Jak internetowe astrofotografie pochodzące z crowdsourcingu rewolucjonizują astronomię

Astrofotografia przechodzi obecnie rewolucję dzięki zwiększonej dostępności wysokiej jakości aparatów cyfrowych oraz dostępnego oprogramowania do obróbki zdjęć po ich wykonaniu.

Ponieważ zdjęcia nocnego nieba są prawie zawsze lepsze przy długich ekspozycjach, które wychwytują więcej światła, przetwarzanie to zwykle obejmuje połączenie kilku zdjęć tej samej części nieba w celu uzyskania jednego o znacznie dłuższej efektywnej ekspozycji.

To wszystko jest proste, jeśli sam robiłeś zdjęcia z tym samym sprzętem w tych samych okolicznościach. Ale astronomowie chcą robić lepiej.

Grupa astrofotograficzna na samym Flickr ma ponad 68 000 zdjęć, mówi Dustin Lang z Carnegie Mellon University w Pittsburghu i kilku kumpli. Te i inne obrazy stanowią dla astronomów ogromne źródło niewykorzystanych danych.

Problem polega na tym, że trudno jest dokładnie połączyć obrazy, gdy niewiele wiadomo o tym, jak zostały zrobione. Astronomowie przywiązują dużą wagę do sprzętu do obrazowania, w którym piksele wytwarzają sygnał proporcjonalny do liczby trafionych fotonów.

Ale tego samego nie można powiedzieć o aparatach cyfrowych powszechnie używanych przez amatorów. Wszelkiego rodzaju procesy mogą ostatecznie wpłynąć na ostateczny obraz.

Więc każdy algorytm, który je łączy, musi radzić sobie z tymi odmianami. Chcemy to zrobić bez konieczności wnioskowania o (prawdopodobnie wysoce nieliniowym) przetwarzaniu, które zostało zastosowane do każdego pojedynczego obrazu, z których każdy został zniszczony na swój własny kochający sposób przez jego twórcę, powiedzmy Langa i współpracownika.

Teraz ci faceci mówią, że to złamali. Opracowali system, który automatycznie łączy obrazy z tej samej części nieba, aby zwiększyć efektywny czas ekspozycji powstałego zdjęcia. I mówią, że połączone obrazy mogą konkurować z obrazami z większości profesjonalnych teleskopów.

Przetestowali to podejście, pobierając obrazy dwóch dobrze znanych obiektów astrofizycznych: galaktyki NGC 5907 i zderzającej się pary galaktyk — Messier 51a i 51b.

W przypadku NGC 5907 otrzymali 4000 zdjęć z Flickr, 1000 z Bing i 100 z Google. Wykorzystali system online o nazwie astrometry.net, który automatycznie wyrównuje i rejestruje obrazy nocnego nieba, a następnie łączy je przy użyciu nowego algorytmu, który nazywają Enhance.

Wyniki są imponujące. Mówią, że połączone obrazy NGC5907 (trzy dolne zdjęcia) pokazują niektóre z tych samych słabych cech, które ujawniły pojedyncze zdjęcie wykonane przez 11 godzin ekspozycji przy użyciu teleskopu 50 cm (górny lewy obraz). Wszystkie obrazy ujawniają ten sam rodzaj drobnych szczegółów, takich jak słaby strumień gwiezdny wokół galaktyki.

Połączony obraz dla galaktyk M51 jest równie imponujący, a wyprodukowanie go na jednym procesorze zajmuje tylko 40 minut. Ujawnia rozległe struktury wokół obu galaktyk, o których astronomowie wiedzą, że są szczątkami po ich grawitacyjnej interakcji, gdy się zderzają.

Lang i wsp. twierdzą, że te słabe cechy są niezwykle ważne, ponieważ pozwalają astronomom zmierzyć wiek, stosunki masowe i konfiguracje orbit zaangażowanych galaktyk. Co ciekawe, wiele z tych słabych cech nie jest widocznych na żadnym z obrazów wejściowych pobranych z Internetu. Pojawiają się dopiero po połączeniu obrazów.

Jednym z potencjalnych problemów z takimi algorytmami jest to, że muszą działać dobrze, ponieważ liczba łączonych obrazów wzrasta. Nie ma sensu, jeśli zatrzymają się, gdy tylko dostępna będzie znaczna ilość danych.

Pod tym względem Lang i spółka twierdzą, że astronomowie mogą spać spokojnie. Wydajność ich nowego algorytmu Enhance skaluje się liniowo wraz z liczbą obrazów, które musi połączyć. Oznacza to, że powinien dobrze działać na dużych zestawach danych.

Najważniejsze jest to, że tego rodzaju astronomia oparta na tłumach ma potencjał, aby wywrzeć duży wpływ, biorąc pod uwagę, że uzyskane w ten sposób obrazy rywalizują z obrazami z dużych teleskopów.

Można go również wykorzystać do obrazów historycznych, powiedzmy Lang i spółka. Na przykład Harvard Plate Archives zawiera pół miliona obrazów z lat 80. XIX wieku. Wszystkie zostały wykonane przy użyciu różnych emulsji, z różnymi ekspozycjami i opracowane przy użyciu różnych procesów. Tak więc wszystkie płytki reagują na światło w różny sposób, co sprawia, że ​​trudno je porównać.

To jest dokładnie problem, który Lang i spółka rozwiązali w przypadku obrazów cyfrowych w sieci. Nietrudno więc sobie wyobrazić, jak łatwo mogliby połączyć również dane z archiwów Harvardu.

Ostatnią kwestią jest to, że ten projekt jest otwarty dla każdego, kto wykonuje astrofotografie. Możesz je przesłać do nova.astrometry.net , gdzie zostaną połączone w mapę nieba typu open source. W zamian użytkownicy otrzymują opatrzone adnotacjami wersje swoich zdjęć, a także połączony obraz nieba, do którego się odnosi.

Nie tak dawno temu wydawało się, że era astronomów amatorów dobiega końca, ponieważ nowa generacja ogromnych teleskopów i obserwatoriów kosmicznych produkowała dane, których uzyskanie przez amatorów nigdy nie było możliwe.

Wszystko to się teraz zmienia. Niech żyje astronom-amator!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1406.1528 : W kierunku budowania mapy nieba z tłumu

ukryć