sunnuntai 12. maaliskuuta 2023

Yötaivaan kirkkaus tähtitornilla Kaupissa

Tomi Hyvönen

Selkeänä kuuttomana yönä täysin pimeässä paikassa voi paljain silmin havaita parituhatta tähteä. Jos havaintopaikka on tarpeeksi syrjässä kaupungin valoista, voi nähdä Linnunradan vyön kaartuvan kaikessa kauneudessaan taivaankannen poikki. Sen näkeminen on unohtumaton kokemus. Valitettavasti kaupunkialueiden lisääntyvä valosaaste on vienyt suurelta osalta ihmisistä öisen näkymän kotigalaksiimme.

Maan pinnalla olevien keinotekoisten valolähteiden valo siroaa takaisin maanpinnalle ilmakehän molekyyleistä ja epäpuhtauksista. Tämä havaitaan taustataivaan kirkastumisena. Pimeinä pilvettöminä öinä ilmakehästä siroava keinotekoinen valo peittää alleen himmeimmät paljain silmin erottuvat tähdet erityisesti horisontin lähellä.

Observatoriot rakennetaan aina mahdollisimman korkealle vuoristoon kahdesta syystä. Siellä ilmakehä on ohut ja teleskoopit ovat mahdollisimman kaukana kaupunkialueiden valosaasteesta. Tosin ei taustataivaan kirkkaudesta sielläkään täysin eroon pääse. Vietiinpä teleskoopit kuinka korkealle vuoristoon tahansa ilmakehä itsessään säteilee valoa. Tätä kutsutaan ilmahehkuksi. 

Tähtitieteilijöiltä kysyttäessä ilmakehästä on vain haittaa. Ilmakehän aiheuttamasta valosaasteesta päästään eroon sijoittamalla teleskooppi avaruuteen, kuten Hubblen avaruusteleskooppi tai nykyisin James Webb Space Telescope. Vaikka avaruuden syvyyksissä havainto-olosuhteet ovat verrattain hyvät, ei sielläkään valosaasteesta kokonaan eroon pääse. Aurinkokunnassa oleva pöly sirottaa auringon valoa. Tämä eläinratavalona tunnettu valo lisää omalta pieneltä osaltaan taustataivaan kirkkautta. Asiasta lisätietoa voi antaa mm. Sir Brian May. [1,2]

Mittaus

Perinteinen menetelmä taustataivaan kirkkauden arvioimisessa on havaita paljain silmin näkyviä tähtiä. Havaitaan esimerkiksi tietyltä taivaan alueelta himmeimmät paljain silmin näkyvät tähdet tai lasketaan tietyllä alueella näkyvien tähtien lukumäärä. Havainnoista saadusta rajamagnitudista voidaan arvioida taustataivaan kirkkaus. Pienellä harjoittelulla menetelmä on nopea ja antaa hyvän arvion vallitsevista olosuhteista.

Tekniikka voidaan ottaa avuksi myös. Taustataivaan kirkkauden määrittämiseen käytetään yleisesti 1-kanavaista SQM-mittaria (Sky Quality Meter). Ne soveltuvat erittäin hyvin tähtiharrastuksessa taustataivaan kirkkauden mittaamiseen, koska laitteet ovat edullisia, helppokäyttöisiä ja mittaukset ovat automatisoitavissa. SQM-mittari antaa suoraan taustataivaan kirkkauden, joten se on erittäin käyttökelpoinen apuväline havainto-olosuhteiden arvioinnissa.

Yötaivaan kirkkaus msky esitetään yleisesti yksikössä magnitudi/neliökaarisekunti (magV/arcsec2). Yksikön voi ajatella siten, että jos taivaalla olisi vain yksi magnitudia M oleva tähti jokaista neliökaarisekuntia kohden, taustataivaan kirkkaus olisi tällöin M mag/neliökaarisekunti. Tavalliseen tähtitieteelliseen tapaan mitä suurempi magnitudi sitä himmeämpi kohde. Näin ollen mitä suurempi magnitudiarvo taustataivaan kirkkaudelle mitataan sitä pimeämpi ja parempi havaintopaikka. Taustataivaan kirkkaus voidaan mitata useilla eri aallonpituuskaistoilla käyttämällä sopivaa suodinta. Yleisesti käytetään näkyvän aallonpituusalueen V-kaistan suodinta.

Kaupungeissa taustataivaan V-kaistan kirkkaus on tyypillisesti 16–19 magV/arcsec2. Kaupungin ulkopuolella voidaan saavuttaa >20 magV/arcsec2. Pimeimmillä paikoilla korkealla vuoristoissa taustataivaan kirkkaus on ~22 magV/arcsec2. Ilmakehän ulkopuolella olevilla avaruusteleskoopeilla päästään yli 23 magV/arcsec2. [3]


Taustataivaan kirkkaus Kaupissa

Taustataivaan kirkkaus voidaan laskea esimerkiksi ccd-kameralla otetusta kuvasta, josta seuraavassa esimerkki.

Määritetään taustataivaan kirkkaus tähtitornilla suuntaan itäkoillinen otetusta V-kaistan kuvasta, kuva 1. [alaviite Havainnoissa käytettiin Baader V -suodinta]. Kuvakenttä on Lyyran tähdistössä. Kuvat on ottanut Jouni Raunio.


Kuva 1: V-kaistan kuva tähtitornilta itäkoilliseen. Kuvaan on merkitty neljä Tycho2-katalogin tähteä, joita käytettiin standarditähtinä taustataivaan kirkkauden määrittämisessä.

Kuvausaika ja -paikka oli 15.2.2017 03:30 Kaupin tähtitorni Tampereella. Kuvakentän suunta on 70° ja korkeus horisontista 30°.

Havaintolaitteistona oli seuraava kokoonpano:

  • Kaukoputki: EDGE HD 1100 + 0.7 reducer, jolloin polttoväli kyseisellä kokoonpanolla on f = 1960 mm.
  • Kamera: CCD SX-H674 ja pikselien binnaus 2 x 2. Tällöin pikselikoko on 9,078 µm/pix.

Näistä saadaan laskettua kuvakentän skaala 0,96 arcsec/pix.

Koska taustataivaan kirkkaus ilmoitetaan neliökaarisekuntia kohden, täytyy tietää kuinka monta neliökaarisekuntia on yksi pikseli. Merkitään tätä symbolilla A. Tämä saadaan laskettua edellä olevista tiedoista A = (0,96 arcsec/pix)2 = 0,922 arcsec2/pix.

Kohteesta otettiin 11 kuvaa 30 s valotuksella. Kohteen lisäksi otettiin bias- ja flat-kalibraatiokuvat. Kohteen kuville tehtiin bias- ja flat-korjaukset, jonka jälkeen kuvat kohdistettiin ja yhdistettiin yhdeksi V-kaistan mediaanikuvaksi, josta taustataivaan kirkkaus voidaan määrittää. Kuvankäsittely tehtiin AtroImageJ-ohjelmalla [4].

Taustataivaan kirkkaus määritettiin käyttämällä standarditähtinä Hipparchos-satelliitin Tycho2-katalogin V-kaistan magnitudeja. Mittaus tehtiin apertuurifotometrialla [alaviite Aperture Photometry Tool on ilmainen helppokäyttöinen ohjelma fotometrian mittaamiseen.] [5]. Kuvassa 2 on esitetty tähden nro 3 apertuurifotometria.


a )



 b)

Kuva 2: a) Apertuurifotometria yötaivaan kirkkauden määrittämiseksi. Kuvassa standarditähti 3. Yötaivaan kirkkaus mitattiin uloimman renkaan alueelta. b) Tähden 3 radiaaliprofiili. Apertuurin, punainen pystyviiva, jälkeen kirkkaus tasaantuu taustataivaan tasolle.

Punaisen ympyrän sisällä on tähden ja taustataivaan aiheuttama kirkkaus. Uloimmassa, vihreän ja keltaisen renkaan rajaamassa alueessa, on pelkästään taustataivaan aiheuttama kirkkaus. Tästä renkaasta saadaan taustataivaan kirkkaus pikseliä kohden. Vähentämällä taustan osuus tähden apertuurista saadaan tähden todellinen kirkkaus. Tästä saadaan laskettua taustataivaan kirkkaus.


jossa mstar on standarditähden magnitudi Tycho2-katalogista, Fsky havainnosta mitattu taivaan kirkkaus pikseliä kohden ja Fstar havainnosta mitattu standarditähden kirkkaus. Lasketaan esimerkkinä taustataivaan kirkkaus standarditähden 1 kohdalla:



Mittaustulokset neljälle standarditähdelle on esitetty taulukossa 1.


Taulukko 1: Taustataivaan kirkkaus neljän standarditähden avulla mitattuna. Toisessa sarakkeessa ilmoitettu tähden kirkkaus on Tycho2-katalogin V-kaistan magnitudi. Neljännessä sarakkeessa tähden kirkkaudesta on vähennetty taustataivaan osuus.



Yhteenveto

Yötaivaan kirkkaus V-kaistalla tähtitornilla Kaupissa helmikuussa 2017 suunnassa itäkoillinen on noin 17,4 magV/arcsec2. Saatu arvo on tyypillinen kaupunkiympäristölle mitattu arvo.

Kaupunkiympäristöissä valosaasteesta ei koskaan päästä eroon, ja hyvä niin. Tuskin edes innokkaimmat tähtiharrastajat haluaisivat kävellä tähtitornilta kotiin pitkin pimeitä katuja. Valosaasteeseen kannattaa kuitenkin kiinnittää huomiota kaupunkisuunnittelussa. Hyvällä valotekniikalla ja -suunnittelulla valosaasteen lisääntymistä voidaan hallita valaisemalla vain niitä paikkoja, joita kannattaa valaista. Hyvä suunnittelu ottaa huomioon luonnon tarjoaman taivaallisen kauniin valaistuksen.


Lähteet:

[1] https://tu-pimeataivas.blogspot.com/

[2] May B. 2007 A Survey of Radial Velocities in the Zodiacal Dust Cloud

[3]Hänel A. et al. 2017, arXiv:1709.09558v1

[4]Collins K. et al, 2017, Astroimagej: Image Processing And Photometric Extraction For Ultra-Precise Astronomical Light Curves

[5] Laher R. 2022, IPAC, California Institute of Technology.



Ei kommentteja:

Lähetä kommentti

Jokainen kommentti, mielipide tai kysymys tarkistetaan ennen julkaisemista. Toimitus päättää kommenttien julkaisemisesta tai mahdollisesta hylkäämisestä!