ملخّص

نُقدِّم في هذه الورقة تحليلاً إحصائياً لبيانات الشهب البصرية التي جُمِعت باستخدام شبكات من كاميرات الشهب التي عملت في المجر بين عامي 2020 و2023. اعتمدنا على ثلاثة أنظمة كاميرات مختلفة: مجموعة من كاميرات الفيديو التقليدية المعتمِدة على MetRec، ونظام DSLR آليّ مُطوَّر داخليّاً في مختبرنا، وشبكة من محطّات AllSky7 المنشأة حديثاً. نعرض ونُناقش أوجه التشابه والاختلاف بين البيانات التي أنتجتها الأنظمة الثلاثة، بهدف تحسين رَصْد أنواع مختلفة من ظواهر الشهب.

المقدّمة

تتكوّن جسيمات الغبار المذنّبي أو الكويكبي، التي تتراوح أحجامها من بضعة ميكرونات إلى أجسام بحجم عدّة مليمترات، من بقايا ذُيول المذنّبات و/أو المواد المقذوفة من الكويكبات. تتحدَّد مدارات هذه الجسيمات منذ أن قذفها الجسم الأصلي، وهي المسؤولة عن معظم الأحداث النيزكية المرصودة عند دخولها الغلافَ الجوي للأرض (انظر مثلاً ye23 والمراجع المذكورة فيه). تُقسَّم الشهب عادةً إلى فئتَين أساسيتَين: الشهب الشاردة، التي لا تمتلك اتجاهاً مُفضَّلاً وتظهر في مواقع عشوائية طوال العام، وزخّات الشهب، التي تنبعث منها الشهب من منطقة معيّنة في السماء تُسمّى «المشعّ». يمكن تتبّع مدارات الشهب المنتمية إلى العديد من زخّات الشهب المعروفة حالياً إلى جسمٍ أصلي، غالباً مذنّب أو كويكب (mcintosh91, jen94, ye23). ويُعتَقَد أن الشهب الشاردة نشأت من ذُيول مذنّبات قديمة و/أو من غبار بين كوكبي، ما يوفّر خلفيّة شبه ثابتة لتدفّق الشهب الشاردة الواردة.

ونظراً لأن النشاط النيزكي البصري – أي معدّل الشهب القابلة للمشاهدة ليلاً أو نهاراً – يزداد عادةً بأكثر من عشرة أضعاف خلال ذروة الزخّات، فقد ركّزت الأدبيات أكثر على زخّات الشهب. ومع ذلك، يوجد عدد متزايد من الدراسات التي تتناول الخصائص الإحصائية للشهب الشاردة (انظر مثلاً jb93, rendtel06, wiegert09, dubi10 والمراجع الواردة فيها).

على الرغم من غياب مشعّ محدَّد، يمكن تحديد عدة مصادر مُفضَّلة للشهب الشاردة (مثلاً cbj06): تأتي معظم الشهب الشاردة من «قمّة حركة الأرض» (Apex)، بينما يقع مصدرَا «الهِليون» و«الأنتيهِليون» على مستوى الكسوف تقريباً عموديَّين على اتجاه القمّة–المُعاكِس للقمّة (Antapex). إضافة إلى ذلك، حُدِّد مصدران إضافيّان عند حوالي 60° شمالاً وجنوباً من مستوى الكسوف، ويُسمَّيان بالمصدرَين الطوريَّين الشمالي والجنوبي، استناداً إلى ملاحظات رادارية (jb93). وتؤمّن مصادر القمّة والأنتيهِليون أغلب الشهب الشاردة المرئية بصرياً (rendtel06).

في هذه الدراسة نستخدم بيانات أنظمة كاميرات الشهب المختلفة في المجر للكشف عن النشاط النيزكي البصري بين عامي 2020 و2023. نركّز هنا على الخصائص الإحصائية للشهب الشاردة والأحداث الأكثر إشراقاً (الكرات النارية). وسوف نُقدِّم في ورقة لاحقة نتائج تحليل زخّات الشهب المعروفة. بعد ذلك، نُلخِّص المعايير الفنّية للكاميرات، ثم نصف البيانات التي جُمِعت ونناقش النتائج والاستنتاجات.

أنظمة كاميرات الشهب في المجر

في المجر بدأت شبكاتُ الكاميرات الفيديوية للكشف التلقائي عن الشهب البصرية العملَ قبل أكثر من 20 عاماً، ولا تزال معظمها فعّالة حتى اليوم. تتألّف هذه المحطات من كاميرا فيديو تماثلية (PAL أو NTSC) متصلة بحاسوب يضم بطاقة فيديو Matrox لالتقاط ما يقارب \(\sim 25\) إطاراً في الثانية عندما يظهر جسم متحرّك – يُفترَض أنه شهاب – في مجال الرؤية. يتولّى برنامج «معرِّف الشهب» (Meteor Recognizer, https://metrec.org) عمليّة كشف وقياس الشهب. ويُعبَّر عن الحساسية بحدّ القدر الظاهري، ويتراوح عادةً بين 4 و5 حسب نوع الكاميرا ومواصفاتها. وقد دُمِجت هذه المحطات ضمن شبكة المنظمة الدولية للشهب (IMO). نستخدم في هذه الورقة ثلاث محطات رئيسة: HUKON، HUPIS، وHUHOD، وقد لخّصنا معاييرها الأساسية في الجدول [tab:metrec-camera-parameters]. يعتمد MetRec على مجموعة محدَّدة من النجوم المرجعية لحساب القياس الفلكي (Astrometry) والمعايرة الضوئية (Photometry) لكل حدث شهابي.

ابتداءً من عام 2017، طوّرنا في مرصد Konkoly نظاماً جديداً يُسمّى شبكة مرصد Konkoly للشهب (KoMON). يجمع النظام بين كاميرا فيديو رقمية تستخدم برنامجاً مُخصَّصاً بلغة Python للتعرّف الأولي على الأجسام المتحرّكة، وكاميرا DSLR رقمية لالتقاط إطارات مدّتها 10 ثوانٍ. يُجزَّأ الضوء الوارد بواسطة لوحة LCD أمام شريحة CMOS للكاميرا وفق تسلسل de Bruijn مُبرمج مسبقاً (howie17)، بهدف التمييز بين الشهب المحتملة والأجسام البطيئة الأخرى (طائرات، طيور، حشرات، أقمار صناعية، إلخ). صُمِّم نظام KoMON ليكون حسّاساً للكرات النارية الأشدّ إشراقاً والبطيئة نسبياً، التي قد تؤدي شدّة إشعاعها إلى تشبّع كاميرات الفيديو التقليدية وفشل خوارزميات التعرّف. يجمع الجدول [tab:komon-camera-parameters] معلمات هذا النظام.

حتى تاريخ كتابة هذه الورقة لم تُنفَّذ بعدُ عمليات القياس الفلكي والمعايرة الضوئية الكاملة لنظام KoMON. لذا، تكتفي الكاميرات بتسجيل لحظة البدء (ضمن \(\sim 1\) ثانية) والسرعة الزاوية المتوقّعة للشهاب، إضافة إلى الصورة المتكاملة (تعريض 10 ثوانٍ) وإطارات الحدث. ونظراً لغياب القياسات 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 أدق.

منذ منتصف عام 2021 انتشرت عدة محطات من نظام AllSky7 (https://allsky7.net) في مواقع مختلفة بالمجر. تتألّف كل محطة من وحدة متكاملة تضم 7 كاميرات تُقدّم تغطية شاملة للسماء، مع قياس فلكي ومعايرة ضوئية على مستوى المنظومة وحدّ قدرٍ متوسِّط يقارب \(\sim 4\) mag. لخّصنا معلمات المحطات المتوفّرة لدينا في الجدول [tab:ams-camera-parameters].

البيانات

وفّرت لنا الأنظمة الثلاثة بياناتٍ متنوّعة. تُعَدّ بيانات كاميرات MetRec الأكثر اكتمالاً ونظافةً، بعد المعالجة الليلية والتنقية اليدوية. يُصنِّف MetRec كلّ شهاب حسب مساره المتوقّع؛ فإذا اقترب من مشعّ زخة معروفة وتطابقت سرعته الزاوية، أُدرِج كعضوٍ في تلك الزخة. تُصنَّف الشهب غير المنتمية لأي زخة معروفة بـ SPO (شهب شاردة)، ويندرج تحت فئة ANT الشهب القادمة من المصدر الأنتيهِليوني. كما اعتبرنا زخّتي NTA وSTA جزءاً من المركّب الأنتيهِليوني وأدرجناها مع الشهب الشاردة لأغراض التحليل الإحصائي. واستخرجنا من سجلات كل ليلة: التاريخ، والوقت (بالتوقيت العالمي UT)، والتصنيف، والقدر الظاهري لكل حدث، إضافة إلى الإحصاءات الليلية التي تحسبها أداة CheckLog: إجمالي الشهب، عدد الشهب الشاردة، والزمن الفعّال للمراقبة. جمّعنا هذه الأرقام شهرياً من ديسمبر 2019 إلى أكتوبر 2023.

قدّم نظام KoMON بياناتٍ أكثر تخصيصاً؛ فقد استخدمنا تواريخ وأوقات UT لكل حدث سجلته كل كاميرا من ديسمبر 2019 حتى أكتوبر 2023. وعدَدْنا الاكتشاف المتزامن لنفس الشهاب حدثاً واحداً إذا تكرّر ضمن \(\pm 1\) ثانية، ثم عاينّا جميع الإطارات يدوياً لتحديد الكرات النارية المحتملة (الشهب الأشدّ سطوعاً مقارنةً بأي نجم ظاهر). وأخيراً، صحّحنا عدد الشهب المكتشفة وفق عدد الكاميرات النشطة في كل موقع للوصول إلى عدد كشفٍ لكل كاميرا DSLR في كل ليلة مراقبة.

يعتمد نظام AllSky7 برنامجاً مبنيّاً على Python لكشف الشهب والحساب الفلكي وتقدير السطوع، لكنه على مستوى المحطة لا يوفّر تصنيفاً محلياً لزخّات الشهب ولا معايرةً ضوئية مطلقة؛ إذ يُجرى التصنيف متعدّد المحطات عبر خادم مجموعات بيانات AllSky7. وبما أن هدفنا الأساسي في هذه الدراسة هو الإحصاءات، فقد استخرجنا التاريخ والوقت فقط لكل حدث من محطات AllSky7 في مواقعنا.

النتائج

في هذا القسم نصف نتائجنا استناداً إلى بيانات أنظمة الكاميرات الثلاثة.

مؤشِّر السكان للشهب الشاردة

اعتماداً على القدر والتصنيف المقدَّمَين بواسطة MetRec، حدّدنا التغيّر الليلي لمؤشِّر السكان للشهب الشاردة عبر تجميع الأحداث المصنَّفة كـ SPO، ANT، NTA أو STA.

يُعرَّف مؤشِّر السكان عبر الدالة التوزيعية التراكمية للشهب: \[ N(m) = N_0 \cdot r^{m} \qquad (m < m^*) \] حيث \(m\) هو القدر، و\(N(m)\) هو عدد الشهب الأشد سطوعاً من \(m\)، و\(N_0\) ثابت التطبيع، و\(m^*\) حدّ اكتمال الكشف، و\(r\) هو مؤشِّر السكان. ومنه نستنتج \(r = N(m+1)/N(m)\) للفترات القدرية حتى \(m^*\).

اختبرنا \(m^*\) عند ذروة التوزيع باستخدام فترات قدرية بعرض 1 mag، واستنتجنا المؤشِّر من فترتَين قدريّتَين أدنى من الذروة. تُظهِر اللوحة اليسرى رسم الدالة التوزيعية لجميع الشهب الشاردة من كاميرا HUKON (الأكثر استقراراً فوتوغرافياً)، واللوحة اليمنى الدالة التراكمية ذاتها. يُقدَّر \(m^* = 1\) mag للذروة في اللوحة اليسرى، والخط الأزرق يمثّل أفضل مُلاءَمة بطريقة المربعات الصغرى للمعادلة أعلاه ضمن المجال \([m^* - 2 < m < m^*]\).

يبين رسم مؤشِّر السكان الليلي للكاميرات الثلاث MetRec مقابل التواريخ اليوليانية أن معظم القيم تقع في النطاق \(2 < r < 4\)، مع بعض القيم الشاذة (ربما لقلّة عدد الشهب أو سوء الظروف الجوية). يُشير الخط الأفقي الأسود إلى المتوسِّط المُجمّع \(\langle r \rangle = 2.85 \pm 0.48\)، وهو متوافق مع rendtel06 الذي وجد \(\langle r \rangle = 2.95 \pm 0.15\) سنوياً.

مع ذلك، يعاني تحديد مؤشِّر السكان من بعض المشكلات المنهجية. فعلى سبيل المثال ناقش molau15 تحسيناتٍ أدّت إلى \(\langle r \rangle \approx 2.5\) للشهب الشاردة، وهو قريب من المجال بين \(2.2\) و\(2.5\) في jen94، ومن \(\langle r \rangle = 2.55 \pm 0.06\) في vida20. وأخيراً اقترح betzler23 دالةً إحصائية بديلة (q-أسّية) وحصل على \(\langle r \rangle = 3.63 \pm 0.01\) باستخدام مدى قدري أوسع \(-5 < m < 0\). هذه الفروقات تُشير إلى استمرار تأثير الأخطاء المنهجية على مثل هذه التقديرات. ومع ذلك، ولأجل الاتساق، نعتمد نتيجتنا \(\langle r \rangle = 2.85 \pm 0.48\) دون رصد تغيّر موسمي في مؤشِّر السكان.

مُعَدَّل الشهب الشاردة بالساعة

حسبنا مُعَدَّلات الشهب الشاردة 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 الشاردة في ليلة، و\(t_{eff}\) الزمن الفعّال للمراقبة (بالساعات)، و\(F\) مُعامِل تصحيح مجال الرؤية (اعتمدنا أن المراقب البشري يرى ثُلث نصف الكرة السماوية)، و\(r\) مؤشِّر السكان، و\(\Delta m\) الفرق في القدر بين حدّ حساسية الكاميرا والقدر المرجعي.

حدّدنا \(L_m = 4.5\) mag لكلٍّ من HUKON وHUPIS، و\(L_m = 4.0\) mag لـHUHOD. جرّبنا أيضاً استخدام القيم المتوسطة الليلية من ملفات «MAG» التي يَستخرجها MetRec لتصحيح \(\Delta m\)، لكن ذلك زاد التشتّت الليلي بلا داعٍ في \(\mathrm{HR_{spo}}\)، فآثرنا الاحتفاظ بقيمة ثابتة لكلّ كاميرا.

في اللوحة العلوية اليسرى نرسم \(\mathrm{HR_{spo}}\) لكلّ الكاميرات الثلاث مقابل الأيام اليوليانية. يظهر التذبذب السنوي الذي لاحظه cbj06، rendtel06، وdubi10 الذي ربط المُعدَّل بدورة النشاط الشمسي. بياناتنا لا تغطي دورة كاملة (نحو 11 سنة)، لكن التباين السنوي مستعاد بوضوح.

في اللوحة السفلية اليسرى نعطي البيانات نفسها مقابل خطّ الطول الشمسي، حيث يبدو ارتفاع مُعَدَّل الشهب الشاردة خلال الخريف (سبتمبر–نوفمبر) سنوياً، مُتوافقاً مع زيادة تقارب 50% في سبتمبر مقارنةً بأبريل كما وجد dubi10.

ملاحظة

لو عدّلنا مجال رؤية الكاميرا ليشمل كامل نصف الكرة السماوية (\(2 \pi\) ستيراديان) بدلاً من مجال مراقِبٍ بشري، لارتفعت المُعدَّلات المُحسوبة إلى ثلاثة أضعاف، أي قرابة 85 شهاباً شاردًا في الساعة.

تردُّد الكرات النارية البطيئة كمؤثّرات محتملة

الكرات النارية هي الطرف الأكثر إشراقاً في توزيع السطوع البصري للشهب. تقليدياً، تُعرَّف بالشهب التي يزيد إشراقها على الزهرة (\(m < -4\) mag)، لكن التعريف يرتبط بالسطوع فقط وليس بـ«التوهّج». ونظراً لأن الكرات النارية الأكثر إشراقاً أرجحُ أن تكون مُؤثِّرة، فقد صُمِّم نظام KoMON لالتقاط الشهب الأشد سطوعاً والبطيئة نسبيّاً.

على الرغم من محدودية المعايرة في KoMON، فحصنا كلّ الإطارات بصرياً لاستخراج الشهب الأشد سطوعاً مقارنةً بالنجوم، من ديسمبر 2019 حتى أكتوبر 2023. ولتمكين الدراسات الإحصائية، وسّعنا حدّ السطوع إلى 0 mag بدلاً من -4 mag. وعليه، عندما نشير إلى «الكرات النارية» في هذه الورقة، نعني الشهب التي تزيد إشراقُها على 0 mag.

جمّعنا أعداد هذه الأحداث شهرياً لزيادة المتانة الإحصائية. يمثّل كل رمز نسبة الكرات النارية الشهرية إلى إجمالي الشهب المسجّلة. بعد إزالة التكرار، تراوحت نسبة الكرات النارية في العيّنة بين 30–50% (\(0.37 \pm 0.12\)).

بالمقارنة مع بيانات كاميرات MetRec المُعايَرة، وبعد تطبيق تصحيح فرق السطوع حتى 0 mag عبر مُعامِل \(r^{\Delta m}\)، وجدنا توافقاً جيداً عند اعتماد \(r = 3.0\) و\(\Delta m = -5.0\)، -5.0 و-4.5 لـHUPIS، HUKON وHUHOD على التوالي. ويمكن استنتاج أن KoMON يلتقط معظم الشهب الأشد سطوعاً في مجال رؤيته.

المقارنة مع عدد الكرات النارية المرصودة فعلياً التي يزيد سطوعها على -4 في المجر

أولاً، جمعنا كلّ الكرات النارية التي رصدها KoMON، ثم استخدمنا الموقع المرآة المجري لتقارير الكرات النارية التابع لـ https://mcse.imo.net لجمع ما أبلغه المراقبون البصريون بين 2020 و2023. بعد إزالة التكرار، رسمنا مجموعتَي البيانات معاً فتبين توافقهما. يؤكّد هذا أن توزيع سطوع الكرات النارية الساطعة يمكن نمذجته بمؤشِّر سكاني \(r \sim 1.5\)، وهو أقلّ بكثير مما هو عليه في الشهب الشاردة. وبالاعتماد على كشف KoMON يمكن التنبّؤ بعدد الكرات النارية الساطعة بشكلٍ معقول.

مقارنة كاميرات MetRec المعتمدة مع وحدات AllSky7

توفر وحدات AllSky7 تغطية شاملة للسماء وحساسية مماثلة لكاميرات MetRec وتشغيلاً مستمراً؛ لذا يُتوقّع أن تكون الجيل القادم عند استبدال كاميرات الفيديو القديمة. ومن المفيد مقارنة أداء النظامين من حيث الكمّ والجودة.

نظرنا إلى العدد الإجمالي للشهب المسجَّلة شهرياً بواسطة محطات AllSky7 المتاحة لدينا (الجدول [tab:ams-camera-parameters]). جمّعنا أعداد «الأحداث المُخفَّضة» للشهب في كل ليلة بعد فحص الإطارات يدوياً وإزالة الأخطاء الاصطناعية.

في اللوحة اليسرى من الشكل (fig:ams_comp) عرضنا مجموع الشهب الشهري لكل محطة AllSky7 مقابل التواريخ اليوليانية. تبدو الأعداد مُجمَّعةً ومتّسقة نسبياً بالرغم من تباعد المحطات (نحو 100–200 كم)، مع اتجاه تنازلي في الأعداد خلال أول ~800 يوم بعد التشغيل. كان هذا التراجع أقل وضوحاً لـAMS72 في عامها الأول، لكنه ظهر لاحقاً أيضاً.

في اللوحة اليمنى من (fig:ams_comp) قارنّا AMS18 مع HUKON، وهما موضوعتان في موقع واحد بمقرّ مرصد كونكولي في بودابست. صحّحنا بيانات HUKON لحساب تغطية كلّ السماء، كما لو كانت مثل AMS18. بينما حافظت HUKON على مُعدَّل شبه ثابت سنوياً، أظهرت AMS18 انخفاضاً ملحوظاً، ما يُشير إلى مشكلة فنّية في برنامج فرز AllSky7.

في الشكل (fig:ams_ratio) مثّلنا نسبة الشهب الشهرية لمحطات AllSky7 الثلاث إلى أقرب كاميرات MetRec. تُبيّن نسبة AMS18/HUKON التراجع بوضوح، فيما تبدو AMS72/HUPIS أكثر استقراراً لكنها شهدت تقلّبات كبيرة في 2023، وتغطي AMS98/HUHOD نطاقاً زمنياً أقصر لكنها تُظهر الاتجاه التنازلي نفسه.

وبناءً عليه، نستنتج أن معظم محطات AllSky7 (باستثناء ربما AMS72) التي نشغّلها تُظهر انخفاضاً طويلاً في أعداد الشهب المسجّلة شهرياً، في حين لا يظهر ذلك في كاميرات MetRec. وحسب مُطوِّر AllSky7 (Hankey، تواصلٌ شخصي)، يُفسَّر هذا بتغييرات في معيار الفرز وعدد النقاط المطلوبة لمسار الشهاب، إضافةً إلى إغفال بعض المسارات الضعيفة والقصيرة، مما يُحسّن الأداء متعدّد المحطات لكنه يُقلّل جودة الإحصاءات الفردية.

الخلاصة

قدّمنا في هذه الورقة دراسةً إحصائية لبيانات ثلاثة أنظمة كاميرات شهب في المجر من 2020 إلى 2023، ونستخلص ما يلي:

1. حسبنا مؤشِّر السكان للشهب الشاردة من كاميرات MetRec فحصلنا على \(\langle r \rangle = 2.85 \pm 0.48\)، متوافقاً مع jen94، rendtel06 وvida20. ولم نرَ تغيّراً موسمياً كما ذُكر في betzler23.

2. قدّرنا \(\mathrm{HR_{spo}} = 28.4 \pm 8.4\) شهاباً شاردًا/ساعة للعينة المُجمَّعة من HUPIS، HUKON وHUHOD. هذه النتيجة متوافقة مع rendtel06 لكنها أعلى بنحو ثلاثة أضعاف من dubi10.

3. درسنا تواتُر «الكرات النارية» (الشهب الأشد سطوعاً من 0 mag) باستخدام KoMON فحصلنا على نحو ثلاثة أحداث شهرياً (\(N_{fb} \approx 2.94 \pm 1.91\)). وبعد تصحيح بيانات MetRec إلى الحدّ القدري نفسه، وجدنا توافقاً جيداً، وعند تطبيق مؤشِّر سكاني \(r \sim 1.5\) وصولاً إلى حد -4 mag، توافق أيضاً مع أعداد الكرات النارية الحقيقية المُبلَّغ عنها بصرياً.

4. عند مقارنة الأعداد الشهرية لشهب AllSky7 مع بيانات MetRec (بعد تعميم الأخيرة على السماء الكاملة)، وجدنا انخفاضاً طويل الأمد غير متوقَّع في بيانات AllSky7، باستثناء AMS72. وقد تبيّن أن السبب برمجيّ وفق مُطوِّر النظام.

الشكر: دَعَمَت هذه الدراسةَ منحةُ مشروع «التأثيرات والمخاطر الكونية» GINOP 2.3.2-15-2016-0003 من مكتب البحث الوطني المجري، وتمويلُ الاتحاد الأوروبي.
شكرٌ خاصٌّ لجمعية Nagykanizsa لعلماء الفلك الهواة (Zsolt Perkó وAttila Gazdag)، ومدرسة Bárdos Lajos الابتدائية في Fehérgyarmat (Zoltán Pásztor) على مساهماتهم الكريمة.