Ночное небо? Какое оно на самом деле?⁠⁠

Человек, живущий в современном городе редко смотрит на небо после заката. Разве что в периоды полнолуния может пару минут полюбоваться полным диском Луны. И тем сильнее его восторг, когда он выбирается ночью загород и может увидеть тысячи искрящихся звезд и протянувшийся через небосвод Млечный путь. Если ему ещё посчастливится взглянуть в небо сквозь окуляр более-менее приличного телескопа, то эмоции от увиденного запомнятся на всю жизнь. Давайте попробуем разобраться, какое преимущество нам даёт оптика, почему мы так мало видим в черте города и как с этим можно бороться. Причин тут несколько, но давайте по порядку

Самый очевидный ответ на нашу слепоту - влияние городской засветки. Вокруг нас постоянно светят окна домов, работает освещение улиц и промышленных объектов, а сам воздух имеет довольно скверную прозрачность как сам по себе, так и ввиду наличия в нем влаги и огромного количества пыли. Даже если поймать дни, например в период новогодних каникул, когда пыли в воздухе заметно меньше обычного, несколько километров атмосферы над нами решительно некуда деть и приходится с этим мириться. По мере того, как мы бы перемещались из крупного мегаполиса в небольшой город, потом в деревню, затем в чистое поле и, наконец, в горы, небо становилось бы всё темнее и с большим количеством звезд. По свидетельству людей, бывавших на высотах свыше нескольких километров над уровнем моря, особо яркие объекты неба становятся видны даже днём. Таким образом можно выделить следующие причины плохой видимости неба в городах

- влияние паразитной засветки вокруг

- влияние пыли и влаги в атмосфере, которая усиливает засветку

- влияние самой атмосферы как таковой

На картинке ниже прекрасно показан градиент яркости ночного неба в зависимости от места нахождения

На карте ниже показана ситуация с засветкой городов в наше время. Тенденция такова, что дальше будет только хуже.

Помимо вышеуказанных причин, есть и ещё одна, связанная с физиологией зрения человека. Человеческий глаз обладает очень широкими возможностями зрения в разных условиях освещенности. Мы обладаем вполне приличным зрением ярким днем и можем ориентироваться в пространстве глубокой ночью. Это называется динамический диапазон и у человека он лежит в пределах от 10^-6 до 10^8 cd/m^2, то есть, сoстaвляeт 100 000 000 000 000:1, или 14 порядков величины. Однако для "переключения" на ночное зрение требуется определенное время. Выйдя из под света фонаря в темное место мы будем видеть очень плохо, через несколько минут зрение станет заметно чувствительнее, а минут через 20-30 достигнет максимума своих возможностей. При этом, адаптированный к темноте глаз, попав под яркий свет буквально на 5 секунд теряет свою чувствительность и приходится снова выжидать время для адаптации.

Лично я по себе знаю, что находясь в центре своего города, без предварительной адаптации глаз вижу только самые яркие звезды на небе с видимой звездной величиной примерно до +2m, что соответствует блеску Полярной звезды, то найдя место хотя в 200-300 метрах от ближайших фонарей, я ту же Полярную нахожу уже вполне уверенно.

Итак, с этим вроде разобрались и я не думаю, что открыл для кого-то Америку. Однако ответ на следующий вопрос для очень многих людей часто становится откровением. Почему, выехав даже под темное небо, мы ничего кроме звёзд и Млечного пути не видим? Где же все эти планеты, галактики и туманности, фотографиями которых изобилует интернет. Вот здесь всё гораздо интереснее...

Во-первых, кое-что мы всё-таки видим. Просто не всегда можем это идентифицировать. Прежде всего это касается планет. Каждый год люди обращают внимание на яркий объект, видимый сразу после заката солнца в западной части неба либо на востоке ранним утром. Ещё в детстве, на летних каникулах я чуть ли не всё лето любовался им. Кроме того, что самая яркая звезда это Сириус, я ничего не знал, поэтому и решил что это именно он. Каково же было моё удивление, когда через год моего "Сириуса" на месте не оказалось)) Лишь спустя полтора десятка лет, я осознал что та вечерняя звезда была Венерой. И буквально неделю назад я узнал, что в мифологии древних римлян Венера носила имя Люцифер. В переводе с латыни Люцифер значит "несущий свет" и за счет того что планета предвосхищала восход солнца, она и получила такое название.

Вот одна из наших летних фотографий прошедшего 2021 года. Как видно, только-только наступили сумерки, однако Венера уже прекрасно видна даже на фото. Она чуть ниже и правее луны. В принципе, спутать её ни с чем невозможно. В то время когда она видна, звезды ещё не видно, а по мере того как появляются и другие звёзды, Венера садится за горизонт либо находится очень низко над ним.

Иногда ещё видно и Меркурий, но его блеск заметно меньше Венеры и период видимости значительно короче. Тем не менее, если знать в какие дни его видно, найти и его не составляет труда. Наблюдать его надо буквально через 15-20 минут после того как Солнце скрывается за горизонтом.

Куда проще обстоит дело с другими планетами. Юпитер, Сатурн и Марс в определенные моменты времени можно наблюдать чуть ли не всю ночь напролет. Среди этой троицы Юпитер сильно выделяется своей яркостью, которая сопоставима с яркостью той же Венеры. Сатурн и Марс потусклее, однако даже их легко заметить в черте крупного города. Чтобы разобраться где и что искать проще всего воспользоваться приложением-планетарием в телефоне, например, Stellarium. Даже с учётом того, что планеты движутся по небу, это движение достаточно медленное и найдя тот же Сатурн пару раз при помощи приложения, в дальнейшем вы сможете его находить самостоятельно. К сожалению, Уран и Нептун невооруженному глазу уже недоступны.

Так, с планетами вроде разобрались, поехали дальше. Если рядовому обывателю задать вопрос почему он не видит другие галактики, то с большой долей вероятности услышим ответ, что они очень далеко и соответственно очень мелкие. Чтобы их увидеть надо взять телескоп с большим увеличением и посмотреть уже в него. И это мнение в корне неверно. Нет, телескоп нам конечно поможет увидеть больше, но большое увеличение здесь совсем ни к чему. Более того, для некоторых объектов надо ставить увеличение минимально возможное для данного телескопа. И всё потому, что объекты глубокого космоса по угловым размерам очень большие, зачастую больше полной Луны, но при этом они очень тусклые. И проблема их наблюдения в том, что человеческий глаз просто не в состоянии зафиксировать их слабую яркость.

Ниже представлен коллаж нашего соотечественника, талантливого астрофотографа Дмитрия Селезнёва.

Коллаж собран из разных фотографий, но сделанных на один и тот же астросетап, т.е. с применением одного и того же телескопа и фотокамеры, и соответственно, с соблюдением пропорций угловых размеров. Что же мы видим? Галактика Андромеды (слева от Луны), будь она ярче, занимала бы площадь неба в несколько раз больше той же Луны. Да, на хорошем загородном небе глаз улавливает её как небольшое мутное пятнышко. Но лишь на фотографии, либо в действительно мощный телескоп с диаметром трубы в 400-500мм, мы в состоянии оценить её реальные размеры. Примерно то же самое и с Большой Туманностью Ориона, которая находится над Луной в самом верху. Невооруженным глазом можно заметить какую-то размытость ниже пояса Ориона, но идентифицировать её достаточно сложно. Так чем же нам в таком случае помогает телескоп?

Все мы знаем что человеческий зрачок может менять свои размеры в зависимости от условий освещенности. Ярким днем он сужается до пары мм, а в полной темноте расширяется до размеров порядка 7мм. Чем больше зрачок, тем больше света он пропускает к нашей сетчатке, которая формирует изображение в мозгу. Что же происходит, когда мы глазом смотрим в окуляр телескопа диаметром, например 200мм? А происходит то, что телескоп собирает свет с площади 31400 кв.мм. и "ужимает" изображение до площади всего 38,4 кв.мм., т.е. до размеров зрачка, одновременно увеличивая яркость всего изображения. Таким образом мы получаем выигрыш в яркости почти в 800 раз (!!). И ведь это с телескопом, который по любительским меркам, считается рядовым. Увеличивая диаметр апертуры телескопа, рост его "эффективности" происходит в квадратичной последовательности. Именно поэтому астрономы всего мира гонятся за увеличением диаметров своих телескопов. Больше зеркало телескопа - более тусклые объекты в него можно регистрировать.

Здесь стоило бы сказать, что не всегда дело только в яркости небесных объектов. За миллионы лет эволюции человеческий глаз приспособился регистрировать только небольшую часть спектра излучения Солнца, которую мы и называем видимым спектром.

Как видно, помимо того что мы видим глазом, полный спектр излучения лежит ещё немного в инфракрасной части и очень далеко в ультрафиолет. У других звезд полный спектр может смещаться в ту или иную сторону, в зависимости от их температуры, но в целом +/- они светят одинаково. Поэтому проблема наблюдения галактик кроется лишь в их малой поверхностной яркости.

Немного другая картина обстоит с туманностями. Вот спектр излучения вышеупомянутой Туманности Ориона

Пики её излучения видны достаточно явно и приходятся на длины волн в районе 500нм и 660нм. Так вот проблема в том, что чувствительность глаза в диапазоне На на частотах 656нм уже заметно снижается и мы это излучение просто не можем увидеть чисто физиологически. Точнее, можем, но о-о-чень слабо.

А почему и как получаются такие красочные фотографии космоса? Причин две. Первая из них - более широкий спектр волн, которые способна регистрировать матрица фотоаппарата. То что плохо видно глазу, фотоматрица видит без особых затруднений.

Второй момент связан с тем, что изображение в глазу "обновляется" примерно каждые 0,1 сек. В разных источниках эта цифра немного варьируется, но порядок её остаётся примерно таким же. А вот на фотоаппарате выдержку можно выставлять и 0,1 сек, и 10 сек, и 100 сек и вообще до бесконечности. На больших выдержках встает вопрос лишь точного позиционирования изображения на матрице, чтобы оно имело минимально возможное смещение по пикселям, но проблема вполне успешно решается даже любителями астрофото. Таки образом матрица собирает весь свет за время экспозиции и каким бы тусклым ни был объект, его обнаружение формально сводится лишь к вопросу времени. Как тут не вспомнить потрясающий результат работы космического телескопа Хаббл, который в 2003-04гг. получил изображение глубокого космоса с суммарной выдержкой порядка миллиона секунд.

Для обзора была выбрана область неба с низкой плотностью ярких звёзд в ближней зоне, что позволило лучше разглядеть более далёкие и тусклые объекты. Изображение охватывает участок неба диаметром чуть больше 3 угловых минут в созвездии Печь, что составляет примерно 1/13 000 000 от всей площади неба, и содержит примерно 10000 галактик. Если представить, что плотность расположения галактик вокруг нас примерно одинакова, что скорее всего так и есть, то суммарное число галактик на всей поверхности неба составило бы 1,3 триллиона галактик.

Ну и разберем последний вопрос, как можно немного почитерить при невозможности выезжать за город? Как было рассказано выше, пики излучения туманностей довольно крутые и лежат в строго определенных длинах волн. Современная промышленность выпускает специальные фильтры, которые пропускают свет только в этих частях спектра и вырезают всё остальное. Вот результат (причем далеко не самый лучший) использования специальных фильтров при съёмке в черте города. Какое фото сделано с фильтром, а какое - нет, я думаю, очевидно))

Выбор фильтров достаточно широкий как по функционалу, так и по производителям. Разница между ними хорошо видна на данном графике

Более дешевые фильтры (Optolong) имеют широкую полосу пропускания и значит вместе с полезным сигналом пропускают в глаз и бесполезный шум засветки. Более дорогие фильтры (Lumicon) обрезают спектр более точно и контраст изображения на небе становится лучше.

Здесь надо бы сделать поправку, что все светофильтры решают вопрос засветки только при наблюдении определенного рода туманностей. По галактикам, которые излучают в широком спектре, они не работают. Вот совсем.

Ну и подытожим всё вышесказанное.

1 Если мы хотим увидеть на небе больше, едем за город подальше и в горы повыше.

2 Помним про световую адаптацию глаз. На месте не сидим 20 минут, уткнувшись в телефон или постоянно в него заглядывая, а даём глазам максимально привыкнуть к темноте. Даже полная Луна светит настолько ярко, что про хорошую адаптацию в эти дни можно не думать, поэтому если едем загород спеиально, подбираем дни с наименьшей фазой Луны.

3 Даже если есть под рукой простенький бинокль, он покажет очень много. Для многих объектов ночного неба неважно большое увеличение. Если с собой телескоп, то начинаем с самых минимальных увеличений. Для той же Андромеды 40-60 крат вполне достаточно.

4 Человеческий глаз не стоит сравнивать с матрицей фотоаппарата. Даже простенькое фото ВСЕГДА будет "круче" того, что вы увидите глазками. Зачем вообще люди наблюдают небо глазами, это совсем другая история))

5 Даже если нет возможности куда-то ездить, ещё не всё потеряно. Хорошие светофильтры стоят денег, иногда немалых денег, но проблему засветки они частично решают. Хотя это тоже отдельная тема для разговоров и ждать от них чуда тоже не стоит.

За сим откланяюсь, спасибо если дочитали до конца. Если где неправ, прошу тапками не пинать и просто поправить. Я не астроном, просто увлеченный человек. Если есть какие-то вопросы по другим темам, с удовольствием выслушаю. Весь этот пост и последующие, если они появятся, являются небольшим черновиком для проведения тематических бесед с рядовыми людьми и сейчас мне важно понимать о чём ещё можно было бы интересно рассказать