Problém jménem Starlink

Profesionální i amatérští astronomové jsou už na družice zvyklí a za ta léta koexistence vypracovali řadu metod, jak jejich vliv na astronomická pozorování eliminovat. Donedávna se jednalo celkem o asi 2000 objektů, většinou umístěných na dost vysokých oběžných drahách, tedy i velmi slabě svítících. Ty nepředstavovaly vážný dopad na astronomická pozorování, protože jejich průlet zorným polem byl sporadický. Přibližně stejně četný jako je průlet letadla. S příchodem družicových konstelací, zejména Starlink od společnosti SpaceX se situace razantně změnila a v konečném důsledku to nebude mít vliv jen na astronomická pozorování, ale na každého z nás.

„Čeho se na nás dopustili druzí, s tím už se nějak vyrovnáme. Horší je to s tím, čeho jsme se na sobě dopustili sami.“

 — François de La Rochefoucauld

Problém (nejen) pro astronomy

„Během pěti let, co se věnuji astrofotografii, byl průletem letadla poznamenán jen jeden jediný snímek ze statisíců expozic, které jsem pořídil. Tato událost je natolik výjimečná, že se tou fotografií dodnes chlubím!“ popisuje Daniel Beneš, student Počítačové fyziky na Fyzikálním ústavu v Opavě (zmíněná fotografie výše). Situace se ale radikálně změnila po 22. únoru 2018 a byl to pro astronomy doslova šok. Když měli to „štěstí“ a “vláček” čerstvě vypuštěných satelitů jim proletěl zorným polem dalekohledu, snímaná data byla drasticky poznamenána! Stále však byla naděje, že takové “štěstí” nemusí nastat vždy a občasná devastace dat bude mít jen malé následky. To se ale postupně mění. Nenápadně, pomalu, ale vytrvale. „Dnes není výjimečná situace, kdy je třeba vyloučit při minutových subexpozicích ze zpracování až 30 % nasnímaných dat (v průměru je to asi 15 %), a to začíná být vážný problém. Při pěti minutových expozicích je takto postižen velmi pravděpodobně každý snímek. Poslední dobou já „sám na vlastní optiku“ zažívám následky této budované satelitní soustavy. Důkazem je například tento můj nedávný snímek,“ dodává Beneš.

Příliš mnoho družic

Snímek galaxie NGC 6384 (výše) názorně dokumentuje četnost Starlinků během zhruba 30 hodin celkové expozice v zorném poli úhlové velikosti přibližně jednoho úplňku. Jsou to složené vždy všechny snímky, které byly takto poškozeny. Na jednu stopu připadá zhruba jeden snímek. Dvě stopy v jedné expozici jsou zatím výjimečné, ale i to se začíná stávat stále častěji. A to není zdaleka konečný stav! V současnosti je vypuštěno asi 2 600 satelitů a cílová hodnota má být dokonce až 12 000! Navíc, další konkurenční projekty se chystají vypustit svoje družice a počet družic by tak mohl ve výsledku přesahovat i číslo 50 000! Jaká bude situace v tuto dobu, je opravdu těžké si představit. Celosvětová iniciativa astronomů sice donutila společnost SpaceX podniknout pokusy o řešení, ale jak ukazuje například snímek Milana Antoše, výsledky jsou zcela marginální. I když totiž byl povrch družic upraven tmavým nátěrem, který měl za úkol snížit množství odraženého a rozptýleného slunečního světla, družice nemohou být zcela černé, neboť by docházelo k jejich přehřívání. Bohužel, efekt byl zcela minimální a odrazivost družic je stále velmi problematická (nemluvě o jejich silném záření v infračerveném a samozřejmě radiovém oboru).

Jak neblahou situaci s poškozenými daty řešit?

Pro astrofotografii zatím existují dvě možná řešení, jak vliv tohoto fenoménu potlačit. Buď je možné poškozené snímky vyřadit, což bude postupně stále větší plýtvání získanými daty, nebo použít některý z algoritmů selekce lokálních dat (viz jejich přehled na konci článku). Tyto algoritmy se však na datech i v místě nezasaženém stopou družice podepíši vyšším šumem. „Vyzkoušel jsem hned sedm algoritmů sloužících k tomuto účelu a porovnal jejich dopady na data. Testy jsem provedl na celkem 210 snímcích galaxie NGC 6384 pořízených 2. června 2022. Všechny pořízené snímky jsem klasicky kalibroval a navíc jsem odstranil filtrem „cosmetic corection“ tzv. horké pixely. Následně jsem snímky skládal testovanými metodami. Po složení jsem ořezal u všech okraje o cca 30 % a měřil hodnoty šumu pozadí. Nejlepší výsledky tedy dosáhl klasický sigma clipping algoritmus. I ten bych však doporučoval použít teprve v okamžiku, kdy poškozené snímky dosahují více jak 16 % počtu všech dat. Do této hodnoty je stále lepší volbou postižené snímky prostě vyloučit z dalšího zpracování. Takový závěr ale není tak jednoznačný, neboť i prostý průměr snímků bez vyloučení dat poskytuje o 12 % vyšší šum než tzv. složení sumou, které se využívá pro odhalení slabších kosmických objektů. Při složení sumou dochází k potřebnému zvýšení bitové hloubky složeniny a tím i zpřesnění dat (odhalení slabších objektů). Pro 30 % snímků postižených stopami Starlinků je bohužel stále nejlepší volbou tyto snímky vyřadit, než obětovat kvalitu složení sumou, díky čemuž je ale potřeba prodloužit čas pozorování právě pro kompenzaci poškozených (vyřazených) dat, aby byl výsledek stejně dobrý jako v letech, kdy Starlinky na obloze nebyly,“ popisuje svůj výzkum Beneš.

Pozemská astronomie velmi utrpí

Závěrem se tedy dá říct, že případě růstu počtu postižených snímků přes 30 %, a to už je jen dvojnásobek dnešního stavu, se šumem zatěžujícím algoritmům skládání dat nebude možné vyhnout a pro docílení kvality dat srovnatelné s minulostí se délka expozic bude muset o těch 30 % prodloužit. To znamená také o 30 % méně reálného pozorovacího času. To se projeví na financích potřebných k získání pozorovacího času a posledně tak na nás všech, neboť většína vědeckých aktivit je dotovaná i z daní. „Při možném a již zmíněném nárůstu počtu satelitů na nízkých drahách až k počtu 50 000 to však nepostihne jen astrofotografii, ale i prostý pohled na hvězdnou oblohu, kdy pohyblivých teček v oblastech tmavé oblohy bude víc než okem viditelných hvězd! Čekají nás i na nebi těžké časy,“ uzavírá Beneš.

Poznámka: Přehled některých užívaných algoritmů ve zpracování astronomických dat

1. Percentilové oříznutí je jednokrokový algoritmus odmítnutí. Ideální pro malé soubory dat, výsledkem je o 12 % vyšší šum a neodstraní veškeré poškození.
2. Sigma Clipping je iterační algoritmus, který odmítne pixely, jejichž vzdálenost od mediánu bude vzdálenější než dvě zadané hodnoty v jednotkách sigma, výsledkem je o 16 % vyšší šum.
3. MAD Clipping je iterativní algoritmus fungující stejně jako Sigma Clipping s tím rozdílem, že je použit odhad absolutní odchylky mediánu (MAD). Tento postup se obvykle používá u zašuměných zpracování infračerveného obrazu, o 68 % vyšší šum!
4. Median Sigma Clipping je stejný algoritmus s tím rozdílem, že odmítnuté pixely jsou následující nahrazeny mediánovou hodnotou, o 16 % vyšší šum.
5. Winsorized Sigma Clipping je velmi podobný metodě Sigma Clipping, ale používá se při něm algoritmus založený na Huberově práci, o 78 % vyšší šum!
6. Linear Fit Clipping je algoritmus vyvinutý Juanem Conejerem. Tento algoritmus funguje velmi dobře u velkých souborů a snímků obsahujících gradienty oblohy s různým prostorovým rozložením a orientací, o 51 % vyšší šum.
7. Algoritmus Generalized Extreme Studentized Deviate Test je zobecněním algoritmu Extrémní studovaná odchylka Grubbsova testu, který se používá k detekci jedné nebo více odlehlých hodnot v souboru jednorozměrných dat, které sleduje přibližně normální rozdělení. Tento algoritmus vykazuje vynikající výkonnost u velkého souboru dat s více než 50 obrázky, o 18 % vyšší šum.

Kontakty a další informace:

Bc. Daniel Beneš
Student Teoretické fyziky na FÚ SU v Opavě
Email: ben0114@slu.cz
Telefon: +420 724 336 644

RNDr. Tomáš Gráf, Ph.D.
Fyzikální ústav SU v Opavě,
vedoucí Unisféry a observatoře WHOO!
Email: tomas.graf@fpf.slu.cz
Telefon: +420 734 268 124

Mgr. Petr Horálek
PR výstupů evropských projektů FÚ SU v Opavě
Email: petr.horalek@slu.cz
Telefon: +420 732 826 853