星屑デンパズー

活発な流星群時の非常に複雑なスペクトログラムとその数え方

チュートリアルなどでも説明した通り、活発な流星群の活動期間中は非常に複雑な形のエコーが表示されることがあります。自動検出アルゴリズムにこれを正確に検出させることは非常に困難なので、このプロジェクトにおいて最も興味深い対象です。

以下の例はペルセウス座流星群の活動がピークを迎える8月12日に記録された非常に複雑なスペクトログラムの例です。この画像を、こうした複雑な形をどうやって長方形で囲めばいいかの参考にしてください。長方形は重なり合うことがあります。仕方がない場合は重なり合っても問題はありませんが、可能な限り避けるようにしてください。

流星エコーはよく不連続になりますが、どれくらい(垂直に)遠くまで遡るべきでしょうか？

研究のセクションで説明した通り、横軸が時間で縦軸が周波数なので、垂直の構造は同時に発生したことを意味します。したがって同一の流星によるエコーの可能性が高いです。では、どれほど離れているものまでひとまとめに囲ってもいいのでしょうか？以下は実際に私たちが分類する際の例です。

1つの受信局から同時に2つの流星が観測される可能性は非常に低く、ほとんどの場合同じ流星と見なせます。さらに2つの例を紹介します。

長方形を描いたときに、流星エコーの一部を見逃すとどうなりますか？

これらの画像では、電波強度を色に置き換えており、赤が強い強度、青が背景ノイズと呼んでいるものに近いような弱い強度に相当します。しかしカラースケールは線形ではなく、赤い部分には流星エコー強度のほとんどの値域が含まれます。そのため、流星エコーで少し途切れた背景に近い部分を見逃したとて、大した問題ではありません。そもそも、このプロジェクトでボランティアによって見つかったすべての流星エコー候補の垂直・周波数範囲は後でチームが確認します。

2つの信号を別々にマークする際、どれくらいまで離れていれば2つと扱いますか？

この質問に対し、主観的でない明確である完全な回答はできませんが、目安としてもし以下のように2つのエコーが少なくとも1ピクセルでも繋がっていたらそれは1つと見なせます。

一方で2つのエコーが繋がっている点がない場合は、どれだけ近づいているかに関係なく2つの別々の流星と識別します。

流星エコーの現れる、垂直軸での最大波長はどのくらいでしょうか？

流星エコーのほとんどは中心線・基準周波数の近くに現れ、垂直軸での出現範囲は限られます。しかし時々、流星エコーが画像の境界、主に上側の境界にまで達することがあります。この例を見てください。

信号の先頭にある垂直の線は、流星ヘッドエコーと呼ばれます。通常、流星エコーは流星体が大気圏に突入した後に残される電離したトレイルに送信波が反射して発生します。これは特にトレイルエコーと呼ばれ、BRAMSネットワークで検出される流星エコーの大部分を占めます。しかし稀に、大気圏を突っ切る流星体の正面にある電離した衝撃波面が、送信された電波を反射することがあり、これをヘッドエコーと呼びます。ヘッドエコーのあとには通常、非常に明るい高密度エコーが続きます。上の例も特に明るいものの例です。

流星のエコーが弱すぎて長方形が描けないのは、どれくらいの強度でしょうか？

ここでも、曖昧でない明確な回答は困難です。人の目はノイズの中から構造を検出することに長けており、あなたが解析したのと同じデータをコンピュータープログラムが見ても何も検出できないことがよくあります。したがって、答えもやや主観的です。

以下に、2つのかすかで複雑な流星の例を示します・


これらのエコーは長く続いているため高密度エコーであるとみなす必要があります。高密度エコーなのにここまで暗い理由は、電離したテールが受信機から遠く離れており、反射された電波が長い距離を伝達する間に強度が減衰するからです。これらの例から、画像にかすかなエコーがどのように現れるかについての指針が得られればと思います。

流星エコーの形状はどのくらい複雑になりますか？

ほとんどの流星エコーは密度が低く垂直の線として現れます。密度の高い流星エコーは、我々の専門用語で「C型流星エコー」「イプシロン流星エコー」「マルチブランチ流星エコー」と呼ばれています。この名前はスペクトログラム上でのエコーの形と関係があります。以下は、2015年のペルセウス座流星群で観測された複雑な流星エコーの例です。

そして以下は、「イプシロンエコー」「マルチブランチエコー」と呼ばれるものの良い例です。

イプシロンエコーの物理的原因は何ですか？

正直に言えば確信はありません。同時に異なる周波数のいくつもの信号が起こる理由を説明するにはシミュレーションが必要です。1つの暫定的な仮説は、こうした長く継続する高密度エコーの場合、中性大気中に散乱された電子のトレイルが、高高度の強風により歪んだり、いくつかの部分に分断されるというものです。その結果、送信波に対する異なる動きにより（ドップラー効果によって）複数の周波数を持つ複数の反射が生じます。しかしこのトピックについて結論を出すにはシミュレーションが必要です。

こうしたイプシロン状、マルチブランチ状のエコーは流星群の期間に頻度が急激に上がり、これは自動検出アルゴリズムがこうした複雑な形状を認識できないため人間の目が必要である理由でもあります。

一部の画像でビーコン信号が表示されないのはなぜですか？

ビーコンからの直接信号は、実は言うほど直接届くわけでもありません。電波は主に対流圏（最大高度15～20km付近まで）を伝播します。伝搬の条件が時々よくないことがあり、その際信号は弱まるか、以下の例のように全く伝わらなくなります。あくまでも、高度100kmの電離トレイルからの反射信号と比べて「直接」なのです。

この奇妙に動いている信号は何ですか？

これはおそらく、私たちの見ている周波数帯で人工の送信機が移動しているためです。これは流星エコーではないので選択しないでください。

画像に垂直の信号がたくさんありますがこれは何ですか？

電波観測は日中や曇りの時も行え、これは光学観測に勝る利点です。しかし、受信局近くで雷雨が発生した際など、電波観測でも気象条件の影響を強く受けることがあります。雷はとても強大な広帯域干渉を起こし、スペクトログラムに垂直に現れます。受信局と雷が近いほど、干渉も明るくなります。非常に活発な雷雨であれば、遠くの受信機のデータまで影響を及ぼし、結果スペクトログラムが非常に乱れます。以下の例を見てください。星屑デンパズーでは、なるべく雷によって使い物にならなくなったデータを除くように努めています。

以下の例では4つの明るい干渉が、おそらく受信機に近い位置での雷で起こされていますが、スペクトログラムは依然流星の検知に有用です。

2つめの例では、より多くの、しかし暗い垂直の干渉が見られます。おそらくより遠くの雷による影響です。スペクトログラムはより複雑ですが、それでもほとんどの流星エコーは問題なくマークできます。

最後に3つ目の例ですが、これは雷雨が活発すぎて、この期間のデータは使い物にならないほどの極端な例です。

画像に縦じまが複数ありますがこれは何ですか？

下の画像がその例です。これらの帯も干渉です。これは、信号が周波数範囲の全体に及んで生じます。こうしたバンドが時間的に周期をもって現れることから、この信号がおそらく人為的であると言えます。例えば、広帯域を放つ機械である可能性です。そのようなことはあってはいけませんが、機器の所有者もおそらく気づいていないでしょう。

これらの干渉は、画像の無視できない部分にも表れ、バンドの中に流星エコーが生じることもあります。その場合、流星を選んで、干渉バンド越しに長方形で囲んでください。以下に2つの例を示します。1つ目は低密度の垂直エコーで、2つ目は複雑なイプシロンエコーです。

ビーコン周波数のそばに多数の暗い垂直構造がありますがこれは何ですか？

時々、私たちの受信局の1つが捉えた信号が飽和して、偽の信号として現れることがあります。最もよくあるケースは、とても明るい（スペクトログラムで赤色で表示される）航空機エコーが複数重なったときに現れます。これらは流星エコーではないので選ばないでください。以下の例では、中央周波数近くに左にある、とても明るい航空機エコーが2つ重なっている位置で、そのような偽の信号が見えます。