Звёздные следы образуют дуги и круги, потому что Земля вращается, а камера с длинной выдержкой собирает свет на одном кадре, пока видимое положение звёзд постепенно меняется. Для наблюдателя небо кажется движущимся вокруг небесных полюсов, поэтому звёзды оставляют дуговые линии. Чем дольше открыт затвор, тем длиннее след. Если снять участок неба рядом с полюсом, дуги выглядят почти круговыми; дальше от него они становятся более широкими.
Почему звёзды кажутся движущимися
Земля вращается вокруг собственной оси. Из-за этого нам кажется, что Солнце, Луна и звёзды пересекают небо, хотя их ежедневное движение в кадре главным образом связано с вращением планеты. За короткое мгновение изменение положения звезды незаметно, но за десятки минут оно превращается в линию на фотографии.
Сама камера остаётся неподвижной относительно поверхности Земли, поэтому фон неба смещается по отношению к объективу. Затвор пропускает свет непрерывно или серией интервалов, и свет звезды регистрируется в разных точках сенсора. Итоговый кадр хранит не только точку, где звезда была в начале съёмки, но и всю траекторию её видимого движения.
Почему получается круг, а не прямая линия
Ось вращения Земли задаёт направление, вокруг которого будто бы вращается небесная сфера. Продлив эту ось в небо, получают северный и южный небесные полюса. Звёзды рядом с ними за время экспозиции проходят небольшие дуги, а более далёкие от полюса – большие. Если камера смотрит на полюс, множество дуг складываются в систему концентрических кругов.
Окружности не обязательно будут полными. Их длина зависит от выдержки: несколько минут дают короткие дуги, часы – длинные дуги или почти замкнутые кольца. На северном полушарии удобный ориентир – область рядом с Полярной звездой, которая расположена близко к северному небесному полюсу, но не совпадает с ним идеально. Поэтому центр следов может оказаться чуть в стороне от самой Полярной звезды.
Почему круги на снимках отличаются по размеру
Скорость видимого вращения неба одинакова для всех звёзд, но их траектории имеют разный радиус относительно полюса. Звезда, находящаяся близко к полюсу, перемещается по маленькой окружности. Звезда у небесного экватора проходит более длинную дугу. Поэтому на одном снимке одновременно видны короткие почти точечные штрихи и широкие дуги.
На видимый изгиб влияет и направление камеры. Если направить объектив к востоку или западу, круговые дуги будут выглядеть иначе, чем при съёмке прямо на полюс. Края широкоугольного кадра могут дополнительно искажать форму линий из-за оптики. Чтобы понять рисунок, полезно учитывать и выдержку, и ориентацию камеры, и широту места наблюдения.
Как фотограф получает звёздные следы
Есть два распространённых способа. Первый – одна очень длинная выдержка. Камера долго записывает слабый звёздный свет, но сенсор может нагреваться, а фон неба становится ярче. Второй – сделать серию более коротких кадров и объединить их программно. Так легче контролировать шум и экспозицию, хотя при соединении нужно избегать разрывов и несоответствий между снимками.
Для съёмки камеру закрепляют на штативе, отключают автоматические режимы, фокусируются на бесконечность и выбирают участок неба без яркого городского освещения. Звёзды тусклые, поэтому важно не двигать штатив и не включать яркий фонарь рядом с объективом. На итог влияют облака, лунный свет, качество оптики и атмосферная прозрачность.
Почему центр кругов показывает направление оси Земли
Если на снимке видны длинные дуги, их можно мысленно продолжить до общего центра. Он укажет примерное положение небесного полюса. Это наглядная геометрическая запись вращения Земли. NASA публикует снимки следов звёзд с орбиты, где центр дуг связан уже с направлением полюсов станции: наблюдатель и камера движутся вместе с аппаратом, а система отсчёта отличается от земной.
Такие фотографии показывают, что круг не означает, будто звёзды вращаются вокруг фотографа. Движение относительное: камера находится на вращающейся Земле или орбитальном аппарате, а далёкие звёзды выступают фоном. Положение оси планеты влияет и на другие астрономические наблюдения. Например, у Урана ось наклонена необычно сильно; об этом говорится в статье о том, почему Уран лежит на боку.
Чем длинная выдержка отличается от мерцания звёзд
Звёздные следы на фото не следует путать с мерцанием звезды, которое наблюдают глазами. Мерцание обычно связано с атмосферной турбулентностью: воздух постоянно меняет путь света, и яркость звезды колеблется. Следы же появляются из-за длительной регистрации её положения камерой. Эти процессы могут происходить одновременно, но у них разные причины. Подробнее о другом наблюдаемом эффекте рассказывает статья о том, почему звёзды мерцают.
Почему полярные области не дают идеальный центр
Полюс небесной сферы не является яркой точкой, которую камера обязана поймать. Это геометрическое направление, продолжение оси вращения Земли. Полярная звезда расположена рядом и помогает сориентироваться, но она тоже движется по небольшой окружности. В другом полушарии центр дуг находится около южного небесного полюса, где нет такой же яркой ориентирующей звезды.
На фотографии точка схода может сместиться из-за композиции, объектива, панорамного объединения или обработки. Поэтому круги дают хорошую подсказку об оси вращения, но не всегда позволяют определить её положение с точностью до пикселя.
Главное
Звёзды оставляют круговые следы, когда камера долго снимает их видимое движение, вызванное вращением Земли. Центр дуг соответствует близкому направлению к небесному полюсу, а длина и радиус следов зависят от времени выдержки и положения камеры. Это не движение звёзд вокруг наблюдателя, а геометрический след вращения нашей планеты.
