latex
نقدم في هذه الورقة تحليلاً إحصائياً لبيانات الشهب البصرية التي جُمعت باستخدام شبكات من كاميرات الشهب التي عملت في المجر بين عامي 2020 و2023. اعتمدنا على ثلاثة أنظمة كاميرات مختلفة: مجموعة من كاميرات الفيديو التقليدية المعتمدة على MetRec، ونظام DSLR الآلي المطور ذاتياً من مختبرنا، وشبكة من محطات AllSky7 المنشأة حديثاً. نقدم، ونناقش أوجه التشابه والاختلاف بين البيانات التي أنتجتها الأنظمة الثلاثة، بهدف تحسين تسجيل أنواع مختلفة من ظواهر الشهب.
تتكوّن جزيئات الغبار المذنبي أو الكويكبي، التي تتراوح أحجامها من عدة ميكرونات إلى أجسام بحجم عدَّة مليمترات، من بقايا ذيول المذنبات و/أو المواد المقذوفة من الكويكبات. تم حلّ مسارات هذه الجزيئات منذ أن قذفها الجسم الأصلي، وهي المسؤولة عن معظم الأحداث النيزكية المرصودة عند دخولها إلى الغلاف الجوي للأرض (انظر مثلاً (ye23) والمراجع المذكورة فيه). عادةً ما تُقسّم الشهب إلى فئتين أساسيتين: الشهب العشوائية، التي لا تمتلك اتجاهاً مفضلاً وتظهر في مواقع عشوائية طوال العام، وزخات الشهب، التي ينبعث منها الشهب من منطقة معينة في السماء تُسمى "المشع". يمكن تتبّع مدارات الشهب المنتمية إلى العديد من زخات الشهب المعروفة حالياً إلى جسم أصلي، غالباً مذنب أو كويكب (mcintosh91, jen94, ye23). يُعتقد أن الشهب العشوائية نشأت من ذيول المذنبات القديمة و/أو مسارات غبار بين كواكب، ما يوفر خلفية نسبياً ثابتة لتدفّق الشهب العشوائية الواردة.
نظراً لأن النشاط النيزكي البصري – أي معدل الشهب القابلة للملاحظة ليلاً أو نهاراً – يزداد عادةً بأكثر من عشرة أضعاف خلال ذروة الزخات، فقد ركّزت الأدبيات بشكل أكبر على زخات الشهب. ومع ذلك، هناك عدد متزايد من الدراسات التي تتناول الخصائص الإحصائية للشهب العشوائية (انظر مثلاً (jb93), (rendtel06), (wiegert09), (dubi10) والمراجع الواردة فيها).
على الرغم من غياب مشع محدد، يمكن تحديد عدة اتجاهات مفضلة للشهب العشوائية (مثلاً (cbj06)): معظم الشهب العشوائية تأتي من قمة مدار الأرض، بينما تقع مصادر "الهليونيون" و"الانتيهيليون" على المستوى الإهليلجي تقريباً عمودياً على اتجاه القمة–الانتابكس. بالإضافة إلى ذلك، حُدد مصدران إضافيان عند حوالي 60 درجة شمالاً وجنوباً من المستوى الإهليلجي، ويسمَّيان بالمصادر الطورية الشمالية والجنوبية، استناداً إلى ملاحظات رادارية (jb93). توفر مصادر القمة والانتيهيليون أغلب الشهب العشوائية المرئية بصرياً (rendtel06).
في هذه الدراسة نستخدم بيانات أنظمة كاميرات الشهب المختلفة في المجر للكشف عن النشاط النيزكي البصري بين عامي 2020 و2023. نركز هنا على الخصائص الإحصائية للشهب العشوائية والأحداث الأكثر إشراقاً (الكرات النارية). وسوف نقدّم في ورقة لاحقة نتائج تحليل زخات الشهب المعروفة. بعد ذلك، نلخّص المعايير الفنية للكاميرات، ثم نصف البيانات التي جُمعت ونناقش النتائج والاستنتاجات.
في المجر بدأت شبكات الكاميرات الفيديوية للكشف التلقائي عن الشهب البصرية بالعمل قبل أكثر من 20 عاماً، ولا تزال معظمها فعّالة حتى اليوم. تتألف هذه المحطات من كاميرا فيديو تناظرية (PAL أو NTSC) متصلة بحاسوب يضم بطاقة فيديو Matrox لالتقاط ما يقارب \(\sim 25\) إطاراً في الثانية عندما يظهر جسم متحرك – يُفترض أنه شهاب – في مجال الرؤية. يتولّى برنامج "معرف الشهب" (Meteor Recognizer, https://metrec.org) عملية كشف وقياس الشهب. الحد الأدنى للحساسية يعبر عنه بالمقدار الظاهري، ويتراوح عادةً بين 4 و5 حسب نوع الكاميرا ومواصفاتها. تم دمج هذه المحطات ضمن شبكة المنظمة الدولية للشهب (IMO). نستخدم في هذه الورقة ثلاث محطات رئيسية: HUKON، HUPIS، وHUHOD، وقد لخّصنا معاييرها الأساسية في الجدول [tab:metrec-camera-parameters]. يعتمد MetRec على مجموعة محدَّدة من النجوم المرجعية لحساب الفلك الرصدي ومعايرة القياسات الضوئية لكل حدث شهابي.
ابتداءً من عام 2017، طورنا في مرصد Konkoly نظاماً جديداً يسمى شبكة مرصد Konkoly للشهب (KoMON). يجمع النظام بين كاميرا فيديو رقمية تستخدم برنامجاً مخصصاً بلغة Python للتعرّف الأولي على الأجسام المتحركة، وكاميرا DSLR رقمية لالتقاط إطارات مدتها 10 ثوانٍ. يتم فصل الضوء الوارد بواسطة لوحة LCD أمام شريحة CMOS للكاميرا وفق تسلسل de Bruijn المبرمج مسبقاً (howie17)، بهدف التمييز بين الشهب المحتملة والأجسام البطيئة الأخرى (طائرات، طيور، حشرات، أقمار صناعية، إلخ). صُمم نظام KoMON ليكون حساساً للكرات النارية البطيئة نسبياً والأكثر إشراقاً، التي قد تؤدي شدة إشعاعها إلى تشبع كاميرات الفيديو التقليدية وفشل خوارزمية التعرف. يجمع الجدول [tab:komon-camera-parameters] معلمات هذا النظام.
حتى تاريخ كتابة هذه الورقة لم تُنفّذ بعد عمليات الفلك الرصدي والمعايرة الضوئية الكاملة لنظام KoMON. لذا، تكتفي الكاميرات بتسجيل لحظة البدء (خلال \(\sim\)1 ثانية) والسرعة الزاوية المتوقعة للشهاب، إضافة إلى الصورة الرقمية المتكاملة (تعريض 10 ثوانٍ) والإطارات الرقمية لكل حدث. ونظراً لغياب القيم الضوئية الدقيقة، نعتمد تقديراً نسبياً لسطوع الشهب التي تبدو أكثر إشراقاً من النجوم في الإطار المقابل. بهذه الطريقة يمكننا تصنيف الشهب التي تفوق \(\sim 0\) mag دون قياسات ضوئية أكثر دقة.
من منتصف عام 2021 انتشرت عدة محطات من نظام AllSky7 (https://allsky7.net) في مواقع مختلفة في المجر. تتألف كل محطة من وحدة متكاملة تضم 7 كاميرات تُقدّم تغطية شاملة للسماء، مع معايرة فلكية وضوئية وحساسية سطوع متوسط تصل إلى \(\sim 4\) mag. لخّصنا معلمات المحطات المتوفرة لدينا في الجدول [tab:ams-camera-parameters].
وفرت لنا الأنظمة الثلاثة بيانات متنوعة. تُعدُّ البيانات القادمة من كاميرات MetRec الأكثر اكتمالاً ونظافة، بعد معالجة ليلية وتنقية يدوية. يصنّف MetRec كل شهاب حسب مساره المتوقع، فإذا اقترب من مشع زخة معروفة وتطابقت سرعته الزاوية، يُدرج كعضو في تلك الزخة. تُصنَّف الشهب العرضية غير المنتمية لأي زخة معروفة بـ SPO، ويندرج تحت فئة ANT الشهب القادمة من مصدر مضاد للشمس. اعتُبرت زخات NTA وSTA كذلك من الشهب العرضية. استخرجنا من سجلات كل ليلة: التاريخ، الوقت (بتوقيت عالمي)، التصنيف، والقدر الظاهري لكل حدث، إضافة إلى الإحصائيات الليلية التي حسبها الملحق CheckLog: إجمالي الشهب، عدد العرضية، والزمن الفعّال للمراقبة. جمّعنا هذه الأرقام شهرياً من ديسمبر 2019 إلى أكتوبر 2023.
قدّم نظام KoMON بيانات أكثر تخصيصاً، فقد استخدمنا تواريخ وأوقات UT لكل حدث سجلته كل كاميرا من ديسمبر 2019 حتى أكتوبر 2023. اعتبرنا الاكتشاف المتزامن لنفس الشهاب كحدث واحد إذا تكرر ضمن \(\pm 1\) ثانية، ثم عاينّا جميع الإطارات يدوياً لتحديد الكرات النارية المحتملة (الشهب الأشد سطوعاً مقارنةً بأي نجم ظاهر). أخيراً، صححنا عدد الشهب المكتشفة وفق عدد الكاميرات النشطة في كل موقع للوصول إلى عدد الكشف لكل كاميرا DSLR في كل ليلة مراقبة.
يعتمد نظام AllSky7 برنامجاً مبنياً على Python لكشف الشهب وحساب الفلك وتقدير السطوع، لكنه لا يصنّف زخات الشهب محلياً أو يقدّم معايرة ضوئية. يُجرى التصنيف متعدد المحطات عبر الخادم الخاص بمجموعات بيانات AllSky7. وبما أن هدفنا الأساسي في هذه الدراسة هو إحصائيات الشهب، فقد استخرجنا التاريخ والوقت فقط لكل حدث من محطات AllSky7 في مواقعنا.
في هذا القسم نصف نتائجنا استناداً إلى بيانات أنظمة الكاميرا الثلاث.
اعتماداً على الحجم والتصنيف المقدمين بواسطة MetRec، حدّدنا التغير الليلي لمؤشر السكان للشهب العرضية عبر تجميع الأحداث المصنفة كـ SPO، ANT، NTA أو STA.
يُعبّـــــر مؤشر السكان عبر الدالة التوزيعية التراكمية للشهب: \[ N(m) = N_0 \cdot r^{m} \qquad (m < m^*) \] حيث \(m\) هو الحجم، \(N(m)\) هو عدد الشهب الأشد سطوعاً من \(m\)، \(N_0\) ثابت التطبيع، \(m^*\) حد اكتمال الكشف، و\(r\) هو مؤشر السكان. نستنتج \(r = N(m+1)/N(m)\) للفترات الحجمية حتى \(m^*\).
اختبرنا \(m^*\) عند ذروة الدالة التوزيعية باستخدام فترات حجمية بعرض 1 mag، واستنتجنا المؤشر من فترتين حجميتين أقل من الذروة. تظهر اللوحة اليسرى رسم الدالة التوزيعية لجميع الشهب العرضية من كاميرا HUKON (الأكثر استقراراً فوطوغرافياً)، واللوحة اليمنى الدالة التوزيعية التراكمية ذاتها. يُقدَّر \(m^* = 1\) mag للذروة في اللوحة اليسرى، والخط الأزرق يمثل أقصى ملائمة بمربعات صغرى للمعادلة أعلاه ضمن \([m^* - 2 < m < m^*]\).
يبين رسم مؤشر السكان الليلي للكاميرات الثلاث MetRec مقابل التواريخ اليوليانية أن معظم القيم تقع في النطاق \(2 < r < 4\)، مع بعض القيم الشاذة (ربما لعدد شهب قليل أو ظروف جوية دون المستوى). يُشير الخط الأفقي الأسود إلى المتوسط المجمع \(\langle r \rangle = 2.85 \pm 0.48\)، وهو متوافق مع (rendtel06) الذي وجد \(\langle r \rangle = 2.95 \pm 0.15\) سنوياً.
مع ذلك، يعاني تحديد مؤشر السكان من بعض المشكلات المنهجية. فعلى سبيل المثال ناقش (molau15) تحسينات أدّت إلى \(\langle r \rangle \approx 2.5\) للشهب العرضية، وهو قريب من (~2.2–2.5) في (jen94) و\(\langle r \rangle = 2.55 \pm 0.06\) في (vida20). وأخيراً اقترح (betzler23) دالة إحصائية بديلة (q-أسية) وحصل على \(\langle r \rangle = 3.63 \pm 0.01\) باستخدام مدى حجمي أوسع \(-5 < m < 0\). هذه الفروقات تشير إلى استمرار تأثير الأخطاء المنهجية على مثل هذه التقديرات. مع ذلك، ولأجل الاتساق، نعتمد نتيجتنا \(\langle r \rangle = 2.85 \pm 0.48\) دون اكتشاف تغيير موسمي في مؤشر السكان.
حسبنا معدلات الشهب العرضية للكاميرات HUKON، HUPIS، وHUHOD وفق تعريف (dubi10): \[ \mathrm{HR_{spo}} = \frac{n_{spo}}{t_{eff}} \cdot F \cdot r^{\Delta m} \] حيث \(n_{spo}\) عدد الشهب العرضية في ليلة، \(t_{eff}\) الزمن الفعّال بالمراقبة (ساعات)، \(F\) معامل تصحيح مجال الرؤية (اعتمدنا أن المراقب البشري يرى ثلث نصف الكرة السماوية)، \(r\) مؤشر السكان، و\(\Delta m\) الفرق في القدر بين حد حساسية الكاميرا والقدر المرجعي.
حددنا \(Lm = 4.5\) mag لكل من HUKON وHUPIS، و\(Lm = 4.0\) mag لـHUHOD. جربنا أيضاً استخدام القيم المتوسطة الليلية من ملفات "MAG" التي يعرضها MetRec لتصحيح \(\Delta m\)، لكن ذلك زاد التشتت الليلي بلا داعٍ في \(\mathrm{HR_{spo}}\)، فقررنا الاحتفاظ بقيمة ثابتة لكل كاميرا.
في اللوحة العليا اليسرى نرسم \(\mathrm{HR_{spo}}\) لكل الكاميرات الثلاث مقابل الأيام اليوليانية. يظهر التذبذب السنوي الذي لاحظه (cbj06), (rendtel06)، و(dubi10) الذي ربط المعدل بدورة النشاط الشمسي. بياناتنا لا تغطي دورة كاملة (~11 سنة)، لكن التباين السنوي مستعاد بوضوح.
في اللوحة السفلية اليسرى نفس البيانات مقابل خط الزوال الشمسي، حيث يبدو ارتفاع معدل الشهب العرضية خلال الخريف (سبتمبر–نوفمبر) سنوياً، متوافقاً مع (~50%) زيادة في سبتمبر مقارنة بأبريل كما وجد (dubi10).
لو عدلنا مجال رؤية الكاميرا ليشمل كامل نصف الكرة السماوية (\(2 \pi\) ستراديان) بدلاً من مجال مراقب بشري، لارتفعت المعدلات المُحسوبة بثلاثة أضعاف، أي قرابة 85 شهاباً عرضياً في الساعة.
الكرات النارية هي الطرف الأكثر إشراقاً في توزيع السطوع البصري للشهب. تقليدياً، تُعرَّف بالشهب التي تزيد إشراقها على الزهرة (\(m < -4\) mag)، لكن التعريف يرتبط بالسطوع فقط وليس بالـ "flare". نظراً لأن الكرات النارية الأكثر إشراقاً من المرجح أن تكون مؤثرة، فقد صمّم نظام KoMON لالتقاط الشهب الأكثر سطوعاً والبطيئة نسبيّاً.
على الرغم من محدودية المعايرة في KoMON، لمّنّا كل الإطارات بصرياً لاستخراج الشهب الأشد سطوعاً مقارنةً بالنجوم، من ديسمبر 2019 حتى أكتوبر 2023. وللتمكين من الدراسات الإحصائية، وسعنا حد السطوع إلى 0 mag بدلاً من -4 mag. وعليه، عندما نشير إلى الكرات النارية في هذه الورقة، نعني الشهب التي تزيد إشراقها عن 0 mag.
جمّعنا أعداد هذه الأحداث شهرياً لزيادة الاتساق الإحصائي. يمثل كل رمز نسبة الكرات النارية الشهرية إلى إجمالي الشهب المسجلة. بعد إزالة التكرار، تراوحت نسبة الكرات النارية في العينــة بين 30–50% (\(0.37 \pm 0.12\)).
مقارنةً مع بيانات كاميرات MetRec المعايرة، بعد تطبيق تصحيح فرق السطوع حتى 0 mag عبر معامل \(r^{\Delta m}\)، وجدنا توافقاً جيداً عند اعتماد \(r = 3.0\) و\(\Delta m = -5.0\)، -5.0 و-4.5 لـHUPIS، HUKON وHUHOD على التوالي. يمكن استنتاج أن KoMON يلتقط معظم الشهب الأشد سطوعاً في مجال رؤيته.
أولاً، جمّعنا كل الكرات النارية التي رصدها KoMON، ثم استخدمنا بيانات المرآة المجرية لتقارير الكرات النارية التابعة لـ https://mcse.imo.net لجمع ما أبلغ عنه المراقبون البصريون بين 2020 و2023. بعد إزالة التكرار، رسمنا دلالات مجموعتي البيانات معاً، فتبين توافقهما. يؤكد هذا أن توزيع سطوع الكرات النارية الساطعة يمكن نمذجته بمؤشر سكاني \(r \sim 1.5\)، وهو أقل بكثير من شهب الخلفية العشوائية. ويمكن، اعتماداً على كشف KoMON، التنبؤ بعدد الكرات النارية الساطعة بشكل معقول.
توفر وحدات AllSky7 تغطية شاملة للسماء وحساسية مماثلة لكاميرات MetRec المعتمدة وتشغيلاً مستمراً؛ لذا من المتوقع أن تكون الجيل القادم عندما تُستبدل كاميرات الفيديو القديمة. لذا، من المفيد مقارنة أداء النظامين من حيث الكم والجودة.
نظرنا إلى العدد الإجمالي للشهب المسجلة شهرياً بواسطة محطات AllSky7 المتاحة لدينا (الجدول [tab:ams-camera-parameters]). جمّعنا أعداد "الأحداث المخفضة" للشهب في كل ليلة بعد فحص الإطارات يدوياً وإزالة الأخطاء الاصطناعية.
في اللوحة اليسرى من الشكل (fig:ams_comp) رصدنا مجموع الشهب الشهري لكل محطة AllSky7 مقابل التواريخ اليوليانية. تبدو الأعداد مجمعةً متسقة نسبياً بالرغم من اختلاف مسافات المحطات (100–200 كم)، وإن لوحظ اتجاه تنازلي في الأعداد خلال الأيام الأولى 800 بعد النشر. كان هذا التراجع أقل وضوحاً لـ AMS72 في عامها الأول، لكنه ظهر لاحقاً أيضاً.
في اللوحة اليمنى من (fig:ams_comp) قارنّا AMS18 مع HUKON، وهما موضوعتان في موقع واحد بمقر مرصد كونكولي في بودابست. صححنا بيانات HUKON لحساب تغطية كل السماء، كما لو كانت مثل AMS18. بينما حافظت HUKON على معدل ثابت نسبياً سنوياً، أظهرت AMS18 انخفاضاً ملحوظاً، مما يشير إلى مشكلة فنية في برنامج فرز AllSky7.
في الشكل (fig:ams_ratio) مثلنا نسبة الشهب الشهرية لمحطات AllSky7 الثلاث إلى أقرب كاميرات MetRec. تُبيّن نسبة AMS18/HUKON التراجع بوضوح، فيما تبدو AMS72/HUPIS أكثر استقراراً لكنها تعرضت لتقلّبات كبيرة في 2023، وتغطي AMS98/HUHOD نطاقاً أقصر لكنها تشير لنفس الاتجاه التنازلي.
وبناءً عليه، نستنتج أن معظم محطات AllSky7 (باستثناء ربما AMS72) التي نشغّلها تُظهر انخفاضاً طويلاً في أعداد الشهب المسجلة شهرياً، في حين لا يوجد ذلك في كاميرات MetRec المعتمدة. حسب مطور AllSky7 (Hankey, تواصل شخصي)، يفسر هذا بتغييرات في معيار الفرز وعدد النقاط المطلوبة لمسار الشهاب، إضافةً لإغفال البعض للطرق الضعيفة والقصيرة، مما يحسّن الأداء متعدد المحطات لكنه يقلل جودة الإحصاءات الفردية.
في هذه الورقة قدمنا دراسة إحصائية لبيانات ثلاثة أنظمة كاميرات شهب في المجر من 2020 إلى 2023، ونستخلص ما يلي:
حسبنا مؤشر السكان للشهب العرضية من كاميرات MetRec فحصلنا على \(\langle r \rangle = 2.85 \pm 0.48\)، متوافق مع (jen94)، (rendtel06) و(vida20). لم نرَ تغيراً سنوياً كما ذكر (betzler23).
قدّرنا \(\mathrm{HR_{spo}} = 28.4 \pm 8.4\) شهاب عرضي/ساعة للعينة المجمعة من HUPIS، HUKON وHUHOD. هذه النتيجة متوافقة مع (rendtel06) لكنها أعلى بثلاث مرات من (dubi10).
درست تواتر "الكرات النارية" (الشهب الأشد سطوعاً من 0 mag) باستخدام KoMON فحصلنا على ثالثة أحداث شهرياً تقريباً (\(N_{fb} \approx 2.94 \pm 1.91\)). بعد تصحيح بيانات MetRec إلى نفس حد السطوع، وجدنا توافقاً جيداً، وعند تطبيق مؤشر سكاني \(r \sim 1.5\) إلى حد -4 mag، توافق أيضاً مع أعداد الكرات النارية الحقيقية المُبلغ عنها بصرياً.
عند مقارنة الأعداد الشهرية لشهب AllSky7 مع بيانات MetRec (بعد تعميم الأخيرة على السماء الكاملة)، وجدنا انخفاضاً طويل الأمد غير متوقع في بيانات AllSky7، باستثناء AMS72. ثبت أن السبب برمجي وفق مطور النظام.
الشكر: دعمت هذه الدراسة مشروع "التأثيرات والمخاطر الكونية" GINOP 2.3.2-15-2016-0003 من مكتب البحث الوطني المجري، وتمويل الاتحاد الأوروبي.
شكر خاص لجمعية Nagykanizsa لعلماء الفلك الهواة (Zsolt Perkó وAttila Gazdag)، ومدرسة Bárdos Lajos الابتدائية في Fehérgyarmat (Zoltán Pásztor) على مساهماتهم الكريمة.