Giorgio Sedmak Tecnologie e metodologie astrofisiche 2003 Programma (1) Osservazione astronomica. (2) Formazione dell immagine

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1 Giorgio Sedmak Tecnologie e metodologie astrofisiche 2003 Programma (1) Osservazione astronomica Introduzione alle tecnologie e metodologie astrofisiche. Osservazione astronomica. Modello dell' osservazione astronomica. Rapporto Segnale/Rumore delle osservazioni astronomiche.caratterizzazione della propagazione atmosferica. (2) Formazione dell immagine Formazione dell immagine in un sistema ottico. Calcolo numerico della PSF e della EE di un sistema ottico. Sistemi ottici a pupilla multipla. Interferometro. (A)Trasformazione di scala fra immagini digitali Fourier coniugate. (3) Propagazione atmosferica Propagazione atmosferica. Scintillazione. Seeing. (A) Misura di parametri della turbolenza atmosferica con il Differential Image Motion Monitor (DIMM). (A) Simulazione numerica della fase di un fronte d onda atmosferico turbolento. (A) Simulazione numerica di serie temporali di speckles tempo-correlate.. (4) Telescopi, ottiche attive/adattive Telescopio astronomico. Configurazioni ottiche del telescopio astronomico. Struttura meccanica del telescopio astronomico. Ottiche a controllo attivo. Interferometri astronomici. Ottiche adattive. (5) Camere Camere per immagini astronomiche (6) Spettrografi Spettrografi astronomici (7) Ricettori Ricettori CCD a stato solido ad accoppiamento di carica (8) Elaborazione di immagini Ricupero delle alte frequenze spaziali. Ricupero di particolari morfologici. Astrometria di campo. Fotometria di campo. Fotometria di superficie. Rivelazione e classificazione di oggetti. (9) Elaborazione di spettri Normalizzazione al continuo spettrale. Misura dei parametri delle righe spettrali

2 Software. Calcolo del rapporto segnale/rumore, procedura LA03_snr.. Calcolo dell funzioni PSF ed EE per pupille singole e multiple, procedure LA03_spsf, LA03_mpsf. Simulazione della fase del fronte d onda atmosferico, procedura LA03_phase. Simulazione di una speckle atmosferica, procedura LA03_speckle. Simulazione di una serie temporale di speckles atmosferiche, procedura LA03_speckle_series.. Calcolo delle coordinate alt-azimut di un oggetto astronomico, procedura LA03_altazi. Simulazione di una osservazione sub-atmosferica con telescopio a ottica adattiva, procedura LA03_adopt. Deconvoluzione, procedura LA03_deconv. Ricupero al limite di diffrazione da serie di speckles, procedura LA03_saa. Astrometria di campo, procedura LA03_astro2d. Fotometria di campo, procedura LA03_foto2d. Fotometria di superficie, procedura LA03_foto2d_s. Rivelazione e classificazione di oggetti, procedura LA03_inventory. Stima del continuo spettrale e normalizzazione, procedura LA03_cont. Fit di modello di riga spettrale doppia, procedura LA03_gauss2fit

3 Giorgio Sedmak Tecnologie e metodologie astrofisiche 2003 Sommario (1) Osservazione astronomica Introduzione alle tecnologie e metodologie astrofisiche. Concetti fondamentali. Richiami di teoria dell informazione. Scenario osservativo. Il Sole e i pianeti del Sistema Solare, l Universo fino a un superammasso di galassie, la scala spaziale e angolare del nucleo di una galassia con AGN a risoluzione crescente. Risoluzione spaziale e orizzonte astronomico. Valori di dimensioni spaziali, distanze e dimensioni angolari in astronomia osservativa. Risoluzione spaziale limite extra-atmosfera e seeing astronomico sub-atmosfera. Valori di risoluzione spaziale limite extra-atmosfera per grandi telescopi e interferometri astronomici. Telescopi dell' astronomia osservativa. Grandi telescopi e interferometri a terra. progetti di grandi telescopi interferometrici a terra a compensazione del seeing atmosferico, progetti di telescopi extra grandi a terra a compensazione del seeing atmosferico. Telescopi spaziali, progetti di grandi telescopi spaziali di nuova generazione, progetti di grandi interferometri spaziali di nuova generazione. Radiotelescopi e radiointerferometri, progetti di radiotelescopi e radiointerferometri. Telescopi di raggi X. Progetti di telescopi per raggi gamma.telescopi di neutrini. Telescopi di onde gravitazionali. Osservazione astronomica. Osservazione astronomica extra-atmosferica. Osservazione astronomica sub-atmosferica. Acquisizione ed elaborazione di immagini in astronomia osservativa. Acquisizione ed elaborazione di spettri in astronomia osservativa. Modello dell' osservazione astronomica. Fondo, sorgente, trasmittanza e turbolenza atmosferica nel cammino ottico, campo di vista e risoluzione spaziale dell osservatore. Sistemi standard di magnitudine. Banda passante e centro banda. Trasmittanza nella banda passante. Calibrazione assoluta osservativa della scala di magnitudine astronomica. Fondo astronomico osservativo medio. Struttura del sistema di osservazione. Telescopio, camera, spettrografo, ricettore, archivio dati. Statistiche delle osservabili astronomiche. Rapporto Segnale/Rumore delle osservazioni astronomiche. Tempo di esposizione nei casi limite. Orizzonte osservativo astronomco. Caratterizzazione della propagazione atmosferica. Trasmittanza atmosferica. Modello di Bouguer dell assorbimento atmosferico medio. Massa d aria e trasmittanza. Retta di Bouguer ed estrapolazione extra-atmosfera. Assorbimento atmosferico osservato medio. Scintillazione temporale. Rifrazione atmosferica. Dispersione spettrale atmosferica. Rifrazione atmosferica media assoluta e differenziale. Seeing atmosferico. Turbolenza spaziale. Figura di seeing. Immagini di oggetti puntiformi ed estesi. Software. Calcolo del rapporto segnale/rumore, procedura LA03_snr.

4 (2) Formazione dell immagine Formazione dell immagine in un sistema ottico. Calcolo dell ampiezza di campo. Calcolo dell intensità. Calcolo della Point Spread Function (PSF) per pupilla circolare. Limite di diffrazione. Funzione Encircled Energy (EE) di un sistema ottico. Larghezza dell immagine al limite di diffrazione. Calcolo numerico della PSF e della EE di un sistema ottico. Trasformata di Fourier bidimensionale della pupilla del sistema. Integrazione bidimensionale della PSF. Sistemi ottici a pupilla multipla. Interferometro, telescopio di sintesi. Appendice: Trasformazione di scala fra immagini digitali Fourier-coniugate. Software. Calcolo delle funzioni PSF ed EE per pupille singole e multiple, procedure LA03_spsf, LA03_mpsf. (3) Propagazione atmosferica Propagazione atmosferica. Osservazioni astronomiche sub-atmosfera a lungo e breve tempo di esposizione. Seeing astronomico e speckles. Turbolenza atmosferica. Rifrazione atmosferica Formazione dell immagine sub-atmosferica. Fronte d onda turbolento subatmosferico, funzione pupilla generalizzata (GPF), pupilla, scintillazione, seeing. Convoluzione di oggetto e PSF osservativa. Scintillazione. Spettro temporale delle fluttuazioni di trasmittanza dell atmosfera, modello di Tatarski, spettro osservato. Spettro spaziale delle fluttuazioni di trasmittanza dell atmosfera, funzione di scintillazione, effetto di filtro della pupilla. Seeing. Spettro spaziale delle fluttuazioni dell indice di rifrazione e della fase del fronte d onda atmosferico. Lunghezza di scala esterna, parametro di Fried, seeing a lungo tempo d esposizione, coefficiente di struttura del atmosfera e modello di Greenwood. Spettro di Kolmogorov e Von Karman. Fase del fronte d onda atmosferico. Modello e spettro spaziale di fase multistrato della turbolenza atmosferica. Campo isoplanatico. Tempo di vita delle speckle e della turbolenza a grande scala. Dati osservativi di turbolenza spaziale. Appendice: Misura di parametri della turbolenza atmosferica con il Differential Image Motion Monitor (DIMM). Appendice: Simulazione numerica della fase di un fronte d onda atmosferico turbolento. Simulazione zonale via FFT. Appendice: Simulazione numerica di serie temporali di speckles tempo-correlate. Ipotesi di Taylor.

5 Software. Simulazione della fase del fronte d onda atmosferico, procedura LA03_phase. Simulazione di una speckle atmosferica, procedura LA03_speckle. Simulazione di una serie temporale di speckles atmosferiche, procedura LA03_speckle_series. (4) Telescopi, ottiche attive/adattive Telescopio astronomico. Ottimizzazione dell immagine. Movimento apparente delle sorgenti astronomiche osservate da terra. Telescopio con montatura equatoriale. Telescopio con montatura alt-azimutale. Sistemi di coordinate astronomiche equatoriale e alt-azimut. Rotazione di campo nel tempo e singolarità allo zenit nel sistema di coordinate astronomiche alt-azimut. Puntamento e guida del telescopio. Derotatore di campo per telescopi a montatura alt-azimut. Configurazione ottica di un canale di derotatore di campo alt-azimut e/o di guida, interfaccia utente. Configurazioni ottiche del telescopio astronomico. Configurazioni Newton, Cassegrain, Gregoriano. Fuoco diretto, Newton, Cassegrain, Nasmyth. Configurazioni ottiche aplanatiche Ritchey Chretien, Schmidt. Calcolo ottico numerico (ray tracing). Struttura meccanica del telescopio astronomico. Alloggiamento del telescopio (enclosure). Struttura meccanica, supporti idrostatici, motori, digitizzatori angolari, controlli, modelli numerici di ottimizzazione. Ottiche a controllo attivo. Sensore di fronte d onda di Shack Hartmann. Supporto attivodello specchio primario. Supporto attivo dello specchio secondario, attuatore Exapod. Interferometri astronomici. Configurazione ottica. Rifasamento e combinazione delle frange. Ottiche adattive. Compensazione della turbolenza atmosferica per coniugazione di fase. Sorgenti di riferimento naturali e artificiali a laser, sensore di fronte d onda, specchio deformabile. Ottiche adattive multiconiugate a grande campo. Software. Calcolo delle coordinate alt-azimut di un oggetto astronomico, procedura LA03_altazi. Simulazione di una osservazione sub-atmosferica con telescopio a ottica adattiva, procedura LA03_adopt. (5) Camere Camera per immagini astronomiche. Struttura. Installazione al telescopio. Meccanica di supporto. Filtri di banda. Risposta spettrale. Ottica a grande campo. Correttore di dispersione atmosferica. Ricettore scientifico e tecnico di guida. Calibrazione.

6 (6) Spettrografi Spettrografi astronomici. Spettrografo a prisma. Spettrografo a reticolo. Dispersore spettrale a GRISM. Sovrapposizione degli ordini spettrali e banda spettrale libera. Spettrografo a doppio dispersore (echelle), formato bidimensionale degli ordini spettrali. Coniugazione di scala nello spettrografo astronomico. Spettrografi multioggetto a maschera e a campo integrale (IFU). Calibrazione delle immagini spettrali. (7) Ricettori Ricettori CCD a stato solido ad accoppiamento di carica. Wafers al silicio singoli e a mosaico per grandi formati. Struttura e funzionamento del ricettore CCD. Trasferimento delle cariche. Efficienza di trasferimento. Efficienza quantica del ricettore CCD. Disuniformità spaziale della risposta. Fringing. Rumore termico e fondo da raggi cosmici. Criostato per il controllo termico. Sistemi di qualificazione dei ricettori CCD. (8) Elaborazione di immagini Ricupero delle alte frequenze spaziali. Deconvoluzione di immagini a PSF nota, algoritmo di Richardson-Lucy. Ricupero al limite di diffrazione di serie di speckles sub-atmosferiche, algoritmo di Shift-and-Add-Analysis (SAA). Ricupero di particolari morfologici. Rimozione del fondo, attenuazione del rumore, filtro mediano. Astrometria di campo. Algoritmo di correlazione bidimensionale. Algoritmo di fit di modello bidimensionale. Algoritmo di correlazione dei collassi monodimensionali. Algoritmo di fit di modello dei collassi monodimensionali. Fotometria di campo. Algoritmo di apertura bidimensionale. Algoritmo di fit di modello bidimensionale. Fotometria di superficie. Rimozione del fondo, fit di maschera. Algoritmo di apertura bidimensionale. Rivelazione e classificazione di oggetti. Rimozione del fondo, maschera di selezione. Descrizione parametrica degli oggetti selezionati. Classificazione degli oggetti selezionati. Software. Deconvoluzione, procedura LA03_deconv. Ricupero al limite di diffrazione da serie di speckles, procedura LA03_saa. Astrometria di campo, procedura LA03_astro2d. Fotometria di campo, procedura LA03_foto2d. Fotometria di superficie, procedura LA03_foto2d_s. Rivelazione e classificazione di oggetti, procedura LA03_inventory.

7 (9) Elaborazione di spettri Normalizzazione al continuo spettrale. Fit a minimi quadrati polinomiale. Fit spline. Misura dei parametri delle righe spettrali. Riga spettrale singola, stima interattiva e fit di modello. Riga spettrale multipla, fit di modello. Software. Stima del continuo spettrale e normalizzazione, procedura LA03_cont. Fit di modello di riga spettrale doppia, procedura LA03_gauss2fit.

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