نرمافزارهای نجومی (۱)
آروین صداقتکیش
به کلیهی نرمافزارهایی (برنامهی رایانهای) که در علم نجوم کاربرد دارد، نرمافزار نجومی گفته میشود. اولین نرمافزارهای نجومی برنامههای سادهای بودند که برای محاسبهی نتایج فرمولهای نجومی در رایانههای اولیه مورد استفاده قرار میگرفت. با افزایش توان رایانهها و فراگیر شدن رایانهی شخصی موارد استفادهی بیشتری برای آنها پیدا شد. هر منجم (اعم از حرفهای یا آماتور) یک رایانهی شخصی در دسترس داشت و مایل بود از آن برای محاسبات (و بعدها کارهای پیچیدهتر) نجومی استفاده کند.
اولین برنامههای نجومی به یکی از زبانهای سادهی برنامهنویسی نوشته شده بود. کارکرد تمامی این برنامهها دریافت چند پارامتر به عنوان ورودی و انجام چند محاسبه و ارائه نتیجهی یک مسئلهی محاسباتی به عنوان خروجی بود. در این دوره منجمان آماتور به دلیل آشنایی کمتر به استفاده از رایانهها با زبانهای سادهتر مانند بیسیک برنامهنویسی میکردند در حالی که منجمان حرفهای (و دیگر همکاران دانشمند آنها) بیشتر به استفاده از زبان فرترن که زبانی با توان محاسباتی بالا بود، گرایش داشتند. امروزه نمونههایی از این نوع استفاده را در کتابهایی مانند: «ستارهشناسی با کامپیوترهای شخصی» نوشتهی «پیتر دوفت اسمیت» یا «ستارهشناسی با رایانههای خانگی» نوشتهی «اولیور مونتنبروک» و «توماس فلگر» میتوان یافت. در دورهی مورد بحث کارهایی که با رایانه انجام میشد به گونهای بود که خود منجمان برنامههای مورد نیازشان را تولید و گاه با یکدیگر مبادله میکردند.
با فراگیر شدن رایانه به عنوان وسیلهای که تقریبا در هدایت تمامی وسایل دیگر میتوانست نقش بازی کند و همچنین افزایش توانایی تصویری و محاسباتی رایانه در خلال دههی ۸۰ و۹۰ سدهی گذشته کاربرد بیشتری برای برنامهها یا نرمافزارهای نجومی پیدا شد. برنامهها هر چه بیشتر تصویری شد و امکان این فراهم شد که منجمان از طریق توسعهی رابط گرافیکی کاربر (۲) بدون اینکه از پیچیدگی طراحی یک برنامهی رایانهای آگاه باشند، از برنامهها استفاده کنند. از سوی دیگر این موضوع باعث شد که برنامهها هر چه پیچیدهتر شده و امکان طراحیشان به وسیلهی برنامهنویسان آماتور کمتر شود. این تغییرات باعث افزایش تعداد استفاده کنندگان از این گونه برنامهها شد. از این دوره به بعد گروه برنامهنویسان نجومی از استفاده کنندگان نرمافزار متمایز شدند. برنامهنویسی نجومی هنوز هم یکی از فعالیتهای متداول میان منجمان آماتور جدی است (۳). بدیهی است که تعداد برنامهنویسان از استفاده کنندگان برنامههای نجومی بسیار کمتر است.
در آن زمان استفاده کنندگان برنامههای رایانهای دو دسته بودند: منجمان و شرکتهای تولید کنندهی ابزارهای نجومی (تلسکوپ سازان)که محصولات آنها در نهایت به دستهی اول فروخته میشد.
در این نوشتار با نرمافزارهایی آشنا میشویم که منجمان آماتور از آنها استفاده میکنند. این نرمافزارها با گروه مورد استفادهی همتایان حرفهایشان تفاوتهایی دارد که عبارت است از: تفاوت در دقت محاسبات، نوع کاربردها، استفادهی بیشتر از تصویر، کاربری آسانتر. به دلیل ترکیب خاص جمعیت استفادهکنندگان و نوع استفادهشان دقت مورد نیاز برای نرمافزارهای این گروه کمتر است و همچنین برخی از کاربردها مانند محاسبات یا اطلاعات مربوط به بارشهای شهابی کمتر مورد توجه منجمان حرفهای قرار میگیرد. به همین دلایل کاربران مایلاند بیشتر با تصاویر و محیط کاربری بسیار آسان سر و کار داشته باشند.
نرم افزارهای مورد استفادهی آماتورها را می توان در چند دستهبندی کلی گنجاند:
- آسماننماها
- هدایت تلسکوپ و ابزار باری جفت شده (CCD)
- محاسباتی
- آموزشی
- پردازش تصویر
- شبیهسازها
- سرویسهای وب
باید توجه داشت که هر نرمافزار می تواند به بیش از یک گروه تعلق داشته باشد و تواناییهای مربوط به چند گروه را یکجا ارائه کند.
آسماننماها
پر کاربردترین نرمافزارهای نجومی در میان آماتورها این دسته است. هر نرمافزار آسماننما باید مانند یک آسماننمای حقیقی عمل کند. یعنی امکان نمایش آسمان را بر حسب شرایط اولیهی ورودی به وسیلهی کاربر داشته باشد. معمولا در این نرمافزارها ورودیهایی که معمولا شامل مختصات و زمان محلی رصدگر (کاربر) وجود دارد که کاربر می تواند برحسب مکان مورد استفاده آنها را تنظیم کند و در نمایشگر تصویر آسمان بالای سر را ببیند.
این گروه از برنامهها معمولا قابلیت نمایش ماه و سیارات، دنبالهدارها، سیارکها، تعدادی از ستارگان، اجرام غیر ستارهای، صورتهای فلکی (محدوده، نامها یا تصاویر افسانهای) و … را دارد. معمولا اجرام چند فهرست (مثلا: مسیه یا NGC یا IC یا …) در آنها ذخیره شده است و در صورت تمایل کاربر میتواند آنها را به نمایش درآورد. همچنین برخی از این نرمافزارها قابلیت تصویر حقیقی را دارد. این قابلیت به کاربر این امکان را میدهد که با تغییر بزرگنمایی، تصویر گستردهی اجرام غیر ستارهای را در نمایشگر خود مشاهده کند. شبیه سازی گذر زمان و متحرکسازی توانایی دیگر این نوع برنامهها است. این توانایی به کاربر اجازه میدهد وقایع نجومی را آنگونه که در طول مدت زمان بسیار طولانی اتفاق میافتد با تغییر در پارامترهای گذر زمان و متحرک سازی در نمایشگر خود مشاهده کند.
این گروه از برنامهها برای پیشبینی پدیدههای نجومی در طیفی وسیع استفاده میشود. این گونه پیشبینی (برای مثال آغاز یک ماه گرفتگی یا…) به وسیلهی محاسبات اعمال شده بر دادههای ذخیره شده در نرمافزار صورت میگیرد. به دلیل تفاوت الگوریتمهای محاسباتی به کار رفته و تفاوت در دقت دادههای ذخیره شدهی هر یک از این برنامهها دقت نتایج به دست آمده متفاوت است.
از جمله مرسومترین نمونهها در این گروه Starry night، The Sky، Sky map pro. و Red Shift است. این چهار برنامه بیشتر امکانات گفته شده در بالا را دارد. از طرفی Starry night امکانات تصویری بیشتری از نمونههای دیگر دارد. این نرمافزار، اگر امکانات تصویری رایانهی کاربر به اندازهی لازم قوی باشد حتا عوارض طبیعی محل سکونت ناظر را به همان شکل که هست نمایش میدهد (برای مثال افق تهران با کوههای اطراف آن). در این نرمافزار اطلاعات مربوط به عوارض سطحی برای تعداد زیادی از محلهای شناخته شده در جهان، ذخیره شده. برای آنها هم که از پیش ذخیره نشده، امکان افزودناش موجود است. در نسخههای جدید کار به جایی رسیده که ناظر نه تنها روی کرهی زمین بلکه روی برخی از سیارات هم میتواند باشد، این امر به کاربر کمک میکند که تصوری از آسمان دیگر سیارات بهدست آورد.
The Sky توان برقراری رابطه با هدایتکنندههای تلسکوپ را دارد (این توانایی از نرمافزارهای دیگر بیشتر است). دقت محاسبهی این برنامه از Starry Night بهتر است. در The Sky از امکانات تصویری تعبیه شده در Starry Night (بهخصوص تصویر حقیقی و عوارض طبیعی) خبری نیست، اما در صورتی که رایانه به اینترنت متصل باشد میتوان دادههای بهروز مربوط به برخی از وقایع نجومی را دریافتکرد. این مسئله در مورد وقایعی که قطعیت کمتری دارد و محاسباتشان باید نزدیک به زمان خود واقعه تصحیح شود یا حوزههایی که هر روز کشفیات جدیدی در آن اتفاق میافتد و در دادههای آن تغییرات زیادی صورت میگیرد (مانند دنبالهدارها و سیارکها) اهمیت بسیاری دارد. این توانایی در The Sky بیش از Starry Night موجود است.
توان محاسبه و بهروزرسانی دادهها در Sky Map Pro. بیش از دو همتای دیگر است، به خصوص برای محاسبات و دنبال کردن سیارکها و دنبالهدارها. در عوض از لحاظ تصویری کم توانترین عضو خانواده است. در این برنامه هیچکدام از تواناییهای تصویر حقیقی و عوارض سطحی موحود نیست. گاه به نظر میرسد که میان توان محاسباتی و آسان و زیبا بودن محیط کاربری نسبت عکس برقرار است!
همهی این نرمافزارها قابلیت این را دارند که فهرستهای بزرگتر و دقیقتر را به خود بیافزایند برای مثال فهرست رصدخانهی نیروی دریایی ایالات متحدهی آمریکا (USNO) قابل افزایش به هر سه نرمافزار است. البته با توجه به پهنای باند خط داده و مسائل میان دو کشور، در ایران این کار از طریق اینترنت امکانپذیر نیست (حجم این فهرست حدود ۸۰ گیگا بایت است) اما اگر کاربری مایل باشد، میتواند این فهرست را خریداری و آن را به دادههای خود اضافه کند (۴)؛ یا از فهرست کم حجمتر Tycho II استفاده کند.
در Red Shift توانایی جستجوی وقایع به صورت دستهای موجود است. برای مثال میان دو زمان معین میتوان وقایع نجومی را به طور خودکار فهرست کرد. دقت و توانایی تصویری این برنامه از بقیه کمتر است.
گروه نرمافزارهای آسماننما عمومیترین گروه برنامههای رایانهای نجومی است. این برنامهها قابلیت گروههای دیگر را نیز در خود دارد. برای مثال بیشتر آنها توانایی هدایت تلسکوپهای جدید را دارند. به این معنی که می توان تلسکوپ را واداشت که به سمتی که آسماننما در نمایشگر نشان میدهد نشانه رود یا حتا از یک جرم خاص که روی نمایشگر مشخص شده است با ابزار باری جفت شده تصویر تهیه کند. در اکثرشان مطالب آموزشی به صورت گفتار یا نوشتار یا فیلم موجود است. توان شبیهسازی وقایع نجومیشان در حد حرکات ظاهری آسمان و پدیدههایی مانند خوشید گرفتگی و اختفا و … است. توان محاسبه نیز موجود است به شکلی که پس از انجام محاسبه (حتا برای نمایش در نمایشگر رایانه) میتوان نتایج را جداگانه دریافت کرد. البته مشخص است که امکان دخالت در روش محاسبه و پارامترهای آن زیاد نیست. امکان پردازش تصویر به صورت مستقیم در هیچکدام از نمونهها دیده نشده. بنا بر آنچه گفته شد نرمافزارهای آسماننما عمومیترین کاربرد را میان گروههای دیگر دارد. به همین دلیل اغلب زمانی که منجمان آماتور اصطلاح نرمافزار نجومی را به کار میبرند مرادشان بیشتر یکی از برنامههای این گروه است. تقریبا میتوان گفت که هر یک از این برنامهها به تنهایی قادر است بیشتر نیازهای یک منجم آماتور متوسط را برآورده کند.
برنامههای محاسباتی
اگر کسی خواهان محاسباتی دقیقتر و قابل هدایتتر از برنامههای آسماننما باشد باید یکی از نرمافزارهای این گروه را انتخاب کند. این گونه برنامهها معمولا مخصوص یک گروه ویژه از محاسبات طراحی میشود به همین دلیل امکان تمرکز بر دقت هر چه بیشتر محاسبات انجام شده برای طراحان وجود دارد. از همین رو منجمان باتجربه پس از اینکه با استفاده از آسماننماها (نرمافزهای عمومی) دادههای مربوط به یک پدیده را استخراج کردند معمولا برای اطمینان بیشتر، دادهها را با یکی از برنامههای محاسباتی میآزمایند.
پیدا است که در اینگونه برنامهها هیچ اجباری برای امکانات تصویری پیشرفته و محیط کاربری ساده نیست. از جملهی این برنامهها میتوان به Moon Calc برای محاسبات مربوط به ماه، Occult برای اختفا، Mag. Plot و Phase Plot برای محاسبات مربوط به منحنی تغییرات نوری دوتاییها، Winwwz برای محاسبهی نمودار تغییرات نوری ستارگان متغیر، MAnalyzer برای تحلیل دادههای رادیویی بارشهای شهابی و MODAS برای طراحی و رفع خطای سیستم نوری تلسکوپها اشاره کرد. به دلیل تفاوت اهداف این برنامهها مقایسهی آنها با یکدیگر تقریبا غیر ممکن است. اما شباهتهای کلی میان این برنامهها موجود است؛ بیشتر این برنامهها دارای حجم کم و کارآیی بالا هستند، روی سیستم عاملهای قدیمی و رایانههای کم توان هم کار میکنند، برخی از آنها تولید منجمان آماتور برنامهنویس (گروهی که پیشتر به آن اشاره شد) و دارای امکان انتقال اطلاعات به برنامههای مشابه (گاه غیر مشابه) هستند. این امکان آخری بسیار مهم است چرا که برای انجام محاسبات مورد نظر منجمان گاه لازم است چند برنامه مورد استفاده قرار گیرد یا خروجی برنامهای ورودی برنامهی دیگر باشد.
نمودار تغییرات قدر برای سیستم دوتایی OMI CET که در نرمافزار MagPlot رسم شده است.
برنامههای آموزشی و دانشنامهها
این گونه برنامهها همانگونه که از اسمشان پیدا است برای اهداف آموزشی طراحی شده است و معمولا از امکانات چند رسانهای برای کمک به یادگیری نجوم استفاده میکند. به دلیل نوع استفاده و سطح فنی، دانشنامههای موجود نیز جزء این بخش قرار گرفته است. اینگونه برنامهها با برنامههای آموزشی دیگر علوم تفاوت چندانی ندارد. عموما در آنها مواد آموزشی (در مورد دانشنامههای اطلاعاتی) به صورت نوشتار، فیلم، عکس و گفتار موجود است. بعضی هم این امکان را دارد که به طور مستقیم آخرین اطلاعات را از پایگاه اینترنتی منبع خبر دریافت کند (البته به شرط اینکه کامپیوتر کاربر متصل باشد). هر چند نمونههایی که شامل ارائهی درس و آزمون (با پاسخهای از پیش ذخیره شده) باشد در آموزش دروس دیگر دیده شده، اما در نجوم نمونهی مرسومی از این مورد در دسترس کاربران ایرانی نیست.
شبیهسازها (۵)
معمولا به برنامهای یک شبیهساز گفته میشود که یک پدیدهی واقعی را که به هر دلیلی آزمایش آن مشکل یا غیرممکن یا هزینهبر است، به کمک رایانه تقلید میکند و نتایجی شبیه به مورد اصلی را نیز از آن میگیرد. یعنی کاربر به کمک یک برنامهی رایانهای میتواند چیزهایی را انجام دهد که در دنیای واقعی تجربه کردنشان -به دلایل گفته شده- ناممکن است. اینگونه برنامهها در دانش هوافضا استفادهی بسیار دارد و برای مواردی چون آموزش فضانوردان، آشناسازی علاقهمندان با محیط پایگاههای فضایی و … مورد استفاده قرار میگیرد. برای مثال میتوان به نرمافزار Sky Base اشاره کرد، که شبیهساز محیط داخلی ایستگاه فضایی بینالمللی است. اما برای کاربردهای نجومی مورد استفادهی منجمان آماتور میتوان به برنامههایی مانند Netsim که شبیهساز بارشهای شهابی است (که IMO آن را ارائه میکند)، برنامهی EBS که شبیهساز حرکت دوتاییها است، یا برنامههای کوچکی که اثر گرانش سطح یک کوتولهی سفید یا ستارهی نوترونی بر نور ستارگان را شبیهسازی میکند، یا برنامهای مانند gvlens که یک شبیهساز آموزشی عدسیهای گرانشی است، یا نمونههایی شبیه به گروه نرمافزارهای پروژهی CLEA اشاره کرد.
همانطور که مشخص است برنامههای شبیهساز با برنامههای آموزشی شباهتهای نزدیک دارد، تنها تفاوت در این است که در برنامهی آموزشی نمایش واقعیت مورد بحث کافی است (برای مثال یک متحرکسازی از پیش ذخیره شده)، اما در برنامهی شبیهساز اعمال محاسبات بر دادههای مربوط به مسئله نیز باید توسط خود برنامه انجام شود.
برنامهی شبیهساز Gvlens، در سمت راست پارامترها و در سمت چپ، تصویر محاسبه شده بر اساس آنها مشهود است.
برنامههای هدایت تلسکوپ و ابزار باری جفت شده (سیسیدی)
این گونه برنامهها جهت هدایت خودکار طراحی شدهاند و عمده توانایی آنها این است که از طریق درگاههای خروجی یک رایانهی شخصی هدایت تلسکوپ یا ابزار باری جفت شده را به دست بگیرد. این گونه نرمافزارها اگر برای استفادهی عمومی طراحی شود، باید دارای توانایی برقراری ارتباط با همهی (یا چند نوع از) تلسکوپها باشند در غیر اینصورت مانند برخی از نرمافزارهای ویژه فقط برای نوع خاصی از تلسکوپها قابل استفاده است (مانند نرمافزار کنترل تلسکوپ MEAD). امروزه بیشتر نرمافزارهای آسماننما و نقشهی آسمان نیز قابلیت برقراری رابطه با تلسکوپ را یافته است.
از جمله نمونههایی که مختص هدایت تلسکوپها طراحی شدهاند میتوان به Trefach (که برای هدایت شبکهای تلسکوپها طراحی شده است)، ds9 و xpa نرم افزارهای مخصوص هدایت تلسکوپ و ابزار باری جفت شده، اشاره کرد. همچنین برنامههایی مانند: Star Atlas Pro، Astro Planner، Stella 2000 و … هم با وجود اینکه تنها برای هدایت ساخته نشده است، اما این توانایی را دارد.
مهمترین مسائلی که در استفاده از اینگونه نرمافزارها باید مورد توجه قرار گیرد: سازگاری نرمافزار با تلسکوپ کاربر، دقت هدایت نرمافزار، بانک اطلاعاتی داخلی و قابلیت بهروز شدن است. مورد اول، سوم و چهارم به سادگی در مستندات هر یک از نرمافزارها پیدا می شود. برای اطلاع از دقت هدایت تلسکوپها نرمافزارهایی برای آزمایش میزان خطا و گاه برطرف ساختن آن وجود دارد برای مثال: TPoint یکی از همین نرمافزارهاست که میتواند تحلیلی از وضعیت نشانهگیری تلسکوپ به کاربر ارائه دهد.
برنامههای پردازش تصویر
اینگونه برنامهها برای کار با تصاویر نجومی و اعمال تغییرات بر روی آن طراحی شده است. منجمان آماتوری که به عکاسی از آسمان (به خصوص اعماق) علاقهمندند، اغلب از این نرمافزارها استفاده میکنند. برای آشنایی بیشتر با توانایی یک نرمافزار پردازش تصویر میتوان به PhotoShop به عنوان نرمافزار پردازش تصویر با کاربردهای عمومی اشاره کرد.
یک برنامهی پردازش تصویر باید قادر به اعمال تغییرات و توابع مختلف بر یک تصویر باشد. برای مثال دستکاری در شدت رنگهای اصلی، ترکیب تصویر در باندهای مختلف و ایجاد یک تصویر، اصلاح بخشهای مزاحم و نوفه (Noise)، اعمال فیلترهای مختلف بر روی تصویر و … . از جمله این نوع برنامهها باید به Maxim DL، Mira، Tira، PinPoint و … اشاره کرد (۶).
سرویسهای وب
کلیهی برنامههای کاربردی بالا را میتوان به صورت سرویس وب هم ارائه کرد به صورتی که کاربر بتواند همین کارها را به صورت آنلاین و در زمان اتصال به اینترنت انجام دهد. از جمله تفاوتهای این نوع نرمافزارها این است که بر روی رایانهی کاربر نصب نمیشود بلکه هر بار از روی رایانهی سِروِر اجرا میگردد، به همین دلیل استفاده از آن ها (با شرایط ایران) فقط در مواردی توصیه میشود که اینترنت با پهنای باند مناسب در اختیار قرار گیرد یا چارهای دیگر موجود نباشد. از جمله این نوع برنامهها میتوان به … اشاره کرد که یک آسماننمای چندکارهی 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 دیگر
از جمله مواردی که اخیرا به دنیای نرمافزارهای نجومی افزوده شده باید به برنامههای نجومی مخصوص گوشیهای تلفن همراه، رایانههای جیبی و تکنولوژی رصدخانههای مجازی (۷) اشاره کرد.
به دلیل اینکه تعداد نرمافزارهای نجومی موجود در دنیا بسیار زیاد است برخی از پایگاههای اینترنتی لیستهایی از این نوع نرمافزارها را بر حسب نوع کاربرد و … تقسیم بندی کرده و دراختیار بینندگان میگذارند. یکی از این گونه لیستها را میتوان با دنبال کردن آدرس زیر پیدا 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 ۱۳۸۵ تدوین شده و از سال ۱۳۸۶ 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: ۱۳۸۵. 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
دیدگاهتان را بنویسید