meniju Misc, ukazi: Communication Setup, parallel ...) in zadovoljstvo, da povezava med kamero in pc-jem deluje, je bilo res veliko. Kako posneti karkoli? Izbrali smo meni Camera in ukaz Grab (nastavili smo čas snemanja) in na ekranu smo dobili brezobličen vzorec črt. Objekt pred lupo smo zamenjali in spet smo dobili zmazek, a zdaj nekoliko drugačen. Odlično, vedeli smo, da smo na pravi poti in veselje nad brezoblično "umetnisko" podobo je bilo izjemno. Kamera torej deluje in programska oprema očitno ni prezahtevna. Malo smo se še pozabavali z iskanjem primerne razdalje med lupo in CCD-jem in kmalu smo na ekranu ujeli tudi podobo realnega objekta. Seveda smo vmes "odkrili" še nadvse pomembno hlajenje, fokusiranje, težave s signalom, ki ga generira termični tok elektronov in ga je potrebno odšteti. To je najlažje storiti tako, da se posname pri zaprtem zaklopu tako imenovan Dark frame, to je slika termičnega (temnega) toka in morebitnih ostalih napak, pri enaki temperaturi in enakem času kot je posneta neobdelana slika objekta (Light Frame). Sliko "teme", Dark Frame, nato odštejemo od neobdelane slike objekta (Light Frame). To lahko naredi avtomatsko, namesto nas, kar program CCDOPS. Termični tok elektronov se bistveno zmanjša s hlajenjem CCD čipa. Prikazovanju posnetkov je namenjen meni Display, ukaz Image. Sliko lahko shranimo v meniju File, ukaz Save v kar nekaj formatov (FITS, TIFF, BITMAP, ST7). Po koncu prvega testiranja kamere smo se še zmenili, da do naslednjič preberemo navodila, kar nam je zelo koristilo, le jasne noči ni in ni bilo. Zaradi tega smo kamero preizkusili kar s snemanjem dobre 3 km oddaljene Šmarne gore, ki se nam velikokrat ponuja kot primeren objekt za testiranje opreme, optike, vidljivosti ... Kamero smo brez težav pritrdili v nosilec okularja na teleskop MEADE LX200 10" f/10 in po nekaj neuspešnih fokusiranjih nam je le uspelo ujeti zvonik na Šmarni gori, spodnja slika. Zdaj smo že avtomatsko posneli in odšteli termični tok elektronov (v meniju Camera v ukazu Grab, se vključi ukaz Dark frame na vrednost Also) in tudi že posneli sliko s tako imenovanim ravnim, enakomerno osvetljenim poljem (Flat Field). Za Flat Field posnetek ponavadi zadostuje enakomerno osvetljen bel papir pred teleskopom. Dovolj velik papir, kak meter ali dva pred teleskopom, osvetlimo recimo z odb ito svetlobo žepne svetilke od enakega papirja, ki ga postavimo blizu teleskopa a nekoliko od strani. Flat Field posnetek ujame morebitne napake CCD čipa, smeti in odboje same optike, ki lahko zelo popačijo podobo objekta, zato se Flat Field slika odšteje od slike samega objekta in se tako kvaliteta posnetka lahko bistveno izboljša. Flat field je potrebno znova posneti, če spremenimo pogoje snemanja: temperaturo, gorišče ... Čas snemanja Flat Fielda je vsaj nekaj sekund, odvisno od osvetlitve. S programom CCDOPS odštejemo Flat Field od slike v meniju Utility, ukaz Flat Field, kjer lahko odštjemo tudi termični (temni) tok, z ukazom Dark Substract, če tega že nismo avtomatsko storili v komandi Grab. Zaradi vremena je bilo potrebno čakati še en teden, da smo v resnici ujeli prve nezemeljske posnetke.

Prvi astronomski posnetki
Prva, po dolgem času relativno znosna astronomska noč je bila za ortodoksne astronome najbrž nemogoča kombinacija Lune, mestne svetlobe, smoga in vlage v zraku, a za Šentvid so take razmere nekaj normalnega. Pred začetkom snemanja smo si še ogledali zahajajoče Sonce, ki je bilo posejano s kar zajetnimi pegami, Wolfovo število smo ocenili na 100. Lotili smo se tudi snemanja, a na žalost nam ni uspelo ujeti nobene pege in tudi Sonce nam je že uhajalo za vrhovi Julijskih Alp. V bistvu smo posneli le Flat Field. Prvi objekt po zahodu Sonca, ki se je kazal kot na dlani, je bila Luna. Zdaj smo bili že dokaj usklajena ekipa in nismo se več bali dela s kamero. Če nam je Sonce "ušlo", pa nam je pri Luni zastal dih, najprej smo bili nekoliko razočarani, saj je bil prvi posnetek zelo medel, a s preciznim premikanjem vijaka za ostrenje so se na reliefu Lune pojavljale nepričakovane podrobnosti. Dijaki so tudi izdelali zaslonko iz papirja (10cm) in slika se je še izboljšala, saj so tudi, prej preosvetljeni deli površine pokazali imenitne podrobnosti. Na Luni smo najdlje pasli svoje navdušenje, predvsem smo ubčudovali kraterja Clavius (znotraj katerega smo opazili veliko majhnih kraterjev) in Tycho, ki je znan po žarkih in terasastih stenah, ki so vidne tudi na našem posnetku. Po Luni smo se lotili Venere in Marsa, a kmalu smo ugotovili, da je tudi za ST7 pri gorišču teleskopa 2,5m potrebna okularna projekcija, za katero pa nam manjka CCD adapter. Luna se je s svojo svetlobo bahala na južnem nebu v Devici blizu Marsa in Spike, tako da smo se lotili vzhodnega neba. Teleskop smo usmerili proti znani planetarni meglici M57, Ring Nebuli v Lyri. Po 4 ali celo 2 sekundni ekspoziciji smo obroč meglice brez težav razločili na ekranu. Na žalost je bilo nebo do te mere preosvetljeno, da je bila okolica meglice skoraj brez zvezd. Opazili smo tudi, da bomo morali teleskop obvezno kolimirati, saj so zvezde kazale zajetne repke. Po minutni ekspoziciji se še ni opazila napaka pri sledenju teleskopa, po dveh minutah pa so zvezde na posnetku že puščale sledi. Takoj smo priključili kamero v CCD vhod teleskopa LX200 in po nekaj nerodnostih smo se naučili kako uporabiti nadvse prikupno možnost kamere ST7, to je samokorigiranje pri sledenju določenemu objektu (Self Guide). Po izbiri sledilne zvezde program med snemanjem na ekran izpisuje odmik v procentih od sledilne zvezde. Sledilno zvezdo detektira sledilni CCD čip, ki je ločen od CCD čipa, ki zbira fotone objekta, ki ga snemamo. To kamero torej lahko tudi uporabimo kot sledilno pri klasični astrofotografiji, kar je izjemno koristno. Velika težava se pojavi, če objekt centriramo skozi navadno iskalo, saj je bilo v našem primeru zorno polje kamere manjše od 10 ločnih minut, medtem ko pa je zorno polje iskala nekaj stopinj. Centriranje objekta nam je vzelo ogromno časa, poleg tega pa se pojavljajo še dodatne težave z ostrino, ki je hiba mnogih Schmidt-Cassegrain teleskopov. Zaradi omenjenih težav, neizkušenosti, kamenodobnega računalnika ... smo observatorij zapustili šele ob dveh zjutraj, a splačalo se je. Po koncu snemanja smo še na hitro, z otečenimi očmi pogledali M3 in M57 in bili presenečeni, da je kamera sploh kaj ujela, podobi objektov sta bili namreč komaj vidni packi.

CCD kamera ST7
Nekaj besed o CCD kameri in o modelu ST7. CCD pomeni Charge Coupled Device, iz česar lahko sklepamo, da je to naprava, ki zbira električni naboj. Bistvo kamere je torej, da zbira elektrone, ki jih iz polprevodnika izbije svetloba (fotoni) in si hkrati zapomni položaj vpada svetlobe na polprevodniškem polju, ki ga opišemo s koordinatama X,Y. Kamera ST7 je narejena v firmi SBIG (Santa Barbara Instrument Group), velikost fotoobčutljivega elementa (pixela) je 9X9 (m, število pixlov je 765X510, velikost CCD čipa je 6,9X4,6mm. Iz povedanega sledi, da je za teleskope 10"=254mm, f/10 (f=10*254mm=2540mm) zorno polje 9,3X6,2 ločnih minut (za primerjavo, premer Lune in Sonca je 30 ločnih minut), en pixel objame 0,73X0,73 ločne sekunde. Kamera lahko dela pri treh resolucijah: visoki (9X9(), srednji (18X18() in nizki (27X27(). Manjša je resolucija večja je občutljivost kamere in krajši časi snemanja, kar pride prav pri hitrem in grobem fokusiranju ali pri snemanju svetlobno šibkih objektov. Maksimalno število elektronov (Full Well Capacity), ki jih lahko kamera sprejme na slikovni element je, 160000 pri srednji resoluciji in 40000 pri visoki, to je prag nasičenja. Tako imenovani šum (read nois) kamere je 15 elektronov rms (rms pomeni root mean square), pomemben je pri kratkih ekspozicijah in ga že po nekaj 10 sekundah preseže signal ozadja, to je odbita svetloba od molekul in prašnih delcev atmosfere. V grobem je razmerje med signalom in šumom sorazmerno kvadratnemu korenu števila zbranih elektronov, če torej hočemo razmerje signal-šum izboljšati za dvakrat, moramo čas snemanja podaljšati za štirikrat. Pri ST7 načeloma lahko razmerje signal proti šumu preseže vrednost 400 pri srednji resoluciji (400 je koren števila 160000) in 200 pri višji. Kamera podatke posreduje v računalnik preko 16 bitnega analogno digitalnega pretvornika A/D. A/D nasičenje je povezano z nasičenjem na pixel in znaša pri srednji resoluciji 65535 prenosov (korakov pri štetju napetosti na pixel), kar pomeni 160000e/65535=2,4 elektrona na prenos. Termični ali temni tok elektronov (dark current) je okrog en elektron na sekundo na pixel pri temperaturi 0 oC. V grobem, vsaka ohladitev za 5 oC zmanjša termični tok za polovico. ST7 ima mehanični zaklop in njen najkrajši ekspozicijski čas je relativno dolg, 0.11 sekunde, kar je pomanjkljivost te kamere. Na kamero se lahko montira tudi kolo s filtri za snemanje v barvah in za fotometrijo. To je le nekaj podatkov o ST7, smo šele na začetku dela s CCD kamero.

CCD-ji imajo velik svetlobni izkoristek, nad 60% in zelo dober linearni odziv, kar pride prav pri fotometriji. Vse te lastnosti, predvsem pa relativno kratki časi snemanj glede na klasično astrofotografijo, so nagnili tehtnico na stran CCD astronomije. Lahko bi rekli, da je amater s CCD kamero in 10 inčnim (254 mm) teleskopom kar primerljiv z Mount Palomarjem (petmetrski reflektor) izpred nekaj desetletij. Neverjeten je tudi napredek v hitrosti in učinkovitosti avtomatske računalniške obdelave posnetkov. Vse to je s pridom izkoristila slovenska skupina astronomov, ki je razvila izjemen projekt Automatic Comet Imaging Telescope (ACIT), ki tudi že žanje rezultate z odkritim asteroidom Slovenija. To je najbrž eden večjih dosežkov domače pameti v zadnjih letih, čeprav je še zmeraj preveč v senci ostalih bolj ali manj pomembnih dogodkov.

Zgodba o ccd kameri ali čudna so pota astronomije po slovenskih šolah.
Mogoče se da prispevek razumeti na naslednji način, aha tam na neki šoli so se odločili, da se igrajo astronomijo, dobili so teleskop, CCD kamero in malo snemajo megličke, Luno, planete ... V resnici sem, smo, so kamero obljubljali dijakom astronomom že od začetka devetdesetih let. Skupaj z dijaki smo preko sponzorjev nabrali tudi nekaj denarja, a smo iz različnih razlogov prehitro obupali, težave v gospodarstvu, predvsem pa problem vizije astronomije na šoli ...? Dve leti bo že tega, ko nam je sklad staršev gimnazije (to so prostovoljni prispevki staršev) dal zeleno luč za nakup kamere, brez njih ne bi šlo in izkoriščam to priložnost, da se jim zahvalimo za izjemno podporo. Dve leti so trajali razpis, dokončna odobritev itd. Skoraj 10 let so generacije na naši šoli čakale na kamero. Mnogi bivši dijaki so v tem času že dobili sive lase, kaj šele mentor. Po teh letih človek nekako že postane imun na obljube in tudi nekoliko apatičen, volja pade, in ko je kamera prišla, nismo prav verjeli, da je to mogoče, a zdi se, da se je čakanje splačalo. Možnosti, ki jih taka naprava nudi, so lahko prava vzpodbuda za astronomijo in za dopolnitev znanja na mnogih področjih. V taki kameri se skriva ogromno znanja in trdega dela mnogih ljudi. Vesoljski teleskop Hubble bi bil brez podobne kamere kar nekoliko "izgubljen". Seveda astronomija ni zgolj polprevodniška kamera, a najbrž vedno bolj sodi zraven.

Denarja vsekakor povsod primanjkuje (no ja, skoraj povsod), z astronomijo pa je sploh težava, saj se ukvarja le z zvezdicami. Torej, tisti redki osebki, ki po šolah zbirate mlade astronome, danes se odločite za nakup CCD-ja, vztrajajte, CCD kamera se splača, tudi če osivite v čakanju na njo.

Slike CCD ST7:

CCD kamera ST7, pritrjena na teleskop MEADE LX200. Kamera ima možnost avtomatskega sledenja in je s teleskopom povezana le z enim kablom.

Oglejte si CCD galerijo.

Zorko Vičar

Podrobnejše podatke o CCD kameri ST7 boste našli na URL naslovu:
http://www.sbig.com/

Nazaj na galerijo CCD posnetkov.

Nazaj na domačo stran.