نرمافزارهاي نجومي (1)
آروین صداقتکیش
به كليهي نرمافزارهایی (برنامهي رايانهاي) كه در علم نجوم كاربرد دارد، نرمافزار نجومي گفته ميشود. اولين نرمافزارهاي نجومي برنامههاي سادهاي بودند كه براي محاسبهي نتايج فرمولهاي نجومي در رايانههاي اوليه مورد استفاده قرار ميگرفت. با افزايش توان رايانهها و فراگير شدن رايانهي شخصي موارد استفادهي بيشتري براي آنها پيدا شد. هر منجم (اعم از حرفهاي يا آماتور) يك رايانهي شخصي در دسترس داشت و مايل بود از آن براي محاسبات (و بعدها كارهاي پيچيدهتر) نجومي استفاده كند.
اولين برنامههاي نجومي به يكي از زبانهاي سادهي برنامهنويسي نوشته شده بود. كاركرد تمامي اين برنامهها دريافت چند پارامتر به عنوان ورودي و انجام چند محاسبه و ارائه نتيجهي يك مسئلهي محاسباتي به عنوان خروجي بود. در اين دوره منجمان آماتور به دليل آشنايي كمتر به استفاده از رايانهها با زبانهاي سادهتر مانند بيسيك برنامهنويسي ميكردند در حالي كه منجمان حرفهاي (و ديگر همكاران دانشمند آنها) بيشتر به استفاده از زبان فرترن كه زباني با توان محاسباتي بالا بود، گرايش داشتند. امروزه نمونههايي از اين نوع استفاده را در كتابهايي مانند: «ستارهشناسي با كامپيوترهاي شخصي» نوشتهي «پيتر دوفت اسميت» يا «ستارهشناسي با رايانههاي خانگي» نوشتهي «اوليور مونتنبروك» و «توماس فلگر» ميتوان يافت. در دورهي مورد بحث كارهايي كه با رايانه انجام ميشد به گونهاي بود كه خود منجمان برنامههاي مورد نيازشان را توليد و گاه با يكديگر مبادله ميكردند.
با فراگير شدن رايانه به عنوان وسيلهاي كه تقريبا در هدايت تمامي وسايل ديگر ميتوانست نقش بازي كند و همچنين افزايش توانايي تصويري و محاسباتي رايانه در خلال دههي 80 و90 سدهي گذشته كاربرد بيشتري براي برنامهها يا نرمافزارهاي نجومي پيدا شد. برنامهها هر چه بيشتر تصويري شد و امكان اين فراهم شد كه منجمان از طريق توسعهي رابط گرافيكي كاربر (2) بدون اينكه از پيچيدگي طراحي يك برنامهي رايانهاي آگاه باشند، از برنامهها استفاده كنند. از سوي ديگر اين موضوع باعث شد كه برنامهها هر چه پيچيدهتر شده و امكان طراحيشان به وسيلهي برنامهنويسان آماتور كمتر شود. اين تغييرات باعث افزايش تعداد استفاده كنندگان از اين گونه برنامهها شد. از اين دوره به بعد گروه برنامهنويسان نجومي از استفاده كنندگان نرمافزار متمايز شدند. برنامهنويسي نجومي هنوز هم يكي از فعاليتهاي متداول ميان منجمان آماتور جدي است (3). بديهي است كه تعداد برنامهنويسان از استفاده كنندگان برنامههاي نجومي بسيار كمتر است.
در آن زمان استفاده كنندگان برنامههای رایانهای دو دسته بودند: منجمان و شركتهاي توليد كنندهي ابزارهاي نجومي (تلسكوپ سازان)كه محصولات آنها در نهايت به دستهي اول فروخته ميشد.
در اين نوشتار با نرمافزارهايي آشنا ميشويم كه منجمان آماتور از آنها استفاده ميكنند. اين نرمافزارها با گروه مورد استفادهي همتايان حرفهايشان تفاوتهايي دارد كه عبارت است از: تفاوت در دقت محاسبات، نوع كاربردها، استفادهي بيشتر از تصوير، كاربري آسانتر. به دليل تركيب خاص جمعيت استفادهكنندگان و نوع استفادهشان دقت مورد نياز براي نرمافزارهاي اين گروه كمتر است و همچنين برخي از كاربردها مانند محاسبات يا اطلاعات مربوط به بارشهاي شهابي كمتر مورد توجه منجمان حرفهاي قرار ميگيرد. به همين دلايل كاربران مايلاند بيشتر با تصاوير و محيط كاربري بسيار آسان سر و كار داشته باشند.
نرم افزارهاي مورد استفادهي آماتورها را مي توان در چند دستهبندي كلي گنجاند:
- آسماننماها
- هدايت تلسكوپ و ابزار باري جفت شده (CCD)
- محاسباتي
- آموزشي
- پردازش تصوير
- شبيهسازها
- سرويسهاي وب
بايد توجه داشت كه هر نرمافزار مي تواند به بيش از يك گروه تعلق داشته باشد و تواناييهای مربوط به چند گروه را يكجا ارائه کند.
آسماننماها
پر كاربردترين نرمافزارهاي نجومي در ميان آماتورها اين دسته است. هر نرمافزار آسماننما بايد مانند يك آسماننماي حقيقي عمل كند. يعني امكان نمايش آسمان را بر حسب شرايط اوليهي ورودي به وسيلهي كاربر داشته باشد. معمولا در اين نرمافزارها وروديهايي كه معمولا شامل مختصات و زمان محلي رصدگر (كاربر) وجود دارد كه كاربر مي تواند برحسب مكان مورد استفاده آنها را تنظيم كند و در نمايشگر تصوير آسمان بالاي سر را ببيند.
اين گروه از برنامهها معمولا قابليت نمايش ماه و سيارات، دنبالهدارها، سياركها، تعدادي از ستارگان، اجرام غير ستارهاي، صورتهاي فلكي (محدوده، نامها يا تصاوير افسانهاي) و … را دارد. معمولا اجرام چند فهرست (مثلا: مسيه يا NGC يا IC يا …) در آنها ذخيره شده است و در صورت تمايل كاربر ميتواند آنها را به نمايش درآورد. همچنين برخي از اين نرمافزارها قابليت تصوير حقيقي را دارد. اين قابليت به كاربر اين امكان را ميدهد كه با تغيير بزرگنمايي، تصوير گستردهي اجرام غير ستارهاي را در نمايشگر خود مشاهده كند. شبيه سازي گذر زمان و متحركسازي توانايي ديگر اين نوع برنامهها است. اين توانايي به كاربر اجازه ميدهد وقايع نجومي را آنگونه كه در طول مدت زمان بسيار طولاني اتفاق ميافتد با تغيير در پارامترهاي گذر زمان و متحرك سازي در نمايشگر خود مشاهده كند.
اين گروه از برنامهها براي پيشبيني پديدههاي نجومي در طيفي وسيع استفاده ميشود. اين گونه پيشبيني (براي مثال آغاز يك ماه گرفتگي يا…) به وسيلهي محاسبات اعمال شده بر دادههاي ذخيره شده در نرمافزار صورت ميگيرد. به دليل تفاوت الگوريتمهاي محاسباتي به كار رفته و تفاوت در دقت دادههاي ذخيره شدهي هر يك از اين برنامهها دقت نتايج به دست آمده متفاوت است.
از جمله مرسومترين نمونهها در اين گروه Starry night، The Sky، Sky map pro. و Red Shift است. اين چهار برنامه بيشتر امكانات گفته شده در بالا را دارد. از طرفي Starry night امكانات تصويري بيشتري از نمونههاي ديگر دارد. اين نرمافزار، اگر امكانات تصويري رايانهي كاربر به اندازهي لازم قوي باشد حتا عوارض طبيعي محل سكونت ناظر را به همان شكل كه هست نمايش ميدهد (براي مثال افق تهران با كوههاي اطراف آن). در اين نرمافزار اطلاعات مربوط به عوارض سطحي براي تعداد زيادي از محلهاي شناخته شده در جهان، ذخيره شده. براي آنها هم كه از پيش ذخيره نشده، امكان افزودناش موجود است. در نسخههاي جديد كار به جايي رسيده كه ناظر نه تنها روي كرهي زمين بلكه روي برخي از سيارات هم ميتواند باشد، اين امر به كاربر كمك ميكند كه تصوري از آسمان ديگر سيارات بهدست آورد.
The Sky توان برقراري رابطه با هدايتكنندههاي تلسكوپ را دارد (اين توانايي از نرمافزارهاي ديگر بيشتر است). دقت محاسبهي اين برنامه از Starry Night بهتر است. در The Sky از امكانات تصويري تعبيه شده در Starry Night (بهخصوص تصوير حقيقي و عوارض طبيعي) خبري نيست، اما در صورتي كه رايانه به اينترنت متصل باشد ميتوان دادههاي بهروز مربوط به برخي از وقايع نجومي را دريافتكرد. اين مسئله در مورد وقايعي كه قطعيت كمتري دارد و محاسباتشان بايد نزديك به زمان خود واقعه تصحيح شود يا حوزههايي كه هر روز كشفيات جديدي در آن اتفاق ميافتد و در دادههاي آن تغييرات زيادي صورت ميگيرد (مانند دنبالهدارها و سياركها) اهميت بسياري دارد. اين توانايي در The Sky بيش از Starry Night موجود است.
توان محاسبه و بهروزرساني دادهها در Sky Map Pro. بيش از دو همتاي ديگر است، به خصوص براي محاسبات و دنبال كردن سياركها و دنبالهدارها. در عوض از لحاظ تصويري كم توانترين عضو خانواده است. در اين برنامه هيچكدام از تواناييهاي تصوير حقيقي و عوارض سطحي موحود نيست. گاه به نظر ميرسد كه ميان توان محاسباتي و آسان و زيبا بودن محيط كاربري نسبت عكس برقرار است!
همهي اين نرمافزارها قابليت اين را دارند كه فهرستهاي بزرگتر و دقيقتر را به خود بيافزايند براي مثال فهرست رصدخانهي نيروي دريايي ايالات متحدهي آمريكا (USNO) قابل افزايش به هر سه نرمافزار است. البته با توجه به پهناي باند خط داده و مسائل ميان دو كشور، در ايران اين كار از طريق اينترنت امكانپذير نيست (حجم اين فهرست حدود 80 گيگا بايت است) اما اگر كاربري مايل باشد، ميتواند اين فهرست را خريداري و آن را به دادههاي خود اضافه كند (4)؛ یا از فهرست کم حجمتر Tycho II استفاده کند.
در Red Shift توانايي جستجوي وقايع به صورت دستهاي موجود است. براي مثال ميان دو زمان معين ميتوان وقايع نجومي را به طور خودكار فهرست كرد. دقت و توانايي تصويري اين برنامه از بقيه كمتر است.
گروه نرمافزارهاي آسماننما عموميترين گروه برنامههاي رايانهاي نجومي است. اين برنامهها قابليت گروههاي ديگر را نيز در خود دارد. براي مثال بيشتر آنها توانايي هدايت تلسكوپهاي جديد را دارند. به اين معني كه مي توان تلسكوپ را واداشت كه به سمتي كه آسماننما در نمايشگر نشان ميدهد نشانه رود يا حتا از يك جرم خاص كه روي نمايشگر مشخص شده است با ابزار باري جفت شده تصوير تهيه كند. در اكثرشان مطالب آموزشي به صورت گفتار يا نوشتار يا فيلم موجود است. توان شبيهسازي وقايع نجوميشان در حد حركات ظاهري آسمان و پديدههايي مانند خوشيد گرفتگي و اختفا و … است. توان محاسبه نيز موجود است به شكلي كه پس از انجام محاسبه (حتا براي نمايش در نمايشگر رايانه) ميتوان نتايج را جداگانه دريافت كرد. البته مشخص است كه امكان دخالت در روش محاسبه و پارامترهاي آن زياد نيست. امكان پردازش تصوير به صورت مستقيم در هيچكدام از نمونهها ديده نشده. بنا بر آنچه گفته شد نرمافزارهاي آسماننما عموميترين كاربرد را ميان گروههاي ديگر دارد. به همين دليل اغلب زماني كه منجمان آماتور اصطلاح نرمافزار نجومي را به كار ميبرند مرادشان بيشتر يكي از برنامههاي اين گروه است. تقريبا ميتوان گفت كه هر يك از اين برنامهها به تنهايي قادر است بيشتر نيازهاي يك منجم آماتور متوسط را برآورده كند.
برنامههاي محاسباتي
اگر كسي خواهان محاسباتي دقيقتر و قابل هدايتتر از برنامههاي آسماننما باشد بايد يكي از نرمافزارهاي اين گروه را انتخاب كند. اين گونه برنامهها معمولا مخصوص يك گروه ويژه از محاسبات طراحي ميشود به همين دليل امكان تمركز بر دقت هر چه بيشتر محاسبات انجام شده براي طراحان وجود دارد. از همين رو منجمان باتجربه پس از اينكه با استفاده از آسماننماها (نرمافزهاي عمومي) دادههاي مربوط به يك پديده را استخراج كردند معمولا براي اطمينان بيشتر، دادهها را با يكي از برنامههاي محاسباتي ميآزمايند.
پيدا است كه در اينگونه برنامهها هيچ اجباري براي امكانات تصويري پيشرفته و محيط كاربري ساده نيست. از جملهي اين برنامهها ميتوان به Moon Calc براي محاسبات مربوط به ماه، Occult براي اختفا، Mag. Plot و Phase Plot براي محاسبات مربوط به منحني تغييرات نوري دوتاييها، Winwwz براي محاسبهي نمودار تغييرات نوري ستارگان متغير، MAnalyzer براي تحليل دادههاي راديويي بارشهاي شهابي و MODAS براي طراحي و رفع خطاي سيستم نوري تلسكوپها اشاره كرد. به دليل تفاوت اهداف اين برنامهها مقايسهي آنها با يكديگر تقريبا غير ممكن است. اما شباهتهاي كلي ميان اين برنامهها موجود است؛ بيشتر اين برنامهها داراي حجم كم و كارآيي بالا هستند، روي سيستم عاملهاي قديمي و رايانههاي كم توان هم كار ميكنند، برخي از آنها توليد منجمان آماتور برنامهنويس (گروهي كه پيشتر به آن اشاره شد) و داراي امكان انتقال اطلاعات به برنامههاي مشابه (گاه غير مشابه) هستند. اين امكان آخري بسيار مهم است چرا كه براي انجام محاسبات مورد نظر منجمان گاه لازم است چند برنامه مورد استفاده قرار گيرد يا خروجي برنامهاي ورودي برنامهي ديگر باشد.
نمودار تغییرات قدر برای سیستم دوتایی OMI CET که در نرمافزار MagPlot رسم شده است.
برنامههاي آموزشي و دانشنامهها
اين گونه برنامهها همانگونه كه از اسمشان پيدا است براي اهداف آموزشي طراحي شده است و معمولا از امكانات چند رسانهاي براي كمك به يادگيري نجوم استفاده ميكند. به دليل نوع استفاده و سطح فني، دانشنامههاي موجود نيز جزء اين بخش قرار گرفته است. اينگونه برنامهها با برنامههاي آموزشي ديگر علوم تفاوت چنداني ندارد. عموما در آنها مواد آموزشي (در مورد دانشنامههاي اطلاعاتي) به صورت نوشتار، فيلم، عكس و گفتار موجود است. بعضي هم اين امكان را دارد كه به طور مستقيم آخرين اطلاعات را از پايگاه اينترنتي منبع خبر دريافت كند (البته به شرط اينكه كامپيوتر كاربر متصل باشد). هر چند نمونههايي كه شامل ارائهي درس و آزمون (با پاسخهاي از پيش ذخيره شده) باشد در آموزش دروس ديگر ديده شده، اما در نجوم نمونهي مرسومي از اين مورد در دسترس كاربران ايراني نيست.
شبيهسازها (5)
معمولا به برنامهاي يك شبيهساز گفته ميشود كه يك پديدهي واقعي را كه به هر دليلي آزمايش آن مشكل يا غيرممكن يا هزينهبر است، به كمك رايانه تقليد ميكند و نتايجي شبيه به مورد اصلي را نيز از آن ميگيرد. يعني كاربر به كمك يك برنامهي رايانهاي ميتواند چيزهايي را انجام دهد كه در دنياي واقعي تجربه كردنشان -به دلايل گفته شده- ناممكن است. اينگونه برنامهها در دانش هوافضا استفادهي بسيار دارد و براي مواردي چون آموزش فضانوردان، آشناسازي علاقهمندان با محيط پايگاههاي فضايي و … مورد استفاده قرار ميگيرد. براي مثال ميتوان به نرمافزار Sky Base اشاره كرد، كه شبيهساز محيط داخلي ايستگاه فضايي بينالمللي است. اما براي كاربردهاي نجومي مورد استفادهي منجمان آماتور ميتوان به برنامههايي مانند Netsim كه شبيهساز بارشهاي شهابي است (که IMO آن را ارائه میکند)، برنامهي EBS كه شبيهساز حركت دوتاييها است، يا برنامههاي كوچكي كه اثر گرانش سطح يك كوتولهي سفيد يا ستارهي نوتروني بر نور ستارگان را شبيهسازي ميكند، يا برنامهاي مانند gvlens كه يك شبيهساز آموزشي عدسيهاي گرانشي است، يا نمونههايي شبيه به گروه نرمافزارهاي پروژهي CLEA اشاره كرد.
همانطور كه مشخص است برنامههاي شبيهساز با برنامههاي آموزشي شباهتهاي نزديك دارد، تنها تفاوت در اين است كه در برنامهي آموزشي نمايش واقعيت مورد بحث كافي است (براي مثال يك متحركسازي از پيش ذخيره شده)، اما در برنامهي شبيهساز اعمال محاسبات بر دادههاي مربوط به مسئله نيز بايد توسط خود برنامه انجام شود.
برنامهی شبیهساز Gvlens، در سمت راست پارامترها و در سمت چپ، تصویر محاسبه شده بر اساس آنها مشهود است.
برنامههاي هدايت تلسكوپ و ابزار باري جفت شده (سیسیدی)
اين گونه برنامهها جهت هدايت خودكار طراحي شدهاند و عمده توانايي آنها اين است كه از طريق درگاههاي خروجي يك رايانهي شخصي هدايت تلسكوپ يا ابزار باري جفت شده را به دست بگيرد. اين گونه نرمافزارها اگر براي استفادهي عمومي طراحي شود، بايد داراي توانايي برقراري ارتباط با همهي (يا چند نوع از) تلسكوپها باشند در غير اينصورت مانند برخي از نرمافزارهاي ويژه فقط براي نوع خاصي از تلسكوپها قابل استفاده است (مانند نرمافزار كنترل تلسكوپ MEAD). امروزه بيشتر نرمافزارهاي آسماننما و نقشهي آسمان نيز قابليت برقراري رابطه با تلسكوپ را يافته است.
از جمله نمونههايي كه مختص هدايت تلسكوپها طراحي شدهاند ميتوان به Trefach (كه براي هدايت شبكهاي تلسكوپها طراحي شده است)، ds9 و xpa نرم افزارهاي مخصوص هدايت تلسكوپ و ابزار باري جفت شده، اشاره كرد. همچنين برنامههايي مانند: Star Atlas Pro، Astro Planner، Stella 2000 و … هم با وجود اينكه تنها براي هدايت ساخته نشده است، اما اين توانايي را دارد.
مهمترين مسائلي كه در استفاده از اينگونه نرمافزارها بايد مورد توجه قرار گيرد: سازگاري نرمافزار با تلسكوپ كاربر، دقت هدايت نرمافزار، بانك اطلاعاتي داخلي و قابليت بهروز شدن است. مورد اول، سوم و چهارم به سادگي در مستندات هر يك از نرمافزارها پيدا مي شود. براي اطلاع از دقت هدايت تلسكوپها نرمافزارهايي براي آزمايش ميزان خطا و گاه برطرف ساختن آن وجود دارد براي مثال: TPoint يكي از همين نرمافزارهاست كه ميتواند تحليلي از وضعيت نشانهگيري تلسكوپ به كاربر ارائه دهد.
برنامههاي پردازش تصوير
اينگونه برنامهها براي كار با تصاوير نجومي و اعمال تغييرات بر روي آن طراحي شده است. منجمان آماتوري كه به عكاسي از آسمان (به خصوص اعماق) علاقهمندند، اغلب از اين نرمافزارها استفاده ميكنند. براي آشنايي بيشتر با توانايي يك نرمافزار پردازش تصوير ميتوان به PhotoShop به عنوان نرمافزار پردازش تصوير با كاربردهاي عمومي اشاره كرد.
يك برنامهي پردازش تصوير بايد قادر به اعمال تغييرات و توابع مختلف بر يك تصوير باشد. براي مثال دستكاري در شدت رنگهاي اصلي، تركيب تصوير در باندهاي مختلف و ايجاد يك تصوير، اصلاح بخشهاي مزاحم و نوفه (Noise)، اعمال فيلترهاي مختلف بر روي تصوير و … . از جمله اين نوع برنامهها بايد به Maxim DL، Mira، Tira، PinPoint و … اشاره كرد (6).
سرويسهاي وب
كليهي برنامههاي كاربردي بالا را ميتوان به صورت سرويس وب هم ارائه كرد به صورتي كه كاربر بتواند همين كارها را به صورت آنلاين و در زمان اتصال به اينترنت انجام دهد. از جمله تفاوتهاي اين نوع نرمافزارها اين است كه بر روي رايانهي كاربر نصب نميشود بلكه هر بار از روي رايانهي سِروِر اجرا ميگردد، به همين دليل استفاده از آن ها (با شرايط ايران) فقط در مواردي توصيه ميشود كه اينترنت با پهناي باند مناسب در اختيار قرار گيرد يا چارهاي ديگر موجود نباشد. از جمله اين نوع برنامهها ميتوان به … اشاره كرد كه يك آسماننماي چندكارهي تحت وب است. در ضمن سرویسهای وی این اجازه را به کاربر میدهد که از طریق برنامههای دیگر با آنها رابطه برقرار کرده و با آنها به تبادل اطلاعات بپردازد بدون این که نیازی به دخالت انسانی باشد.
موارد ديگر
از جمله مواردي كه اخيرا به دنياي نرمافزارهاي نجومي افزوده شده بايد به برنامههاي نجومي مخصوص گوشيهاي تلفن همراه، رايانههاي جيبي و تكنولوژي رصدخانههاي مجازي (7) اشاره كرد.
به دليل اينكه تعداد نرمافزارهاي نجومي موجود در دنيا بسيار زياد است برخي از پايگاههاي اينترنتي ليستهايي از اين نوع نرمافزارها را بر حسب نوع كاربرد و … تقسيم بندي كرده و دراختيار بينندگان ميگذارند. يكي از اين گونه ليستها را ميتوان با دنبال كردن آدرس زير پيدا نمود:
http://tdc-www.harvard.edu/astro.software.html
در این پایگاه پیوندهای برخی از نرمافزارهای مورد استفادهی منجمان حرفهای به انضمام آنچه منجمان غیر حرفهای بیشتر از آن استفاده میکنند قابل دسترسی است.
پینوشت
- این نوشته درسنامهی بخش «نرمافزارهای نجومی» کلاسهای نجوم پیشرفتهی ماهنامه نجوم است که توسط نگارنده در زمستان 1385 تدوین شده و از سال 1386 و تاکنون تدریس میشود.
- Graphical User Interface
- متاسفانه این شاخه از فعالیتها در میان منجمان ایرانی کمتر رواج دارد.
- متاسفانه به دلیل مشکلات مربوط به تحریمها، کاربران ایرانی قادر به خریداری یا استفادهی رایگان از این فهرست نیستند؛ پایگاه اینترنتی رصدخانهی نیروی دریایی ایالات متحده به درخواست آنان پاسخ منفی خواهد داد.
- از آن جا که یافتن برخی از نرمافزارهای معرفی شده در این بخش (و البته بخشهای دیگر) ممکن است دشوار باشد خوانندگانی که مایلند اطلاعات بیشتری در این مورد داشته باشند میتوانند با آدرس پست الکترونیکی که در انتهای مقاله آمده مکاتبه کنند.
- برای مطالعهی بیشتر دربارهی این گونه نرمافزارها میتوانید به کتاب عکسبرداری دیجیتال و پردازش تصاویر نجومی، مصلح معین (تدوین)، آوند اندیشه، شیراز: 1385. مراجعه کنید. فهرست منابعی که در پایان کتاب چاپ شده نیز حاوی آدرسهای اینترنتی مفیدی است برای افرادی که به دنبال منابع دست اول نرمافزارهای نجومی (بیشتر با گرایش هدایت سیسیدی و پردازش تصویر) میگردند.
- علاقهمندان میتوانند برای آشنایی بیشتر مقالهی «آشنایی با رصدخانههای مجازی» را در همین شماره مطالعه کنند.
نویسنده: آروین صداقتکیش
انجمن اخترشناسی شیراز