Projekt „Pi of the sky”
advertisement
Automatyczna analiza danych w obserwacjach astronomicznych Jakub Pietrzak 1 Agenda Wprowadzenie: • Co to są automatyczne obserwatoria? • Co chcemy obserwować? Projekt „Pi of the sky”: • cele projektu, • wykorzystywana aparatura. Automatyczna analiza zebranych danych: • idea, • procedury „online” , • redukcja danych, • fotometria i astrometria, • dalsza analiza. Wyniki obserwacji projektu „Pi of the Sky”. Ciekawostka 2 Agenda Wprowadzenie: • Co to są automatyczne obserwatoria? • Co chcemy obserwować? Projekt „Pi of the sky”: • cele projektu, • wykorzystywana aparatura. Automatyczna analiza zebranych danych: • idea, • procedury „online” , • redukcja danych, • fotometria i astrometria, • dalsza analiza. Wyniki obserwacji projektu „Pi of the Sky”. Ciekawostka 3 Automatyczne teleskopy • Teleskopy zdolne prowadzić obserwacje bez ingerencji człowieka, • Mogą prowadzić obserwację zadanych obszarów nieba a także reagować na „alerty” przesyłane przez inne obserwatoria, bądź przez odpowiednie organizacje (np. AAVSO, GCN), •Zbierają one niezwykle duże ilości danych, które muszą zostać przeanalizowane – silna potrzeba automatyzacji procesu selekcji, redukcji i analizy danych. 4 Automatyczny przegląd nieba. • „Klasyczne obserwatoria patrzą „w głąb nieba” i skupiają się na konkretnych obiektach, • Celem automatycznego przeglądu nieba jest obserwacja dużych obszarów sfery niebieskiej, oraz wykrywanie nowych „nagłych” zjawisk, lub rejestracja zjawisk krótkookresowych. 5 6 Polskie projekty zajmujące się przeglądem nieba „ASAS” (All Sky Automated Survey) „OGLE” (The Optical Gravitational Lensing Experiment) „Pi of The Sky” 7 Agenda Wprowadzenie: • Co to są automatyczne obserwatoria? • Co chcemy obserwować? Projekt „Pi of the sky”: • cele projektu, • wykorzystywana aparatura. Automatyczna analiza zebranych danych: • idea, • procedury „online” , • redukcja danych, • fotometria i astrometria, • dalsza analiza. Wyniki obserwacji projektu „Pi of the sky”. Ciekawostka 8 Cele obserwacji: • błyski gamma, • gwiazdy zmienne, • gwiazdy nowe. 9 Błyski gamma • Krótkie błyski obserwowane dla praktycznie wszystkich długości fal, • po raz pierwszy wykryte przez satelity Vela4, które zostały zbudowane w celu monitorowania przestrzegania układu o zakazie prób broni jądrowej 10 Błyski gamma 11 Błyski gamma Wyróżniamy dwa rodzaje błysków gamma: • błyski krótkie, t < 2s o twardym widmie, • błyski długie, t od 2 do kilkunastu sekund, widmo miękkie. Twardość widma określamy, jako stosunek liczby zliczeń w zakresie 300 – 1000 keV do liczby zliczeń w zakresie 25 – 100 keV. 12 Błyski gamma Hipotezy powstawania błysków gamma: • Krótkie – zderzenia dwóch zwartych obiektów, • Długie – zapaść hipernowej do czarnej dziury. 13 Błyski gamma Optyczna poświata po błysku GRB990123, zarejestrowana 23 stycznia 1999 14 Błyski gamma -- Różne kształty widma: 15 Błyski gamma – kilka faktów • BATSE → częstość występowania: 2-3 dziennie, unikatowe krzywe blasku, • dwa typy błysków („krótkie” i „długie”), • jaśniejsze od reszty nieba, • Przesunięcie ku czerwieni → odległość od źródła powyżej 13*109 lat świetlnych (5 tys. razy dalej niż odległość Ziemia – Galaktyka Andromedy), • Najbardziej energetyczne zjawiska we wszechświecie, energia uwalniana podczas błysku równa się energii wypromieniowanej przez nasze Słońce w ciągu kilku milionów lat. 16 17 Sieć GCN Sieć „Grb Coordinate Network” przesyła dane o zaobserwowanych Błyskach, oraz ich pozycjach. 18 Wybuch Nowej Nowa klasyczna – gwiazda wybuchowa, w rzeczywistości ciasny układ podwójny złożony z białego karła i gwiazdy ciągu głównego Nova Cygni 1992 (zdjęcie wykonane 22 miesiące po wybuchu) Nowa w Galaktyce Andromedy 19 Gwiazdy zmienne Gwiazda zmienna – gwiazda, która w znaczący sposób zmienia swoją jasność. Ogólnie rzecz biorąc, każda gwiazda wykazuje drobne fluktuacje jasności, ale są one w większości przypadków praktycznie niezauważalne – na przykład jasność Słońca zmienia się o ok. 0,1% w 11-letnim cyklu 20 Gwiazdy zmienne Automatyczny przegląd nieba umożliwia jednoczesną fotometrię wielu obiektów, dzięki temu możemy dokonywać pomiarów jasności znanych nam gwiazd zmiennych a także odkrywać nowe, jeszcze nie skatalogowane. Wolf 359, Pi od the Sky 21 Gwiazdy zmienne – klasyfikacja Gwiazdy zmienne fizycznie to gwiazdy pojedyncze lub podwójne, których jasność zmienia się na skutek procesów zachodzących w samej gwieździe lub otaczającej ją materii. Ze względu na charakter i zakres zmian dzielimy je na następujące grupy: • gwiazdy pulsujące, w których struktura gwiazdy lub jej atmosfery ulega regularnym okresowym zmianom • gwiazdy zmienne atmosferycznie, w których następują nieregularne zmiany w atmosferach • gwiazdy wybuchowe, w których następuje jednorazowa lub powtarzająca się dramatyczna zmiana struktury Gwiazdy zmienne geometrycznie to gwiazdy pojedyncze lub podwójne, których jasność zmienia się na skutek zmiany orientacji gwiazdy względem obserwatora. Ze względu na charakter zmian gwiazdy te dzielimy na następujące grupy: • gwiazdy zaćmieniowe, czyli układy podwójne gwiazd, w których jeden składnik okresowo przesłania drugi składnik, a przyczyną obserwowanych zmian jest ruch orbitalny gwiazd • gwiazdy świecące niesferycznie, w których przyczyną obserwowanych zmian jest rotacja gwiazdy • zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego, w których przyczyną pojaśnienia gwiazdy jest mikrosoczewkowanie przez inny obiekt przechodzący w pobliżu linii widzenia od gwiazdy do obserwatora 22 Agenda Wprowadzenie: • Co to są automatyczne obserwatoria? • Co chcemy obserwować? Projekt „Pi of the sky”: • cele projektu, • wykorzystywana aparatura. Automatyczna analiza zebranych danych: • idea, • procedury „online” , • redukcja danych, • fotometria i astrometria, • dalsza analiza. Wyniki obserwacji projektu „Pi of the sky”. Ciekawostka 23 Pi of the sky – idee • ciągła obserwacja dużego obszaru nieba, • duża rozdzielczość czasowa(10s), • samodzielne rozpoznawanie błysków, • praca autonomiczna i niezawodna. 24 Pi of the sky – Prototyp • 2 CDD, 2k x 2k pikseli • montaż paralaktyczny • migawka 107 cykli • kamery pracują w koincydencji • FoV 20°x20° • rozdzielczość kątowa 36’’, • rozdzielczość czasowa 10s, • chłodzone ogniwem Peltiera, zasięg: 11 magnitudo (10s), ~13 magnitudo. 25 Pełna wersja detektora ~100 km → PARALAKSA eliminacja błysków od bliskich, poruszających się obiektów. 26 Pi of the sky – strategia •system działa automatycznie, bez udziału człowieka, • co wieczór jest automatycznie generowany plan obserwacji – skrypt programujący ruch montażu na daną noc, • 2 razy na noc robione są zdjęcia całego nieba (po 3 na pole), • w momencie otrzymania alertu z sieci GCN zmieniane jest obserwowane pole i jest ono obserwowane przez ½ h, •własny trigger dzięki algorytmom do identyfikacji błysków. 27 Nowy detektor 28 Agenda Wprowadzenie: • Co to są automatyczne obserwatoria? • Co chcemy obserwować? Projekt „Pi of the sky”: • cele projektu, • wykorzystywana aparatura. Automatyczna analiza zebranych danych: • idea, • procedury „online” , • redukcja danych, • fotometria i astrometria, • dalsza analiza. Wyniki obserwacji projektu „Pi of the sky”. Ciekawostka 29 Proces analizy danych. Akwizycja danych Redukcja online Redukcja i analiza offline Wielopoziomowy system triggerów log Magazynowanie i dalsza analiza 30 Agenda Wprowadzenie: • Co to są automatyczne obserwatoria? • Co chcemy obserwować? Projekt „Pi of the sky”: • cele projektu, • wykorzystywana aparatura. Automatyczna analiza zebranych danych: • idea, • procedury „online” , • redukcja danych, • fotometria i astrometria, • dalsza analiza. Wyniki obserwacji projektu „Pi of the sky”. Ciekawostka 31 Proces online – astrometria. • Szybka redukcja – odjęcie ciemnej klatki, • Fotometria – identyfikacja i pomiar jasności zarejestrowanych obiektów, • Astrometria – znalezienie transformacji pomiędzy współrzędnymi na klatce a współrzędnymi niebieskimi, (wykorzystywanej także do korekcji trackingu) 32 Proces online – filtr Laplace’a. 33 Proces online – filtr Laplace’a 34 Trzy linie triggerów • Linie pierwsza – bazuje na danych z każdej pojedynczej kamery, • Linia druga – korzysta z danych z innych kamer (w zależności od konfiguracji systemu), • Linia trzecia – finałowe algorytmy odrzucające kolejne obiekty (porównanie danych z dwóch kamer, Transformacja Hough’a). 35 Pierwsza Linia: 1. Odcięcie pikseli o wartości mniejszej, niż wyliczona na podstawie histogramu wartość tła, 2. Odcięcie obiektów o stałej jasności –obiekty porównywane są z obiektami z poprzedniej klatki (średniej z poprzednich klatek), 3. Odcięcie pikseli o wartości mniejszej niż pewna ustalona wartość, mające na celu usunięcie błędów wywołanych przez filtr Laplace’a (występujące np. na brzegach jasnych gwiazd), 4. Odrzucenie klatek, gdzie liczba obiektów zmiennych wykrytych w kroku 2 jest zbyt duża (możliwe chmury), 5. Maksima lokalne – wymaga by wartość piksela była lokalnym maksimum, 6. Odrzucenie otoczek, 36 Pierwsza Linia: 7. Dyskryminacja ze względu na kształt: 37 Pierwsza Linia: 8. Odrzucenie ciemnych pikseli ( wartość niższa niż średnia z otoczenia ), 9. Odrzucenie gorących pikseli (gorące piksele, które przetrwały odjęcie ciemnej klatki mogą być wynikiem przesycenia piksela matrycy CCD na skutek promieniowania kosmicznego), 10. Odrzucenie obiektów w zadanym promieniu („ifmore”), 38 Druga Linia: 1. Sprawdzenie, czy obiekt znajduje się na danych z obu kamer (z jednego montażu) – pozwala odrzucić zdarzenia spowodowane przez promieniowanie kosmiczne. 39 Druga Linia: 40 Druga Linia: 1. Sprawdzenie paralaksy – pozwala odrzucić obiekty znajdujące się blisko ziemi. 41 Druga Linia: 42 Trzecia Linia: 1. Porównanie, czy sygnały z obu kamer są podobne, 2. Sprawdzenie sferyczności obiektu z bardziej zaostrzonymi kryteriami, 3. Prosta transformacja Hougha, pozwalająca wykryć na przykład linie prostą powstałą na skutek lecącego samolotu. 43 Trzecia Linia: 3. Prosta transformacja Hougha, pozwalająca wykryć na przykład linie prostą powstałą na skutek lecącego samolotu. 44 • multilevel trigger concept (a’la particle physics exp.) all pixels coincidence One night stars bad pixels cosmics planes satellites 45 Agenda Wprowadzenie: • Co to są automatyczne obserwatoria? • Co chcemy obserwować? Projekt „Pi of the sky”: • cele projektu, • wykorzystywana aparatura. Automatyczna analiza zebranych danych: • idea, • procedury „online” , • redukcja danych, • fotometria i astrometria, • dalsza analiza. Wyniki obserwacji projektu „Pi of the sky”. Ciekawostka 46 Redukcja danych. • Uśrednianie, • Odjęcie ciemnej klatki, • Podzielenie przez FlatField.. 47 DarkFrame i FlatField. 48 Szybka Fotometria. 49 Nowe podejście 50 Nowe podejście 51 Astrometria. Poprawienie wyliczonych parametrów transformacji w oparciu o porównanie położeń obiektów z katalogiem gwiazd, poprawienie współrzędnych wszystkich obiektów. 52 Astrometria. 53 Baza danych. http://grb.fuw.edu.pl/pi/index.html#databases 54 Ciekawe klatki. 55 Algorytmy offline • Identyfikacja nowych –. poszukiwanie obiektów, które nie znajdują się w katalogu (w zakresie jasności obserwowanych przez detektor), a które nagle się pojawiły. • Identyfikacja flar – poszukiwanie obiektów, które znajdują się w katalogu gwiazd a które nagle zmieniły swoją jasność. • Porządkowanie bazy danych i wizualizacja danych pomiarowych. 56 Agenda Wprowadzenie: • Co to są automatyczne obserwatoria? • Co chcemy obserwować? Projekt „Pi of the sky”: • cele projektu, • wykorzystywana aparatura. Automatyczna analiza zebranych danych: • idea, • procedury „online” , • redukcja danych, • fotometria i astrometria, • dalsza analiza. Wyniki obserwacji projektu „Pi of the sky”. Ciekawostka 57 Ciekawe rezultaty obserwacji • Przez pięć lat działąnia prototypu satelity wykryły łącznie 439 GRB, • w 95 % przypadków system był aktywny (416 przypadków), • 45 przypadków na półkuli północnej • 209 w dzień, • 64 pod horyzontem • 16 zasłoniętych chmurami, •78 poza polem obserwacji, • 3 poniżej czułości aparatury, • jeden błysk zaobserwowany. 58 Ciekawe rezultaty obserwacji • System samodzielnie wykrył błysk! 59 GRB 080319B • Najjaśniejszy zaobserwowany GRB (szczytowa jasność 5.3-.5.7) • Pierwsza obserwacja optyczna – Pi of the SKy 60 Przykładowe krzywe blasku gwiazd zmiennych 61 Agenda Wprowadzenie: • Co to są automatyczne obserwatoria? • Co chcemy obserwować? Projekt „Pi of the sky”: • cele projektu, • wykorzystywana aparatura. Automatyczna analiza zebranych danych: • idea, • procedury „online” , • redukcja danych, • fotometria i astrometria, • dalsza analiza. Wyniki obserwacji projektu „Pi of the sky”. Ciekawostka 62 Wersja „do it your self” teleskopu robota Projekt „SGI” – teleskop zbudowany przez trójkę licealistów, • Mechanika i elektronika sterująca urządzenia zbudowane samodzielnie, • Główną przekładnię stanowił układ zębatek z żyroskopu z samolotu MIG29, • Montaż sterowany za pomocą trzech silników krokowych ze stacji dyskietek 5.5 cala, • Urządzenie działało i przeprowadzono przy jego użyciu szereg obserwacji gwiazd zmiennych. 63 Wersja „do it your self” teleskopu robota 64 Wersja „do it your self” teleskopu robota 65 Tracking 66 Agenda Dziękuję. 67
