Почему наблюдать за звездами с космической орбиты лучше чем с земли
Почему в космосе не видно звёзд четко, а с Земли видно их красивое мерцание
Все мы знаем, если посмотреть на небо ночью в ясную погоду, оно будет усыпано яркими звездами. А если любоваться ночным небом вдали от городского смога, который приглушает звездное сияние, то взору открывается потрясающая картина – небо сияет, будто темное покрывало, усеянное алмазами. Если мы с Земли наблюдаем такой вид, как же, должно быть, красиво в космосе — посмотреть на звезды с земной орбиты, думают многие из нас. И как удивляются, взглянув на реальные фотографии, сделанные в открытом космосе: а где же звезды?
И правда, на фото, сделанных с борта МКС, показана Земля, переливающаяся всеми оттенками голубого, а вокруг нее – лишь космическая мгла, черная и непроглядная, и ни одной звездочки вокруг. Почему же в космосе не видно звёзд, а с Земли видно?
Видно ли звезды в космосе на самом деле: что говорят космонавты
По словам очевидцев-космонавтов, звезды в космосе все же видно, причем совсем не так, как с Земли. Атмосферные помехи искажают реальный вид ночных светил, а в космическом пространстве картинка более четкая, реалистичная, величественная. Звездное свечение не мерцает, звезды не дрожат и не переливаются разными цветами – они светят ровно и спокойно. Особенно поражает воображение Млечный Путь, который при наблюдении из космоса обретает особую четкость. Находясь в космосе, можно лицезреть почти 10 тысяч звезд, заметить отдельные звездные скопления и даже соседние галактики.
Но все это человек может увидеть, только находясь непосредственно в космосе.
Почему с Земли звезды видно лучше?
Если провести небольшой опыт, попытавшись сфотографировать на свой смартфон несколько ярких звезд на ночном небе, то результат, скорее всего, вас разочарует. Вместо ярких четких звезд вы увидите на снимке размытые, едва уловимые пятна, а может, на фото будет просто чернота.
Несмотря на все достижения цивилизации, многие из них все же уступают возможностям человеческого глаза, даже невооруженного. Вот и у матрицы вашего телефона просто не хватает светочувствительности для отображения реальной красоты ночного неба.
Чтобы небо на фотографии получилось, как оно есть, и на нем бы отразились даже не самые яркие звезды, снимать нужно, выставив большую экспозицию. То есть сделать так, что затвор камеры долгое время был открытым, способным собрать на матрице звездный свет. Моментально выполненный снимок звездного неба в 99% получится неудачным, то есть на нем не проявится ни одна звезда.
По тому же принципу сделаны и фото в космосе. Просто на фоне далеких звезд наша планета, расположенная поближе к оператору, выглядит очень ярко. А если делать снимок, выставляя достаточно большую для съемки звезд экспозицию, то Земля будет невзрачным белым пятном, и фото будет совершенно непригодно для изучения. То есть короткая экспозиция выставляется фотографом с целью получить на фото качественное изображение планеты. При этом у звезд просто не хватает времени, чтобы «засветиться» на матрице камеры.
Ракурс решает все: как и где снимать, чтобы было видно звезды в космосе
Но не все снимки Земли из космоса получаются беззвездными. Если снимать ночное полушарие, то при экспозиции, которая достигает нескольких секунд, можно успеть заснять образование грозового фронта, сфотографировать молнию или освещенные города на Земле. В этих условиях удается заснять и звезды. То есть когда Земля своей освещенностью не засвечивает снимок, звезды можно отчетливо увидеть с земной орбиты.
Почему на космических фотографиях не видно звёзд?
Один из вопросов, постоянно появляющихся в теме реддита «Космос», это: «Почему на фото не видно звёзд?» Обычно это бывают фотографии с высадок на Луну миссий «Аполло» или со спутников Земли, но иногда это фотки Юпитера или Луны. В последнее время тут проскакивало много фотографий Falcon Heavy Starman.
Я всё говорил себе, что надо бы написать объяснение для непрофессионалов, но у меня вечно не хватало времени. И вот, наконец, меня довели – один комментарий с вопросом, заданным в миллионный раз, наконец, убедил меня сделать это. И теперь, когда кто-то спрашивает об этом, я могу просто дать ему ссылку сюда.
Итак, вот оно. Объяснение того, почему на многих космических фотографиях не видно звёзд — с точки зрения фотографа.
Основы: камеры и экспозиционные числа
В фотокамере свет проходит через линзы и попадает на датчик, или, в стародавние времена – на плёнку. На сенсоре расположены миллионы маленьких фотоэлементов, собирающих частицы света, фотоны. Если всё немного упростить, то каждый из фотоэлементов соответствует пикселю на конечном изображении, а яркость этого пикселя определяется количеством собранных фотонов. На итоговой фотке тёмные области соответствуют тем местам, в которых с сенсором столкнулось меньше фотонов, а светлые – тем, где фотонов было больше. Вы можете представлять себе их, как кучку вёдер, собирающих фотоны – ведро, собравшее больше фотонов, будет иметь более светлый оттенок на итоговом изображении.
Количество света, попадающего на сенсор, измеряется в экспозиционных числах, каждое последующее из которых удваивает или уполовинивает количество света. Интуитивно это можно представить себе в виде выдержки. Оставляя затвор открытым на период вдвое больший, вы соберёте вдвое больше света в каждое ведёрко. На следующем изображении видно, что это означает. Каждый шаг примерно равен одному дополнительному экспозиционному числу. Выдержка указана внизу.
Кроме выдержки, в камере есть ещё два способа изменить количество света, попадающего на фотоматрицу – изменить апертуру линз или ISO. Апертура – размер отверстия, через которое проходит свет.
На числа не обращайте внимания, просто учтите, что чем больше апертура, тем больше через неё проходит света. ISO измеряет чувствительность камеру к свету, и действует примерно так же, как экспозиционные числа – ISO 200 в два раза чувствительнее, чем ISO 100, а ISO 400 в два раза чувствительнее ISO 200.
Динамический диапазон
На изображении, демонстрирующем разные выдержки, на самой правой фотографии видно, что на ярких участках – небе и облаках – почти невозможно различить детали, они выглядят просто, как белое пятно. Количество яркости, которое способны воспринять сенсоры камеры, ограничено, и самая большая яркость на фото выглядит, как белый цвет. Как только фотоэлемент достигает этого уровня экспозиции, увеличение количества приходящих в него фотонов не даст увеличения яркости. Если представлять себе фотоэлементы в виде ведёрок, то когда ведёрко наполнится, попытка добавить в него дополнительных фотонов не сделает его более полным. Когда яркость сцены выводит фотоэлементы за этот предел, в результате получаются большие белые засветы без всяких деталей – именно это и показано на фото выше.
На этой фотографии работающих на МКС космонавтов можно увидеть засветы. На скафандре и ящике с инструментами у астронавта, повёрнутого к камере спиной, есть большие участки чисто белого цвета, а ещё их можно заметить на самых ярких частях МКС вверху фотографии.
С другой стороны, у фотоэлементов есть и нижний предел распознавания света. Фотоэлементы, не уловившие достаточного количества фотонов, будут представлены на фото чёрными пикселями. Уменьшение количества света до значений ниже этого предела не сделает пиксель темнее, он и так уже максимально тёмный. Нельзя получить более пустое ведро, чем абсолютно пустое.
Участки изображения, оказавшиеся темнее этого предела, будут выглядеть как чёрные пятна без деталей.
На этой фотографии третьей ступени и лунного модуля «Сатурн-5» можно увидеть много теневых участков.
Яркостное расстояние между самым тёмным чёрным и самыми яркими белым называется динамическим диапазоном. Он обозначает диапазон яркости, в котором камера сможет запечатлеть детали изображения. Всё, что ниже этого диапазона, будет на фото чёрным, а всё, что выше – белым.
У современных цифровых камер динамический диапазон измеряется 10-15 экспозиционными ступенями. Можете ознакомиться со списком динамических диапазонов самых качественных цифровых камер. Экспозиционные ступени обозначены в списке, как Evs [exposure value]. У плёнки примерно такой же динамический диапазон.
Фото в дневном свете
Одна важная вещь, которую нужно понять про фотографии луны и планет, включая Землю, состоит в том, что они освещаются дневным светом и демонстрируют дневную сторону объекта. Иначе говоря, объект освещается солнечными лучами.
На этой фотографии Земли показана дневная сторона Земли, повёрнутая к солнцу.
Это фото с места посадки «Аполло-15» – дневное фото. Вы могли решить, что это ночное фото, поскольку небо тёмное, и это Луна, которую видно ночью – но фото сделано на стороне Луны, обращённой к солнцу, и яркость там такая же, как на Земле днём.
Это дневная фотография Юпитера. Она не ночная. Небо тёмное, и Юпитер можно увидеть в ночном небе, но это фото демонстрирует дневную сторону планеты, повёрнутую к Солнцу. То же самое верно для недавнего запуска SpaceX Tesla – автомобиль был освещён солнцем.
Сравнение дневных фотографий и фотографий звёздного света
Теперь, когда у нас есть все нужные знания, начнём разбираться в том, как сравнивать фотки Земли и Луны в дневном свете с фотками звёзд ночью. Сначала посмотрим, какие настройки были использованы во время миссий «Аполло» и других фотографий астрономических объектов при дневном свете и наземных фотографий. Затем мы посмотрим на настройки, использованные при съёмке звёзд. Наконец, мы введём различные настройки в калькулятор, и увидим, сколько экспозиционных ступеней находится между фотографиями звёзд с правильной экспозицией и фотографиями с «Аполло» и другими дневными фотографиями астрономических объектов.
Если мы обнаружим, что разница в экспозиционных ступенях превышает 15, это будет означать, что камеры, снимающей такие вещи в космосе, как дневная сторона луны, Земля или другие планеты, или такие объекты в дневном свете, как Tesla, не смогут сделать изображения звёзд. Также вспомним, что 15 – максимальная разница между самыми яркими и самыми тёмными оттенками в камере, поэтому функциональное количество экспозиционных ступеней между объектом и самыми тёмными частями будет меньше, поскольку обычно для объекта съёмки выбирается экспозиция со средней яркостью, а не с максимальной. На фото Земли выше планета находится не на верхнем конце шкалы яркости, поэтому расстояние между яркостью Земли и нижним краем динамического диапазона будет равняться не 15 ступеням, а чему-то вроде 7, поскольку Земля находится где-то посередине динамического диапазона фотографии.
Но чтобы упросить расчёты, мы просто будем использовать 15 ступеней в качестве опорной цифры – если правильно выбранная экспозиция для звёзд будет отстоять более, чем на 15 ступеней от правильно выбранной экспозиции для Земли в дневном свете, или Луны, или любой другой планеты, тогда мы сможем быть уверены, что никакие звёзды на этих дневных снимках не появятся.
Ищем реальные настройки экспозиции – звёздный свет
В качестве примеров снимков звёзд я выбрал три изображения из нашего сабреддита. Для каждого из них фотограф указал настройки экспозиции.
Биолюминесценция в Малибу и Млечный путь; выдержка: 13 секунд, апертура: f/1.8, ISO: 4000
Млечный путь перед рассветом над Атлантикой; выдержка: 25 секунд, апертура: f/3.5, ISO: 2500
Млечный путь над яхтой; выдержка: 13 секунд, апертура: f/4.0, ISO: 6400
Ищем реальные настройки экспозиции – дневной свет
В фотографии есть такое практическое правило под названием «Солнечно 16» (правило F/16), утверждающее, что для выбора правильной экспозиции для фотографии в солнечном свете нужно выставить апертуру на f/16, а выдержку на величину, обратную ISO; фотография, сделанная с ISO 100 должна использовать выдержку в 1/100 секунды. Мы возьмём это правило в качестве первого опорного пункта по подходящим настройкам дневных фотографий: ISO 100, f/16 и выдержка 1/100.
Вторым опорным пунктом станут лунные снимки «Аполло». На снимке какого-то фотографического оборудования показаны реальные настройки, использованные для фотографий, сделанных на поверхности луны. Взгляните на катушку плёнки слева. ASA – это плёночный эквивалент ISO, поэтому мы имеем ISO 160. Выдержка выставлена в 1/250 с. Инструкция предписывает снимать с апертурой от f/5.6 до f/11. Поскольку средним значением будет f/8, его мы и используем в качестве эталона. Разница между f/5.6 и f/11 составляет всего две ступени, поэтому это не так уж и важно.
Почему не видно звезд в космосе?
Глядя на красочные фотографии нашей прекрасной Земли, сделанные космонавтами с борта Международной космической станции, вы наверняка замечали, насколько черное небо над нашей планетой. Как любили говорить раньше, небо на снимках «черное, как смоль». Но удивительным образом на небе совершенно не видно звезд!
Например, как на этом фото:
Почему на этом и других подобных снимках Земли из космоса не видно звезд? Фото: Scott Kelly/NASA
Почему же звезды не видны в космосе?
На самом деле звезды видны в космосе прекрасно — лучше, чем с Земли! Во всяком случае, в космосе атмосфера не мешает наблюдениям — звезды не мерцают, не переливаются разными цветами, не мигают и не дрожат, а светят ровным, спокойным светом. Если бы мы с вами сейчас вдруг перенеслись в космос, то картина, открывшаяся нам за стеклом скафандра, была бы невероятно красива и величественна: мы увидели бы почти 10 тысяч звезд, Млечный Путь, кольцом опоясывающий небо, несколько звездных скоплений и даже ближайшие галактики. И для этого не нужно было бы ждать погоды, взбираться в горы, укрываться от городской засветки в лесах и пустынях…
Что касается фотографий, то дело тут вот в чем. Если вы попробуете сфотографировать ночное небо на смартфон, то результат вас разочарует: у матрицы вашего телефона не хватит чувствительности, чтобы отобразить небо в полной красе. Чтобы получить красивую фотографию звездного неба, на котором отобразились бы даже самые тусклые звезды, нужно снимать с большой экспозицией. Говоря проще, нужно на протяжении долгого времени держать затвор фотокамеры открытым, чтобы накопить свет от звезд. Если же сделать моментальный снимок неба, то на нем вряд ли проявится хотя бы одна звезда.
Но именно это мы и наблюдаем на фотографиях Земли из космоса! Наша планета очень яркая, и для того, чтобы не засветить фотографию, космонавты снимают ее с очень короткими экспозициями. Из-за этого звезды просто не успевают проявиться на черном небе!
Фотография ночной стороны Земли. Пролетая над южным полушарием нашей планеты, японский астронавт Кимия Юи сфотографировал Млечный Путь и две яркие звезды. Это альфа и бета Центавра. Пониже их можно заметить и созвездие Южного Креста. Фото: Kimiya Yui/JAXA
Но есть и другие снимки нашей планеты из космоса — а именно снимки ночного полушария Земли! Чтобы на них что-либо проявилось, например, грозы и молнии или освещенные города, экспозиция должна достигать нескольких секунд. При такой выдержке на фотографиях легко проявляются и звезды!
В качестве примера предлагаю вам красивый видеоролик, смонтированный из множества фотографий Земли, сделанных с борта Международной космической станции. Автор видео выстроил длинную цепочку фотографий, а затем запустил ее со скоростью 24 кадра в секунду, так, чтобы мы увидели не отдельные кадры, а самый настоящий фильм.
В этом фильме показаны и дневные, и ночные виды нашей планеты. Вы сами можете убедиться, что на ночных снимках звезды проявляются отлично!
$10 млрд и 14 лет задержки: почему все так ждали запуска телескопа «Уэбб»
На этой неделе НАСА в последний раз перенесло запуск космического телескопа «Уэбб», новая дата запуска намечена на 25 декабря. Этот момента ждал весь мир последние 14 лет. «Хайтек» рассказывает обсерватория отличается от «Хаббла» и почему проект столько задерживали.
Читайте «Хайтек» в
В чем миссия телескопа?
«Уэбб» разработали, чтобы «увидеть» первые звезды и галактики, которые когда-либо формировались в ранней Вселенной. Он может обнаруживать объекты в 10 миллиардов раз слабее, чем самые тусклые звезды, видимые без телескопа, или в 10–100 раз слабее, чем те, что может наблюдать «Хаббл».
Телескоп будет выполнять две основные задачи. Его первая миссия — исследовать ранние фазы мироздания, собирая инфракрасный свет из космоса, чтобы больше узнать о происхождении Вселенной. Вторая миссия — обнаруживать планеты, которые находятся за пределами Солнечной системы, и исследовать их атмосферы на наличие признаков жизни.
Почему проект столько задерживали?
Возможно, проект реализовывали очень долго из-за сложного оборудования «Уэбба». Чувствительность телескопа и его разрешающая способность напрямую связаны с размером площади зеркала, которое собирает свет от объектов. Оказалось, что размер зеркала должен быть не меньше 6,5 метра, чтобы измерить свет от самых далеких галактик. Работать «по лекалам» предшественника JWST — телескопа «Хаббла» было нельзя. Иначе он был бы слишком тяжелым для запуска в космос.
Для решения проблемы в США создали программу Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD). Четыре года НАСА, Национальное управление военно-космической разведки США и Военно-воздушные силы США проводили исследования, в итоге, инженеры построили и проверили два зеркала. Эксперты выбрали то, которое состоит из бериллия. Одна из причин выбора заключается в том, что этот материал сохраняет свою форму при криогенных температурах.
Также ученые приняли решение сделать зеркало не цельным, а из сегментов, которые будут раздвинуты на орбите, так как габариты цельного зеркала не позволили бы его разместить в ракете-носителе «Ариан-5». Размер каждого из 18 шестиугольных сегментов зеркала составляет 1,32 метра — от ребра до ребра, масса непосредственно самого зеркала в каждом сегменте — 20 кг, а масса всего сегмента в сборке (вместе с приводами точного позиционирования и т. д.) — 40 кг. Также много времени заняли все проверки и настройка 132 приводов, которые отвечают за развертывание 18 сегментов.
Что особенного в телескопе «Уэбб»?
Телескоп, оснащенный самым сложным оборудованием, сможет заглядывать в самые далекие уголки космоса на расстояние до 13,8 млрд световых лет. Собранные данные позволят ученым лучше понять процессы формирования звезд и галактик сразу после Большого взрыва. По сути, телескоп позволит ученым заглядывать «назад во времени» на Вселенную на миллиарды лет назад.
«Уэбб» попробует увидеть, как загорелся первый свет во Вселенной
Пол Гейтнер, руководитель проекта НАСА,
работал над телескопом в интервью для Los Angeles Times
JWST оснащен четырьмя научными приборами, которые помогают ему проводить наблюдения:
— камера ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared Camera);
— прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (англ. Mid-Infrared Instrument, MIRI);
— спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared Spectrograph, NIRSpec;
— датчик точного наведения (англ. Fine Guidance Sensor, FGS) и устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (англ. Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph, NIRISS).
Космический телескоп предназначен для улавливания самого далекого света, чтобы ученые изучили первые звезды во Вселенной. На это не был способен ни один из его предшественников. Уникальность «Уэбба» не только в его размере, но и в его способности воспринимать инфракрасный свет. И вот почему это важно.
Когда Вселенная расширяется, световые волны от самых ранних звезд и галактик растягиваются. К тому времени, когда эти волны достигают нас, они становятся слишком длинными, чтобы их воспринять как видимый свет. Вместо этого они выглядят как инфракрасные. Они легко проходят через облака, состоящие из газа и пыли. Принимая ИК-свет, телескоп может видеть сквозь объекты, которые в противном случае блокировали бы его обзор. Похожим образом работают рентгеновские лучи для создания изображений структур внутри человеческого тела.
Да, прошлые телескопы могли улавливать ИК-свет, но только в более ограниченном диапазоне длин волн. «Уэбб» заполнит большой пробел, обнаружив световые волны от самых первых звезд и галактик во Вселенной.
«Уэбб» увидит то, что не смогли сделать другие телескопы
Благодаря «Уэббу» ученые смогут получить изображения с более высоким разрешением, чем это было возможно с любым другим инфракрасным телескопом до этого. Ключ к успеху — большое зеркало, 18 шестиугольных частей которого помогут ему поглощать как можно больше инфракрасного света.
Поскольку ИК-свет имеет длину волны в 10 раз шире видимого света, «Уэббу» требовалось зеркало значительно большего размера, чем у «Хаббла». В результате получилось позолоченное зеркало, которое в 2,7 раза больше, чем у предшественника. Хотя в более старых телескопах, таких как Herschel и Spitzer, использовались инфракрасные датчики, они не могли обеспечить такое же качество изображений из-за небольшого размера зеркала.
Непростой запуск
Такое оборудование усложняет обслуживание телескопа. После запуска произвести физический ремонт «Уэбба» будет невозможно. Таким образом, каждый шаг в его развертывании должен проходить идеально, чтобы миссия увенчалась успехом. Из-за своего размера телескоп придется сложить перед загрузкой в ракету. В таком компактном состоянии он будет защищен от тряски при выходе из атмосферы Земли.
Ветеран астрономии «Хаббл» находится довольно близко к низкой околоземной орбите, но «Уэбб» улетит гораздо дальше, в гравитационно стабильную точку в 1,5 млн км от Земли, известную как точка Лагранжа 2 (L2). Когда он достигнет этого места, операторы JWST в НАСА развернут солнцезащитный экран. В течение двух недель сложная система штифтов, шестерен и кабелей затянет пять тонких, как мешок для мусора, листов изоляционного материала Kapton. Через несколько недель в космосе распахнется и само огромное зеркало «Уэбба».
Что будет дальше?
По плану, обсерватория начнет отправлять научные данные на Землю примерно через шесть месяцев после развертывания. Первоначальная миссия «Уэбба» по исследованию моментов после Большого взрыва продлится от 5 до 10 лет, хотя, если все пойдет хорошо, ее можно будет продлить. Некоторые из величайших открытий JWST, вероятно, станут ответами на вопросы, которые еще никто не задавал, уверены ученые.