Видимость DSO vs аппертура

[diant]

Люди, разъясните пожалуйста простую вещь, которую наверное все дипскайщики знают (я вот выпал).

DSO объекты имеют не блеск (как звезды), а определенную поверхностную яркость. Короче, они дают определенный поток света с единицы площади (I_DSO).
Само по себе свечение неба измеряется тоже определенным потоком света с единицы площади (I_SKY).

В таком случае выходит, что аппертура телескопа никак не влияет на видимость DSO, поскольку если I_DSO>I_SKY, объект будет выделяться среди фона неба, если же I_DSO<I_SKY, он будет тонуть в свечении неба.

Это простой вывод очевидным образом расходится с практикой. ПОЧЕМУ?

[CombaSoft]

Апертура нужна для получения большого увеличения без потери поверхностной яркости. Чем меньше разница поверхностной яркости объекта и неба, тем бОльший угловой размер он должен иметь, что бы его можно было заметить его глазом.
Для случая, когда поверхностная яркость меньше поверхностной яркости неба может помочь использование узкополосных фильтров - у туманностей есть пик излучения (который воспринимается глазом) , в этом диапазоне яркость туманности оказывается выше яркости свечения неба и туманность становится видимой либо проявляются ее детали, которые не были видны без использования фильтра.

[Mirali]

если IDSO>ISKY, объект будет выделяться среди фона неба, если же IDSO<ISKY, он будет тонуть в свечении неба.

Добрый день!
А можно услышать обоснование цитаты? Классики, вроде, ничего подобного не утверждали.
На видимость объекта на фоне влияет не уровень фона, как таковой, а соотношение характерного уровня ШУМА фона и уровня сигнала. Сам по себе равномерный фон ("пьедестал") спокойно вычитается и остается чистый сигнал. А вот шум фона действительно маскирует слабый сигнал. НО - отнюдь не делает невозможным его обнаружение. И увеличение углового размера слабого (малой поверхностной яркости) дипской объекта (а при равном выходном зрачке увеличение тем больше, чем больше апертура) является главным фактором, позволяющем увидеть слабую туманность или галактику в бОльшую апертуру.
Очень рекомендую книгу Щеглов П.В. Проблемы оптической астрономии - классика жанра.
С уважением, Мирали

[diant]

Спасибо! Получается, что теоретически видны ВСЕ DSO даже в небольшие инструменты, но глаз не может их ухватить, потому что слишком мал подъем над пьедесталом. И тогда требуется увеличить угловой размер DSO, тогда глазу становится легче его заметить.
...
Впрочем, есть еще мысль. А ведь увеличить угловой размер можно просто подняв увеличение даже на маленьком телескопе. Вых. зрачок при этом конечно будет уменьшаться, но разве это играет какую-то роль. Яркость DSO и фона неба будет падать пропорционально. Почему тогда люди гоняются за большой аппертурой, вместо того, чтобы смотреть DSO с большим уцвеличением?

[Алексей Юдин]

Шум приёмника снижает ЧКХ оптико-информационного тракта по сравнению с голой ЧКХ оптики с учётом одного лишь фотонного шума. Поэтому выгодно сместиться в область низших частот, т.е. при одинаковой яркости увеличить апертуру. Иногда помогает просто подъём увеличения при той же апертуре - "видность", "majesty factor" и т.п. всё из то же оперы - выгоднее понизить частоту чем максимизировать яркость.

[diant]

Алексей, ваш ответ мне не понятен. Вы можете сформулировать его главную идею другими словами, попроще?

[boguslav]

DSO объекты имеют не блеск (как звезды), а определенную поверхностную яркость. Короче, они дают определенный поток света с единицы площади (IDSO).
Само по себе свечение неба измеряется тоже определенным потоком света с единицы площади (ISKY).

     Разрешите мне вклиниться с позиции дилетантской логики... То, что апертура является светоприёмником - это доподлинно известно, стало быть она усиливает принимаемый поток света (яркость объекта DSO). А какой яркостью обладает фоновое свечение неба? В идеальных условиях оно воспринимается как чёрная материя, или приближённая к чёрной. Усиление светоприёмником чёрного фонового свечения и слабого потока света DSO, лишь содействует усилению контраста. И эти две разновидности свечения не могут возрастать и изменяться в одинаковом направлении (т.е, чёрное стремится к чёрному). А вот на засвеченном небе, фоновое свечение которого приближается по излучению и интенсивности к свечению DSO, добиться контраста невозможно по указанной вами причине синхронного усиления яркости... Как пример - на сильно засвеченном небе я не смог различить спутники Туманности Андромеды в 18". Этот же эффект сохранился бы как при меньшей апертуре, так и при большей... Угловой размер объекта здесь совсем не причём. Пусть оптики лучше сопоставят между собой эти 2 свечения (фоновое и объекта), и расскажут об их свойствах в процессе усиления их яркости... Если что-то сморозил - прошу сильно не бить. ))     

[Mirali]

Спасибо! Получается, что теоретически видны ВСЕ DSO даже в небольшие инструменты, но глаз не может их ухватить, потому что слишком мал подъем над пьедесталом. И тогда требуется увеличить угловой размер DSO, тогда глазу становится легче его заметить.
...
Впрочем, есть еще мысль. А ведь увеличить угловой размер можно просто подняв увеличение даже на маленьком телескопе. Вых. зрачок при этом конечно будет уменьшаться, но разве это играет какую-то роль. Яркость DSO и фона неба будет падать пропорционально. Почему тогда люди гоняются за большой аппертурой, вместо того, чтобы смотреть DSO с большим уцвеличением?

Добрый день!
Теоретически ВСЕ DSO "видны" невооруженным глазом, когда мы смотрим на небо - даже ДНЕМ! - в том смысле, что фотоны от них мы воспринимаем. Но вот выделить эти объекты на фоне шума наш инструмент (глаз + мозг) не в состоянии.
Чтобы выделить объект на фоне шума, нужно тем или иным способом "накопить" сигнал - то есть, увеличить количество воспринимаемых фотонов. Сделать это можно либо увеличив "время накопления" (что, естественно, скорее пригодно для фотографии или иных "накопительных" приемников - хотя и для визуала сигнал нужно "копить", вглядываясь в объект), либо увеличив апертуру - либо и то и другое одновременно. При этом мы копим как собственно сигнал, так и фон. Но фон сам по себе, как я уже писал, не страшен, страшен ШУМ фона, который маскирует сигнал. Когда мы увеличиваем количество принимаемых фотонов, пропорционально возрастает общее число "полезных" фотонов от объекта, а шум - в силу его случайной природы, тоже растет, но пропорционально всего лишь корню квадратному от количества принятых фотонов (накопили в 4 раза больше фотонов - шум вырос в два раза), поэтому отношение Сигнал/Шум возрастает. Эти и приводит к тому, что слабый объект удается зафиксировать.
Просто увеличив масштаб картинки, не добавив в нее фотонов, Вы особого выигрыша для объектов предельно малой поверхностной яркости не получите. Но, как и писал Алексей Юдин, иногда выгоднее (в противу тому, что было написано в старых советстких книжках для любителей астрономии) несколько поднять увеличение, при этом Вы немного затемните фон и на нем увидите более слабый объект. НО - это только в том случае, когда апертуры для обнаружения достаточно.
Так на не очень темном (подмосковном) небе я сравнительно легко вижу M51 в бинокль 10*50, но уже в 7*50 это удается на пределе возможностей. При этом в 8*30 уже не видно ничего. Однако, в темном месте и в 8*30 и в 6*30 M51 вполне видна.
Итак, апертура, темное небо и разумное увеличение.
И, еще раз, если Вы действительно хотите разобраться в этих вопросах, порекомендую книгу Щеглова.
С уважением, Мирали

[alexann]

Спасибо! Получается, что теоретически видны ВСЕ DSO даже в небольшие инструменты, но глаз не может их ухватить, потому что слишком мал подъем над пьедесталом. И тогда требуется увеличить угловой размер DSO, тогда глазу становится легче его заметить.
...
Впрочем, есть еще мысль. А ведь увеличить угловой размер можно просто подняв увеличение даже на маленьком телескопе. Вых. зрачок при этом конечно будет уменьшаться, но разве это играет какую-то роль. Яркость DSO и фона неба будет падать пропорционально. Почему тогда люди гоняются за большой аппертурой, вместо того, чтобы смотреть DSO с большим уцвеличением?

Выходной зрачок определяется параметрами глаза и его можно считать константой - 6мм (условимся, что будем использовать разные окуляры). Таким образом с ростом апертуры пучок собранного света расширяется, а выходящий - нет. При росте апертуры увеличивается количество собираемого света, а участок неба, с которого он собирается уменьшается.

[kosmosoved]

И, еще раз, если Вы действительно хотите разобраться в этих вопросах, порекомендую книгу Щеглова.

Сегодня увидел тему на форуме и немного решил почитать.
К стати, Щеглов не очень то и раскрывает эту тему, ссылаясь на других авторов. За то очень интересно было почитать его статью об астроклимате!

[Mirali]

Начиная с 7 страницы идет подробное изложение: фон, шум, сигнал, диаметр, квантовая эффективность время накопления.
Правда, в основном, для точечного источника, но показан и переход к протяженному, математика та же.
С уважением, Мирали

[kosmosoved]

Начиная с 7 страницы идет подробное изложение: фон, шум, сигнал, диаметр, квантовая эффективность время накопления.

А, это тоже читал. Но это было применительно к фотопластинкам. Там еще хорошо была раскрыта тема о применимости и эффективности телескопов с разным фокусным расстоянием. И получается, по Щеглову, наибольшим КПД обладают астрографы с F-7 ( 8 ).

[Mirali]

Но это было применительно к фотопластинкам.

Это не то, чтобы применительно к фотопластинкам, это физика и математика выделения сигнала на фоне шума любым приемником
А вот конкретные цифры - они действительно в применении к конкретным приемникам, в том случае, к фотопластинкам с конкретной квантовой эффективностью и нелинейностью отклика (необходимость некоторой минимальной экспозиции для выхода на линейный участнок). Именно для них получалось оптимально относительное отверстие 1/7 - 1/8. Для цифровых приемников типа CCD эта конкретика уже неактуальна, а базовая теория, естественно, остается верной.
Кстати, чтобы не создалось впечатления - автор всей той математики вовсе не Петр Владимирович, но на русском языке он изложил эти материи едва ли не первым
С уважением, Мирали

[kosmosoved]

сигнала на фоне шума любым приемником

Так я и не спорю) . Просто прокомментировал статью Петра Владимировича.

[Александр Анохин]

Апертура нужна для получения большого увеличения без потери поверхностной яркости.

Верно. Поверхностная яркость определяется не апертурой, а выходным зрачком.

[CombaSoft]

Спасибо! Получается, что теоретически видны ВСЕ DSO даже в небольшие инструменты, но глаз не может их ухватить, потому что слишком мал подъем над пьедесталом. И тогда требуется увеличить угловой размер DSO, тогда глазу становится легче его заметить.
...
Впрочем, есть еще мысль. А ведь увеличить угловой размер можно просто подняв увеличение даже на маленьком телескопе. Вых. зрачок при этом конечно будет уменьшаться, но разве это играет какую-то роль. Яркость DSO и фона неба будет падать пропорционально. Почему тогда люди гоняются за большой аппертурой, вместо того, чтобы смотреть DSO с большим уцвеличением?

Потому, что есть предел по яркости, который глаз еще может зарегистрировать. И чем меньше яркость у объекта, тем больше должны быть его размеры, что бы его можно было заметить.
Полагаю, что не имеет смысла опускаться ниже исходной яркости объекта, т.е. нет смысла наблюдать протяженные объекты на увеличениях большем, чем равнозрачковое - размеры объекта растут линейно, а поверхностная яркость падает в кдваратичной зависимости. Принимая за константу выходной зрачек, увеличить видимые размеры объекта, т.е. использовать бОльшее увеличение мы можем только при помощи роста апертуры.
В общем, нам нужно, что бы или была существенная разница по яркости меж отдельным мелким элементом и окружающим фоном или, при небольшом перепаде яркостей - бОльшие размеры самого наблюдаемого объекта. Можно в mspaint провести так сказать натурный эксперимент - закрасить каким-либо цветом площадь скажем 200х200 и на ней поставить точку цветом, который не на много отличается от фонового. Точку эту вы не увидите. Потом этим же цветом закрасить 100х200 из исходных 200х200, что б получить рядом два прямоугольника 100х200 и собщей границей по длинной стороне. С большой вероятностью, границу эту вы увидите. Это же можно отнести к восприятию разницы цветов например. Мне запомнился случай, когда мы с женой решили обновить шторы и пошли в магазин. Ей и девушке продавцу удалось на паре мелких лоскутков увидеть различие в тонах, мне же для того же результата пришлось посмотреть на пару шторин, которые висели тут же, т.е. мне понадобилась бОльшая площадь, что б различить разницу в оттенках.

[diant]

Всем еще раз спасибо! Мирали особенно. Щеглова я уже почитываю.

Но фон сам по себе, как я уже писал, не страшен, страшен ШУМ фона, который маскирует сигнал. Когда мы увеличиваем количество принимаемых фотонов, пропорционально возрастает общее число "полезных" фотонов от объекта, а шум - в силу его случайной природы, тоже растет, но пропорционально всего лишь корню квадратному от количества принятых фотонов (накопили в 4 раза больше фотонов - шум вырос в два раза), поэтому отношение Сигнал/Шум возрастает. Эти и приводит к тому, что слабый объект удается зафиксировать.

Да, теперь картина становится прозрачней.
CombaSoft, пример очень наглядный.
Ясно также, что для дипскайщика правильная адаптация глаз к темноте - очень важный фактор наблюдений. А она продолжается часа 2 у нормального глаза (чуйка в темноте растет). Не знаю, но наверное дипскайщики всё это на практике видят - что через час темноты на небе становится видно ощутимо больше, чем через 3 минуты адаптации.

[Mirali]

Ясно также, что для дипскайщика правильная адаптация глаз к темноте - очень важный фактор наблюдений. А она продолжается часа 2 у нормального глаза (чуйка в темноте растет).

Добрый день!
В принципе, все, конечно, так, но на практике два часа - это многовато. Полчаса, 45 минут - как правило, вполне достаточное время. По практике выездов в поля - приехали, начали вытаскивать и устанавливать инструменты, потом переодевание, раскладывание наблюдательных причиндалов - на все это уходит порядка получаса. За это время и оптика (для дипскай наблюдений) более-менее термостабилизируется, и глаза адаптируются к темноте. Чтобы адаптация СУЩЕСТВЕННО улучшалась после двух-трех часов пребывания в темноте - по себе не замечал.
С уважением, Мирали

[diant]

В принципе, все, конечно, так, но на практике два часа - это многовато. Полчаса, 45 минут - как правило, вполне достаточное время.

Согласен.
Приложу интересную страничку из одной старой книжки (Кекчеев. Ночное Зрение, 1942).
Из нее станет также понятно, насколько правильно поступают дипскайщики, которые берут с собой на выезды красные фонарики (и особенно те, которые светят ими друг другу в лицо!).

[nolv]

Приложу интересную страничку из одной старой книжки (Кекчеев. Ночное Зрение, 1942).

Как интересно. Прям рвет шаблон, оказывается для ускорения темновой адаптации надо посветить фонариком в глаза (даже белым).
Цифры в таблице это что за величины и как измерялись?