رصد نسبیت عام با عبور ستاره از کنار مشتری

برای آزمایش نظریه نسبیت عام انیشتین در آزمایشی خارق العاده شرکت کنید – و می توانید آن را از حیاط خانه خود انجام دهید، در پروژه ای شرکت کنید که انحراف نور به دلیل اثر گرانشی مشتری را اندازه گیری می کند.

به گزارش اورانوس و به نقل از اسکای اند تلسکوپ، نسبیت عام پیش بینی می‌کند که اگر نور ستاره‌ای از نزدیکی قرص سیاره مشتری عبور کند، 0.016 ثانیه کمانی منحرف می‌شود. ستاره شناسان این انحراف را در فرکانس‌های رادیویی اندازه‌گیری کردند، اما هیچ‌کس این کار را در ناحیه طیفی مرئی انجام نداده است. هم‌خطی تصادفی سه ستاره درخشان با مشتری در آبان 1402، این اندازه‌گیری را تنها با استفاده از تلسکوپ‌های کوچکی که تقریباً در هر نقطه‌ای از نیمکره غربی قرار دارند، ممکن می‌سازد. جمع‌آوری داده‌ها به ضبط مداوم تصاویر در طول چند ساعت در دو شب نیاز دارد. تجزیه و تحلیل داده‌ها موقعیت ستاره‌ها را از هزاران تصویر استخراج می‌کند و به دنبال آن مقادیر را در فواصل 30 دقیقه‌ای میانگین می‌گیرد تا نویز اندازه گیری را کاهش دهد. آزمایشی در آبان 1400 دقت لازم را نشان داد. از ستاره شناسان علاقه‌مند دعوت می‌شود تا داده‌هایشان را در این پروژه مشارکت دهند.

معرفی

انحنای نور ستاره‌ها ناشی از نسبیت عام از سال 1298 در نزدیکی خورشید اندازه‌گیری شده است، جایی که ضریب انحنا برای ستارگان واقع در نزدیکی خورشید آن 1.75 ثانیه است. انیشتین این روش را در سال 1295 پیشنهاد کرد، اما اخترشناسان به‌طور قابل‌توجهی ناامید بودند، زیرا رصد در طول کسوف کامل ضروری بود. این رویدادها خیلی معمول یا راحت نیستند و رصدها باید در طول چند دقیقه‌ی کسوف کامل انجام می‌شد. انیشتین همچنین پیشنهاد کرد که این اندازه‌گیری‌ها را می‌توان در طول روز بدون کسوف انجام داد، اما ثابت شده است که ناموفق بوده است.

سومین پیشنهاد انیشتین استفاده از مشتری به عنوان منبع گرانشی برای اثبات نسبیت عام بود. انجنای نور در آنجا حدود 100 برابر کوچکتر از انحنا نزدیک به خورشید خواهند بود، بنابراین فناوری در طول عمر او به اندازه کافی خوب نبود. تلسکوپ فضایی هابل در سال 1995 تلاش کرد انحنای ستاره‌ای نزدیک مشتری را اندازه گیری کند، اما هیچ نتیجه‌ای به دست نیامد. در حالی که تجزیه و تحلیل گایا شامل انحناهای ناشی از مشتری در محاسبه موقعیت ستارگان برای فهرست آن بود، اندازه گیری نوری مستقیم هرگز تکمیل نشده است.

یکی از مزایای استفاده از مشتری برای اندازه‌گیری انحنای نور ستاره‌ها این است که رصدگر می‌تواند تقریباً در هر نقطه از جهان از تلسکوپ استفاده کند، تا زمانی که ستاره درخشانی از فاصله ۱۰۰ ثانیه کمانی مشتری عبور کند در حالی که در ارتفاع بالا در آسمان صاف قرار دارد. عبور مشتری چندین ساعت طول می کشد، بنابراین زمان‌بندی حیاتی نیست و نویز اندازه گیری را می‌توان با تجزیه و تحلیل هزاران تصویر کاهش داد. همچنین ضروری است که ستاره مورد نظر با دو ستاره مرجع روشن همراه باشد تا بتوان مقیاس صفحه دقیقی را محاسبه کرد. از آنجا که هر ابزار به آرامی با دما تغییر می‌کند، بهترین ستاره‌های مرجع ممکن در یک خط قرار می‌گیرند و تغییرات در مقیاس صفحه نسبی را به حداقل می‌رساند.

تصادفاً، چنین مقارنه‌ای در شب 5 تا 6 آبان 1402 برقرار می‌شود. شکل 1 ستاره هدف و دو ستاره مرجع نزدیک مشتری را نشان می‌دهد. نزدیکترین فاصله با SAO 93016 در ساعت 10:45 به وقت ایران است، زمانی که تنها 25 ثانیه کمانی از مشتری فاصله خواهد داشت. گرانش مشتری باید انحراف ظاهری 0.0085 ثانیه کمانی ایجاد کند. این مقارنه نزدیک آخرین بار در سال 1307 رخ داد و تا سال 1485 تکرار نشد، بنابراین این فرصت باید اندازه گیری شود!

SAO 93016 (قدر 7.1) باید انحراف گرانشی 0.0085 ثانیه کمانی را نشان دهد، زیرا مشتری در آبان 1402 از نزدیکی آن می‌گذرد. ​​SAO 93015 (قدر 7.6) و SAO 93020 (قدر 8.3) ارجاعات خوبی برای صفحه ارائه می‌دهند. حرکت آهسته مشتری نسبت به ستارگان چندین ساعت اجازه می‌دهد تا تصاویر را بدست آورید.

پوشش زمین برای پروژه انحراف مشتری

نیمکره غربی زمین کاملاً برای رصد SAO 93016 در حالی که مشتری نزدیکترین نزدیک به خود را دارد، قرار دارد. جمع آوری تصویر در طی چند ساعت نویز اندازه‌گیری را کاهش می‌دهد.

جمع‌آوری داده‌ها

تلسکوپ‌ها، دوربین‌ها و پایه‌های آماتور برای ثبت تصاویر مورد نیاز برای این پروژه کاملاً مناسب هستند. الزامات ابزار در اینجا خلاصه شده است.

در دید جوی متوسط ​​(1 تا 2 ثانیه کمانی)، بهترین اندازه‌گیری موقعیت ستاره از استفاده از مقیاس صفحه نزدیک به 0.5 ثانیه کمانی بر پیکسل حاصل می‌شود. فیلتر Luminance به طور قابل قبولی انحرافات رنگی جو را کاهش می‌دهد زیرا اهداف در ارتفاع بالا هستند. اهداف روشن به این معنی است که گشودگی 100 میلی‌متری می‌توانند با استفاده از نوردهی‌های 1 ثانیه‌ای کار کنند. برای پیکسل‌های CMOS  2.4 میکرونی، تلسکوپ باید فاصله کانونی نزدیک به 1 متر داشته باشد، دقیقاً برای تلسکوپ شکستی 127 میلی‌متری f/8. برای پیکسل‌های CMOS 3.8 میکرونی، فاصله کانونی تلسکوپ ایده آل 1.6 متر است. طراحی تلسکوپ 200 میلی‌متری F/8 Ritchey-Chretien نیز حداقل اعوجاج را ایجاد می‌کند و بهترین کالیبراسیون‌ها را ارائه می‌دهد. از آنجایی که تصویربرداری در تمام طول شب انجام می‌شود، طراحی فیبر کربنی در به حداقل رساندن تغییرات کانونی کمک می‌کند. سایر ترکیبات تلسکوپ و دوربین ممکن است به خوبی کار کنند،

دوربین تصویربرداری باید CMOS باشد تا بتوان نرخ فریم در ثانیه (FPS) را حفظ کرد. فقط یک زیر فریم کوچک باید ذخیره شود، اما این هم هنوز به گیگابایت فضای ذخیره سازی نیاز دارد. از آنجایی که 13 دقیه این ستاره ها را از هم جدا می کند، حسگر CMOS باید حداقل 1600 پیکسل عرض داشته باشد. اکثر واحدهای آماتور این نیاز را برآورده می کنند. دوربین خنک شده ضروری نیست، زیرا نوردهی بسیار کوتاه است. از سوی دیگر، دوربین خنک‌شده ممکن است پایدارتر باشد و برای اندازه‌گیری دقیق مهم باشد.

از آنجایی که تصویربرداری از مشتری برای مشاهده اثر نسبیت عام تمام شب طول می‌کشد، پایه‌ای ایده‌آل یک چنگال است. استقرار استوایی آلمانی نیاز به مکث چند دقیقه‌ای دارد در حالی که ناظر پایه را بر روی نصف النهار می‌چرخاند. ردیابی خوب ستارگان را تقریباً در یک مکان روی حسگر نگه می‌دارد و از اصلاحات اعوجاج نوری بالقوه دشوار جلوگیری می‌کند. اگر مشتری یا یکی از ستارگان برای هدایت خودکار پایه تلسکوپ استفاده شود، اصلاحات اعوجاج نوری کوچک خواهد بود و به اکثر تلسکوپ‌ها اجازه می دهد تا به خوبی کار کنند.

روش دیگر برای به دست آوردن داده‌های ایده‌آل استفاده از فیلتر متان برای کاهش تابش خیره کننده مشتری است. اگر از پهنای باند وسیع استفاده شود، مشتری هنوز بسیار تاریک است و سه ستاره دیگر هنوز به راحتی با تلسکوپ 200 میلی‌متری ثبت می‌شوند. من احتمالا از دو تلسکوپ استفاده خواهم کرد، یکی با فیلتر و دیگری بدون فیلتر. این فرصت منحصر به فردی است، بنابراین نمی‌خواهم آن را هدر دهم!

تحلیل داده‌ها

از آنجایی که رصدها شامل تصاویر بسیار زیادی است، نوشتن برنامه‌ای برای یافتن خودکار موقعیت ستاره‌ها مورد نیاز است. دو روش وجود دارد؛ برازش منحنی یا مرکز جرم (Comm). از آنجایی که ستارگان بسیار درخشان هستند، نسبت سیگنال به نویز آنها از 100 تجاوز می‌کند. برنامه پایتون اثبات مفهوم CoM نوشته و با نتایج خوبی آزمایش شد، اما برازش منحنی هنوز در حال ارزیابی است. اگر کسی بخواهد با این برنامه کمک کند یا رابط کاربری گرافیکی خوب اضافه کند، کمک ارزشمندی خواهد بود.

پراکندگی درخشان مشتری باید کم شود، اما از آنجایی که ستاره هدف خیلی به مشتری نزدیک نمی‌شود، پراکندگی باید آسان باشد. این با ستارگان شبیه سازی شده روی تصاویر بایگانی شده مشتری ارزیابی می‌شود. عنکبوتی ثانویه باعث ایجاد مقداری پراکندگی اضافی می‌شود، اما این امر با ابزار شکستی وجود ندارد.

نتایج

ستارگان هدف ماه‌ها قبل از آبان قابل رصد هستند و فرصت‌هایی را برای آزمایش جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها فراهم می‌کنند. با دور مشتری، انحراف ستاره هدف در تحلیل نهایی باید صفر باشد، با عدم قطعیت بسیار کوچکتر از 0.0085 ثانیه کمانی. یکی از این آزمایش‌ها در آذر 1400 تکمیل شد. در حالی که این آزمایش از نوردهی‌های کوتاه استفاده می‌کرد، آزمایش‌های طولانی‌تر نیز باید به خوبی کار کنند.

با استفاده از تلسکوپ Ritchey-Chretien و دوربین CMOS با پیکسل های 3.8 میکرون، مجموعه ای از 216000 عکس با سرعت 20 FPS به مدت سه ساعت گرفته شد. برنامه پایتون با استفاده از محاسبات CoM تصاویر را پردازش کرد. مقیاس صفحه تعیین شده توسط دو ستاره بیرونی به طور متوسط ​​0.489 ثانیه‌کمانی/پیکسل است. مقیاس صفحه به آرامی تغییر می‌کرد زیرا تغییر دمای تلسکوپ بر فاصله کانونی آن تأثیر می‌گذاشت.

دوربین CMOS  45 درجه چرخانده شد تا امکان ذخیره تصویر کوچکتر فراهم شود. در اینجا نوردهی با استفاده از تلسکوپ 200 میلی‌متری f/8  0.05 ثانیه بود که منجر به مقیاس صفحه‌ای 0.489 کمانی/پیکسل شد. SNR تقریبی برای سه ستاره 200، 500 و 200 بود.

مقیاس صفحه ای که برای هر تصویر تعیین می‌شود در جداسازی ستاره‌های هدف اندازه گیری شده در همان تصویر ضرب شد. این اعداد به طور متوسط ​​در دوره های 30 دقیقه‌ای (36000 تصویر) محاسبه شدند. آنها با منحنی درجه دوم تناسب داشتند و انحراف استاندارد آن مقادیر 0.0025 بر ثانیه کمانی پیدا شد. این در مقایسه با انحراف مورد انتظار به اندازه کافی کوچک است که نتایج نهایی از سال 1402 باید قطعی باشد. بر اساس مشاهده 1.5 ثانیه کمانی، میانگین 30 دقیقه باید خطاهای موقعیت را به 0.003 ثانیه کمانی کاهش دهد، که مطابق با این آزمایش است.

نتیجه‌گیری

در آبان 1402، سرانجام می‌توان انحراف نوری ستاره‌ای ناشی از نسبیت عام در نزدیکی مشتری را اندازه‌گیری کرد. تلسکوپ‌های کوچک و دوربین‌های CMOS ارزان قیمت را می‌توان در هر جایی که پیوند قابل مشاهده است استفاده کرد، و ستاره‌شناسان آماتور تشویق می‌شوند تا تجهیزات خود را با استفاده از همان ستاره‌های هدف، در اوایل تابستان 1401 آزمایش کنند. نسخه بتا برنامه تجزیه و تحلیل برای عموم در دسترس خواهد بود. وقتی نتایج سایر آماتورها یا گروه‌ها با هم ترکیب شوند، نتایج نهایی باید حتی بهتر باشد.