Ako poslať fotku rýchlosťou 0,1 kB/s na vzdialenosť 6 miliárd kilometrov

6

Ako sme urobili fotografie pri vôbec najvzdialenejšom objekte, aký sme kedy navštívili a ako sme ich na takúto obrovskú vzdialenosť poslali k nám späť? Nedeľník TOUCHIT vážne i nevážne. Nezviazané IT témy na tisíc spôsobov.

Nehlučné cvaknutie fotoaparátu, zaznamenávajúce niečo, čo žiadny človek ešte nikdy nevidel. Šošovky hľadiace do temnoty, tesne nad absolútnou nulou, počítač preklápajúci bity, zohrievaný a napájaný termonukleárnym generátorom.

Všetko elektronicky samočinne cvrliká a pripravuje sa na vyslanie binárneho signálu na viac ako 6,4 miliárd kilometrov dlhú cestu.

Tam ďaleko /Ilustrácia: Tangled Bank Studios/

Ťažko sa to intuitívne predstavuje. Tu na Zemi je napríklad Tokio, ktoré je od Slovenska zhruba 9000 km, považované za poriadnu diaľku. Aj keď je na opačnom konci planéty, tak ak by k nemu viedla priama diaľnica bez akejkoľvek zákruty, rýchlosťou 130 km/h by ste tam dorazili za 69 hodín. To nie je zas tak veľa.

Počuli ste už ale o Kušimovi? Bol to mezopotámsky účtovník, ktorý žil zhruba v roku 3200 pred našim letopočtom. Patrí k prvým ľudom, ktorých meno v histórii poznáme. Zachovalo sa zapísané klinovým písmom do hlinenej dosky starého obchodného kontraktu.

Ak by Kušim vo svojej dobe nasadol na auto a začal uháňať po 6 400 000 000 km diaľnici, tak ani dnes, po 5220 rokoch, by stále ešte nebol na jej konci. Ak by cestoval 24 hodín denne 365 dní do roka, do cieľa by mu zostávalo ešte zhruba 400 rokov.

Prazvláštne gravitačné spojenie telies Ultima a Thule, ktoré pred miliardami rokov vytvorilo Arrokoth /Foto: NASA/

Práve v tejto diaľke, za obežnou dráhou Pluta, na okraji Slnečnej sústavy, sa nachádza Ultima Thule, alias Arrokoth. Nevzdialenejší a zároveň najprimitívnejší objekt, aký sme kedy navštívili. Existuje v tichu viac ako štyri miliardy rokov, pričom nám odhalil viac z príbehu o tom, ako sa naša Slnečná sústava v počiatkoch formovala.

PROBLÉM OBROVSKEJ DIAĽKY, RÝCHLOSTI A ČASU

Ak sa chceme zrozumiteľnejšie zamerať na to, ako vlastne fotografie v obrovských diaľkach od Slnka a Zeme robíme a ako ich odtiaľ dostávame nazad na Zem, je potrebné si byť vedomý toho, o akú monumentálnu úlohu ide.

Cesta do hlbokého vesmíru je závislá na celé desaťročia neprestajne fungujúcich počítačoch a spoľahlivej komunikácii, pričom výzvy ktoré v tejto súvislosti riešime sú v mnohých ohľadoch celkom unikátne a na hranici dostupných technických možností.

Dôležitým poznatkom, o ktorom možno nemáte tušenia je, že drvivá väčšina medziplanetárnych sond, ktoré sme za celých 60 rokov existencie nášho kozmického prieskumu vyslali na rôzne misie, smerovala iba k bližším vnútorným planétam Slnečnej sústavy. Navštívili teda Mars, Venušu, Merkúr a prípadne kométy a trpasličie planéty z pásma asteroidov, začínajúceho tesne za Marsom.

Len 9 z viac ako 100 medziplanetárnych sond sa vydalo ešte ďalej, k vonkajším planétam Slnečnej sústavy, pričom ich cieľom bol predovšetkým Jupiter a Saturn. Na a napokon len 3 z nich, nám fotografické a iné dáta odoslali z ešte väčších diaľav, v podobe Uránu, Neptúnu a trpasličích planét a asteroidov z okraja Slnečnej sústavy, pri svojom nezastaviteľnom lete do medzihviezdneho priestoru.

Fotografia Neptúnu, ktorú urobil Voyager 2 v roku 1989. Pri našej jedinej návšteve tejto vzdialenej planéty /Foto: NASA/

Túto ďalekonosnú trojicu tvoria sesterské sondy Voyager 1 a Voyager 2, ktoré štartovali v roku 1977 a New Horizons, ktorý štartoval v roku 2006. So všetkými tromi dnes stále udržujeme komunikáciu, aj napriek tomu, že Voyager a jeho počítač má už viac ako 43 rokov.

Je veľmi potrebné, aby ste problematiku diaľky nehodili pri čítaní tohto textu len tak za hlavu. Väčšina ľudí totiž nemá dobrú intuitívnu predstavu o tom, ako sú vonkajšie planéty (Jupiter, Saturn, Urán, Neptún) výrazne viac vzdialené od tých vnútorných (Merkúr, Venuša, Zem, Mars). Obvyklé grafické znázornenia Slnečnej sústavy pre zjednodušenie používajú imaginárnu mierku a planéty sú rozprávkovo prakticky v rovnomernom zástupe za sebou.

Lenže tak to nie je. Pozrime sa na rozstupy v správnom pomere (samozrejme na úkor toho, že čiarky reprezentujúce planéty a Slnko sú enormne nadrozmerné). Aj keď Venuša či Mars sú od Zeme desiatky miliónov kilometrov ďaleko, z pohľadu Jupitera sú všetky malé vnútorné planéty viac menej pri sebe.

Jupiter je od Zeme vzdialený zhruba 5× tak ďaleko, ako Zem od Slnka. Označujeme to ako 5 astronomických jednotiek (5 AU), pričom nasledujúci Saturn je vzdialený dvojnásobok, teda 10 AU. Odstupy ďalších dvoch planét sú pri tom ešte viac masívne a v prípade Uránu sa vzdialenosť posunie na 19 AU a pri Neptúne narastie na 30 AU.

Návštevy najvzdialenejších planét sme vykonali preletom, pri ktorom sondy pri svojej obrovskej rýchlosti (cca 60 000 km/h) okolo doslova „prefrčia“ a pokračujú ďalej. Voyager preletel okolo Jupiteru dva roky po opustení Zeme (1979), okolo Saturnu po štyroch rokoch (1981), k Uránu mu cesta trvala deväť rokov (1986) a k Neptúnu dvanásť rokov (1989).

Zaparkovanie na obežnej dráhe cudzích planét si vyžaduje omnoho pomalšie priblíženie pod menším uhlom, čo je časovo výrazne náročnejšie. Zatiaľ tie najvzdialenejšie planéty, ktorých výskum sme vykonávali dlhodobo zachytením sondy na orbitu, boli planéty Jupiter a Saturn.

Sondám Galileo, CassiniJuno trvala cesta k nim 5, respektíve 7 rokov. Ak by sme v chceli zaparkovať na orbite ešte vzdialenejších planét, v závislosti od okolností by si to vyžiadalo dlhšiu cestu ako jednu alebo dve dekády.

New Horizons, ktorý smeroval k Plutu, dorazil vďaka svojej rýchlosti a priamej ceste „už“ za necelých 10 rokov a po prelete okolo tejto trpasličej planéty v roku 2015 pokračoval ďalej k okraju Slnečnej sústavy, kde stretol Ultima Thule.

New Horizons letí do diaľav /Illustrácia: Take 27 Ltd/

Problémom nie je len čas, ktorý sonda potrebuje na prílet. Táto obrovská vzdialenosť je problematická aj z hľadiska odozvy komunikácie, navigácie a fotenia ako takého.

Prenos dát a informácie je ultimátne obmedzený limitnou rýchlosťou svetla. V rámci pozemských vzdialeností nás to „trápi“ v rámci oneskorení na úrovni milisekúnd, avšak v rámci celej Slnečnej sústavy ide o úplne iné rády.

Latencia, ktorú v rámci takejto komunikácie označujeme ako RTT, teda Čas na cestu tam a späť (Round Trip Time), sa pohybuje na úrovni desiatok minút (vnútorné planéty), až niekoľkých hodín (vonkajšie planéty).

Pri komunikácii so sondami krúžiacimi okolo Saturnu ide o zhruba 2,5 hodiny, čo je čas, ktorý potrebujeme na vyslanie príkazové signálu sonde + čas kedy sa dozvieme či zareagovala. Ak chceme komunikovať so sondou pri ľadových trpasličích planétach ako Pluto, treba už počítať s 8 či 10 hodinami, no a na odpoveď od sondy Voyager 1, ktorá opustila Slnečnú sústavu, potrebujeme jeden a štvrť dňa.

Dátový prenos na takéto mamutie vzdialenosti je nevyhnutne z hľadiska objemu dát značne limitovaný a problematický. Napríklad zo Saturnu sme od sondy Cassiny preberali dáta rýchlosťou 20,1 kilobitov za sekundu (2,51 kB/s), zatiaľ čo New Horizons nám od Pluta tlačil dáta rýchlosťou už len 1,68 Kilobitov/s, teda 202 bajtov za sekundu.

Pluto a detail jeho pohoria foteného z paluby sondy New Horozons, pri prelete v roku 2015 /Foto: NASA/

Aj keď teda blízky prelet okolo Pluta sonda vykonala v júli 2015, celkom 6,25 GB vedeckých dát, vrátane fotografií, ktoré pri tom nazbierala a odfotila, sme postupne prenášali na Zem až do konca októbra roku 2016. Teda jeden a štvrť roku.

Keďže sonda New Horizons bola po skončení svojej hlavnej misie stále v dobrom a operačnom stave, rozhodli sme sa ju pri jej lete von zo Slnečnej sústavy ešte využiť a pokúšame sa ju zacieliť na iné chladné vzdialené objekty, ktoré v jej trase letu priebežne odhaľujeme.

Možnosti úprav kurzu sú vzhľadom na limitované množstvo paliva neveľké, avšak aj malé zážihy vo vhodnú dobu sa prevtelia do zmeny trajektórie, ktoré v čase mesiacov a rokov vyústia do odchýlky miliónov kilometrov.

V januári roku 2019 tak sonda preletela v tesnej blízkosti okolo Ultima Thule, alias Arrokothu, ktorý sa stal najvzdialenejším telesom, akým sme kedy navštívili.

Kvôli ešte väčšej vzdialenosti je prenos nazberaných dát ešte o niečo pomalší (cca 0,1 kB/s). Väčšinu tých najdôležitejších, vrátane najlepších fotiek, sme už úspešne preniesli. Prenos ale stále pokračuje, pričom už čochvíľa, niekedy v nasledujúcich týždňoch, by mal byť po viac ako jeden a pol roku úspešne zavŕšený.

Prečo to ale tak dlho trvá a ako to robíme?

AKO A ČÍM FOTOGRAFICKÉ DÁTA VLASTNE PRENÁŠAME

Komunikácia so sondami v hlbokom vesmíre je vykonávaná rádiovým, či presnejšie mikrovlnným signálom. Hlavným problémom je, že vzhľadom na gigantickú vzdialenosť je jeho energetická sila pri príchode na Zem mimoriadne maličká, takže na príjem sa vyžaduje veľmi citlivé vybavenie.

Vezmime si ten najextrémnejší prípad s Voyagerom 1, ktorého termonukleárna batéria napája počítač a vysielač napojený na parabolickú anténu s priemerom 3,7 metra. Pre dobrú intuitívnu predstavu sa pozrite na stenu miestnosti, v ktorej práve teraz sedíte. Bežná stena bytu/domu je vysoká 2,8 metra, takže kruhová anténa Voyageru je ešte o kus väčšia.

Voyager a jeho komunikačná anténa pri ceste hlbokým kozmom /Ilustrácia: NASA/

Voyager 2 nakladaný do ochranného krytu špičky budúceho raketového nosiča v októbri 1977 /Foto: NASA/

Signál vyprodukovaný touto anténou má silu 20 kW, pričom sa následne vydá na miliardy kilometrov dlhú cestu kozmom. Na Zemi sú ho schopné zachytiť tie najväčšie antény pre kontakt s hlbokým vesmírom, ktoré majú priemer paraboly 70 metrov (25 poschodová budova). Akú energiu zachytávajú? Nuž, 0,0000 00000 00000 00000 00247 kW.

To je príšerne málo a zrejme už dostávate predstavu o tom, prečo je prenos dát s takýchto obrovských diaľok tak extrémne pomalý. Všetko je to dané tým, že zoslabenie signálu je inverzne proporčné druhej odmocnine vzdialenosti.

Zrozumiteľnejšie povedané, sila signálu s každým zdvojnásobením vzdialenosti neklesne na polovicu, ale až na štvrtinu. Takže ak má naša sonda anténu s nejakou konkrétnou veľkosťou a výkonom, pomocou ktorej nám odosiela dáta od planéty Jupiter (5 AU) nejakou rýchlosťou X, tak v momente ako dorazí k Saturnu (10 AU), ktorý je dva krát tak ďaleko, bude dosiahnuteľná dátová priepustnosť štvrtinová.

Ak budeme pokračovať ďalej, fotku od skoro 4× vzdialenejšieho Uránu (19 AU) budeme pretláčať 1/13 rýchlosti oproti Jupiteru a v prípade Neptúnu, vzdialeného 30 AU, čo je 6× ďalej ako Jupiter, už len 1/36 pôvodnej rýchlosti.

Masívna 70 metrová parabolická anténa Hlboko vesmírnej siete NASA, blízko austrálskej Canberry /Foto: Chris Owen/

Povrch parabolickej antény, ktorá takýto slabý signál na Zemi zachytáva, musí byť mimoriadne precízne postavený.

V prípade 70 m antén, ktorých povrch má 3850 metrov štvorcových, nesmie byť odchýlka povrchu väčšia ako jeden centimeter. V prípade vnútorných častí, do ktorých sa signál zbiera, je presnosť ešte väčšia. Dichroické zrkadlá, respektíve filtre, ktoré sa používajú na rozdelenie frekvencií, už musia mať presnosťou na úrovni 5 až 15 mikrometrov.

Všetko to musí byť doplnené o vysokú presnosť natáčania paraboly ako takej. Zem rotuje okolo svojej osi rýchlosťou 0,004 stupňa za sekundu, takže takáto obria anténa musí byť schopná a takéto tisíciny stupňa svoju parabolu neustále nakláňať, pre zachovanie dobrej kontinuity signálu.

Hlboko vesmírny komunikačný komplex NASA v austrálskej Canberre. Pozostáva z jednej 70 metrovej antény, dvoch 34 metrových a jednej 26 metrovej /Foto: Robert Kerton/

V tejto súvislosti vás možno už neprekvapí, že na Zemi je len malý počet prijímacích systémov, ktoré komunikáciu s hlbokým vesmírom zvládnu. Tie najvýkonnejšie patria americkej NASA a európskej ESA. Oba systémy pozostávajú z troch centier, vybudovaných na rozličných miestach sveta (120° od seba), aby bolo možné pokryť kompletný 360° rozsah oblohy nonstop a zachytiť signál prichádzajúci na Zem z akéhokoľvek smeru.

Tie európske systémy, označované ako ESTRACK, používajú 35 m parabolické antény, ktoré stačia pre európske misie na Marse a takisto pre chystané misie k Jupiteru, naplánované v tejto dekáde (Jupiter Icy Moons Explorer). Nachádzajú sa v dedinke New Norcia v Austrálii, v oblasti Cebreros v Španielsku a v mestečku Malargüe v Argentíne.

Systémy americkej NASA, nazývané ako DSN, teda „Hlboko vesmírna sieť“ (Deep Space Network) sa nachádzajú v blízkosti kalifornského mestečka Barstow (oblasť Goldstone), pri austrálskej Canberre a pri španielskom Madride. Keďže misie NASA smerovali aj k Jupiteru, Uránu, Neptúnu, Plutu a ešte ďalej, tieto systémy obsahujú okrem 34 a 24 m parabolickej antény vždy aj jednu 70 m.

Systémy Číny, Ruska, Indie a Japonska sú menej pokročilé, alebo v prípade Ruska mimo prevádzky. Dôvodom je, že tieto krajiny nikdy nemali, alebo v súčasnosti nemajú aktívne misie k vzdialenejším planétam či iným objektom.

Sústreďovanie signálu parabolou do centrálneho bodu a následný spätný odraz do internej štruktúry, kde sa rozdeľuje na jednotlivé frekvencie a interpretuje /Ilustrácia: ESA/

Prakticky všetky antény pre komunikáciu s hlbokým vesmírom fungujú na rovnakom princípe. Používa sa Cassegrain dizajn, kde tanier parabolickej antény sústreďuje signál z veľkej plochy do jedného spoločného bodu, podobne ako keď lupou dokážete nazhromaždiť slnečné svetlo do zapaľujúceho centrálneho bodu.

Parabolická anténa skrátka funguje ako reflektor, ktorý signál z celej svojej plochy odrazí sústredený do centrálneho bodu. V starších anténových systémoch je tento bod nad anténou, kde sa spracuje a následne putuje optickým káblom do dátového centra v základni či inej obslužnej budove.

Novšie antény systémov DSN či ESTRACK používajú doplnkový odraz nad anténou (čo sa označuje ako Beam Waveguide systém), pri ktorom je sústredený signál odrazený smerom dole do centrálneho otvoru a spracovateľského centra v základni. Je to o dosť praktickejšie z dôvodu, že všetko citlivé vybavenie je v základni a teda obslužnej budove vysielača, čo robí opravy aj údržbu omnoho jednoduchšie.

Keďže prijímacích staníc je obmedzené množstvo, prebiehajúce medziplanetárne misie sa o tieto prostriedky musia deliť. Na tejto stránke môžete vidieť, s akou misiou/sondou momentálne ktorá parabolická anténa komunikuje (smer vlnky označuje či signál prijíma alebo vysiela).

AKO SIGNÁL A PRENOS DÁT VLASTNE VYZERÁ?

Signál, ktorý NASA aj ESA používa pre komunikáciou so sondami v hlbokom vesmíre, patrí do mikrovlnného spektra. Konkrétne má frekvenciu v okolí 2,3 GHz alebo 8,4 GHz, čo je veľmi podobné rozsahu, aký používa vaša domáca Wi-Fi (2,4 alebo 5 GHz).

Na rozdiel od nej však kozmický signál používa BPSK moduláciu, teda kľúčovanie pomocou binárneho fázového posunu (Binary Phase Shift Keying).

To môže na prvý pohľad znieť zložito, ale ide o najzákladnejšiu metódu modulácie, používajúcu len dve fázy posunuté o 180° (Wi-Fi používa komplexnejšiu kvadratickú moduláciu).

Vizuálna podoba prijímaného signálu kľúčovaného pomocou binárneho fázového posunu /Foto: Jet Propulsion Laboratory/

Takýto rudimentárny binárny signál zvládne modulovať v jeden moment len jeden bit a z princípu tak nemôže mať vysokú dátovú priepustnosť. V rámci hlboko vesmírnej komunikácie to ale nie je tak podstatné, pretože signál je mimoriadne slabý a cenný.

Omnoho dôležitejšie je, že takýto signál je najviac odolný proti ruchom a poškodeniam. Na to, aby demodulátor začal odhadovať a konštruovať dáta zo signálu zle je potrebný už masívny stupeň zničenia vlny ako takej.

Signál putuje z týchto diaľok na Zem vo forme toku jednotiek a núl pričom z dôvodu rôznych prekážok, ako je kozmický prach, ionizovaný plyn, alebo elektromagnetické ruchy spôsobené aktivitou Slnka či iných planét, dorazí na Zem vždy nejako poškodený.

Pre zachovanie dátovej konzistencie používame tak ako aj v iných prípadoch automatickú detekciu a korekciu bitov, vykonávanú na základe malej doplnkovej opravnej informácie.

Jednoduchý príklad korekcie chýb je kontrolný súčet vo forme 5 + 7 = 12, kde práve súčet „12“ zabezpečí, že vaše dáta v podobe „5“ alebo „7“ bude možné obnoviť, ak jedno z týchto čísiel kvôli chybe nedorazí.

V realite sa pravdaže používajú efektívnejšie matematické metódy. Pre vesmírne misie sa už od éry Voyageru (70. roky) používa tzv. Reedov–Solomonov (RS) kód, ktorý sa mimochodom stal mimoriadne populárny aj v rámci IT odvetvia ako celku a proti chybovosti vás chráni aj pri čítaní optických CD, DVD a Blu-ray médií a takisto pri skenovaní QR kódov.

Súčasná podoba centra pre riadenie letových operácii v rámci Jet Propulsion Laboratory, do ktorej putuje signál zachytený Hlboko vesmírnou sieťou antén . /Foto: NASA/

Okrem chýb spôsobených obrovskou cestou naprieč Slnečnou sústavou signál vo finále zmasakruje aj atmosféra Zeme. Nejde len o narazenie do dažďa, či iných objektov, ale aj samotných molekúl vzduchu, čo spôsobí veľký fázový posun, ktorý nazývame ako bit-flips, teda otočenie bitov. Všetky jednotky sa pri ňom zmenia na nuly a všetky nuly na jednotky, takže signál pri interpretácii musíme prevrátiť.

Pravdaže, nie vždy je možné opraviť úplne všetky chyby signálu. V prípade misií vo vonkajšej časti Slnečnej sústavy očakávame, že prijatý signál obsahuje zhruba 5 chybných bitov na každý jeden milión prijatých.

AKO VEĽMI ŤAŽKÉ JE FOTIŤ TAK ĎALEKO OD ZDROJA SVETLA?

Pozrime sa teraz na samotné fotenie, pričom pomerne logickou otázkou je, ako je to vlastne so svetlom.

Hviezda ako je Slnko je masívny objekt. Má priemer 1,39 milióna km a v porovnaní s ním je naša 12 000 km planéta ako drobná smietka, ktorá by sa do neho vošla v zhruba 1,3 miliónoch kópií. Na Zemi tak Slnko na oblohe stále vidíme poriadne veľké, aj napriek tomu že je 150 miliónov kilometrov ďaleko.

Ak by ste ale sedeli na palube sondy Voyager, alebo sondy New Horizons a otočili by ste hlavu smerom k Slnku, videli by ste, že nevyzerá vôbec povedome.

Zo vzdialenosti 7 miliárd kilometrov (New Horizons), či dokonca 22 miliárd kilometrov (Voyager 1), je už masívny rozmer Slnka pod rozlišovacou schopnosťou nášho oka. Začneme ho tak vnímať presne ako všetky ostatné hviezdy na oblohe – ako bod.

Približná podoba Slnka z pohľadu ľudského zraku zo vzdialenosti 6 miliárd kilometrov

Z tohto by sa dalo odvodiť, že pri takto vzdialených objektoch, ako je Arrokoth, Pluto alebo napr. Eris, je prakticky tma. Vieme predsa, že pod našou nočnou oblohou s bodkami vzdialených hviezd si knihu neprečítame.

Nuž, to, že jas Slnka sa na takúto vzdialenosť obrovsky zníži je v základe pravda. Ako sme už v súvislosti so silou rádiového signálu uviedli, pre intenzitu žiarenia svetla, zvuku, alebo šírenia fyzikálnych polí, či už elektromagnetického alebo gravitačného platí, že jeho intenzita klesá s druhou mocninou vzdialenosti od zdroja. Zdvojnásobenie vzdialenosti preto intenzitu prijatej energie na konkrétnu plochu nezmenší o polovicu, ale až na štvrtinu.

Z tohto dôvodu sa už nemôžu sondy letiace za Jupiter spoliehať na solárne panely, keďže fotónov dopadajúcich na plochu niekoľko metrov štvorcových je už príliš málo. Energiu preto sondy musia vyrábať inak, konkrétne termonukleárnym generátorom.

Avšak zdanlivo bezrozmerný bod v podobe Slnka je aj z tejto vzdialenosti stále poriadne jasný. Ak by ste stáli na Plute alebo na Ultima Thule, videli by ste, že Slnečná bodka je nielenže výrazne jasnejšia, ako všetky ostatné hviezdy. Bolo by pre vás aj dosť nepríjemné sa priamo na ňu pozerať, pretože by to pripomínalo pohľad do laserového ukazovadla.

Kľúčová otázka ale je – produkuje tento bod dosť svetla na to, aby ste z okna New Horizontu videli Pluto alebo Ultima Thule aj na vlastné oči? Mohli by ste tieto planéty a telesá odfotiť napríklad aj svojim smartfónom, keby ste leteli okolo?

Reálne video preletu sondy New Horizons rýchlosťou 60 000 km/h okolo Ultima Thule. Je zložené zo 14 fotografií, zo vzdialenosti cca 8000 km od telesa, ktoré v rýchlom slede vytvorila sonda svojim navigačným fotoaparátom

Odpoveď zistíme pomerne jednoducho. Ultima Thule, alias Arrokoth bol v dobe fotenia 6,47 miliardy kilometrov od Slnka, teda zhruba 43× ďalej, ako sme od Slnka my na Zemi.

Ak 43× väčšiu vzdialenosť od zdroja svetla vynásobíme druhou mocninou, zistíme, že Slnko je pri Ultima Thule zhruba 1850× menej jasnejšie, ako na našej planéte. Respektíve, na Ultima Thule dopadá len 0,00054% nášho pozemského jasu.

Menej ako tisícina vyzerá ako poriadne málo. Ide však o veľmi zaujímavú vec a pokaľ ste nad ňou nikdy nepremýšľali, bude pomerne dosť neintuitívna. Naše oči sa prispôsobujú zmenám jasu veľmi dobre a náš biologický vizuálny vnem rozdiel medzi denným svetlom a takmer úplnou tmou výrazne zmenšuje. Pokles jasu vnímame menej citlivo, ako v realite je.

V našich očiach 1850-násobné ubratie denného jasu stále vyzerá ako pomerne dosť svetla. Ako konkrétne? Nuž, je to presne také množstvo, ako máte doma večer v obývačke, keď si zasvietite 100 W žiarovku, respektíve 15 W LED žiarivku (1500 lumenov).

Takže keď New Horizont fotil Arrokoth, bolo to z hľadiska dostupného svetla prakticky rovnaké, ako keď si vy fotíte večer doma niečo v izbe.

Váš fotoaparát takýto veľký rozdiel v svetelnosti pravdaže cíti. To je dôvod, prečo vonku za jasného dňa odfotíte so smartfónom vždy ostrejšie a krajšie fotky, ako večer doma.

Fotografia Arrokothu, alias Ultima (väčšia časť) a Thule (menšia časť). Po tej dlhšej strane je veľký zhruba 36 km, takže na jeden koniec by sa dala umiestniť Bratislava a na druhý Trnava a boli by od seba tak ďaleko ako tu na Zemi /Foto: NASA/

Aby smartfón, respektíve jeho fotoaparát, tento svetelný rozdiel čiastočne kompenzoval, musí na svoj detekčný čip zbierať svetlo dlhšiu dobu. Zatiaľ čo vonku za jasného dňa mu stačí otvoriť uzávierku na 1/1500 sekundy, večer doma pri žiarovke potrebuje obvykle 1/60 sekundy, teda 25× viac času.

To je mimochodom aj dôvod, prečo fotku pri vnútornom osvetlení rozmažete výrazne častejšie, ako vonku. Vaša ruka sa skrátka za takto dlhú dobu nezriedkavo pohne.

AKÝ FOTOAPARÁT FOTKU ARROKOTHU (A PLUTA) VLASTNE ROBIL?

Kozmické fotoaparáty prieskumných sond sú z hľadiska rozsahu a presnosti zaznamenávaných dát značne pokročilejšie, ako fotoaparáty s ktorými sa bežne stretávate.

New Horizont má na palube tri, avšak väčšina fotiek, ktoré ste videli v súvislosti s Plutom, alebo Ultima Thule, bola fotená len jedným z nich. Konkrétne tým, ktorý robí snímky s vysokým rozlíšením aj v rámci štandardného viditeľného spektra (druhé dva sú určené na diaľkový prieskum a pre ultrafialové svetlo).

Tento hlavný fotoaparát, s prezývkou Ralf (zvyšné dva sa volajú Lorri a Alice), sa z hľadiska základného princípu fungovania pravdaže podobá fotoaparátu vo vašom smartfóne či lepšie povedané v pokročilej zrkadlovke. Ak by ste chceli počuť nejaký bežne znejúci foto-parameter, ide o 75 mm apretúru s clonovým číslom f/8.7.

Fotoaparát Ralf sondy New Horizons. Čierny kruh vpredu je objektív. Tanier v hornej časti je regulátor tepla /Foto: NASA/

Už podľa fotky si ale môžete všimnúť, že je značne robustnejší, ako štandardné fotoaparáty do ruky. V prvom rade musí byť mimoriadne odolný a spoľahlivý z hľadiska prítomnosti kozmickej radiácie a takisto veľkých zmien teplôt.

Jeho interný box s elektronikou je vyhrievaný (teplom z termonukleárnej batérie) na zhruba 17 °C. Avšak optická sústava ako taká je priamo odhalená voľnému kozmu, pričom teploty konštrukcie sa pohybujú na rôznych miestach na úrovni -53 až -98 (časť na detekciu infračerveného svetla je ešte špeciálne podchladená pod teploty -140 °C).

To, že fotoaparát vyrobíte na teplej Zemi a následne ho pošlete na 10 rokov dlhú cestu k Plutu, v obrovskom mraze, sa nevyhnutne podpíše na teplotnom rozťahovaní a sťahovaní jeho konštrukcie. Fotoaparát je z tohto dôvodu nemechanický a vyrobený z väčšej časti len z jediného materiálu – hliníka.

Nejde pri tom len o obvodové steny ale aj o odrazové zrkadlá jeho optiky (diamantmi vybrúsený hliník do zrkadlového lesku). Vďaka tomu je zabezpečené, že všetko sa zmenší pod vplyvom teploty rovnakým tempom a o rovnaký kus a optické nastavenie zostane zachované. Z hliníka nie sú vyrobené len sklenené šošovky, CCD snímač a obslužná elektronika.

Keďže optika sa nehýbe, na rozdiel od bežných fotoaparátov nemôžeme robiť jeho manuálnu konfiguráciu pri zmenách podmienok. Nie je to však treba. Kozmické fotoaparáty sú obvykle už presne nastavené na konkrétne podmienky svojej prevádzky, teda v prípade New Horizontu na svetelnosť Pluta. A to nie len pri fotení z osvetlenej strany, ale aj z nočnej, kde sa využívalo len odrazené svetlo od mesiaca Cháron. Celý fotoaparát váži 10,5 kg a v priemerne potrebuje na prácu 6,3 W. Jeho návrh a stavba trvala dva roky.

Veľkostné porovnanie obrazových CMOS/CCD čipov smartfónu, pokročilej zrkadlovky a kozmického fotoaparátu sondy New Horizons

Tou úplne najväčšou odlišnosťou oproti štandardným zemských fotoaparátom je, že obrazový detektor nie je reprezentovaný len jedným CMOS alebo CCD čipom, ale siedmimi. Tie pri tom nemajú tak ako v štandardných fotoaparátoch takmer tvar štvorca, ktorý prakticky odfotí celú fotku naraz v jeden moment, ale tvar tenkého obdĺžnika, ktorý funguje podobne, ako skener.

Celá sonda pomaly rotuje a s fotoaparátom sa miniatúrne otáča, pričom postupne skenuje oblohu pred sebou ako kopírka papier položený na svojom skle. Výsledkom celého procesu je, že fotografia má nielen ďaleko vyššie rozlíšenie, ale vďaka súčasne pracujúcim odlišným CCD hlavne omnoho väčšiu presnosť a precíznosť.

Okrem rozlíšenia to súvisí hlavne s tým, ako fotoaparát zaznamenáva farbu, respektíve rozličné vlnové dĺžky svetla.

Váš smartfón, rovnako ako pokročilé zrkadlovky, nezaznamenávajú farbu každého pixelu, ktorý odfotíte. Používajú tzv. bayerovu masku, čo je v základe jednoduchý farebný filter nad detekčným čipom svetla, pripomínajúci farebnú šachovnicu. Na nej sa strieda zelené, červené a modré políčko a každý pixel teda vidí vždy len jedinú farbu, podľa toho pod akou časťou filtra je.

Aby obyčajný fotoaparát skonštruoval farebnú fotku, na základe zhluku jednofarebných pixelov si skrátka vypočíta priemery, akoby hral hru míny, pričom na základe nich zmiešanú farbu pixelom spätne umelo pridelí. Výsledok je pre ľudský zrak plne dostačujúci.

Z hľadiska vedeckých dát je však takéto vymýšľanie informácii neprijateľné, pretože z fotografií podrobne odvodzuje chemické, geologické, tepelné a iné vlastnosti planét či iných telies. Kozmické fotoaparáty teda túto informáciu merajú pre každý pixel naozaj.

Fotoaparát sondy New Horizons má šesť samostatných detekčných čipov s citlivosťou na konkrétne vlnové dĺžky. V jeden moment tak obraz jedného pixelu zaznamenáva šesť rôznych fyzických pixelov fotoaparátu.

Jeden je určený pre modré spektrum svetla (svetlo s vlnovou dĺžkou 400 až 550 nanometrov), druhý pre červené (540 až 700 nm), tretí pre blízke infračervené spektrum (780 až 975 nm) a štvrtý pre metán (860 až 910 nm). V tom poslednom prípade pravdaže nejde o farbu, ale o spektrum svetla, použiteľného na priamu detekciu tohto významného chemického prvku.

Zaznamenané farebné spektrum je preto nielen omnoho väčšie ako u bežných fotoaparátov (je širšie ako ľudský zrak), ale hlavne aj presnejšie.

Túto štvoricu doplňujú ďalšie dva kontrolné panchromatické CCD, ktoré snímajú svetlo z celého viditeľné farebné spektra naraz, plus svetlo za ním v podobe infra a metánového spektra. Majú teda rozsah 400 až 910 nm, pričom skenujú obraz zároveň s ostatnými čipmi.

Pomáha to spozorovať prípadné chyby záznamu a prípadne dáta doplniť, ak by bola časť niektorého zo samostatných senzorov poškodená. Všetkých týchto šesť čipov má rozlíšenie 5024 × 32 pixelov, pričom v jeden moment snímajú vďaka svojej úzkosti vždy totožnú časť oblohy/planéty či skrátka vizuálnej informácie, s rozlíšením 5024 pixelov v jednom smere a vďaka rotácii sondy ľubovoľným rozlíšením v druhom, čo tak trochu pripomína tvorbu panoramatických snímok, avšak v omnoho presnejšom a rýchlejšom režime.

Výborná ukážka schopností kozmického fotoaparátu. Na tejto snímke vidíte detail povrchu Pluta, v šírke zhruba 400 km (cca celé Slovensko). Ide o ľadovcovú oblasť Sputnik Planitia, v rámci ktorej prazvláštne polygóny, väčšie ako hory Tatier (cca 10 km), prerážajú povrch a stúpajú cezeň ako bubliny. Červenú farbu by vaše oči nevideli. Je zachytená v infračervenej časti spektra a ide prakticky o únik interného tepla Pluta. To sa snaží uniknúť z pod ľadovca, čím dochádza k vytváraniu stúpajúcich a klesajúcich hôr dusíkového ľadu, ktoré prerážajú povrch a prepadajú sa do neho späť. Nič také inde v Slnečnej sústave neexistuje. /Foto: NASA/

Výsledkom je, že kozmický fotoaparát dokáže zaznamenať detailné veľkoformátové snímky s vysokým rozlíšením a s obrovským rozsahom spektier, ktoré ľudské oko nevidí.

Na spodku obrázku čipov, respektíve svetelných senzorov sondy môžete ešte vidieť aj siedme najširšie CCD (5024 × 128 pixelov), ktoré sa používa na snímanie hviezdneho pozadia pre účely navigácie.

SLABÝ NAMODRALÝ BOD SVETLA

Fotky Ultima Thule, ktoré ukazujú z blízka najvzdialenejší objekt, aký sme kedy navštívili, majú v sebe nepochybne veľké čaro. Najmä ak si uvedomíte, čo vlastne z hľadiska fotografovania a transferu dát reprezentujú.

Existuje ešte aj malý počet fotiek, ktoré sme preniesli na podobnú diaľku, avšak tie už nezachytávajú objekty z blízka a z ozajstnej návštevy, ale z veľkej diaľky. Obvykle ide o fotky hviezdneho pozadia v súvislosti s navigáciou a inými pozorovaniami, ktoré v základe nie sú príliš zaujímavé. Z princípu sa totiž nelíšia od fotiek hviezd a galaxií, ktoré robíme zo Zeme.

Teda, až na jednu výnimku…

Táto „čudná“ fotka, respektíve séria fotografií, je zaujímavá tým, že nezachytáva vôbec nič cudzie a ani ďaleké. Neodhaľuje nič nové a neznáme. Nemá vlastne absolútne žiadny vedecký či technický význam.

Umelecké znázornenie legendárnej sondy Voyager, opúšťajúcej Slnečnú sústavu /Ilustrácia: Mark Garlick/

Urobila ju sonda Voyager 1 v roku 1990, tesne pred tým, ako navždy vypla svoje fotografické vybavenie. V tom čase sa nachádzala zhruba 6 miliárd km od Zeme a ukončila svoju hlavnú misiu. Pri prelete okolo Saturnu v roku 1980 sa totiž kvôli fotkám mesiaca Titan odchýlila z obežnej planiny planét a následne zamierila pod silným uhlom nad rovinu obežných dráh (sesterská sonda Voyager 2 naopak pokračovala v rovine a urobila ešte prelet okolo Uránu a Neptúnu).

Dekádu po konci jej misie už nemalo význam udržiavať všetku nepotrebnú výbavu sondy v chode a ubúdajúca dostupná energia z nukleárneho generátoru na to koniec koncov aj prestávala stačiť. Astronóm Carl Sagan, jeden z vedcov, ktorý sa na misii Voyageru podieľal, však dokázal NASA presvedčiť, aby Voyager pred vypnutím svojej foto výbavy otočil svoje šošovky paradoxne za seba, smerom k Slnku a urobil poslednú fotografiu.

To, že sa tým fotoaparát poškodí už vzhľadom na ukončenie jeho prevádzky nehralo rolu. Carl Sagan bol obrovský popularizátor vedy a vedel, že sonda týmto krokom mohla urobiť ešte niečo síce vedecky bezcenné, ale aj napriek tomu filozoficky a ľudsky veľmi cenné. Fotoaparát naposledy cvakol a sonda zo vzdialenosti 6 miliárd km odfotila Slnko, pri ktorom sa mihotala maličká bledučká smietka, v podobe Zeme.

Pohľad späť zo sondy Voyager v roku 1990 /Foto: NASA/

Veľkosť Slnka nie je na tejto fotke reálna. Veľká svetelná machuľa je presaturovanie a pravdepodobne aj poškodenie detekčného čipu kamery silným bodovým svetlom (z tejto vzdialenosti je Slnko stále mnoho miliónov krát jasnejšie, ako cudzie hviezdy). Na šume je následne presnejší detail časti oblohy, vytvorené planetárnym fotoaparátom, kde sa nachádzala Zem.

Tá je v skutočnosti takisto „zväčšená“ vďaka presaturovaniu odrazeného slnečného jasu. Fyzická veľkosť planéty totiž z tejto vzdialenosti nestačí ani na jeden pixel (konkrétne by zabrala 0,12 pixelu). Dostatok odrazeného svetla nám ju ale umožnil odhaliť.

Zem na tejto zvláštnej fotke vidíme ako bledomodrú bodku, vznášajúcu sa v prázdne. Zhodou náhod vyzerá, akoby sa vyhrievala v jasnom lúči. Je to však len optický odlesk spôsobený nedokonalosťou šošoviek, ktoré lámu ostré svetlo blízkej hviezdy.

Carl Sagan si uvedomoval, že túto fotografiu stojí za to mať. Je totiž zvláštna, unikátna a hovorí niečo o nás a o našom mieste v kozme. Dovolím si teda mierne parafrázovať to, čo o tejto fotke napísal vo svojej knihe Bledomodrá bodka:

Zem (biely pixel v spodnom lúči) /Foto: NASA/

Pri odfotení z tohto vzdialeného miesta Zem nevyzerá nijako pôsobivo. Je to len malá svetlá bodka na čiernom pozadí, ktorá nepúta pozornosť či záujem. Aspoň na maličkú chvíľu sa ale skúste pomalšie zamyslieť nad tým, čím vlastne naozaj je.

Tá malá svetlá bodka, je všetko „tu“. To je všetok náš domov. To sme my.

V tomto jedinom bode sú všetci vaši milovaní blízky. Všetci kamaráti, ktorých tak dobre a dôverne poznáte. Všetky osoby na ktoré ste počas svojho života narazili, alebo ste o nich čo i len počuli.

Na tomto pódiu sa odohrala všetka ľudská radosť aj utrpenie. Tisíce sebavedomých náboženstiev, ideológií a doktrín. Na tejto jedinej bodke žil každý jeden praveký lovec a zberač. Každý chudák aj noblesný kráľ. Každý stvoriteľ aj ničiteľ impérií. Každý zamilovaný pár, každé zvedavé dieťa aj ustráchaný rodič.

Nik nechýba. Všetci tí vynálezcovia aj vznešení učitelia morálky. Všetci tí skorumpovaní politici aj tie veľké superhviezdy. Všetci tí neobmedzení vládcovia aj panovníci.

Každá jedna ľudská bytosť v státisíce rokov dlhej histórii nášho druhu žila svoj život presne tu…

Na smietku prachu, vznášajúcom sa v slnečnom odlesku.

Vybavte si tie nekonečné potoky krvi, preliate všetkými tými generálmi a imperátormi. Ktorí sa vo všetkej tej triumfálnej a majestátnej vznešenosti. Stávali dočasnými vládcami zlomku…  jednej bodky.

Pomyslite na to ako si ohromne dlho nerozumejú obyvatelia jedného rohu tohto pixelu, s obyvateľmi z nejakého iného jeho kúta. Všetko to naše naparovanie. Celá tá naša domnelá viera vo vlastnú dôležitosť. Smiešny sebeklam, že máme nejaké výsadné či privilegované postavenie vo vesmíre. To všetko sa stavia tvárou tvár jednému bodu bledého svetla.

Naša planéta nie je nič viac, než osamotený fliačik na ohromnej kozmickej temnote.

A azda neexistuje lepšie zosmiešnenie celej tej ľudskej domýšľavosti a nesvárov, než je tento vzdialený snímok nášho spoločného maličkého sveta. Jediného domova, ktorý sme kedy mali.

Nedeľník TOUCHIT hľadajte na našom webe ako inak než v nedeľu. Ak ste predchádzajúce zmeškali, nájdete ich všetky pod rovnomenným kľúčovým slovom.

O autorovi

Profesionálnej žurnalistike sa venujem od roku 2006. Zameriavam sa najmä na prehľadové a analytické články z prostredia hardvéru, výrobných procesov polovodičov, umelej inteligencie a ďalších technológií. Mojou doménou je takisto servis hardvéru aj softvéru.

6 komentárov

  1. VLADIMIR SUŠKO on

    Kvalita tohto clanku ma udrzala hltat fakty a myslienky az do uplneho konca, zatial som ho vyzdielal s dalsimi 3ma znamymi, lebo takto ma vyzerat literatura faktu.

Pridaj komentár