GÖRÜNTÜ SERİSİ 1: İĞNE DELİĞİNDEN CCD’YE

Astronotlar’dan merhaba! Bu hafta sizlere her yerde görüp hayranlık duyduğumuz uzay cisimlerinin fotoğraflarının nasıl çekilebildiğinden ve astronomik gözlemler ile cep telefonunda hikaye atarken kullandığımız teknolojinin benzerliklerinden bahsedeceğiz.

Öncelikle işin teknolojisine geçmeden önce bazı kavramları anlatmamız gerekiyor. Bunlardan ilki; görüntü nedir ve nasıl oluşur? Sözlük anlamıyla görüntü, bir nesnenin ışığını algılayarak yapay bir şekilde iki boyutlu hale dönüştürülmesidir. Tabi temeli iki boyutlu olsa da günümüzde 3D printerlar ya da hologramlar gibi cihazlarla 3 boyutlu da olabilir. Alt başlık olarak resim yapmak ve heykel de aynı temel tanıma sahiptir. Yani amacımız görüntü elde etmek ve bunun için teknolojik veya sanatsal yollarımız var. Ama asıl olmazsa olmaz; ışıktır.

İnsan gözü 400 nanometre ile 700 nanometre dalgaboyuna sahip ışık sinyallerini algılamaktadır. Yani ana renkler olarak, mavi, sarı ve kırmızı renkleri ve mor, turuncu, yeşil gibi ara renkleri gözümüzle doğrudan görebiliyoruz. Fakat aslında bir nesnenin rengi diye bir şey yoktur. Mesela mavi olarak gördüğümüz şey aslında bir cismin üzerine düşen her dalgaboyuna sahip bir ışıktan yalnızca mavi dalgaboyuna denk gelen ışığı yansıtması ile gözün duyarlı olduğu dalgaboyu aralığındaki reseptörler tarafından algılanmasıdır. Gözün evrimi sürecine baktığımız zaman neden sadece bu dalgaboyu aralığı dersek, astronomiye bakmamız gerekir. Zira Güneş, 250 nanometreden 2500 nanometreye kadar ışıma yapar. Kabaca mor ötesi, görsel bölge ve kırmızı öte dalgaboylarını yaymaktadır. Fakat dünya atmosferi bu ışınların çok azını geçirir. Görsel bölgedeki ışık ışınları atmosferden geçebilir ve böylece Dünya’da gördüğümüz renkler oluşur.

Aslında her şey siyah beyaz. Film gibi biraz. 🙂 Güneş ışığının tamamını beyaz bir ışık olarak düşünün. Bu beyaz ışık, aslında barındırdığı farklı renklerin bir toplamıdır. Bir prizmadan geçirdiğimiz zaman ışığın renklerine ayrıldığını görmüşsünüzdür. İşte o ayrılan renkler zaten bizim gözle görebildiklerimizdir. O esnada kırmızı öte de ayrılır aslında, ama o dalgaboyunu çıplak gözle göremiyoruz. 1800 yılında güneş ışığı ve elindeki birkaç prizma ile oynayarak renklerin sıcaklıklarını bulmaya çalışan Sir William Herschel de görememişti. Gördüğü her renk üzerine bir termometre koymuştu. Odanın sıcaklığını ölçmek için ayrı, bir de gelen toplam ışığın sıcaklığını ölçmek için termometre kullanmıştı. Sonra sen o termometrelerden biri, kırmızı rengin biraz daha ötesine yuvarlan… Orada oda sıcaklığını görmeyi beklerken termometrenin farklı bir sıcaklık okuduğunu gördü!  Gözle görülmeyen ışınlar olduğunu da o gün farketmiş olduk.

Görüntüye gelmeden anlamamız gereken bir kavram daha var. Işığın ilerlemesi ve önüne çıkan engellere göre sergilediği davranışı. Geometrik optik disiplinine göre ışık, düz çizgiler halinde ilerler. Ta ki bir nesne tarafından yansıtılana, soğurulana, kırılana veya kırınıma uğrayana kadar. Eğer bir cismi görüyorsanız üstüne gelen ışığı her yönden yansıtıyor demektir. Bir cismi beyaz görüyorsanız ışığın tamamına yakınını yansıtıyor demektir. Eğer siyah ise üzerine düşen tüm ışığı soğuruyor demektir, yansıyan ışık çok azdır. Eğer cismi olduğu yerde değil de farklı bir yerde görüyorsanız, aradaki bir ortam ışığın yönünü değiştiriyor demektir; örneğin su içindeki taş gibi. Eğer duvarlarda küçük gökkuşakları görüyorsanız duvarların suçu yok, deli de değilsiniz! Yakınlarda mutlaka üzerine ışık düşen bir CD veya prizma gibi bir şey arayın. Bu da ışığın kırınımıdır.

Bilim denilince akla islam coğrafyasının geldiği, Irak’ın Irak olduğu yıllara gidelim. 965-1039 yılları arasında yaşamış İbn al-Haytham isimli fizikçi hocamız “Hujrat Alkamira” yani karanlık kamera, yani “Camera Obscura”yı geliştiriyor. Geliştiriyor diyoruz, zira ondan önce gene İslam coğrafyasında, Antik Roma’da ve Çin’de ışığı yönlendirme çalışmaları yapılmış. Onlardaki genel amaç belli tarihlerde ışığı öyle bir yerden geçirelim ki kralımızın  mezar taşına düşsün şeklinde hesaplamalar olmuş. Fakat bilgi birikimi öyle bir şey ki, Al-Haytam bunu “pinhole” dediğimiz, iğne deliği diye çevirebileceğimiz bir boyutta indirgemiş. Tamamen karanlık olan bir oda düşünün. Hiç bir yerinden ışık girmesin. Bu odanın dışında bir duvarın karşısına bir vazo koyun. Bu vazo da ışık ile aydınlanıyor olsun. Yani ışığı yansıtsın ki, görebilelim. Odaya geri dönelim. Vazonun karşısındaki duvara içeriden iğne ile küçük bir delik açalım. Karşı duvara baktığınızda dışarıdaki vazonun ters dönmüş canlı görüntüsünü görüyor olacaksınız. İşte ilk kamerayı keşfettik. Teşekkürler Haytham.

Görüntüyü aldık ama kaydetmedik, kaldı orada. İslam’da resim yapmak yasak olduğu için belki de Haytham böyle bir keşif yaptı, orasını bilmiyoruz. Fakat eğlence sektöründe çok kullanıldığı aşikar. Bu keşif aslında geometrik optiğin daha iyi tanımlanmasını sağlamış, fiziksel optiğin kapılarını açmış. Yeni bir çağ açmış da denebilir yani. İlerleyen zamanlarda, 1600’lü yıllarda teleskobun geliştirilmesiyle uzaktaki cisimlerin ışıkları toplanabilmeye başlanmış. Daha büyüğü her zaman daha iyidir düşüncesinin ışık toplamada geçerli olduğu görülmüş ve aynalı teleskoplar yapılmaya başlanmış; ve gitgide daha büyük aynalı teleskoplar geliştirilmiş. Tabii herhangi bir görüntü kayıt sistemi henüz işlevsellik kazanmadığı için, teleskobu astronomi amacıyla ilk kullanan Galileo gördüklerini ancak kağıda çizerek görüntü haline getirmiş. Böylelikle görüntülerin Kayıt altına alınması da da başlamış oluyor, her ne kadar manuel yolla da olsa. Özellikle eski zamanlarda bilim insanı olunca, resim yeteneği bile olması gerekiyor insanın. Biyolojiden, kuş gözlemciliğine, kimyadan, astronomiye hep elle çizilmişti o zamanlar.

Fakat insan hata yapabilir, gördüğünü olduğu gibi aktaramayabilir. Görüntüyü ne zaman olduğu gibi almaya başladık? Camera Obscura’nın taşınabilir versiyonları bu amaca hizmet ediyor denilebilir. Bir yandan kimya bilimi de gelişerek çeşitli kimyasallarla ışığın etkileşimleri gözleniyordu. 1830’ların sonunda Fransız Joseph Nicephore Niepce, kalay ve kurşun karışımı bir plakayı ince bir tabaka halinde zift ile kaplıyor. Bunu Camera Obscurası’nın arkasına koyuyor ve kameranın kapağını açıyor. 8 saat boyunca bekliyor. Plakayı çıkarıp bir yıkama yapıyor ve ta daa. İlk fotoğrafı çektiğini görüyor. Bu ilkten sonra daha verimli plaklar üretilmeye başlanıyor. Daguerreotype, emülsiyon plakaları gibi daha niceleri 1800’lerin sonuna kadar kullanılıyor. Tüm bu süreç boyunca kamerada pek bir gelişme olmazken, dedektöre odaklanılıyor. 1870 yılında Richard Maddox, hep filmlerden aşina olduğumuz körüklü Camera Obscuralar ile kullanılabilen kuru plakaları geliştiriyor. Bu plakalar daha hassas oldukları için poz süresi de azalmış oluyor.

Bu fotoğraf plakaları 1890’lardan 1990’lara kadar kullanılıyor aslında astronomide. Bir çok keşif fotoğraf plakalarıyla oluyor. Plüto mesela bunlara bir örnek. Hatta Einstein ve Eddington filminden hatırlayacak olursak, Eddington Einstein’ı onaylayacak veya çürütecek gözlemi yaparken de bu plakalardan kullanıyor.

Teleskobumuz var, kameramız var, kaydedebiliyoruz. Daha ne istenir ki?

Bütün bunlar olup herkes heyecanla fotoğraf çektirip torunlarına 200 yıl challenge malzemesi verirken Heinrich Hertz deneylerine devam ediyor ve fotoelektrik olayı gözlemliyordu. Artık ışığın atom boyutunda etkileri incelenmeye başlanıyor. Kuantum optik çağı başlıyor. Madde ile ışığın etkileştiğini söylüyolar ve deneylerle kanıtlıyorlardı. Önce Maxwell ışığın kuantum davranışını formülize etti. Einstein ise ışığın davranışı konusunda fikirlerini teorik olarak gösteriyor, Milikan gibi bilim insanları da deneyler tasarlayarak bu gibi kuramların gerçekliğini gözlemliyordu. Ayrıntıya girmiyorum fakat bu deneyler sonucunda farkedildi ki bir madde ışık ile etkileştiğinde (yani üzerine ışık tuttuğunuzda) atomlarından elektron kopuyor ve bu, ışığın şiddetine ve dalgaboyuna göre değişiyordu. Bu keşiflerle hayatımıza bir çok cihaz girdi. Röntgen cihazı mesela. Fakat bizi en çok ilgilendiren “fotokatlandırıcılardır”.

Fotokatlandırıcı dedğimiz düzenekte ışık, şiddetine bağlı olarak elektron koparır ve bu elektronları sayabiliyoruz. Elektronları Bir dizi maddeden geçirirsek en düşük şiddetli ışığı bile sayabileceğimiz şekilde katlandırabiliyoruz. Böylelikle Gelen ışığın parlaklığını tespit edip, ışık değişimi inceleyebiliriz. Böylelikle İlk fotometri yani ışık ölçümünü yapmış oluyoruz. Yani Işığı oluşturan foton parçacıklarını sayabiliyoruz artık ama ufak bir ekleme yapalım: Işığı sayısallaştırabiliyoruz demek daha doğru olur. Fakat hala renk yok ve tek bir alıcımız var. Neyse ki  zamanla elektronik teknolojisi de gelişiyor. Bu işin altın çağı olan 20. yüzyılda daha küçük fotokatlandırıcı tüpler yapılıyor ve bunları Camera Obscura’mızın odak noktasına takabiliyoruz. Bir ışık kaynağı yerine birden fazla ışık kaynağını aynı anda gözlemleyebiliyoruz. Bu ilkel yolla CCD yani “Charged Coupled Device”ın dedesini yapmış olduk ve sayıları kullanarak görüntü işleme alanını da keşfetmiş olduk. Artık bilgisayarlarımız ve ekranlar var. 

Bir monitör alırken çözünürlük dediğimiz bir tabirle karşılaşırız, 1024×1024 yada 12 megapiksel gibi. Bu sayılar ekrandaki hücrelerin yani piksellerin sayısıdır. İlk ekranlarda televizyonlarda, 1xN sayıda bir dizi, ekran üzerine yansıtılır ve yukarıdan aşağı saniyede 24 yada 25 kere hareket ederdi. Buna da ekranın frekansı denilir. Böylelikle insan gözüne göre akışkan bir görüntü elde edilir. Ama televizyona bir kameranın ardından baktığımızda ekrandaki görüntünün  kaydığını görebiliriz. Bunun sebebi kameranın bir saniyedeki görüntü alış sayısı ile ekranın bir saniyedeki görüntü yayınlama sayısı arasında fark olmasından kaynaklanır. Hatta, internette kolaylıkla bulabileceğiniz heyecan verici bir örnek vereyim; bir kamera ile helikopter videosu çekildiğinde pervanelerin dönüş periyodu ile kameranın görüntü alma periyodu çakıştığında pervaneleri duruyormuş gibi görürsünüz. Pervanesi dönmeden hava asılı duruyormuş gibi görünen helikopterlerin sırrı budur!

Işığı aldık şimdi de toplamadaki hız sorunları ile uğraşıyoruz, çünkü bu doğrudan görüntüleri etkiliyor. Monitöre geri dönecek olursak artık tek satır değil çoklu bir matrisimiz var. Mesela Liquid Crystal Display dediğimiz LCD ekranlar. Genellikle 1024 x 1024 adet ledden oluşurlar; yani yaklaşık 10 megapiksel. Yani 1 küsür milyon adet led. Bu ledlere renk kodu vererek istediğimiz renkte yanmasını sağlıyoruz. İşte ekranda görüntü böyle oluşuyor. Tekrar diğer tarafına geçelim. Aldığımız ışığı sayısallaştırmıştık. İşte bu sayıları monitöre veriyoruz.

Monitör hangi renkte olduklarını nasıl biliyor peki? Bu iş uzunca bir süre pratik bir şekilde çözülemediğinden ilk yayınlar ve fotoğraflar siyah beyazdı. 1960’lı yıllarda Williard Boyle ve George Smith, Bell Laboratuvarları’nda yarı iletkenler üzerinde çalışırken elektrik yüklerinin kapasitörlere depolanabildiğini keşfediyorlar. Depolanmış bu bilgi, bir diğerine aktarılarak okunması sağlanabiliyor. Böylelikle CCD teknolojisi keşfedilmiş oluyor. CCD’ler okuma ve bilgi aktarım şekillerine göre farklı isimler alsalar da temel mantığı aynı. Bakın buradaki önemli olay şu, tek bir fotokatlandırıcı dedektörün boyutu demir 1 lira civarında iken, CCD’de aynı 1 liraya 2048×2048 adet alıcı sığdırabiliyoruz. Bu alıcıları renk duyarlı yaparak doğrudan renklendirme yapabiliyoruz. İşte günümüzde kullandığımız DSLR kameralar, cep telefonu kameraları, web kameraları böyle çalışıyor. Sayı ile birlikte renk kodu da var. Ancak astronomide bunların yerine, filtreler tercih edilir. Yani ışık, renk bilgisi olmadan sayılır ve önüne belli dalgaboyunu geçiren filtreler konularak sadece istenilen aralık incelenir.

Böyle böyle günümüzdeki teknolojiye ulaştık. Artık farklı şekillerde kullanarak astronomik dedektörler tasarlıyoruz. Örneğin bu sefer piksel matrisi değil, CCD matrisleri oluşturarak geniş alan gözlemleri yapıyoruz. GAIA uzay teleskobunda 1 CCD 4500×1966 piksel sayısına sahip. GAIA’da bu CCD’den 100 adetten fazla var. 937 megapiksel yapıyor. Burada artık tek bir CCD nin hassasiyeti devreye giriyor. “Kuantum Etkinliği denilen bu özellik, ışığa hassasiyetini gösteriyor aslında. %90 ve üzeri Yüksek KE olarak kabul edilir. Fakat bu genellikle 550 nanometre dalgaboyundaki değerdir. CCD’ler Her dalga boyuna aynı tepkiyi vermez. Aynı zamanda bir üst limitleri vardır. Bu da bir pikselin sayabileceği maksimum sayıdır. Eğer bu sayıya ulaşırsa satüre yani doymuş olur ve daha fazla sayamaz.

Cep telefonu kameralarımız satüre oluyor mu? Aslında cep telefonlarındaki kameralar da satüre olabilir fakat bunu engellemek için kullanılan yazılımlar sayesinde çevredeki ışığa göre poz süresini ve açıklık değerini ayarlıyor. Böylelikle kullanıcı parlamış bozuk bir görüntü görmüyor. 

Amaca göre dedektör seçiminin önemi burada ortaya çıkıyor. Örneğin parlaklığı 18 kadir olan bir yıldızı gözlemlemek için tasarlanmış bir CCD, küçük poz sürelerinde bile 8-9 kadir civarındaki yıldızlarda satüre olacaktır. Yıldız parlaklık değişimlerinin algılanabilmesi için de hassasiyet en önemli parametre. Astrofotoğrafi de dahil, ayrıntıyı ortaya çıkarmak için doğrudan görüntülemede piksel sayısı ve boyutu önemli. 

Cihazı iyi tanımak, standart işleri yüksek hızlı bilgisayarlara yaptırmak işi pratikleştirir. Aynı zamanda az sayıda insanın büyük veri ile vakit kaybetmesini de önlüyor. Amaçlarına adanmış teleskop sistemleri tanımlanmış bilimsel analizlerini bile yapıyor. Örneğin KEPLER Uzay Teleskobu, ötegezegen keşfi için gözlem yaparken elde ettiği ışık değişim grafiklerine ön analiz yapabiliyor. Eğer tanımlanan koşula uygunsa pozitif alarmı veriyor ve astronomlar sadece bu alarmlarla gelen grafikleri inceliyor. Bunun dışında verilere ulaşan diğer astronomlarsa kendi modellerini veya yöntemlerini uygulayarak yeni keşifler yapmaya çalışıyorlar. Yer tabanlı teleskoplar için de aynı şartlar geçerli. Her projesi olan astronom gözlemevine gidip gözlem yapmıyor artık. Kabul edilen proje bilgileri teleskopa tanımlanıyor. Vakti geldiğinde gözlemevinde görevli astronom bu gözlemi gerçekleştiriyor veya proje sahibi uzaktan bağlanarak kendi gözlemini yapabiliyor. Fakat yakın gelecek de uzaktan bağlanma veya gözlemevi gözlemcisi de olmayacak. Teleskop sistemi gözlem parametrelerini, meteoroloji şartlarını, dedektör durumlarını kendi kontrol ederek gözlem yapacak ve sonuçlarını sunacak. Örneğin Erzurum’da kurulan Doğu Anadolu Gözlemevi sisteminin de böyle olması hedefleniyor.

Amacına en uygun sistemi seçip en uygun şekilde gözlemek için bir astronomun  sadece astrofiziği değil kullandığı ekipmanları, görüntü işlemeyi, cihaz limitlerini de iyi bir şekilde bilmesi gerekiyor, kesinlikle. Astronomical Instrumentation denilen bu alan ülkemizde henüz çok yeni ve gelişmelere açık. Genç astronom arkadaşlarıma şiddetle öneriyorum ilgili alanlarda çalışmalarını.

Yayınımızı bitirmeden önce bir de AstroNotların 2021 gelişmelerini yeniden hatırlatmak istiyorum. Bildiğiniz gibi, 2021 itibariyle aylık takvimler yapmaya başladık. Emre Ekunt’un astrofotoğrafını çektiği Ruh Bulutsusuna ev sahipliği yapan Mayıs ayı takvimimiz ile telefon veya masaüstü arka planlarınızı şenlendirmek isterseniz sitemizi ziyaret edebilirsiniz. Poster şeklinde tasarladığımız bu takvimleri çıktı da alabilirsiniz. İkinci haberimiz ise yine yeni yapmaya başladığımız Kayıt Dışı bölümler! Yayınlarımızı kaydederken kayıt sırasında kırpılan ve eğlendiğimiz anlarımızı da dinleyicilerimizle buluşturmak istedik. Kayıt Dışı seslerimizi dinlemek için sosyal medyadan bizi takip etmeyi unutmayın!

astronotlar.space@gmail.com e-posta adresimize konuştuğumuz içeriklere dair düşüncelerinizi ve değinmemizi istediğiniz konuları yazabilir, bir kitap, link veya bilgi paylaşımında bulunabilirsiniz. Sosyal medya hesaplarımızı Instagram ve Twitter’dan “astro_notlar” olarak takibe almayı unutmayın! Facebook’tan vazgeçmem diyenler ise bizi AstroNotlar sayfasında bulabilirler. Gelecek hafta görüşünceye dek, gökyüzüne iyi bakın, hoşçakalın!

E-posta: astronotlar.space@gmail.com
Facebook: facebook.com/astronotlar.space
Instagram: instagram.com/astro_notlar
Twitter: twitter.com/astro_notlar
Anchor: anchor.fm/astronotlar

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.