Barlow-linssi, tähtiharrastajan tehokas apuväline

KAK – Kaikessa yksinkertaisuudessaan Barlow-linssi on negatiivinen (kovera) linssi, joka sijoitetaan kaukoputkeen ennen okulaaria. Sen keksi englantilainen matemaatikko ja fyysikko Peret Barlow (1776 – 1862). Hän kuvaili laitteensa vuonna 1834 teoksessaan "Encyclopaedia Metropolitana". Barlow-linssi on saanut nimensä (jos sitä et jo arvannutkin) keksijänsä mukaan.

Barlow-lissi on rakenteellisesti hajottava linssi. Se ei muodosta yksinään kuvaa polttovälinsä etäisyyteen, vaan kuva on virtuaalinen ja se on valon tulosuunnassa linssi edessä. Barlow-linssillä on kuitenkin olemassa polttoväli määritelmän mukaisesti. Rakenteellisesti esimerkiksi 2× Barlow erotetaan okulaarista etäisyydellä, joka on Barlowin polttovälin pituinen. Vastaavasti 3× Barlowin ja okulaarin välinen etäisyys on kaksinkertainen Barlowin polttoväliin verrattuna jne. Tästä syystä Barlowin pituus tulee sitä suuremmaksi mitä suurempi suurennus sillä halutan luoda. Tätä Barlowin ominaisuutta käytetään hyväksi myös zoomattavissa Barlow-linsseissä. Zoomattavat Barlowit ovat kuitenkin harvinaisia, eikä niitä ole useinkaan kaukoputkikauppiaiden valikoimissa.

Viitteellinen kaavio kaukoputken rakenteesta ja Barlow-linssin sijainnista. Objektiivin kuvataso on kohdassa A optisella akselilla. Barlow-linssin sijoittamisen jälkeen kuvataso on kohdassa B, jolloin okulaarilla näemme suurennetun kuvan. Valon reitti on piirretty selvyyden vuoksi vain optisen akselin suuntaiselle valolle, jolloin kuvan muodostuminen ei tästä kaaviosta selvene. Kuva © Kari A. Kuure.

Barlow-linssin negatiivisen linssin tarkoitus on muuttaa kaukoputken polttoväliä alkuperäistä pidemmäksi ja siten vaikuttaa käytettävissä oleviin suurennoksiin. Näin tällä laitteella voidaan kaksinkertaistaa erilaisten suurennusten määrä, silloin kun okulaareja on vain rajallinen määrä. Tähtiharrastajan tulisikin suunnitella okulaarihankintansa siten, että niiden antamat suurennukset lomittuvat sopivasti, kun käytetään Barlowia yhdessä niiden kanssa. Esimerkiksi: Sinulla on hyvälaatuiset 10, 17 ja 25 mm okulaarit. Niiden lisäksi hankit hyvälaatuisen 2× Barlow-linssin. Se avulla saat käyttöösi myös 5, 7,5 ja 12,5 mm polttovälit, joiden suurennukset voit laskea omalle kaukoputkellesi. Jos kaukoputkesi polttoväli on 1 000 mm, silloin sinulla on käytössäsi 200, 133, 100, 80, 59 ja 40-kertaiset suurennukset.

Yksi Barlow-lissin sovellus on valokuvausoptiikkaan sijoitettava telekonvertteri. Nämä laitteet siis sopivat käytettäväksi esimerkiksi järjestelmänkameran objektiivien kanssa, jolloin objektiivin polttoväli pitenee. Valovoima kuitenkin heikkenee, joten se on valotuksellisin keinoin korvattava joka aukkoa suurennettava tai kameran herkkyyttä vahvistaen.

 

Barlow-linssin rakenne

Barlow-linssin polttoväliä muokkaava optinen elementti on siis periaatteessa yksinkertainen kovera linssi. Se voi olla kaksoiskovera (molemmat pinnat ovat koveria) tai tasokovera, jolloin vain toinen pinnoista on kovera, toisen ollessa suora. Tällainen hyvin yksikertainen koveralinssi sopii käytettäväksi monokromaattiselle valolle, esimerkiksi kapeakaistaisen suodattimen käytön yhteydessä. Laajakaistainen valo, esimerkiksi tyypillisesti näkyvässä valossa näin yksinkertainen linssi tuottaa paljon virheitä kuvaan, eikä kuvan laatu sen vuoksi ole kovinkaan hyvä. Tästä syystä kaikki kaupalliset Barlow-linssit ovat vähintäänkin akromaattisia. Seuraavaksi esittelen nämä kuvavirheet.

Palloaberraatio (spherical aberration): Linssin reunat taivuttavat valoa voimakkaammin kuin keskiosa, mikä aiheuttaa sen, että valonsäteet eivät keskity samaan pisteeseen. Tämä johtaa kuvaan, joka on epäterävä ja vääristynyt. Tunnetuin esimerkki pallopoikkeamasta on Hubble avaruusteleskoopin pääpeili, joka kiillotettiin väärän muotoiseksi, jolloin kuva oli epäterävä ja erotuskyky jäi vaatimattomaksi. Myöhemmin Hublelle toimitetut laitteet korjasivat tämän omilla korjauslinsseillään.

Kromaattinen aberraatio (chromatic aberration): Eri aallonpituuksilla (väreillä) on eri taitekertoimet, mikä aiheuttaa sen, että linssi ei pysty kokoamaan kaikkia värejä samaan pisteeseen. Tämä johtaa väripoikkeamaan, jossa kohteen reunoilla näkyy värillisiä haloja tai kehiä.

Astigmatismi (astigmatism): Linssin kaarevuus ei ole kaikkialla sama, mikä aiheuttaa sen, että valonsäteet, jotka tulevat eri kulmista, eivät keskity samaan pisteeseen. Tämä johtaa kuvaan, joka on vääristyneen ja epäterävä. Kaikki silmälasien käyttäjät tuntevat tämä ilmiön ja se korjataan silmälasien sylinterikorjauksella. Kaukoputkissa ja okulaareissa voimakas astigmaattisuus on harvinaista mutta vähäisessä määrin sitä esiintyy lähes jokaisessa laitteessa, jos sitä ei ole erikseen korjattu.

Vääristymät (distortio): Linssin kaarevuus aiheuttaa sen, että kuva vääristyy, erityisesti reunojen lähellä. Tämä voi johtaa siihen, että suorat viivat näyttävät kaarilta. Vääristymiä on kahdenlaisia: tyyny- ja tynnyrivääristymät. Tämän tyyppiset vääristymät ovat tavallisia kiikareissa ja joissakin lyhytpolttovälisissä laajakulma okulaareissa.

Ulostulopupillin siirtyminen. Tavallista Barlowia käytettäessä myös okulaarin ulostulopupilli siirtyy ulommaksi. Tämä aiheuttaa kuvan pimentymisen joko kokonaan tai osittain. Kokenut kaukoputken käyttäjä kuitenkin tunnistaa tilanteen ja osaa vetäytyä hieman kauemmaksi okulaarin silmälinssistä, joten kovin vakavasta ongelmasta ei ole kyse.

 

Kolme erilaista Barlow-linssiä. Vasemmalla on  perusakromaatti (2×), keskellä 3-elementtinen, lyhytrunkoinen (2×) ja oikealla 3-elementtinen telesentrinen (3×) Barlow-linssi. Perusakromaatti sopii visuaalisen havainnointiin, 3-elemmenttisellä akromaatilla voi ottaa kuvia ja telesentrinen Barlow sopii vaativaan kuvaamiseen. Kuva © Kari A. Kuure.

Kuinka kuvantumisvirheet korjataan

Jotta Barlow-linssi olisi käyttökelpoinen, edellä luetellut virheet täytyy korjata jollakin tapaa. Käytettävissä on useita erilaisia menetelmiä ja valmistajan suunnittelusta riippuu mitä menetelmiä käytetään. Menetelmät ovat niitä samoja, joita käytetään teleskooppien ja okulaarien kuvantumisen korjaamisessa.

Tavallisin korjausmenetelmistä on rakentaa negatiivisesta linssistä akromaatti. Akromaatissa käytetään kahta eri lasilaatua ^[1] ja toinen linsseistä on yleensä positiivinen (kupera), jolloin merkittävä osa palloaberraatiosta ja kromaattisesta aberraatiosta vähenee. Nykyisin myynnissä olevista halvimmista Barlow-linsseistä on tätä tyyppiä. Ne soveltuvat hyvin visuaaliseen käyttöön mutta valokuvauskäytössä niiden kromaattinen aberraatio saattaa tulla näkyviin ja on poistettava kuvankäsittelyssä. Linssin aiheuttama kromaattinen aberraatio yleensä peittyy ilmakehän vastaavan aberraatioon, joten muutoin hyvälaatuinen Barlow-linsi soveltuu myös ”normaaliin” valokuvaamiseen.  Normaalilla tarkoitan sellaista kuvaamista ja kuvia, joita ei ole tarkoitus suurentaa huomattavan suureksi, suuremmaksi kuin A4-kokoon.

Akromaatin rakennetta voidaan vielä parantaa käyttämällä toisessa linssissä ED-lasia ^[2] tai SD- lasia, jolloin päästää lähes idealliseen kuvaan väriaberraattion ollessa lähes huomaamaton ja sitä täytyy aivan etsimällä etsiä ennekuin sen kuvasta voi nähdä.

Toinen keino vähentää kuvavirheitä on käyttää asfääristä linssiä Barlowin objektiivina. Asfäärinen hionta akromaatin positiivisessa linssissä poistaa palloaberraation ja astigmaattisuutta, joten lopputulos on erittäin hyvä. Valitettavasti tällaisen linssirakenteen tekeminen on kallista, joten Barlowin hinta liikkuu useissa satasissa. Tällaisen laitteen hankita tuleekin usein kysymykseen vain ammattimaisissa kuvauksissa pyrittäessä tieteelliseen tarkkuuteen.

Useiden korjausmenetelmien yhdistäminen samaan laitteeseen on hieman hankala tehtävä. Tavallisemmin tämä onnistuu tekemällä kaksi tai useampi linssiryhmä samaan laitteeseen. Valmistajat ja kaukoputkivalmistajat tuovatkin usein tämän yksityiskohdan esille myynti sivuillaan, sillä onhan se osoitus siitä, että suunnittelija ja valmistaja ovat pyrkineen mahdollisimman hyvään laatuun.

Vielä on olemassa yksi keino, jolla kromaattista aberraatiota voidaan vähentää. Valitettavasti tämä keino voi olla hieman kyseenalainen, sillä se vähentää kuvan kirkkautta. Tämä keino on apertuurin rajoitus, eli Barlow-linssin objektiivilinssi tehdään pieni kokoiseksi tai sen taakse laitetaan varsinainen kentän rajoitin. Tämä menetelmä on käytössä monissa ”tavaratalokaukoputkissa” joita etenkin joulun alla myydään hyvin monissa tavarataloissa.

Ulostulopupillin siirtyminen on yleensä korjattu positiivisella ulostulolinssillä Barlowin rakenteessa. Tästä syystä rakenne muodostuu arvokkaammaksi ja niin myynnissä olevat laitteet ovat selvästi yksinkertaisia malleja kalliimpia. Tällaisia malleja ovat telesentriset ja Powermate laitteet.

Erittäin laadukkaissa Barlow-linsseissä rakenne voi olla esimerkiksi sellainen, että se muodostuu kahdesta ryhmästä, joista ensimmäinen on 2-elementtinen akromaatti lisättynä asfäärisellä linssillä ja toinen on 3-elementtinen apokromaattinen linssi lisättynä ED-linssillä. Kuta arvata saattaa, tällainen Barlow-linssi onkin sen verran arvokas, että se alkaa olla harrastajien kukkarolle liian kallis.

 

Kuvan oikeinpäin kääntävä Barlow-linssi

Viime aikoina markkinoille on tullut Barlow-linssejä, jotka kääntävät suurentuneen kuvan oikeinpäin. Niissä yleensä on perusakromaatti-linssi varsinaisena polttovälin pidentäjänä mutta siihen on yhdistetty kattoprisma, joka kääntää kuvan oikeinpäin. Vastaavia kattoprismoja on hyvin monissa kiikareissa, joskin tähtikiikareiksi ne ovat (vielä) liian pieniä. Kattoprismalla varustetut Barlow-linssit soveltuvat suhteellisen hyvin visuaalikäyttöön. Sen sijaan valokuvauskäyttöön niitä ei voi suositella, sillä kattoprisman kuvakentän keskellä voi näkyä prismojen kiinnityssärmä (katon harja).  Tämä tietysti riippuu siitä, kuinka hyvin valmistaja on onnistunut prisman rakentamisessa. Ainakin halvemmissa laitteissa tämä riski on todellinen.

Tavallisissa 90° prismoissa kuva heijastuu prisman tasoista kokonaisheijastumalla. Näin ollen heijastumisesta johtuvia häviöitä ei esiinny. Kattoprismoissa asia on aivan toinen. Heijastuminen ei ole kokonaisheijastuminen vaan peileinä toimivat tasot täytyy päällystää dielekrisillä pinnoitteilla, joilla saadaan hyvä heijastumiskerroin ja vaiheen korjaus. Ilman vaiheenkorjausta kuvien yhdistymisessä tapahtuisi interferenssi, joka himmentäisi ja huonontaisi kuvaa. Interferenssi johtuu siitä, että valon reitti prismassa on eripitkä prisman eripuolilla.

 

Telesentriset Barlowit

On olemassa kolmas Barlow-ryhmä, joita markkinoidaan yksinkertaisten ja erittäin kalliiden Barlowien välimaastoon. Ne ovat telesentrisiä (telecentric) Barlow-linssejä. Niissä linssiryhmät on rakennettu niin, että laitteesta ulostulevassa kuvassa valonsäteet ovat yhdensuuntaisia optisen akselin kanssa. Tällöin polttovälin muutoskerroin ei riipu linssistön ja okulaarin välisestä etäisyydestä, kuten tavanomaisissa Barlowissa.

Tällä rakenteella saavutetaan kuvaa parantavia ominaisuuksia esimerkiksi siten, että Barlowin tuottama kuvakenttä on tasaisesti valaistunut, eikä laitteen käytöstä aiheudu vinjetointia. Tasaisesti valaistunut kuvakenttä on erityisen tärkeä valokuvattaessa. Laitteisto vähentää myös vääristymiä erityisesti kuvakentän reunalla.

Tässä Barlow-linssityypissä käytetään myös kentän rajoitinta. Se on kuitenkin suunniteltu ja sijoitettu linssiryhmien väliin, siten, että se ei himmennä kuvaa ja samalla estää hajavalon ja muun suuntaisen kuin optisen akselin suunnasta tulevan valon pääsyn okulaariin. Kentän rajoitin tasoittaa kuvakentän valaistumista erittäin tehokkaasti ja tästä syystä tämä linssityyppi soveltuu erityisen hyvin valokuvaamiseen etenkin Kuuta ja Aurinkoa kuvatessa.

Telesentriset Barlowit soveltuvat erityisen hyvin valokuvaamiseen suurikennoisia järjestelmäkameroita ja myös normaaleja tähtikuvauskameroita käytettäessä. Luonnollisesti tämä tyypin linssit sopivat myös suuren tarkkuuden visuaalihavaintoihin.

 

Powermate Barlow-linssit

Powermate on pohjimmiltaan Barlow-linssi, jossa on ylimääräinen optinen elementti (positiivinen kaksoislinssi), joka korjaa ongelman, että "säteet poikkeavat toisistaan, kun ne tulevat ulos linssistä. Toisin sanoen, sen toiminta tässä suhteessa muistuttaa telesentristä barlowia, jota voidaankin pitää vaihtoehtoisena hankintana Powermatelle.

Powermate koostuu neljästä elementistä - negatiivisesta kaksoislinssistä ja positiivisesta kaksoislinssistä.  Powermaten positiivinen elementti jatkaa siitä, mihin Barlow-konsepti ei enää pysty. Sen avulla optinen laite voi tarjota Barlow'n suurentavan toiminnon ilman rajoituksia, jotka vaivaavat Barlow'ta.

Powermate-linssin etuja on, että se ei synnytä vinjetointia. Rakenteellisesti Powermate on kuitenkin pitkähkö mutta se on parfokaalinen. Parfokaalisuus tarkoittaa, että (parfokaalisia) okulaareja vaihdettaessa uudelleen tarkennusta ei tarvita. Jo okulaarit eivät ole parfokaalisia keskenään, tällöin luonnollisesti pieni tarkentaminen on tarpeen.

Powemate-linssi on kallis, joten jos suunnittelet sellaisen hankintaa, niin harkitse vielä kerran. Samanlainen kuvanlaatu on saavutettavissa toisen tyyppisillä Barlow-linsseillä, esimerkiksi telesentrisillä linsseillä vähintäänkin puoleen hintaan.

 

Okulaarit, joissa on Barlow-linssi

Joissakin okulaarimalleissa, kuten Baaderin Hyperion -sarjan okulaareissa on jo rakenteellisena osana Barlow-linssi. Hyperion sarjan okulaareista sen voi poistaa, jolloin okulaarin polttoväli kasvaa ja sen antama suurennus pienenee. Valmistajan suosituksen mukaan näiden linssien yhteydessä ei ulkoista Barlow-linssiä tulisi käyttää. Käytännössä ja hyvän havaintokelin aikana esimerkiksi ulkoisen 2× Barlowin käyttäminen on kuitenkin mahdollista, ilman että kuvanlaatu liiaksi heikkenee. Tällöin kuitenkin liikutaan siinä rajalla, onko suuremmasta suurennukset hyötyä? Kukaan ei kuitenkaan kiellä kokeilemasta.

 

Miten valitsen Barlowin omaan käyttöön?

Barlow-linssejä on yleensä tarjolla kahta tyyppiä: pitkä- ja lyhytrunkoinen. Pitkä runkoinen (10 – 15 cm) on hyvä ratkaisu Newton-tyyppisissä kaukoputkissa. Muihin kaukoputkiin ne ovat vähemmän sopivia tai ne eivät toimi lainkaan. Pitkä Barlowit sopivat myös kaukoputkiin, joissa käytetään diakonaalipeiliä. Tällöin vaarana on, että linssi koskettaa tai jopa rikkoo diakonaalipeilin, joten varovaisuutta peliin.

Lyhyt runkoiset (4 –8 cm) Barlowit ovat monikäyttöisempiä, mutta niiden ongelmana saattaa olla (voimakkaamman negatiivisen linssin) väri- ja palloaberraation esiintyminen ja vinjetointi. Ne on mahdollista korjata, mutta Barlowin rakenne tulee silloin kalliimmaksi. Net toimivat kuitenkin kaikissa kaukoputkissa (ehkä Newtonia lukuun ottamatta), joten niiden hankinta on ehkä parhain ratkaisu.

Barlowin valinta riippuu käyttötarkoituksesta. Jos haluta lisätä suurennusta visuaalikäytössä, silloin valinta on helppo. Se on 2× suurentava (polttoväliä pidentävä) ja suhteellisen edullinen linssi. Valokuvatessa ED-linssillä varustettu 2× suurentava Barlow on hyvä vaihtoehto, vaikka sen hankkimiseen joudut käyttämää myös tuplasti euroja. Sijoitus kannattaa, sillä parempi kuvanlaatu ja virheettömämpi kuva on lopputuloksen kannalta parempi kuin vähäinen rahan säästö.

Tehokkaamman, 3× suurentavan, Barlowin hankinta voi olla perusteltua, jos käytössäsi on valovoimainen kaukoputki ja kohteesi ovat planeetat tai galaksit. Näiden linssien tuottama kuva on jo selvästi himmeämpi, jolloin pienen ja valovoimaltaan heikomman kaukoputken kanssa niiden käyttö voi tuottaa jonkin asteisen pettymyksen. Harkitse siis tarkkaan hankintaa!

Erityisen tarkkaa hankintaa joudut tekemään silloin jos, tavoitteenasi on 5× suurentava Barlow. Suomen sääolosuhteissa sen käyttö voi olla mahdollista hyvin harvoin ja silloinkin lopputulos voi olla heikohko. Näin suurta suurennusta tuottavan linssin hankintaa en suosittele ja toivonkin, että tiedät mitä olet tekemässä, jos tällaiseen olet päätymässä!

Jos suhtaudut valokuvaamiseen ja lopputuloksen laatuun pro-tyylillä, niin silloin joudut laittamaan euroja likoon hieman paksumman pinon. Silloin valintasi on telesentrinen tai jos budjettisi kestää, Powermate Barlow-linssi. Nämä tuottavat erinomaisen kuvan ja ne sopivat hyvin myös visuaaliseen havainnointiin, mutta niiden ensisijainen käyttötarkoitus on valokuvaaminen.

Olipa Barlow-valintasi millainen tahansa, niin lopullisen kuvan muodostumisen laatuun vaikuttaa koko ketju: kaukoputki – Barlow-linssi – okulaari. Yksikin heikkolaatuinen laite pilaa koko kuvan. Barlow-linssien kohdalla tämä tarkoittaa sitä, että sen lisäksi että linssit ovat hyvälaatuisia, niin niiden pitää olla monikalvopinnoitettuja kaikilta optisilta pinnoiltaan. Linssien pinnoitteet vähentävät heijastumia ja valon häviöitä. Erityisen tarkkana pinnoitteiden suhteen joudut olemaan alemman hintaluokan linsseissä, sillä etenkin tuntemattomat merkit voivat ongelmallisia tässä suhteessa.

Jos olet hankkimassa Barlowia, niin pyri siihen, että näet laitteen ennen ostopäätöksen tekoa. Tämä on mahdollista kivijalkamyymälässä tai kaverin okulaaripakista. Tällöin voit tehdä kaksi testiä Barlowin laadun varmistamiseksi ainakin osittain. Ensinnäkin katso minkävärinen valo heijastuu linssien pinnoista. Jos heijastunut valo on selvästi värillinen (sininen, vihreä tai punertava), niin silloin linssissä on pinnoite. Jos tällaista väri-ilmiötä ei esiinny, linssiä todennäköisesti ei ole pinnoitettu ja laite kannattaa jättää ostamatta.

Katso myös linssin läpi vaaleaa yksiväristä pintaa. Jos Barlowin läpi näkyvä pinta on yhtä tai lähes yhtä kirkas kuin taustan kirkkaus, silloin linssissä tapahtuu vain vähäistä valon imeytymistä. Jos linssin läpi näkyvä pinta on selvästi taustaa tummempi, linssiä tuskin on pinnoitettu ja sen laatu on todennäköisesti huono. Silloin tämäkin linssi kannattaa jättää kauppaan.

 

Mitä vaikutuksia Barlowilla on?

Barlow-linssin käyttö on sinällään yksinkertaista, se sijoitetaan kaukoputkeen ennen okulaaria. Riippuen Barlowin polttoväliä lisäävästä kertoimesta, sillä saadaan tietyllä okulaarilla suurempi suurennus kuin ilman sitä. Tavallisin kerroin on 2×, mutta usein käytetään myös 3× tai jopa 5× polttovälin pitenemisen antavia linssejä. Useita eri välikertoimisia laitteita on myös tarjolla. Yksinkertaista, eikö totta! Ei todellakaan, sillä moni muukin asia muuttuu samalla kertaa ja ne on otettava huomioon.

Kaukoputken teoreettinen erotuskyky ei muutu. Jos käytät 125 mm kaukoputkea, niin sen erotuskyky on noin 1 kaarisekunti käytitpä Barlow-linnsiä tai et.

Valovoima (tai ”kaukoputken nopeus” ^[3]) muuttuu. Valovoima lasketaan kaavasta D/F, jossa D on objektiivin tai pääpeilin halkaisija, ja F on polttoväli esimerkiksi millimetreinä. Tavallisen valovoimaisen kaukoputken (esimerkiksi Newton-tyyppinen) valovoima on 1/5. Tämä tarkoittaa sitä, että polttoväli on 5× objektiivin halkaisija. Barlow-linssiä käytettäessä, valovoima muuttuukin esimerkki kaukoputkessa 1/(2×5) = 1/10, eli putkesta tulee ”hitaampi”.

Barlow-linssi siis himmentää kuvaa. Jos käytät yleistä 2× polttoväliä pidentävää linssiä, valokuvatessa joudut käyttämään 4× pidempää valotusaikaa kuin ilman linssiä. Jos käytät 3× linssiä, valotusajan pidennys on 9×. Valotusajan pidentyminen on verrannollinen Barlow-linssin pidennyskertoimen toiseen potenssiin!

Kaukoputken kuvakenttä kapenee Barlowin vaiktuksesta. Syy tähän on yksinkertainen, se johtuu kaukoputken polttovälin kasvusta. 2× Barlow kaventaa kuvakentän laajuuden puoleen. Pieniä kohteita havaittaessa tästä ei ole suurtakaan haittaa, mutta esimerkiksi Kuun pinnan laajoista kohteista voidaan nähdä vain pieni osa siitä mitä ilman Barlowia nähtäisiin. Onko tästä haittaa, riippuu tietysti havaitsijasta ja siitä mitä havaitaan. Pienen kraatterin havaitsemisessa siitä tuskin on haittaa, mutta jos havaitaan Mare-alueita, niin silloin haitta voi olla merkittävä.

Barlow-linssin käytöllä suurennetaan kuvaa. Tästä on seurauksena ei vain suurempi kuva vaan myös ilmakehän kuvanlaatua heikentävän vaikutuksen selkeämpi näkyminen. Ilman Barlowia kuva Kuusta tai planeetasta voi olla kohtuullisen hyvä (riippuu kelistä ja kohteen korkeudesta) mutta suuremmalla suurennuksella ilmakehän turbulenttisuus tekee kuvasta epäselvemmän. Etenkin valokuvatessa epäselvempi kuva ei ole tavoittelemisen arvoista. Ilmakehän vaikutusta voi toki vähentää pinoamalla kymmeniä tai satoja (jopa tuhansia) kuvia. Samalla myös erotuskyky kasvaa ja riittävällä pinottavien kuvien määrällä saavutetaan kaukoputken teoreettinen erotuskyky. Tarkempaa kuvaa, kuin mitä kaukoputki parhaimmillaan pystyy tekemään, ei voi saavuttaa.

Barlow-linssi soveltuu käytettäväksi tavanomaisen kuvakentän okulaarien kanssa. Sen sijaan laajakulmaisten (esimerkiksi yli 80°) okulaarien kanssa voi syntyä ongelmia vinjetoinnista ja kuvakentän ei toivotusta kapenemisesta. Samoin jos kaukoputkesi on hyvin pitkäpolttovälinen, voit joutua tilanteeseen, että kaukoputken suurennus ylittää suuriman hyödyllisen suurennuksen ja lopputuloksena on pehmeä kuva ja yksityiskohtien katoaminen. Suurin hyödyllinen suurennus on yleensä sama kuin objektiivin (pääpeilin) halkaisija millimetreinä. Joskus hyvän havaintokelin aikana voit hieman ylittää (<2×) tämä suurennuksen, jolloin kuva ei pehmene liiaksi. Ylisuuri suurennus ei kuitenkaan tuo enempää yksityiskohtia esille kuin mitä suurimalla hyödyllisellä suurennuksella saat näkyville.

Valokuvatessa Barlowin käyttö tuo lisää uuden elementin, etenkin lyhytpottovälisten kaukoputkien käytössä. Tämä uusi tekijä on meille kaikille hyvin tuttu ongelman aiheuttaja ja sitä kutsutaan pölyksi. Pienet pölyhiukkaset takertuvat (staattisen sähkön vaikutuksesta) kaikille mahdollisille pinnoille välittömästi, kun uusi laite avataan tehtaan paketista. Ilman Barlow-linssiä, pölyhiukkaset voivat olla näkymättömiä kuvassa mutta Barlowin käytöllä saadaan niidenkin varjot ulottumaan kuvasensorin pinnalle asti. Tästä syystä Barlowin käytön yhteydessä flat-kuvan (tasoistuskuvan) ottaminen ja käyttäminen on välttämätöntä, olipa sitten kuvauskohteena mikä tahansa taivaankappale.

 

Barlowin säilytys ja puhdistus

Barlow-linssiä pitäisi säilyttää samalla tavalla kuin hyvälaatuista okulaaria, mieluusti aivan samassa laukussa pölyltä suojattuna. Pidä siis kaikki tulpat paikoillaan varastoinnin aikana. Barlowin puhdistus tapahtuu samoja periaatteita noudattaen kuin okulaarien ja kaukoputkien.  Pölyn tunkeutumisen estäminen laitteisiin on helpompaa kuin laitteiden puhdistaminen. Ota tämä huomioon niin varastoinnissa kuin havaintoja tehdessäsi. 

 

Viitteet

[1] Barlow-linssina akromaattinen linssi on yleensä negatiivinen akromaattinen linssi, joka on suunniteltu korjaamaan kromaattista aberraattiota ja parantamaan kuvaan laatuuta. Se koostuu kahdesta linssistä:

1. Crown-lasista (korkeampi taitekerroin, alhaisempi dispersio).
2. Flint-lasista (alhaisempi taitekerroin, korkeampi dispersio).

Nämä lasit yhdessä vaimentavat kromaattista aberraattiota, ja ne kokoavat eri aallonpituudet (värit) lähes samaan pisteeseen.

[2] ED-lasielementit (Extra-Low Dispersion): Nämä lasit ovat erityisen hyviä kromaattisen aberraattion korjaamisessa. Ne tarjoavat paremman suorituskyvyn kuin perinteiset akromaattiset linssit.  SD-lasielementit (Super-ED): Jotkut valmistajat käyttävät jopa "Super-ED" -laseja, jotka ovat vielä parempia kromaattisen aberraattion korjaamisessa.

[3] Termit ”nopea” tai ”hidas” ovat perua ajalta, jolloin tähtivalokuvauksessa käytettiin lasilevyjä. Tällöin ”nopea” (siis valovoimainen) kaukoputkella kuvatessa valotus tapahtui nopeasti (so. lyhyt valotusaika) verrattuna ”hitaaseen” kaukoputkeen, jossa valokuvauslevyjä piti valottaa pitempään.

 

Kuu infrapunaisena

Kari A. Kuure

Olen kuvannut Kuuta vuosia erilaisilla kaukoputkilla ja kameroilla. Pari vuotta siten tutustuin Kuun infrapunakuvaamiseen, jolloin hankin kaksikin erilaista infrapunasuodinta. Suotimet päästävät infrapunaiset aallonpituudet läpi mutta poistava näkyvän valon. Näkyvän valon ja infrapunaisen valon välisistä eroista kerron tässä artikkelissa Viitteet-osassa tekstin jälkeen.

 

Kuva 1. Kuu kahdella eri tavalla: vasen on näkyvässä valossa ja oikea infrapunaisessa valossa. Huomaa erityisesti Mare-alueiden selvästi tummempi kirkkaus ja selkeämmin näkyvät yksityiskohdat. Terminaattorin asemasta johtuen, kirkkaina näkyvät ylänköalueet eivät tule kovinkaan selvästi esille näissä kuvissa. Kuvat © Kari A. Kuure.

Ensimmäinen hankkimistani suotimista on ZWO IR850, joka johti kohtalaisen pitkiin valotusaikoihin ZWO ASI 178 MM -kameran kanssa. Pitkä valotusaika osaltaan johtui siitä, että kameran suhteellinen herkkyys 850 nm yläpuolella on 0,4 – 0,1× herkkyyskäyrän herkimpään (=1) arvoon verrattuna tai vety-alfan aallonpituuden 0,8× verrattuna, puhumattakaan siitä, että Kuun heijastama infrapunasäteily on huomattavan himmeää näkyvän valon heijastumiseen verrattuna. Valotusajat olivat siis 2 – 5× pitempiä, joten en ollut oikein tyytyväinen tähän yhdistelmään.

Tämä todettuani hankin toisen Antilia IR650 -suotimen, jolla valotusaika ollut liian pitkä. IR650-suotimen täysi läpäisy alkaa noin 700 nm tienoilla, joten ollaan huomattavasti kameran herkkyyden suuremmissa arvoissa. Lisäksi Tampereen Ursa hankki viime vuonna Player One yhtiön Apollo-M Mini USA3.0 mono -kameran, jonka suhteellinen herkkyys on suurempi infrapunaan siirryttäessä (n. 0,85×) ja myös absoluuttinen herkkyys on selvästi parempi, puhumatta muista edistyneistä ominaisuuksista. Kamera on suunniteltu nimenomaan Auringon kuvaamiseen mutta soveltuu se hyvin myös Kuun kuvaamiseen.

 

Kuva 2. Plato (kraatteri ylhäällä), Mare Imbrium, kraatterit oikealla Aristillus (ylimmäinen), Autolycus (alimmainen) sekä Archimedes (keskellä) ja Timocharis. Archimedesistä etelään on Montes Archimedes, joka näkyy rosoisempana alueena. Aivan vasemmassa alareunassa on kraatteri Eratosthenes ja siitä lähtevä vuoristo on Montes Apenninus. Kuvat on otettu eri aikaan, josta syystä libraatio on kääntänyt Kuuta hieman eri asentoon ja myös valaistus tullee näkyvässä valossaä oikealta ja ir-kuvassa vasemmalta. Vasemmalla on näkyvän valon ja oikealla infrapunakuva. Kuvat © Kari A. Kuure.

 

 Mikä sitten Kuun infrapunakuvauksessa kiinnostaa? Syitä on monia ja yksi ensimmäisistä oli se, että aurinkokuvausten yhteydessä myös Kuu näkyi korkealla taivaalla, tosin tietysti päivätaivaalla. Kuten kaikki tietävät, jotka ovat yrittäneet kuvat Kuuta päivätaivaalta, kontrasti taustataivaan sinen ja Kuun välillä on hyvin heikko. Toki kuvankäsittelyssä kontrastieroa voi kasvattaa, mutta se ei paranna kuvan laatua ilmakehän turbulenttisuuden vuoksi. Pitempiaaltoinen infrapuna on vähemmän herkkää ilmakehän aiheuttamille häiriöille, joten kuvanlaatu on lähtökohtaisesti parempi. Toki kuvien kuvaaminen videoksi ja pinoaminen tasoittaa näiden kuvaustapojen välisi eroja jonkin verran.

Toinen merkittävä etu infrapunaisen käyttämisessä on se, että Mare-alueiden basaltin ja ylänköjen väliset kirkkauserot ovat jonkin verran vähäisempiä kuin näkyvässä valossa. Mare-alueiden yksityiskohdat korostuvat ja ylänköjen anortosiittikivilajit ovat vähemmän vaaleita kuin näkyvällä valolla. Näin ollen ylivalottuneet kohdat ovat vähäisempiä ja pienempialaisempia kuin näkyvässä valossa.

Tässä vaiheessa on korostettava sitä, että Kuuta kuvattaessa käytetään infrapunaisen valon NIR-aallonpituuksia ^[1], jotka heijastuvat Kuun pinnasta. Valonlähteenä on siis Aurinko, niin kuin muussakin kuukuvauksessa. Infrapunakuvat on vahvasti liitetty säteilylähteen lämpötilaan, mutta tässä tapauksessa siitä ei ole kyse, sillä lämpökuvissa infrapunaisen valon aallonpituudet ovat huomattavasti pitempiä.

Järjestelmäkameroilla ir-kuvaus ei onnistu, sillä kameroissa on yleisesti ir-suodin, joka poistaa jo syvän punaisen aallonpituudet ir:n lisäksi. Modattuilla järkkäreillä on hieman parempi punaisen aallonpituuksien läpäisy, mutta sekään ei ulotu NIR-alueelle. Ainoastaan niillä järjestelmäkameroilla, joissa ko. suodatin on poistettu kokonaan tai korvattu NIR-säteilyn läpäisevällä kirkkaalla suodattimella voidaan kuvata lähi-infran alueella.

 

Kuva 3. Kuun lounaisosa. Mare-alueet ovat Mare Humorium (ylhäällä vasemmalla) ja Mare Nubium (ylhäällä oikealla), kirkkaana vasemmalla näkyvä säteinen kraatteri on Byrgius. Mare Humoriumin yläreunassa (puolikas) on kraatteri Gassendi. Terminaattorin läheisyydessä kuvan keskellä ja alaosassa on Clavius-kraateri ja sen pohjoispuolella Tycho, kolmas iso kraateri edellisistä vasemmalle on Longomontanus ja sen yläpuolella hieman pienempi Wilhelm. Kuva © Kari A. Kuure.

 

Kaiken kaikkiaan olen erittäin tyytyväinen ottamiini ir-kuviin ja tulenkin melkoisella varmuudella jatkamaan nimenomaan Kuun infrapunaisen kuvaamisen parissa sen minkä sääolosuhteet sen mahdollistavat. IR685 Pass -suodin on edullinen (Astro-Art: Antlia 59,00 €, Player One IR Pass 685 nm 30,00 €), joten kuvaaminen ei muodostu kovinkaan kalliiksi välineiden osalta. IR850 -suodatinta voi suositella jo kokeneelle ir-kuvaajalle etenkin jos pitkähkö valotusaika ei haittaa.

 

Viitteet

[1] Infrapunavalo kattaa laajan alueen elektromagneettista spektriä, ja lämpökuvaus (thermal imaging) käyttää tyypillisesti paljon pidempiä aallonpituuksia kuin näkyvää valoa lähellä oleva lähi-infrapunakuvaus (NIR).

 

Taulukko1. Infrapuna-aallonpituuksien jako (yleinen jako)

Nimitys	Aallonpituusalue	Käyttöesimerkkejä
NIR (Near IR)	~0.7 – 1.5 µm	Kuun heijastuskuvaus, planeettakuvaus, IR-suodinkuvaukset
SWIR (Short-wave IR)	~1.5 – 3 µm	Joitakin avaruusteleskooppeja, teollisuus, spektroskopia
MWIR (Mid-wave IR)	~3 – 5 µm	Lämpökuvaus, ohjusvaroitusjärjestelmät, IR-astronomia
LWIR (Long-wave IR)	~8 – 14 µm	Tyypillinen maanpinnan lämpökamera, tähtien lämpösäteily, IR-satelliittihavainnot
FIR (Far IR)	~15 – 1000 µm	Kaukainen tähtitiede, kylmät pölypilvet, planeettojen säteily

 

 

Taulukko 2. Heijastus- vs. lämpö-IR

Ominaisuus	Heijastus-IR (NIR, ~700 – 1000 nm)	Lämpö-IR (MWIR/LWIR, ~3 – 14 µm)
Aallonpituus	~0,7 – 1,0 µm	~3 – 14 µm (yleisesti 8 – 1 2 µm)
Valonlähde	Aurinko (tai muu ulkoinen)	Kohteen oma lämpösäteily
Käyttö	Kuu- ja planeettakuvaukset, optinen kontrasti	Rakennusten, koneiden, ihmiskehon lämpöhavainnointi
Kamera	Muutettu CCD/CMOS + IR-suodin	Mikrobolometri, InSb-kenno, jne.
Teleskoopit	Maanpinnalla	Avaruus- tai korkean paikan observatoriot

 

 

Tähtitieteessä käytettävä lämpö-IR

·         Avaruusteleskoopit ja observatoriot, kuten Spitzer, Herschel tai JWST, on suunniteltu toimimaan keskipitkällä (MWIR) ja pitkällä infrapunalla (LWIR, FIR):

o    3–30 µm (Spitzerin IRAC ja MIPS).

o    5–28 µm (JWST MIRI).

o    70–500 µm (Herschel – FIR).

·         Näillä aallonpituuksilla voidaan havaita:

o    Kylmiä pölypilviä, planeettakiekkoja, prototähtiä, galaksien pölyemissiota.

o    Jäätyneitä kappaleita (esim. Kuiperin vyöhykkeen kohteet, komeetat).

 

 

 

Maapallon vuotuinen kierto – seisaukset, tasaukset ja kiertoradan oikut

KAK – Tänään kesäkuun 21. päivänä on kesäpäivänseisaus (tarkka hetki oli kello 5.43.). Useimmille meistä se merkitsee juhannusta ja juhlimista monin tavoin. Jos omistat kesämökin tai huvilan, olet varmaankin siellä perheesi ja tai ystäviesi kanssa. Jos et omista mökkiä tai et jostakin syystä pääse matkustamana sinne, niin ehkä kotipaikkakunnallasi järjestettiin yhteisiä juhlia kokoineen aattoiltana. Tai jos viihdyt paremmin yksiksesi tai vaikka puolisosi kanssa, silloin uskoakseni olet kuitenkin juhlatuulella, onhan tämä vuoden parasta aikaan (vaikka joidenkin mielestä syksy tai talvi on parasta).

Kesäpäivänseisaus ei ole vain juhla, vaan sillä on myös astronominen merkitys. Tässä artikkelissa käsittelen maapallon vuotta, sillä maapallon kierto Auringon ympäri on paljon muutakin kuin kalenterivuosi. Vuoden mittaan tapahtuu joukko astronomisesti merkittäviä hetkiä – seisaus- ja tasauspäiviä, etäisyysvaihteluita ja akselin suunnan vaikutuksia – jotka kaikki yhdessä muovaavat maapallon ilmastollista ja valollista rytmiä.

 

Akselin kaltevuus – vuodenaikojen perusta

Maapallon pyörimisakseli on kallistunut noin 23,44 asteen kulmaan kiertoratansa tasoon nähden. Tämä kallistuma säilyy suunnilleen samana Maan kiertäessä Auringon ympäri. Tämän seurauksena eri vuodenaikoina Auringon säteet osuvat eri alueille eri kulmassa ja eri korkeudelta, mikä aiheuttaa vuodenajat. Ilman tätä kallistumaa ei olisi talvea, kesää eikä kevättä – vain tasainen, trooppinen ilmasto lähes koko planeetalla.

 

Maapallon vuodessa on astronomisesti muutama mielenkiintoinen piste. Kuva © Kari A. Kuure.

Tasauspäivät – kun valo ja pimeä lähes tasapainossa

Kevätpäiväntasaus (noin ^[1] 20. maaliskuuta) ja syyspäiväntasaus (noin 22.–23. syyskuuta) ovat hetkiä, jolloin Aurinko paistaa suoraan päiväntasaajalle. Usein sanotaan, että tällöin päivä ja yö ovat yhtä pitkät kaikkialla, mutta todellisuudessa tämä ei pidä tarkasti paikkaansa.

Ilmakehä taivuttaa auringonvaloa siten, että Aurinko näkyy vielä vähän sen jälkeen, kun se on geometrian mukaan horisontin alapuolella. Lisäksi Auringolla on halkaisijaa – sen yläreuna nousee ja laskee eri aikaan kuin keskikohta. Näin ollen päivä on tasauspäivinä yleensä 6–10 minuuttia pidempi kuin yö, riippuen havaintopaikasta.

Napapiirien läheisyydessä tasauspäivien merkitys liittyy ennen kaikkea siihen, milloin Aurinko alkaa jälleen nousta pitkän kaamoksen jälkeen tai milloin se laskee viimeisen kerran ennen yötöntä yötä.

Seisauspäivät – vuoden ääripisteet

Kesäpäivänseisaus (noin 20. – 21. kesäkuuta) on hetki, jolloin Aurinko on korkeimmillaan pohjoisella taivaalla ja päivä on pisimmillään. Talvipäivänseisaus (noin 21. – 22. joulukuuta) puolestaan on vuoden lyhin päivä, jolloin Aurinko käy matalimmillaan.

Napapiirin pohjoispuolella Aurinko ei laske lainkaan kesällä eikä nouse lainkaan talvella. Tätä kutsutaan yöttömäksi yöksi ja kaamokseksi. On kuitenkin huomattava, että kaamos ei ala tarkalleen napapiiriltä, vaikka napapiiri määritelläänkin sen mukaan, missä Aurinko juuri ja juuri ei nouse tai laske seisauspäivinä. Ilmakehän taite ja Auringon kiekon koko nostavat Auringon näkyviin vielä hieman geometristen rajojen ulkopuolellakin. Näin ollen todellinen kaamos alkaa vasta noin 67,4 asteen pohjoisella leveysasteella – siis esimerkiksi hieman Sodankylän pohjoispuolella.

Maan kiertorata ei ole ympyrä

Maapallon kiertorata ei ole tarkalleen ympyrä, vaan hieman soikea. Tämän vuoksi Maan etäisyys Auringosta vaihtelee. Maa on lähimpänä Aurinkoa (perihelissä) noin 3. tammikuuta, jolloin etäisyys on noin 147,1 miljoonaa kilometriä. Kauimpana (aphelissä) Maa on noin 4. heinäkuuta, jolloin etäisyys on noin 152,1 miljoonaa kilometriä.

Tämä etäisyysero aiheuttaa noin 7 % vaihtelun säteilytehossa. Vaikka se on havaittava ero, se ei aiheuta vuodenaikoja – akselin kallistuma on siihen verrattuna paljon merkittävämpi tekijä. Tämä tietysti jokainen huomaa, sillä heinäkuussa on paljon lämpimämpää kuin tammikuussa.

 

Vuodenaikojen kesto ei ole symmetrinen

Vuodenaikojen pituudet eivät ole keskenään yhtä pitkät. Pohjoisella pallonpuoliskolla kesä kestää hieman pidempään (noin 93 päivää) kuin talvi (noin 89 päivää). Tämä johtuu Keplerin laeista: Maa liikkuu radallaan nopeammin ollessaan lähempänä Aurinkoa (perihelissä, eli pohjoisen talvella) ja hitaammin kauempana (aphelissä, eli pohjoisen kesällä).

Eteläisellä pallonpuoliskolla tilanne on päinvastainen – siellä kesä on lyhyempi mutta intensiivisempi, koska Aurinko on silloin lähempänä.

 

Prekessio muuttaa niin tähtitaivaan koordinaatteja kuin Maan vuoden tapahtumien päivämääriä jos niitä ei korjattaisi tasaisin välein. Kuva © Kari A. Kuure.

 

Pitkän aikavälin vaihtelut

Maapallon akselin suunta ei pysy täysin muuttumattomana. Se piirtää hitaasti kartion muotoista liikettä, jota kutsutaan prekessioksi. Tämä liike kestää noin 26 000 vuotta. Lisäksi akselin kallistuskulma vaihtelee 22,1 ja 24,5 asteen välillä noin 41 000 vuoden jaksoissa, ja kiertoradan muoto muuttuu vielä pidemmillä aikaskaaloilla.

Näiden kolmen mekanismin – prekession, akselikulman muutoksen ja radan soikeuden – yhdistelmä muodostaa niin kutsutut Milankovićin syklit. Niiden uskotaan vaikuttavan maapallon pitkän aikavälin ilmastollisiin vaihteluihin, kuten jääkausien rytmiin.

 

Suomen näkökulma – valon vuoristorata

Suomen leveysasteilla päivän pituuden vaihtelu vuoden aikana on dramaattista. Esimerkiksi Helsingissä päivän pituus vaihtelee noin 6 tunnista yli 18 tuntiin. Pohjoisessa – vaikkapa Utsjoella – vaihtelu on vielä suurempaa: kesällä Aurinko ei laske lainkaan moneen viikkoon, talvella taas ei nouse viikkoihin.

Kaamos ei kuitenkaan ulotu napapiirille asti, vaikka se olisi looginen raja. Ilmakehän taite ja Auringon kiekon koko siirtävät todellista pimeän jakson alkua pohjoisemmaksi. Rovaniemen korkeudella Aurinko pysyy hyvin matalalla ^[2] talvipäivänseisauksen aikaan, mutta nousee silti näkyviin – jos horisontti sen sallii.

 

Taivaallinen aikakello

Maapallon kiertoliike Auringon ympäri on taivaallinen aikakello, jonka osoittimina toimivat valo, varjo ja lämpö, sekä joskus aurinkokello pihamaalla. Seisauspäivät ja tasauspäivät, perihelit ja aphelit eivät ole vain taulukoidut hetket vaan konkreettisia käännekohtia ajassa ja luonnon rytmissä. Meidän arkinen aikakäsityksemme on yhä sidoksissa tähän suureen, säännölliseen kiertoon, vaikka sitä ei ehkä enää aina tule ajatelleeksi.

 

Tapahtuma	Päivämäärä (2025)	Ilmiö
Periheli	4. tammikuuta	Maa lähimpänä Aurinkoa
Kevätpäiväntasaus	20. maaliskuuta	Aurinko päiväntasaajalla
Kesäpäivänseisaus	21. kesäkuuta	Pohjoisen pisin päivä
Apheli	4. heinäkuuta	Maa kauimpana Auringosta
Syyspäiväntasaus	22. syyskuuta	Aurinko taas päiväntasaajalla
Talvipäivänseisaus	21. joulukuuta	Pohjoisen lyhin päivä

 

Viitteet

[1] Päiväntasaus- ja seisauspäivien tarkka päivämäärä vaihtelee muutamasta syystä, jotka liittyvät Maan liikkeeseen ja kaltevuuteen:

Tärkein syy vaihteluun on karkausvuosien järjestelmä. Maan kierto Auringon ympäri ei ole tasan 365 päivää, vaan noin 365,2422 päivää. Kalenterimme pyöristää vuoden 365 päivään, ja karkauspäivä 29. helmikuuta lisätään joka neljäs vuosi tasapainottamaan tätä eroa. Ilman karkauspäiviä kalenterivuosi ja todellinen aurinkovuosi siirtyisivät vähitellen toisistaan, jolloin vuodenajat ja niihin liittyvät tapahtumat, kuten tasauspäivät, osuisivat eri aikoihin kalenterissa.

Myös muiden Aurinkokunnan planeettojen gravitaatio vaikuttaa hieman Maan kiertorataan ja sen nopeuteen. Nämä pienet vetovoimat voivat muuttaa Maan rataa hyvin vähän, mikä puolestaan voi siirtää tasauspäivien ajankohtia. Nämä vaikutukset ovat kuitenkin hyvin pieniä verrattuna karkausvuosien ja radan elliptisyyden vaikutukseen.

Pitkällä aikavälillä Maan akselin prekessio eli Maan pyörimisakselin hidas huojunta vaikuttaa tasauspäivien ajankohtaan. Maan akselin asento muuttuu hitaasti noin 26 000 vuoden syklillä, mikä saa aikaan sen, että tasaus- ja seisauspäivät siirtyvät vähitellen aikaisemmaksi gregoriaanisessa kalenterissa. Tämä vaikutus on kuitenkin vuositasolla niin vähäinen, ettei sitä yleensä huomaa ilman tarkkaa mittausta.

Nämä tekijät yhdessä aiheuttavat sen, että tasaus- ja seisauspäivien päivämäärät voivat vaihdella hieman vuosittain, yleensä päivällä tai kahdella. Tästä syystä myös tekstissä käytetään ilmaisua ” noin”.

[2] Auringon ja Kuun nousu- ja laskuajat määritellään näiden kappaleiden yläreunan mukaan, kun taas päiväntasaukset ja pohjoiset ja eteläiset deklinaatiot näkyvän kiekon keskipisteen mukaan.

Tekoälyllä tehostettu tähtiharrastus, osa 1

KAK — Tekoäly on tullut osaksi maailmaamme ja sitä hyödynnetään hyvin monella elämän osa-alueella ja erityisesti työelämässä. Niinpä se on hiljalleen myös siirtymässä osaksi tähtiharrastusta, siitä emme pääse mihinkään – ja miksi pitäisikään. Tekoälyn (AI) hyödyntäminen työkaluna osana harrastusta tarjoaa mahdollisuuden monipuoliseen harrastuksen syventämiseen ja kansalaistieteeseen osallistumiseen, joka varmasti tekee tähtiharrastajista osan tiedeyhteisöä ja tarjoaa harrastajille mahdollisuuden tehdä myös vakavasti otettavaa tiedettä.

Kysyin tekoälyltä (Googlen Gemini AI) miten tähtiharrastaja voisi tänä päivänä hyödyntää tekoälyä harrastuksessaan. Vastaus on tässä alla. Koska teksti on pitkä, lukemisen helpottamiseksi jaoin sen neljään erilliseen artikkeliin, jotka ovat:

I.                 Havaintojen ja suunnittelun tehostaminen tekoälyllä

II.                Astrofotografian mullistaminen ilmaisilla tekoälytyökaluilla

III.               Tieteeseen osallistuminen: Kansalaistieteen tähtitiede tekoälyllä

IV.                Oppiminen ja taitojen kehittäminen tekoälyllä

Voit lukea yksittäiset artikkelit, sillä niissä kerrotut asiat eivät ole toisista artikkeleista. Neljännen osan lopussa on linkit tekstissä mainittuihin tekoälyihin ja -palveluihin.

En ole juurikaan editoinut tekstiä, ainoastaan korjannut otsikoiden isot alkukirjaimet suomalaisen käytännön mukaisesti. Muutamiin paikkoihin olen lisännyt jonkin huomautuksen, joka toivon mukaan selventää sitä, mistä on kyse. Tämän lisäksi olen jakanut pitkät kappaleet lyhyemmiksi lukemisen helpottamiseksi.

Tähän asti lukemasi on ollut minun – siis ihmisen kirjoittamaa ja tästä eteenpäin teksti on tekoälyn elektronissa virtapiireissään ”luomaa”. Tekoäly (ChatGPT) on luonut myös osan kuvista tähän artikkelisarjaan. 

 

---

Tiivistelmä

Tähtitieteen harrastus on kiehtova matka, mutta se tuo mukanaan haasteita, kuten valosaasteen, sääolosuhteet ja laiterajoitukset. Onneksi tekoäly (AI) ja koneoppiminen (ML) ovat mullistaneet alan ja tarjoavat nyt harrastajille tehokkaita, usein täysin ilmaisia työkaluja. Tämä artikkeli esittelee, kuinka ilmaiset tekoälysovellukset voivat parantaa tähtiharrastusta merkittävästi – havaintojen suunnittelusta ja kuvankäsittelystä aina tieteelliseen kansalaistoimintaan ja taitojen kehittämiseen.

AI-avusteiset sovellukset, kuten planetaariot ja sääennusteet, tekevät kohteiden tunnistamisesta ja havaintojen suunnittelusta helpompaa kuin koskaan, auttaen löytämään parhaat havaintopaikat ja -ajat. Astrofotografiassa ilmaiset pinoamis- ja kuvankäsittelyohjelmistot, kuten SIRIL ja StarNet, mahdollistavat ammattilaatuisen kuvien tuottamisen ilman kalliita laitteita tai ohjelmistoja.

Lisäksi tekoälytyökalut avaavat ovia kansalaistieteeseen, kuten muuttuvien tähtien ja eksoplaneettojen transiittien analysointiin, antaen harrastajille mahdollisuuden osallistua todelliseen tieteelliseen tutkimukseen. Myös oppiminen ja taitojen kehittäminen tekoälytutoreiden ja -kurssien avulla on nyt henkilökohtaisempaa ja tehokkaampaa. Yhteenvetona voidaan todeta, että tekoäly demokratisoi tähtitieteen harrastusta, tekee siitä saavutettavamman ja palkitsevamman kaikille tähtien tarkkailusta kiinnostuneille.

 

Ilmaisten tekoälysovellusten hyödyntäminen harrastuksessa

Tähtitieteen harrastus on kiehtova ja palkitseva pyrkimys, joka tarjoaa ainutlaatuisen näkökulman universumiin. Se mahdollistaa kosmisen laajuuden tutkimisen ja syventää ymmärrystä maailmankaikkeudesta. Kuitenkin, kuten monissa syvällisissä harrastuksissa, myös tähtiharrastuksessa on omat haasteensa. Harrastajat kohtaavat usein merkittäviä esteitä, kuten laajan valosaasteen, sopivien havaintopaikkojen löytämisen vaikeuden, laiterajoitukset ja budjettipaineet, tiedon puutteen sekä arvaamattomat sääolosuhteet. Lisäksi, kun havaintokokemus karttuu, harrastus voi alkaa tuntua toistuvana, mikä luo tarpeen uusille tavoille tutkia taivasta ja kehittää taitoja.

Viime vuosina tekoäly (AI) ja koneoppiminen (ML) ovat mullistaneet monia tieteenaloja, mukaan lukien tähtitieteen. Nämä teknologiat tarjoavat tehokkaita kykyjä käsitellä valtavia tietomääriä, tunnistaa monimutkaisia kuvioita ja automatisoida monimutkaisia tehtäviä, jotka olivat aiemmin liian aikaa vieviä tai mahdottomia yksilöille. Harrastajatähtitieteilijöiden kannalta on ratkaisevan tärkeää, että monet näistä edistyneistä tekoälyominaisuuksista ovat nyt saatavilla ilmaisten ja avoimen lähdekoodin sovellusten kautta. Tämä kehitys demokratisoi pääsyn ammattilaistason työkaluihin ja tekniikoihin. Tämä raportti syventyy siihen, miten nämä ilmaiset tekoälysovellukset voivat merkittävästi parantaa tähtiharrastuskokemusta havaintojen suunnittelusta kuvien käsittelyyn ja jopa osallistumiseen huippuluokan tiedeprojekteihin.

 

I. Havaintojen ja suunnittelun tehostaminen tekoälyllä

A. Taivaankartat ja kohteiden tunnistaminen

Modernit planetaariosovellukset hyödyntävät tekoälyn kaltaisia algoritmeja tarjotakseen reaaliaikaisia, interaktiivisia taivaankarttoja, mikä tekee taivaankappaleiden navigoinnista intuitiivista. Esimerkiksi Stellarium Mobile tarjoaa ilmaisen avoimen lähdekoodin planetaarion tietokoneille, joka näyttää realistisen 3D-taivaan, aivan kuten paljaalla silmällä, kiikareilla tai kaukoputkella nähty. Se sisältää kattavan luettelon taivaankappaleista, realistisia Linnunrata-kuvauksia ja ominaisuuksia, kuten tähtikuvataidetta ja aikakontrollia. 

SkyView® Lite on toinen erinomainen ilmainen vaihtoehto taivaankappaleiden nopeaan tunnistamiseen yksinkertaisesti osoittamalla laitteella taivaalle. Vaikka Sky Tonight -sovelluksen tiedoissa ei nimenomaisesti mainita tekoälyä kohteiden tunnistamiseen valokuvista, se antaa käyttäjien osoittaa laitteellaan taivaalle nähdäkseen taivaankappaleiden reaaliaikaiset sijainnit ja tunnistaakseen ne. Se tarjoaa myös laajennetun todellisuuden (AR) tilan.

Star Walk 2 on ilmainen Android-käyttäjille ja hyödyntää puhelimen antureita ja GPS:ää reaaliaikaisiin taivaankarttoihin.

Monet näistä sovelluksista integroivat laajennetun todellisuuden (AR), joka peittää taivaankappaleiden tiedot älypuhelimen tai tabletin live-kameranäkymään. Tämä mahdollistaa erittäin mukaansatempaavan ja intuitiivisen tavan tunnistaa tähtiä, tähtikuvioita, planeettoja ja jopa satelliitteja reaaliaikaisesti, päivällä tai yöllä.

Tämä teknologinen kehitys demokratisoi taivaalla navigoinnin ja vähentää oppimiskynnyksiä merkittävästi. Aloittelevat tähtitieteilijät kohtaavat usein "tiedon puutetta" tunnistaessaan taivaankappaleita ja navigoidessaan yötaivaalla. Perinteiset menetelmät, kuten tähtihyppely, vaativat ulkoa opettelua ja harjoittelua. Ilmaiset tekoälyllä varustetut planetaariosovellukset, joissa on reaaliaikainen kohteiden tunnistus ja AR-ominaisuudet, tarjoavat vastauksen tähän haasteeseen. Nämä sovellukset käyttävät laitteen antureita ja sisäisiä tietokantoja (tekoälyn kaltaista kuvionsovitusta) tunnistaakseen välittömästi, mihin käyttäjä osoittaa.

AR-tila visuaalisesti peittää nämä tiedot suoraan live-taivaannäkymään. Tämä alentaa merkittävästi kynnystä uusille tähtitieteilijöille, tehden harrastuksesta helpommin lähestyttävän ja vähemmän pelottavan. Se muuttaa taivaalla navigoinnin monimutkaisen tehtävän mukaansatempaavaksi, interaktiiviseksi oppimiskokemukseksi, jonka avulla aloittelijat voivat nopeasti saada itseluottamusta ja syventää ymmärrystään kosmoksen ilman laajaa ennakkotietoa. Se myös parantaa kokeneiden havaitsijoiden kokemusta tarjoamalla nopean haun ja yksityiskohtaista tietoa tarvittaessa.

 

B. Optimaaliset havainto-olosuhteet

Arvaamattomat sääolosuhteet ja valosaaste ovat kaksi yleisintä ja turhauttavinta haastetta harrastajatähtitieteilijöille. Tekoälyllä varustetut sovellukset, kuten Ouranos: AI Astronomy Weather, tarjoavat erittäin tarkkoja ja yksityiskohtaisia sääennusteita, jotka on räätälöity erityisesti tähtien katseluun. Tämä sisältää ratkaisevan tärkeitä tietoja, kuten pilvipeitteen, näkyvyyden (ilmakehän vakaus), läpinäkyvyyden ja kastepisteen. Ouranos tarjoaa myös valosaastekarttoja, jotka auttavat käyttäjiä löytämään parhaat pimeät taivaat lähellä heitä, sekä taivaanlaatuindeksin.

Clear Outside on toinen ilmainen sovellus, joka tarjoaa 7 päivän tuntikohtaisia pilvi- ja sääennusteita, jotka on suunniteltu tähtitieteilijöille, helposti ymmärrettävillä indikaattoreilla ja kuun vaiheiden/nousu-/laskuaikojen kanssa.

Pelkän raakadatan lisäksi Ouranos hyödyntää tekoälyjärjestelmäänsä analysoidakseen sää- ja tähtitieteellisiä tekijöitä, tarjoten henkilökohtaisia suosituksia parhaista havaintoikkunoista. Se tarjoaa keskiyöhön keskittyviä ennusteita ja 16 päivän näkymän, mikä mahdollistaa tähtitieteilijöiden suunnitella istuntojaan etukäteen ja maksimoida rajallisen havaintoaikansa.

Tämä kyky optimoida rajallinen havaintoaika ja lievittää ympäristöhaasteita on merkittävä edistysaskel. Harrastajatähtitieteilijöitä haittaavat vakavasti "arvaamattomat sääolosuhteet" ja "valosaaste". "Suotuisat sääolosuhteet ja työaikataulut harvoin tekevät yhteistyötä", mikä johtaa "rajalliseen havaintoaikaan". Ilmaiset tekoälyllä toimivat sää- ja havaintojen suunnittelusovellukset, kuten Ouranos ja Clear Outside, tarjoavat tähän ratkaisun. Nämä sovellukset käyttävät tekoälyä valtavien meteorologisten ja tähtitieteellisten tietojen käsittelyyn, tarjoten ennakoivia tietoja paikallisista taivaan olosuhteista, mukaan lukien näkyvyys, läpinäkyvyys ja pilvipeite.

Tekoäly integroi myös valosaastetiedot ja taivaan mekaniikan ehdottaakseen optimaalisia havaintoikkunoita ja -paikkoja. Tarjoamalla tarkkoja, räätälöityjä ennusteita ja suosituksia tekoäly antaa harrastajatähtitieteilijöille mahdollisuuden tehdä tietoon perustuvia päätöksiä, mikä lisää merkittävästi heidän havaintoistuntojensa tehokkuutta ja onnistumisprosenttia. Tämä muuttaa aiemmin turhauttavan ja usein hukkaan menevän pyrkimyksen tuottavammaksi ja palkitsevammaksi kokemukseksi, puuttuen suoraan sään ja valosaasteen perushaasteisiin ja maksimoiden arvokkaan ajan yötaivaan alla.

C. Kaukoputken ohjaus ja levynratkaisu

Levynratkaisu [ilmeisesti kuvakentän ratkaisu – KAK] on tekniikka, jossa taivaan kuvaa analysoidaan kaukoputken tarkan osoituskoordinaatin määrittämiseksi. Tämä on ratkaisevan tärkeää tarkan Go-To-toiminnallisuuden ja tarkan seurannan kannalta. Celestron StarSense Explorer -sovellus, vaikka se vaatii tietyn kaukoputken, hyödyntää "patenttia odottavaa teknologiaa", joka analysoi tähtikuvioita älypuhelimen kameranäkymässä ja sovittaa ne sisäiseen tietokantaan prosessissa, joka on "kuin sormenjäljen tai kasvojentunnistus", laskeakseen kaukoputken sijainnin reaaliaikaisesti tarkasti. Tämä "levynratkaisu"-menetelmä on sama, jota ammattimaiset observatoriot ja kiertävät satelliitit käyttävät, ja se mullistaa manuaaliset kaukoputket poistamalla aloittelijoille tyypillisen sekaannuksen.

Vaikka niitä ei ole nimenomaisesti ilmoitettu tekoälyllä toimiviksi katkelmissa, ilmaiset ohjelmistot, kuten ASTAP (Astrometric STAcking Program), ovat nopeita, natiiveja astrometrisiä ratkaisijoita ja FITS-kuvien katseluohjelmia, jotka voivat tarkastella, mitata, levynratkaista ja pinota syvän taivaan kuvia.

N.I.N.A. (Nighttime Imaging 'N' Astronomy) on toinen ilmainen ja avoimen lähdekoodin kuvantamispaketti, joka tukee levynratkaisua, mahdollistaen automatisoidut sekvenssit, etäohjauksen ja tarkan kohteen hankinnan.

SkEye Cam tarjoaa "Live Plate-solving Mode" Android-laitteille.¹⁷ Nämä työkalut, vaikka niiden ydinlevynratkaisu ei olisikaan nimenomaisesti tekoälyä, mahdollistavat työnkulkuja, joissa tekoälyllä toimivaa kuvankäsittelyä voidaan sitten soveltaa.

Tämä teknologia auttaa voittamaan laitteiden monimutkaisuuden ja parantamaan havaintojen tarkkuutta. "Rajoitetut laitteet" ja "tiedon puute” ilmenevät usein vaikeuksina kaukoputkien tarkassa kohdistamisessa, himmeiden kohteiden löytämisessä ja tarkan seurannan saavuttamisessa, erityisesti niille, joilla ei ole kalliita tietokoneohjattuja jalustoja.

Perinteiset menetelmät, kuten asetusympyrät [ekvatoriaalisen jalustan tunti- ja deklinaatiokehät – KAK] tai tähtihyppely, voivat olla haastavia. Tekoälyavusteinen levynratkaisu (esim. Celestron StarSense Explorerin lähestymistapa) ja ilmaiset levynratkaisuohjelmistot (ASTAP, N.I.N.A., SkEye Cam) tarjoavat tähän ratkaisun.

Levynratkaisu, oli se sitten nimenomaisesti tekoälyllä toimivaa tai edistynyttä laskennallista kuviontunnistusta hyödyntävää, automatisoi kaukoputken tarkan osoitussuunnan tunnistamisen. Tämä eliminoi monimutkaisen manuaalisen kohdistuksen tarpeen ja mahdollistaa tarkan "Go-To"-toiminnallisuuden, jopa vaatimattomammilla kokoonpanoilla. Tämä teknologia demokratisoi merkittävästi pääsyn edistyneisiin havaintotekniikoihin. Se muuttaa usein turhauttavan asennusvaiheen nopeaksi ja tarkaksi operaatioksi, jolloin harrastajatähtitieteilijät voivat viettää enemmän aikaa havainnointiin ja vähemmän aikaa vianmääritykseen. Se tekee tehokkaasti edistyneen kaukoputken ohjauksen laajemman yleisön saataville, parantaen yleistä havaintokokemusta ja mahdollistaen kunnianhimoisempia havaintoprojekteja.

Seuraavassa taulukossa esitetään joitakin ilmaisia levynratkaisutyökaluja harrastajatähtitieteilijöille:

Työkalun nimi	Tekoälyllä toimiva (Kyllä/Ei/Osittain)	Keskeiset ominaisuudet (esim. Live Plate Solving, Go-To, Automaatio, Käyttöjärjestelmäyhteensopivuus)	Huomautuksia/Paras käyttötapaus
ASTAP	Ei (Edistynyt laskennallinen)	Nopea natiivi astrometrinen ratkaisija, FITS-kuvien katseluohjelma, pinoaminen, sisäinen levynratkaisija.	Erittäin nopea ja luotettava levynratkaisuun ja pinoamiseen.
N.I.N.A. (Nighttime Imaging 'N' Astronomy)	Ei (Edistynyt laskennallinen)	Kuvantamispaketti, Go-To, automaatio, kaukosäädin, kehys, tarkennus, keskitys.	Ilmainen ja avoimen lähdekoodin, erinomainen automatisoituun kuvantamiseen ja työnkulkuun.
SkEye Cam	Ei (Edistynyt laskennallinen)	Live Plate-solving Mode, eräkuvaustila, polaarinen kohdistus, RAW-kuvaus.	Android-sovellus, joka on suunniteltu erityisesti mobiililaitteiden kameroiden kanssa toimimiseen.
Celestron StarSense Explorer App	Kyllä (Patenttia odottava teknologia)	Reaaliaikainen kaukoputken paikannus tähtikuvioiden analyysin perusteella, Go-To-toiminnallisuus, kohteiden tunnistus.	Vaatii Celestron StarSense Explorer -kaukoputken, mutta tarjoaa ammattilaistason tarkkuuden.

 

Tämä taulukko on erityisen arvokas, koska se vastaa suoraan käyttäjän tarpeeseen löytää ilmaisia tekoälysovelluksia. Monet harrastajatähtitieteilijät kohtaavat "budjettirajoituksia”, ja selkeät vaihtoehdot ovat välttämättömiä. Vaikka katkelmat mainitsevat useita levynratkaisutyökaluja, niiden tekoälyominaisuudet ja kustannukset eivät aina ole selkeitä tai johdonmukaisia eri lähteissä.

Konsolidoitu taulukko tarjoaa nopean, yhdellä silmäyksellä vertailun todella ilmaisista työkaluista, korostaen niiden erityisiä toimintoja ja tekoälyn merkitystä. Tämä auttaa käyttäjää nopeasti tunnistamaan sopivimman työkalun heidän kokoonpanoonsa ja tarpeisiinsa, säästäen heidän tutkimusaikaansa ja varmistaen, että he valitsevat aidosti ilmaisen vaihtoehdon. Se vastaa suoraan "rajoitettujen laitteiden" ja "budjettirajoitusten" haasteisiin esittelemällä helposti saatavilla olevia ratkaisuja.