Конкурс по космически изследвания „ Одисей Хвани астероид
Изтегляне 161.36 Kb.
|
- Навигация на страницата:
- Хвани астероид
- Резюме
- Въведение - Описание на проекта
- Методология на проекта
|
|
В Слънчевата система между Марс и Юпитер се движат хиляди огромни скали – астероидите. Астрономите ги изучават от 200 години и все още не сме успели да открием и изучим всички тези обекти. Това обаче, което сме научили за тях ни дава основание да мислим, че в близкото бъдеще те ще бъдат основен източник на природни ресурси за човешката цивилизация. Най-големите космически агенции – ЕКА и НАСА вече реализираха успешни космически мисии до астероиди. В проекта „Хвани астероид” ние представяме нашия поглед към един силикатен астероид, нашите телескопични наблюдения на този обект, резултатите от обработените изображения. Ние проследихме движението на този астероид в продължение на една нощ, като измерихме неговите екваториални координати. Тези данни изпратихме в Центъра за малки планети в Харвард, където се събират астрометричните наблюдения за астероидите. Измервайки промяната на блясъка на астероида, ние определихме, че неговата най-важна физическа характеристика, периода на въртене около оста е 2.7072 часа. Събрахме известната научна информация за астероида и на базата на това, което научихме, направихме предложение за космическа мисия до него. Проследихме движението на астероида за следващите 30 години и избрахме подходящ момент за изстрелване на космическа сонда до него. Така ние „хванахме” и изследвахме нашия астероид първо с един от големите телескопи на България, и след това планирахме неговото космическо „прихващане” с космически апарат в една бъдеща космическа мисия. |
Въведение - Описание на проекта
|
Земната цивилизация вече 50 години изследва Слънчевата система. Едновременно с голямото развитие на науката и технологиите, ние изчерпваме ресурсите на нашата планета: нефт, газ, руди, природни елементи с разнороден произход и състав. Стабилното развитие на космическите технологии, съчетано с енергийните и ресурсни проблеми на Земята, кара учените да се насочват към един богат на материя район в Слънчевата система – астероидния пояс [1]. Известните астероиди, номерирани до декември 2012 година са 347 481 [2, 3]. Един от тези обекти е в основата на нашия проект - астероидът 4844 Matsuyama (1991 BA2)[4]. Основната задача, която сме си поставили е да допълним известните научни данни за 4844 Matsuyama с резултатите от направените от нас астрометрични и фотометрични наблюдения на този астероид. По този начин ще допринесем за уточняване на орбитата на астероида и за доуточняване на неговия период на въртене. Един от резултатите, които ще постигнем е да допринесем за създаване на подробен “портрет” на обекта. Това би дало възможност да се разработи една истинска космическа мисия до него. Една бъдеща космическа мисия включва наземно изследване на астероида, разработване на идеен проект на космическа сонда и времева програма за реализирането на космическа мисия до астероида. Създаването на портрет на астероида Матсуяма е подготовка за реализация на първата част от една бъдеща космическа мисия до него.
|
Хипотези - Визирани идеи
|
Ние избрахме да изследваме астероид от Основния пояс, намиращ се между Марс и Юпитер. Астероидът 4844 Matsuyama е открит през 1991 год. от Уеда и Канеда от Коширо, Япония. На базата на 1161 наблюдения са изчислени орбитните елементи на астероида. От тях разбираме, че астероидът обикаля за 4.08 години около Слънцето. Най-близо до Слънцето е на разстояние 1.9926327 АЕ (Aстрономическата Eдиница е разстоянието между Земята и Слънцето) [4]. Астероидите се класифицират в три основни групи: въглеродни( 75%), силикатни (15%) и метални (5%). Има два вида класификации на астероидите по състав: на астронома Толен (по фотометрични наблюдения) и SMASSII (по спектрални наблюдения) [5, 6]. Астероидът 4844 Матсуяма е класифициран по спектрални наблюдения като въглероден [4]. Нашето изследване на този астероид включва наблюдения с телескоп на астероида в продължение на няколко часа. От получените изображения на астероида ние определяме екваториалните му координати ректасцензия (α - алфа ) и деклинация (δ -делта) - Фигура 1 .[7].
Фигура 1. Екваториални координати (http://astro-olymp.org/9.html) Ние направихме наблюдения на астероида в продължение на 6 часа с телескоп. Наблюденията обработихме със софтуер АСТРОМЕТРИКА, с който идентифицираме астероида и определяме екваториалните му координати [8]. Резултатите изпратихме в Центъра за малки планети в Харвард за присъединяване към базата от астрометрични данни за този астероид. Астеороидните изображения обработихме и с програмата MaxIMDL за определяне на периода му на въртене [9].
|
Методология на проекта
|
Започвайки работа по проекта ние решихме да действаме както би действала една космическа агенция – отговорно, планирайки и обмисляйки всички стъпки и дейности. Разпределихме основните дейности в екипа: проучвателна (литература и интернет-ресурси), научно-изследователска (астрономически наблюдения на избрания астероид, астрометрична обработка и фотометрична обработка на нашите наблюдения с цел определяне на периода му на въртене), планиране на дейностите на изследователската мисия до астероида, предложение за апаратура за сонда, която ще изследва астероида.
астероид за изследване. В литературата [1, 4, 5, 6] намерихме информация за движението, орбитните елементи, астероидните семейства, формата, размерите, химическия състав и класификацията на астероидите. За избора на подходящ астероид поставихме следните критерии: а) Химичен състав: Ние избрахме да изследваме представител на въглеродната група. Техният химически състав е предимно анихидратни силикати, хидратирани глинести минерали, органични полимери, магнетит и сулфиди.[5, 6] б) Орбиталното движение на астероида: Ние избрахме представител на вътрешната част от основния астероиден пояс (по-близката до Марс). в) Космически мисии до астероиди. [10]: Въглеродните астероиди са чест обект на космически изследване поради това, че те са богати на полезни за промишленността елементи и съединения. Ние също избрахме въглероден астероид.
телескоп, обработка на телескопичните изображение, изчисляване на екваториалните координати, определяне на периода на въртене на астероида Наблюденията проведохме по време на Международната лятна астрономическа школа по астрономия в Националната астрономическа обсерватория Рожен [11] в нощта на 5.07.2012 година с 50/70 Шмит телескоп със ССД-апаратура Фигура 2. 
Фигура 2. Участниците от екипа в Националната астрономическа обсерватория „Рожен” по време на лятната астрономическа школа, когато беше наблюдаван астероида (фотографията е от личен архив на В.Радева)
Фигура 3. Оптична схема на Шмит-телескопа. (http://nao-rozhen.org/telescopes/fr17.htm) Подготвихме ефемерида (таблица) с координатите на обекта и спазвайки процедурата за охлаждане на ССД камерата насочихме телескопа към областта от небето, в която трябваше да е астероида. Получихме 96 изображения на астероида. Използвахме червен „R” филтър, в който е най-чувствителна матрицата на ССД-камерата. Всяко изображение е снимано с продължителност 180 секунди. Направихме предварителна обработка на изображенията: изваждане на ток на тъмно и разделяне на плоско поле с цел да се изчистят изображенията от дефекти от различен произход. С помощта на компютърната програма Астрометрика идентифицирахме обекта. Измерихме го и изчислихме екваториалните му координати - ректасцензия и деклинация. Подготвихме доклад до Центъра за малки планети в Харвард, който съдържа информация за екваториалните координати. Нашите резултати станаха част от базата данни за движението на астероида и допринасят за по-точното определяне на орбиталните му елементи. С помощта на софтуера MaxIMDL направихме фотометрична обработка на изображенията с астероида. Измервахме промяната на блясъка на астероида поради неговото въртене около остта му. Така определихме периода на въртене на астероида. На базата на известните и получените от нас резултати допълнихме базата данни за него и разработихме първият етап от бъдеща космическа мисия до него.
Разработихме предложение за космическа мисия до астероида чрез изпълнение на пакет от определени дейности в рамките на 10 години. С помощта на информация от Лабораторията за реактивно движение на НАСА направихме една симулация на движението на астерода в близките 30 години [4]. Така можахме да определим подходящото време за изстрелване на космическа сонда до нашия астероид, времето за което да се извършват изследвания на астероида и времето за връщане на Земята. |
Провеждане на изследването
|
Обект на нашето изследване е астероидът 4844 Матсуяма. Процесът на нашето изследване на този астероид има теоретична и практическа част. Теоретична част: На основата на известната информация за астероида направихме подробен портрет на обекта. Той съдържа динамичните и физични характеристики на астероида. На Фигура 4. са представени орбитните елементи на астероида, изчислени на базата на наблюденията направени от откриването до април 2012 година [4]. 
Фигура 4. Орбитни елементи на астероида (http://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=4844+Matsuyama) На базата на орбитните елементи, като използвахме базата от данни на Лабораторията за реактивно движение на НАСА, създадохме орбитната диаграма на астероида за датата на наблюдението, която показва положението на астероида спрямо Слънцето, Земята, Марс и Юпитер. 
Фигура 5. Орбитна диаграма на астероида На базата на орбитните елементи, използвайки ресурсите на Центъра за малки планети в Харвард изчислихме ефемеридата – таблицата с положението на обекта за нощта на 5 юли срещу 6 юли 2012 година [13]. Тя ни беше необходима за провеждане на телескопичните наблюдения на астероида 4844.
Фигура 6. Ефемиридата на астероида Швейцарският астроном Беренд през 2004 година е направил фотометрични наблюдения на астероида и е определил периода му на въртене Р=2.7232 часа [14].
Таблица 7. Физични параметри на астероида от базата данни на Лабораторията за реактивно движение на НАСА (http://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=4844+Matsuyama) Това са единствените фотометрични наблюдения на този обект. Ние също направихме фотометрични наблюдения на астероида за да определим ротационния му период. За нас беше много важно да разберем дали нашият резултат е различен от този, получен от швейцарския астроном. Ако ние получим различен резултат, това би могло да се обясни със състояли си през последните 8 години сблъсъци на астероида с други тела, или промяна в движението му, вследствие на ефекта на Ярковски (под въздействие на слънчевото излъчване се променят характеристики на движението на астероида). Имайки пред вид спектрални наблюдения на астероида, той е класифициран като силикатен (по SMASSII класификацията). Практическа част:
Ние проведохме наблюдение на астероида на 5 юли 2012 година. Нашият екип започна работа по този проект още от началото на лятната ваканция на 2012 година. Наблюденията на този астероид, обект на проекта ни за европейския конкурс Одисей, бяха включени като част от наблюдателната програма на Лятната наблюдателна астрономическа школа на Варненската обсерватория.  
Фигура 6. Членовете на екипа на проекта –участници в Лятната астрономическа наблюдателна школа от 1 до 10 юли 2012 година в НАО-Рожен (личен фото-архив на В.Радева) Нашият екип проведе наблюдение на астероида 4844Матсуяма с Шмит телескопа на Националната астрономическа обсерватория – Рожен.
Фигура 7. Наблюдения с Шмит телескопа на НАО-Рожен(личен фото-архив на В.Радева) Подготовката на наблюдението включва запускане на системата за следене на движението на звездите на телескопа, охлаждане на ССД камерата, подготовка на звездните каталози за отъждествяване на звездните изображения, получаване на специални изображения (на „ток на тъмно” и на „плоско поле”) за изчистване на дефектите. Управлението на телескопа и камерата за получаването на астрономическите изображения извършвахме с програмата MaxIMDL. Ние използвахме само червен филтър, като всяко изображение беше получавано за 180секунди. 
Фигура 8. Управляване на телескопа и ССД-апаратурата за получаване на астрономическите изображения със софтуера MaxIMDL. Ние проведохме наблюдението в продължение на пет часа, като спазвахме изискването обектът по време на наблюдението да е 30о над хоризонта. Така получихме 96 изображения на област от небето, в която се намира астероида.
Фигура 9. Пакет от 96 ССД изображения на областта от небето, в която е астероидът
Много внимателно разгледахме движението на астероида през бъдещите 30 години. Предлагаме космическа сонда до него да бъде изстреляна на 16 май 2018 година. 
Фигура 10. Орбитна диаграма на астероида за времето на изстрелването на космическата сонда към астероида 
Фигура 11. Орбитна диаграма на астероида Тя ще ускорява около 600 денонощия, докато достигне 15 480 км/ч. Сондата е добре да има йонни двигатели. За времето, когато ще ускорява ще е израсходвала 165 кг от използвания за гориво газообразен химичен елемент ксенон. След всеки четири денонощия скоростта ще се увеличава с по 100 км/ч. Тя ще достигне фантастичната скорост 36 620 км/ч. Тази процедура вече е изпитана при космическата мисия DAWN до астероида Веста през 2007 година. Планираме сондата да пътува до астероида 3 години. Щом достигне до нашия астероид, нашата сонда ще остане на орбита около него една година. Ще отпътува до Земята около 1 януари 2022 година.
Фигура 12. Орбитна диаграма на астероида в активната фаза на работата на сондата 
Фигура 13. Орбитна диаграма на астероида за периода на насочването на космическата сонда към Земята След това ще поеме към Земята, до която ще стигне за около три години. Планираме изследването на върнатите проби и обработка на резултатите ще продължи около две годинии.
|
Анализ на данни
|
В резултат на телескопичните наблюдения на астероида ние получихме 96 дигитални изображения. За определянето на екваториалните координати на астероида и неговия ротационен период извършихме следните дейности: 1. Намиране на астероида в звездното поле. Използвахме астрономическия софтуер Астрометрика за да отъждествим астероида сред звездите във всяко изображение.
Фигура 14. Отъждественият астероид в звездното поле 2.С програмата Астрометрика определихме екваториалните координати ректасцензия и деклинация на астероида във всяко изображение.
Фигура 15. Процедурата за определяне на екваториалните координати на астероида за всяко от 96-те изображения Резултатите от нашите измервания са подготвени в отчет и изпратени в Центъра за малки планети в Харвард.
Фигура 16. Отчет с част от резултатите от астрометричните измервания на астероида Този отчет с резултатите от измерванията беше изпратен в базата данни на Центъра за малки планети в Харвард. 3.Подготовката за фотометрирането на астероида включва намирането в звездни каталози на пет звезди за сравнение, които трябва да имат звездна величина, близка до тази на астероида. Тези звезди не трябва да са променливи. Използвахме базата от астрономически данни, представени в звездни каталози ALADIN и Visier за да намерим подходящите звезди за сравнение. Подготвихме площадка със стандартни звезди за сравнение:
Фигура 17. Площадката с астероида и звездите за сравнение 4.С помощта на компютърната програма MaxIMDL направихме фотометрия на астероида, като получихме фотометричния файл.
Фигура 18. Фотометрия на астероида 
Фигура 19. Фотометричният файл на астероида
файл и получихме кривата на блясъка, фазираната крива и получихме, че периода на въртене на астероида около остта му е 2.7072 часа 
Фигура 20. Наблюдателната крива на блясъка на астероида, фазираната крива на блясъка и изчисленият период на върнене на астероида На базата на фотометричния файл ние изчислихме, че периодът на въртене на астероида е P= 0.112801 дена, което е равно на 2.7072часа. Амплитудата на блясъка е 0.449m (m е звездната величина на астероида в червения филтър). Така ние успяхме да направим наблюдения на астероида 4844 Матсуяма и да определим една от най-важните физически характеристики за всеки астероид-периода му на въртене. |
Разискване на откритията
|
Най-важната част в нашия проект са наблюденията на астероида 4844Матсуяма и обработката на изображенията. Нашият ръководител госпожа Радева ни научи да работим с голям професионален телескоп и ССД апаратура за получаване на дигитални астрономически изображения. Ние разучихме астрономически компютърни програми и с тях обработвахме изображенията на астероида. От една година работим в Международен ученически проект за търсене и проследяване на астероиди. Използвахме нашите знания и опит от работа по този проект за да направим измерване на положенията на астероида сред звездите - измерихме екваториалните му координати на всяко изображение. Ние избрахме да направим проект за астероид в Конкурса Одисей, защото знаем колко опасни за Земята и колко важни за бъдещето на Земята са тези обекти. И защото имахме опит в измерването на координатите на астероиди от участието ни в Международния ученически проект. Използвайки астрономическия софтуер Астрометрика, ние намерихме астероида сред звездите в изображенията. След това измерихме неговото положение на всяка снимка, като получихме неговите екваториални координати – ректасцензия и деклинация. След това подготвихме отчет до Центъра за малки планети. Изпратихме го в Центъра в Харвард, където се събират всички астрометрични наблюдения от професионалните астрономи и от астрономите-любители. Нашите измервания бяха приети и сега са част от базата с данни за астероида 4844Матсуяма в Центъра за малки планети в Харвард. Това беше много важно за нас – да знаем, че нашата работа, нашите измервания са полезни и че ще бъдат използвани от астрономите за да изследват движенията на астероидите. Втората важна част от работата беше да направим фотометрия на 96-те изображения на астероида. Разучихме компютърната прогама MaxIMDL и направихме фотометрия на астероида, като сравнявахме неговата яркост с яркостта на пет звезди – стандарти. Полученият фотометричен файл обработихме с астрономическата програма PERSEA и получихме периода на въртене на астероида. Нашият резултат е 2.7072 часа. Преди осем години астрономът Беренд е измерил период на въртене на астероида равен на 2.7232 часа. Разликата в резултата, който получихме ние, от периода на Беренд е 5.76 секунди. Тази разлика е много малка за интервала от време между изчисления през 2004 година от астронома Беренд период на въртене и 2004 година, когато ние измерваме периода. Тази малка разлика би могла да бъде обяснена с много леко забавяне на въртенето на астероида поради възможни гравитационни смущения поради преминаване до по-големи астероиди или поради ефекта на Ярковски [15]. 
Фигура 21. Eфектът на Ярковски би могъл да обясни забавянето на въртенето на астероида около остта му (http://osiris-rex.lpl.arizona.edu/?q=faq#t2n68) Ние смятаме, че нашите фотометрични измервания дадоха много добър резултат и можем да кажем, че сме определили сами една от най-важните физически характерисктики на астероидите – ротационния му период. Така заедно с астрометричните ни наблюдения, определения от нас ротационен период и известните орбитни елементи, ние имаме един пълен портрет на астероида 4844. Това би ни позволило да подготвим една космическа мисия до него, за да го изследваме отблизо. |
Заключение
|
В продължение на няколко месеца ние работихме като астрономи, като екип от учени в космическа агенция. Нашата цел беше да намерим всичко известно за един астероид, да го наблюдаваме и сами да определим важни за движението му и за природата му параметри. Ние избрахме астероида 4844 Матсуяма и го наблюдавахме с един от телескопите в Националната обсерватория „Рожен”. Измерихме неговите координати в 96 астрономически изображения. Направихме фотометрия на астероида и определихме една от най-важните физически характеристики – периода на въртене около остта му. Знаейки орбитните елементи, допринасяйки с нашите астрометрични наблюдения за уточняване на орбитата му, знаейки неговия състав, намирайки неговия ротационен период, ние предлагаме да се направи космическа мисия до него. Нашето предложение се основава на един пълен портрет за астероида Матсуяма, на една важна база с научна информация за астероида, в чието съставяне и ние имаме принос. Нашият проект нарекохме „Хвани астероид”. Ние смятаме, че успяхме да го хванем - първо в големия Шмит телескоп и след това чрез една бъдеща космическа мисия до него. На базата на знанията ни за този астероид ние симулирахме неговото движение във времето за да изберем най-подходящото време за изстрелването на космическа сонда до него. Ние планирахме тази космическа мисия така, че да можем възможно най-скоро да сме изследвали детайлно неговата повърхност, размери, състав. С тази космическа мисия ще се подготвим за едно бъдещо използване на ресурсите от нашия обект. |
Справки
http://www.space.com/51-asteroids-formation-discovery-and-exploration.html
http://www.minorplanetcenter.org/iau/lists/MPNames.html
http://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=4844+Matsuyama
http://astro-olymp.org/9.html
http://www.astrometrica.at/
www.cyanogen.com
http://www.esa.int/Our_Activities/Technology/NEO/Past_missions
http://nao-rozhen.org/index_bg.htm
http://nao-rozhen.org/telescopes/fr17.htm
http://www.minorplanetcenter.net/iau/MPEph/MPEph.html
http://obswww.unige.ch/~behrend/page5cou.html#004844
http://osiris-rex.lpl.arizona.edu/?q=faq#t2n68 |
Благодарност:
Изказваме нашата благодарност към доц. д-р Таню Бонев, Директор на ИА с НАО, на астрономите от Националната астрономическа обсерватория „Рожен” Динко Димитров, Пенчо Маркишки, д-р Галин Борисов, Андон Костов, на студентите по астрофизика от Университета в Единбург Вергил Йотов и Деница Съйнова, за предоставената възможност да работим с наблюдателната апаратура на Обсерваторията, за съветите, дискусиите, разговорите – за това, че ни показаха колко интересна и вълнуваща е работата на астрономите!
Благодарим на проф. Диана Кюркчиева от Астрономическия център на Шуменския университет, за предоставените лицензирани професионални компютърни програми ASTROMETRIKA и MaXImDL и за подкрепата при подготовката на проекта ни.
Хвани астероид
uploads -> За приемане чрез централизирано класиране на децата в общинскиte детски ясли, целодневни детски градини и обединени детски заведения на територията на община пловдив раздел І – Основни положения
uploads -> Българска федерация по тенис на маса „В”-1” рг мъже – Югоизточна България мъже временно класиране
uploads -> Временно класиране „В”-1” рг мъже – Югоизточна България
contest -> Конкурс по космически изследвания „Одисей" проект "Хвани астероид"
contest -> Engage and Inspire the European Youth in the Space Exploration through a Scientific Contest
contest -> Engage and Inspire the European Youth in the Space Exploration through a Scientific Contest
Сподели с приятели: