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Calibriamo gli spettri con la trasmissione atmosferica

Le nuove tecniche per studiare e comprendere la natura di tanti fenomeni celesti.

Messaggioda Paolo » 11 mag 2018, 23:42

Ciao a tutti, volevo dedicare un topic alla speciale tecnica con cui si calibrano gli spettri in flusso relativo facendo uso di un modello della trasmissione atmosferica. E' illustrata in dettaglio da C. Buil in questa pagina (metodo fotometrico). Alcuni punti dell'argomento sono stati trattati in un vecchio post nel quale Lorenzo aveva condiviso i risultati di una esperienza con lo SA100:

Premetto che tale procedura (osservativa e di riduzione dati), sebbene non sia difficile da mettere in pratica, non e' consigliabile al neofita (nelle prime fasi e' bene semplificare al massimo).

Normalmente la trasmissione atmosferica e' inclusa, assieme alla risposta strumentale vera e propria (telescopio, spettrografo e sensore), nella curva di risposta che otteniamo dividendo lo spettro osservato della stella di riferimento per quello di libreria. Vedi l'articolo dedicato.

Con il metodo alternativo, le curve della risposta strumentale e della trasmissione atmosferica entrano invece in gioco separatamente nel trattamento degli spettri, portando interessanti vantaggi. Ad esempio, per la calibrazione delle intensita', non e' piu' necessario osservare stelle di riferimento che si trovano alla stessa altezza dei vari target. La tecnica si avvale della possibilita' di calcolare con buona approssimazione la curva di trasmissione atmosferica per qualunque massa d'aria (ovvero a qualsiasi altezza sull'orizzonte).

Un altro conseguente vantaggio e’ la maggior precisione. Non perche’ il metodo classico non funzioni bene ma perche’ non sempre si riescono a trovare stelle di riferimento esattamente alla stessa altezza dei target osservati, per cui si introducono inevitabili errori (a volte non trascurabili).

Un sottoprodotto della tecnica e' la curva di risposta strumentale vera, che a volte puo' rivelarsi molto utile perche' ci consente di calibrare correttamente in flusso spettri di sorgenti che si trovano a breve distanza come fiamme, lampade, ecc.

Le due funzioni, resa strumentale e filtraggio dell'atmosfera, hanno delle specifiche proprieta'. La prima e' una costante e dipende dal nostro "hardware" mentre la seconda, controllata da Madre Natura, puo' cambiare da notte a notte ed inoltre varia con l'altezza sull'orizzonte.

Vengono utilizzate un paio di semplici formule che mettono in relazione la trasmissione atmosferica, i flussi osservati e la massa d'aria.

Dal punto di vista pratico occorre prendere lo spettro della stessa stella di riferimento in due momenti, tipicamente all'inizio e alla fine della sessione, scegliendola in modo che tra le due osservazioni la differenza di massa d'aria attraversata dalla luce sia piu' grande possibile. Ad esempio in prima serata quando si trova bassa sull'orizzone est (massa d'aria elevata) ed al termine della nottata, in una posizione piu' alta (massa d'aria inferiore).

Di seguito le formule che ci interessano (anche se omesso, si tratta di operazioni aritmetiche tra profili, quindi funzioni della lunghezza d'onda -> T(lambda), O(lambda),...).

formula_t_ass.png
formula_t_ass.png (6.94 KiB) Osservato 343 volte
dove:
T: trasmissione atmosferica assoluta (massa d'aria unitaria - allo zenit)
O1: spettro osservato della stella di riferimento alla massa d'aria a1
O2: spettro osservato della stella di riferimento alla massa d'aria a2


formula_t_loc.png
formula_t_loc.png (6.12 KiB) Osservato 343 volte
dove:
T1: trasmissione atmosferica alla massa d'aria a1
T2: trasmissione atmosferica alla massa d'aria a2
T: trasmissione atmosferica assoluta (massa d'aria unitaria - allo zenit)


formula_R.png
formula_R.png (6.87 KiB) Osservato 343 volte
dove:
R: risposta strumentale (telescopio, spettrografo e sensore)
O1: spettro osservato della stella di riferimento alla massa d'aria a1
O2: spettro osservato della stella di riferimento alla massa d'aria a2
T1: trasmissione atmosferica alla massa d'aria a1
T2: trasmissione atmosferica alla massa d'aria a2
L: spettro vero (di libreria)



Un'applicazione pratica.

La sera del 19 aprile 2018 ho osservato due stelle del catalogo Miles, ognuna a due differenti altezze sull'orizzonte.

La HD155763 e' servita per i calcoli, la seconda per le verifiche.

HD155763 bassa -> esp 60x5s, centro posa 18:32 (UT), altezza 28.1°, massa d'aria a1= 2.12
HD155763 alta -> esp 60x5s, centro posa 23:33 (UT), altezza 56.9°, massa d'aria a2= 1.19

HD128801 bassa -> esp 4x240s, centro posa 19:59 (UT), altezza 28.1°, massa d'aria a1= 2.12
HD128801 alta -> esp 4x240s, centro posa 22:57 (UT), altezza 53.3°, massa d'aria a2= 1.25

La massa d'aria puo' essere facilmente calcolata con ISIS (MISC -> Heliocentric velocity) oppure con un software di simulazione (es. TheSky).


Gli spettri osservati della HD155763, O1 e O2. Sulle ordinate i conteggi ADU (i profili non sono riscalati):

Graf1_osservati.png

Ho applicato la prima formula ricavando la trasmissione atmosferica assoluta:

Graf2_trasm_atmo_ass.png

Nella terza formula (risposta strumentale), possiamo ottenere il rapporto O1/T1 (oppure O2/T2) direttamente in ISIS, in quanto e' presente una speciale funzione basata sulla trasmissione atmosferica assoluta. E' solo uno dei modi di procedere, in alternativa basta calcolare T1 o T2 con la seconda formula ed usarli nelle operazioni aritmetiche successive (si effettua pero' un passaggio manuale in piu'). Utilizziamo quindi la funzione "massa d'aria automatica", con cui ISIS esegue una serie di passaggi in progressione: trova la massa d'aria della stella osservata in base alle sue coordinate celesti, a quelle geografiche dell'osservatore e al tempo; ricava la relativa curva di trasmissione atmosferica con la formula (2); divide il profilo estratto dai frame per la trasmissione atmosferica.

ISIS_parziale.JPG

Il profilo risultante e' lo spettro osservato corretto per il solo assorbimento atmosferico (notare che il campo della risposta strumentale e' vuoto). In questo caso ho usato l'osservazione con la stella alta, ottenendo O2/T2:

hd155763_O2_div_T2.png

La vera risposta strumentale (telescopio, spettrografo e sensore) si ottiene dividendo il profilo ottenuto per il quello di libreria L della stella osservata. Riporto la formula usata in cui ho evidenziato il rapporto calcolato automaticamente da ISIS.

formula_R_evid.png
formula_R_evid.png (9.85 KiB) Osservato 343 volte

A noi interessa il continuo, quindi e' necessario rimuovere eventuali spike dovuti alla differente risoluzione dei nostri spettri rispetto a quelli di libreria. Vanno rimosse anche le bande atmosferiche dovute all'ozono e al vapore acqueo.

La risposta R della mia strumentazione, utilizzando il C9.25, il Lhires III con il reticolo da 150 l/mm e la camera SXVR-H694:

Risp_strum.png

Una precisazione. Rispetto alla procedura illustrata da C. Buil, non ho fatto uso del master flat. Questo per due motivi legati al forte ripple che introduce la mia camera H694. Con gli spettri low-res il problema del ripple, assieme a quello dello shift spettrale dovuto alle flessioni e agli effetti termoelastici dello spettrografo, rende inutile, se non controproducente, l'applicazione del flat quando le integrazioni sono molto lunghe (restano vistose oscillazioni di intensita' nel continuo). Il secondo motivo nasce dal fatto che volevo ricavare una risposta strumentale piu' realistica possibile, indicativa cioe' delle varie attenuazioni del treno ottico (comprensivo delle vignettature) e dei sistemi vicini al sensore (il ripple credo sia dovuto a fenomeni di interferenza nel vetrino copri-sensore).

Se avessi usato il master flat, la risposta sarebbe stata priva di ripple e con un continuo completamente differente. La curva ottenuta con il master flat, sebbene perfettamente funzionante, e' infatti alterata dal contenuto spettrale della lampada del flat. Inoltre ISIS, quando si fa uso del master flat, moltiplica tutti i profili per una speciale curva, Planck a 2750K, per compensare la carenza di radiazione blu delle lampade alogene.

Per contro, la curva di risposta che ho ottenuto senza il flat non compensa eventuali ombre dovute a grani di polvere sul percorso ottico. In fase di ripresa ho comunque cercato di far capitare gli spettri stellari in zone libere da ombre (almeno a vista).

Devo dire che il metodo funziona veramente bene (non avevo alcun dubbio sulla bonta' della tecnica, in caso di malfunzionamento sarebbe dipeso esclusivamente da qualche mio errore!).

I profili dei vari target vengono calibrati usando separatamente la risposta strumentale e la funzione di assorbimento atmosferico alla relativa altezza. Nel campo "Instr. responsivity" indichiamo il nome della risposta strumentale vera. La compensazione per l'assorbimento atmosferico viene fatta automaticamente da ISIS indicando nel campo "Atmo trasmission" la curva della trasmissione assoluta calcolata in precedenza e selezionando l'opzione "Automatic airmass computation".

ISIS_utilizzo.JPG

Nel seguente confronto potete vedere gli spettri calibrati della HD 155763 ripresa alle due altezze di 28.1 e 56.9 gradi sull'orizzonte, insieme allo spettro di libreria. In questo caso la fedelta' dei profili e' piu' scontata in quanto, per il calcolo dei vari parametri, e' stato usato lo spettro della HD 155763 (a 56.9°).

hd155763_confronto.png

Piu' interessante invece un analogo confronto per la HD 128801, osservata a 28.1 e 53.3 gradi (purtroppo le altezze non sono molto diverse).

hd128801_confronto.png

Se nella stessa sessione avessi osservato ad esempio una decina di target a varie altezze sull'orizzonte, avrei pututo calibrare il flusso di tutti senza bisogno di osservare ulteriori stelle di riferimento.

Per calibrare lo spettro di qualsiasi target con questa tecnica, usiamo la risposta strumentale vera (R) e la trasmissione atmosferica assoluta (T).

Notare che il calcolo della trasmissione atmosferica assoluta (mediante la doppia osservazione della stella di riferimento) e' necessaria ad ogni sessione osservativa, mentre quello della risposta strumentale viene fatto una volta sola (la risposta strumentale vera infatti rimane uguale, a meno che si cambi qualcosa nel treno ottico o venga usata una camera di ripresa diversa).

I vantaggi sono dunque evidenti. I contro di questo metodo a mio avviso sono la necessita' di un cielo libero da velature e le difficolta' pratiche legate al rispetto dell'angolo parallattico quando si usano sistemi a fenditura stretta. Osservando infatti la stella di riferimento bassa sull'orizzonte (ma vale anche per qualunque target), se non si dispone la fenditura verticale rispetto all'orizzonte, vengono tagliate delle regioni spettrali agli estremi dello spettro (es. il blu se la camera di guida e' sensibile al rosso). In tal caso, il rapporto del profilo per quello della stella alta puo' portare ad un risultato completamente errato. Per tenermi alla larga da questo problema, ho utilizzato la fenditura fotometrica (300 micron di ampiezza). Allo stesso modo il problema non si pone usando sistemi slitless come lo Star Analyser.

Come "variazione sul tema" valuterei la possibilita' di utilizzare una sola osservazione della stella di riferimento (anziche' due), provando a modellare la trasmissione atmosferica assoluta con l'apposita funzione di ISIS. Procedendo cioe' per tentativi successivi con il parametro AOD (aerosol optical depth) in modo da raggiungere il miglior fit con lo spettro di libreria. Da approfondire...

Riporto questa esperienza sperando che possa tornare utile a qualcuno. Non ho fornito molti dettagli quindi se occorre chiedete pure delucidazioni e non esitate a segnalarmi eventuali errori.

Paolo
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Messaggioda LFranco » 12 mag 2018, 8:44

Ciao Paolo,
bella esperienza ed interessante topic.
A mio avviso i due metodi (calibrazione con una stella alla stessa massa d'aria) e (calibrazione attraverso la modellazione della trasmissione atmosferica) possono equipararsi ai due metodi della fotometria (differenziale) e (assoluta - allsky).
Il secondo metodo è molto intrigante ma più difficile da realizzarsi, specialmente per le mutevoli condizioni del cielo che devono essere stabili e perfette ... e come sappiamo non lo sono quasi mai. Ritengo queste esperienze molto utili per comprendere fino in fondo le tecniche osservative ed i problemi nei quali possiamo incorrere.

Saluti
Lorenzo Franco
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Messaggioda Paolo » 12 mag 2018, 14:19

Grazie per il commento Lorenzo. L'analogia con i due tipi di fotometria e' perfetta.

Alcuni dicono che questa tecnica sia in uso presso gli osservatori professionali (anche io lo vedo possibile). Con una o due stelle standard dovrebbe essere semplice fare il modello della tramissione atmosferica, il resto della calibrazione e' svolto dalla risposta strumentale. D'altra parte molti degli osservatori professionali sono situati in posti dove il "cielo fotometrico" rappresenta la normalita'.

Colgo l'occasione per raccomandare a coloro che volessero fare un'esperienza simile (anche solo per ricavare la risposta strumentale) di scegliere una nottata particolarmente limpida e dal cielo uniforme. Puo' risultare utile visionare le immagini nei canali infrarossi del satellite Meteosat in tempo reale. A me sono capitate situazioni in cui ad occhio sembrava tutto sereno, ma l'occhio del satellite mostrava addensamenti vari in lento movimento. In questi casi non siamo ancora nella situazione ideale.

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Messaggioda umberto » 13 mag 2018, 0:18

:-o Grazie Paolo della tua interessante relazione. Una nuova esperienza da fare con tanti interrogativi. In Toscana si dice " E non bastorno quel dell'anno passo! ".
Umberto
Ultima modifica di umberto il 14 mag 2018, 23:25, modificato 3 volte in totale.
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Messaggioda Paolo » 13 mag 2018, 12:10

Ah ah! Grazie anche al mitico Umb in veste toscana!

Come ha detto giustamente Lorenzo, si sperimenta per comprendere meglio gli aspetti inerenti alla nostra attivita'.

Aggiungo una sintesi che mostra come incidono nel profilo osservato le due componenti correttive (risposta strumentale e trasmissione atmosferica).

hd128801_demo_pb.jpg

Il profilo piu' alto, in cui si e' compensata sia la risposta strumentale che la trasmissione atmosferica, e' quello finale, dal continuo coincidente con buona approssimazione con lo spettro di libreria.

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Messaggioda LFranco » 13 mag 2018, 17:41

Il grafico ha un forte significato didattico.
Saluti
Lorenzo Franco
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Messaggioda Max » 14 mag 2018, 8:28

Mamma mia che bello questo articolo che hai fatto Paolo,e grazie anche a Lorenzo per il suo intervento, ora devo rileggerlo con calma e capirlo come si deve per fare poi qualche prova.
Ragazzi ma perché non si organizza qualcosa insieme?
Max
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Messaggioda Paolo » 14 mag 2018, 18:36

Grazie Max! La tecnica descritta si puo' usare solo quando le condizioni del cielo sono perfette. Purtroppo per noi cio' capita molto raramente. La procedura inoltre richiede l'uso del software ISIS (non puoi eseguirla con RSpec o VSpec).

Il modo migliore per calibrare il flusso dei nostri spettri resta quello basato sull'osservazione di una stella di riferimento ad un'altezza sull'orizzonte piu' vicina possibile a quella del target (tema trattato nell'articolo in home page).

Max, la migliore occasione d'incontro credo senz'altro sia il campo di Fonte Vetica, dove c'e' spazio anche per le osservazioni (molto importante). A causa della chiusura anticipata del rifugio, quest'anno c'e' un po' di confusione per la scelta della data. Potrebbe essere un week-end lungo a giugno (posti letto nel rifugio disponibili) oppure a luglio (chi partecipa deve essere autonomo per il pernotto con tende, camper, ecc). Ti posso garantire che chi inizia impara moltissimo durante eventi del genere.

Paolo
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Messaggioda Max » 14 mag 2018, 20:15

Grazie Paolo
mi piacerebbe venire a Fonte, ma solo se a giugno,poichè in questo periodo e fino ad agosto sono impegnato con le serate pubbliche e gli eventi del mio gruppo (Grag), e a metà luglio abbiamo il 7° Starparty :)
Max
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