Lavpristilgang til scanning af historiske glasplader giver en astronomisk overraskelse

Du ved aldrig, hvilke nye opdagelser der kan gemme sig i gamle astronomiske observationer. I næsten hundrede år fra slutningen af ​​det 19. århundrede, Emulsionsbelagt tør glaspladefotografering var den foretrukne standard, der blev brugt af store astronomiske observatorier og undersøgelser til at dokumentere og afbilde himlen. Disse store enorme glaspladesamlinger er stadig derude rundt om i verden, gemt i observatoriets biblioteker og universitetsarkiver. Nu, et nyt projekt viser, hvordan vi kan bringe historierne fortalt på disse gamle plader frem i lyset.

Mere end anslået 2,4 millioner glasplader er derude i samlinger alene i Nordamerika. Disse blev taget fra 1890'erne helt frem til 1970'erne, da CCD (Charged Couple Device) detektorer begyndte at komme online til astronomi. Af disse, kun anslået 400, 000 plader er blevet digitaliseret til forskning i kvalitet, mest bemærkelsesværdigt af DASCH (the Digital Access to the Sky Century på Harvard) og de internationale APPLAUSE (The Archives of Photographic Plates for Astronomical USE) projekter.

Et hold fra University of Chicago Department of Astronomy and Astrophysics, og Kavali Institute for Cosmological Astrophysics spekulerede på, om der kunne være en nemmere måde at bringe disse gamle plader ind i den moderne digitale æra.

"Pladescanningsprocessen er faktisk ret enkel, Will Cerny (University of Chicago) fortalte Universe Today. "Efter at vi har valgt en tallerken, vi sørger for, at overfladen er ren, så støvpartikler ikke bliver forvekslet med stjerner på det endelige billede. Derefter, vi indstiller vores scanner til den højeste kvalitet, vi kan, og producerer en billedfil. Træde i kræft, vi betragter scanneren for at være et videnskabeligt instrument:for hvert lille stykke information på pladen, får vi en digital gengivelse af mængden af ​​lys, der transmitteres gennem fotografiet. Derfra, vi uploader den resulterende fil til en hjemmeside, som kortlægger de himmelske koordinater på billedet, som også opretter en fil i et standardiseret format til astronomisk analyse."

Holdet henvendte sig til en nærliggende kilde, Yerkes-observatoriet. Til studiet, Yerkes Plate Digitalization Team ønskede en plade ideel til at kalibrere både stjernernes lysstyrke og himmelbaggrunden, dækker et skår af himmel placeret væk fra det galaktiske plan. Holdet ønskede også plader taget under fremragende himmelforhold, med lange eksponeringer, der afbilder et godt udvalg af galaktiske og ekstragalaktiske objekter for at måle begrænsende størrelse.

Beliggende ved bredden af ​​Genevesøen i det sydlige Wisconsin og bygget af den amerikanske astronom og teleskopmager George Ellery Hale i 1897, Yerkes Observatory huser også en samling på 150, 000-200, 000 glasplader. Selvom Yerkes er hjemsted for det store 40"-teleskop - den største operationelle refraktor i verden - blev de fleste af pladerne i samlingen taget ved hjælp af den 24-tommers Ritchey-reflektor ved Yerkes fra 1901 eller ved McDonald Observatory i det vestlige Texas.

Tiden og udnyttelsen af ​​glasplader til astrofotografering var ofte kedelig og besværlig. Tit, astronomer skulle tilpasse pladerne til at passe til bestemte kameraer i hånden ved hjælp af diamantskærere. Det, der derefter fulgte, var ofte en kold mørk nat ved okularet efter en ledestjerne, mens de nødvendige eksponeringer blev foretaget. Disse resulterende plader, imidlertid, tjene som en krønike af himlen, der spænder over næsten et århundrede.

Fortolkning af størrelsesskalaen på scanningerne og kalibrering af pladerne for faktorer som himmelglød, overfladelysstyrke og mætning (artefakter, der ofte introduceres ved fotografering og scanning) giver en begrænsende størrelse på +19, og scanningsprocessen opnåede en præcision på bedre end en tiendedel af en størrelsesorden i lysstyrke. For kontekst, et stort baggårdsteleskop kan typisk se ned til omkring størrelsesordenen +14 på en klar nat med godt udsyn, og moderne jordbundsundersøgelser som PanSTARRS-1 har en begrænsende størrelse på omkring 10, 000 gange svagere, omkring størrelsesordenen +24.

"Simpelheden i processen gør det muligt at digitalisere et stort antal plader på relativt kort tid, " siger Cerny. "Det har også den fordel, at det ikke kræver en brugerdefineret scanner, gør det tilgængeligt for teams uden midler til at designe eller købe en. Brugerdefinerede scannere er uoverkommeligt dyre. Hvis vores metoder kan generaliseres, så kunne fotografiske pladesamlinger fra flere observatorier gøres tilgængelige til brug i videnskabelig forskning."

Til sidst, holdet udvalgte omkring 50 plader, der opfyldte kriteriet for undersøgelsen. Holdet brugte en kommercielt tilgængelig Epson Expression 12000XL grafisk scanner, i høj grad fremskynde og strømline processen. Filer blev oprindeligt scannet som positive .TIFF-filer (med sorte stjerner på en hvid baggrund) og derefter gemt som FITS-filer, et format, som mange moderne astrofotografer kender. Det målrettede scanningsområde resulterede i et synsfelt på 1,5 grader bredt, omkring tre gange diameteren af ​​en fuldmåne. Utroligt nok, en af ​​de allerførste plader, der blev scannet af holdet (Ry60) taget i 1903, centreret om galaksen +10. størrelsesorden NGC 7331, der ligger 45 millioner lysår væk i stjernebilledet Pegasus, dukkede også op for en overraskende besøgende:en gæste-"stjerne" eller evt. supernova, ikke synlig i SDSS (Sloan Digital Sky Survey) sammenligningsbilleder. Hvis bekræftet, dette ville være den fjerde kendte supernova observeret i denne galakse.

"Vores team havde faktisk scannet et antal plader, før de slog sig ned på denne særlige plade (Ry60) til vores papir... vi havde i starten absolut ingen anelse om, at denne plade skjulte denne kandidatsupernova!" siger Cerny. "Vi gennemgik billedet af galaksen på pladen som en del af vores analyse, hvilket gik ud på at sammenligne pladen med et moderne billede af det samme himmelfelt. På et tidspunkt, vi blinkede (hurtigt skiftende) mellem de to billeder, og bemærkede, hvad der så ud til at være en stjerne på pladebilledet." Holdet eliminerede også andre potentielle falske positiver - såsom en asteroide, støvpletter eller en galaktisk klassisk nova – før du måler objektets lysstyrke, i overensstemmelse med en fjern supernova.

Nye mysterier på gamle glasplader

Hvad nytter gamle glaspladebilleder af himlen? Godt, flere nyere undersøgelser har vendt sig til rekorden, der dokumenterer himlen tilbage for over et århundrede siden. Da astronomer bemærkede en unormal dæmpning set i Tabby's Star KIC 8462852, de så på gamle glasplader fra samme region for at vise, at den mærkelige stjerne faktisk falmer over længere tidsskalaer. En anden undersøgelse kiggede på den nærliggende hvide dværg ved navn Van Maanens Stjerne og viste, at astronomer potentielt havde dokumenteret beviser for exoplaneter tilbage i 1917 - havde de vidst at lede efter det.

Ud over at se på stjernernes variabilitet over lange perioder, gamle plader åbner muligheden for at se på stjernernes astrometri eller stjernernes position og bevægelse via korrekt bevægelse over mere end et århundrede lang basislinje. Holdet brugte målinger fra Den Europæiske Rumorganisations Gaia-mission til sammenligning i undersøgelsen for at demonstrere netop denne teknik. Gaia udgav sit DR2 (Data Release 2) katalog med over 1,6 milliarder stjernepositionsmålinger i 2018, og blev for nylig offentliggjort med EDR3 (Early Data Release 3) den 3. december, 2020, med den fulde udgivelse til slutningen af ​​2021.

Til sidst, holdet og undersøgelsen demonstrerede en billig, men effektiv teknik til let at scanne astronomiske glasplader for at opnå kvalitet på forskningsniveau, ved at bruge kommercielt tilgængeligt udstyr, der er hyldevare. Holdet har også langsigtede planer om at gøre Yerkes pladescanninger og logbøger tilgængelige online for offentligheden via University of Chicago Librarys hjemmeside.

Det er bestemt besværet værd at bevare de gamle glaspladebilleder. Hvem ved, hvilke andre astronomiske opdagelser der venter på at se dagens lys.