Tecniche fotometriche per lo studio di stelle variabili e pianeti extrasolari Alessandro Marchini marchini@unisi.it

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1 Tecniche fotometriche per lo studio di stelle variabili e pianeti extrasolari Alessandro Marchini marchini@unisi.it tecniche fotometriche # 1

2 L Osservatorio Complesso universitario Porta Romana (ex O.P.) accesso da Via Roma 56 tecniche fotometriche # 2

3 L Osservatorio tecniche fotometriche # 3

4 Cupola per osservazioni astronomiche tecniche fotometriche # 4

5 Cupola per osservazioni astronomiche tecniche fotometriche # 5

6 Cupola per osservazioni astronomiche una cupola a luci rosse! tecniche fotometriche # 6

7 Strumentazione disponibile tecniche fotometriche # 7

8 Telescopio Meade LX200 Riflettore (Schmidt-Cassegrain) D=10 (~250mm) F=1600mm f/6.3 tecniche fotometriche # 8

9 Telescopio SkyWatcher 100ED Rifrattore semi-apocromatico D=100mm F=900mm f/9 tecniche fotometriche # 9

10 CCD Starlight Xpress SXL8 Campo inquadrato al primo fuoco del Meade LX200: 16.5' (990 arcsec) tecniche fotometriche # 10

11 CCD Starlight Xpress SXL8 sensore CCD Philips FT12 (B/N) matrice di pixel dimensioni pixel micrometri dimensioni sensore 7,7 7,7 mm tecniche fotometriche # 11

12 CCD Sbig ST7-ME (dual( sensor) sensore KAF-0402ME (Kodak), monoch., 16bit, NABG matrice pixel dimensioni pixel 9 9 micron dimensioni sensore 6,9 4,6 mm campo inquadrato 14,8 x 9,9 (1.16 arcsec/pixel) sensore di guida tecniche fotometriche # 12

13 Immagini astronomiche digitali: un aereo in volo sui grattacieli tecniche fotometriche # 13

14 Esempi di immagini CCD SXL8 tecniche fotometriche # 14

15 CCD Starlight Xpress SXL8 Esempi di immagini tecniche fotometriche # 15

16 CCD Starlight Xpress SXL8 Esempi di immagini Cometa 17P Holmes tecniche fotometriche # 16

17 Webcam Philips Vesta Pro & Toucam Pro Vesta Pro (PCPV680K) sensore ¼ CCD Sony ICX098AK matrice di pixel dimensioni 3,87 mm 2,82 mm tecniche fotometriche # 17

18 Webcam: esempi di immagini Occultazione di Saturno tecniche fotometriche # 18

19 Webcam: esempi di immagini La Luna febbraio 2008 camera MagZero 5/n tecniche fotometriche # 19

20 Altri esempi di immagini webcam tecniche fotometriche # 20

21 sensore CMOS 6,5 Mpixel DSLR Canon Eos 300D matrice di pixel dimensioni 22,7 mm 15,1 mm tecniche fotometriche # 21

22 Esempi di immagini DSLR Canon Eos 300D tecniche fotometriche # 22

23 Esempi di immagini DSLR Canon Eos 300D tecniche fotometriche # 23

24 Esempi di immagini DSLR Canon Eos 300D M81 Bode & M82 Cigar tecniche fotometriche # 24

25 Come sono fatte le CCD Tre componenti fondamentali: sensore o chip elettronica di controllo sistema di raffreddamento I sensori CMOS con cui sono equipaggiate molte macchine fotografiche digitali sono, in pratica, delle CCD meno evolute. tecniche fotometriche # 25

26 Il sensore CCD (il chip) Il chip è costituito essenzialmente da degli elettrodi in polisilicio (gate) separati da un substrato di silicio (la parte sensibile) mediante un sottilissimo strato isolante di biossido di silicio. I fotoni che interagiscono col silicio generano elettroni che vengono accumulati in microscopici serbatoi o celle (well), create da differenze di potenziale elettrico fra gate adiacenti. Questi serbatoi costituiscono i pixel (picture element), ovvero i singoli punti dell immagine finale. tecniche fotometriche # 26

27 Il sensore CCD (il chip) I pixel sono disposti ordinatamente in linee contigue, formando una matrice di elementi fotosensibili. Quando uno di questi elementi viene colpito da un fotone, al suo interno si genera un accumulo di carica elettrica. Maggiore sarà il numero dei fotoni che colpisce il pixel, maggiore sarà questo accumulo. La risoluzione di un chip CCD è rappresentata dalla dimensione della matrice degli elementi fotosensibili (num.colonne X num.righe) tecniche fotometriche # 27

28 Esempi di chip-ccd in commercio tecniche fotometriche # 28

29 CCD: l elettronica l di controllo Una volta che è stata completata l esposizione dell immagine, i pacchetti di cariche registrati vengono trasferiti all elettronica di controllo (readout station). Attraverso un convertitore A/D (analogico/digitale) ogni punto dell immagine viene tradotto nel corrispondente numero all interno della matrice nella memoria del computer. tecniche fotometriche # 29

30 CCD: il sistema di raffreddamento Ha il compito di ridurre il più possibile il disturbo ( rumore termico ) dovuto alla temperatura dell ambiente. Tale rumore andrebbe infatti a mescolarsi col segnale generato dai fotoni, generando disturbi nell immagine finale. E generalmente di tipo termoelettrico. E costituito da una piccola pompa di calore ad effetto Peltier, una cella che sfrutta la corrente elettrica per produrre un abbassamento della temperatura che può spingersi fino a -45 C rispetto a quella dell ambiente. I CCD professionali vengono raffreddati con azoto liquido, che può spingere il gradiente termico fino a 90 C (-90 C rispetto alla temperatura d ambiente!). tecniche fotometriche # 30

31 I vantaggi nell uso delle camere CCD Disponibilità immediata di immagini digitali Maggiore sensibilità (anche spettrale) rispetto all occhio e alle pellicole fotografiche Maggiore scala tonale rispetto alle pellicole fotografiche ( contro 40 toni di grigio) Maggiore possibilità di elaborazione delle immagini (post-processing) tecniche fotometriche # 31

32 I vantaggi nell uso delle camere CCD Maggiore facilità a riprendere, senza mosso, immagini con tempi di esposizione molto lunghi: CCD con autoinseguimento a doppio sensore a singolo sensore (con area d inseguimento) tecniche fotometriche # 32

33 I vantaggi nell uso delle camere CCD Possibilità di sommare più immagini, sommando aritmeticamente le corrispondenti matrici numeriche nella memoria del computer, aumentando così (artificialmente) il tempo di esposizione totale tecniche fotometriche # 33

34 I vantaggi nell uso delle camere CCD Binning: è una caratteristica di alcuni CCD, nei quali è possibile accoppiare pixel adiacenti per aumentare la sensibilità somma di più pixel contigui (es. 4 pixel in binning 2x2) si riducono i tempi di esposizione OK per indagini fotometriche si riduce la risoluzione (1/4 in binning 2x2) tecniche fotometriche # 34

35 e gli svantaggi delle camere CCD dark current: corrente di buio (rumore termico) E la corrente che nasce per generazione spontanea di elettroni all interno del chip anche quando esso non è colpito dalla luce. E legata alla temperatura di lavoro del sensore e genera rumore termico. sistema di raffreddamento rimozione del dark-frame tecniche fotometriche # 35

36 e gli svantaggi: il dark-frame il dark-frame è un immagine del buio (ottenuta a CCD occlusa o col telescopio otturato) con lo stesso tempo di esposizione dell immagine raw e nelle stesse condizioni di temperatura importanza del monitoraggio della temperatura della CCD o della temperatura ambientale per ottenere un immagine corretta (calibrata), il darkframe deve essere sottratto dall immagine raw tecniche fotometriche # 36

37 e gli svantaggi delle camere CCD disomogeneità dei singoli elementi fotosensibili (pixel) applicazione del flat-field frame ma che cos è il flat-field? è la mappa della sensibilità di ciascun pixel e degli eventuali difetti del sistema ottico si realizza acquisendo un immagine di un soggetto omogeneamente illuminato (il cielo al crepuscolo, una parete, uno schermo traslucido opportunamente illuminato da dietro) nelle stesse condizioni ottiche della ripresa delle immagini raw si applica all immagine raw da correggere dividendola per il flat-field normalizzato, dove tutti i valori dei pixel sono stati divisi per il valor medio (nel flat-field normalizzato tutti i valori saranno quindi intorno a 1) tecniche fotometriche # 37

38 Utilizzo di una camera CCD collegamento al pc software di controllo (driver di corredo) acquisizione di immagini raw (grezze) acquisizione immagini di supporto (dark-frame e flatfield) calibrazione immagini elaborazione immagini: a fini estetici a fini scientifici tecniche fotometriche # 38

39 Software di controllo della camera CCD E solitamente fornito di corredo con la camera CCD. Ora esistono anche dei plug-in che permettono di controllare le CCD da programmi commerciali (es. Astroart, MaxImDL, ) Permette di gestire il collegamento della CCD al computer Permette all utente di regolare i parametri per la ripresa delle immagini (ad es. il tempo di esposizione exposure time) Trasferisce l immagine nella memoria del computer e la salva su disco (solitamente in formato FITS) Alcuni software offrono anche alcuni funzioni di processing (ad es. rimozione del dark-frame, filtri per il miglioramento delle immagini, ) tecniche fotometriche # 39

40 Software di visualizzazione di immagini FITS Esistono molti programmi (anche freeware, cioè gratuiti) che permettono di visualizzare e di ispezionare le immagini FITS provenienti da vari modelli di CCD. Tre esempi (freeware!): Iris Avis fits viewer DS9 (Astronomical Data Visualization Application) tecniche fotometriche # 40

41 Software di elaborazione di immagini astronomiche Gestiscono immagini provenienti da molti modelli di CCD Permettono di eseguire tutte le operazioni aritmetiche tra immagini e la composizione di immagini a colori (tricro- e quadricromia) Permettono l utilizzo di filtri evoluti per il miglioramento delle immagini Permettono di ispezionare numericamente l immagine (fotometria di apertura) tecniche fotometriche # 41

42 Software di elaborazione di immagini astronomiche Esistono molti programmi di elaborazione evoluta di immagini astronomiche (FITS); tra i più famosi o utilizzati: MaxIm-DL AstroArt Iris Registax Iraf (per Linux) tecniche fotometriche # 42

43 Osservatorio Astronomico: attività didattiche introduttive tecniche fotometriche # 43

44 Conoscenza del cielo tecniche fotometriche # 44

45 Utilizzo degli strumenti Uso del telescopio Acquisizione di immagini CCD, webcam, DSLR tecniche fotometriche # 45

46 Utilizzo di software astronomico Simulazione del cielo e controllo del telescopio Acquisizione immagini astronomiche (CCD, webcam, DSLR) Elaborazione dati (elaborazione numerica delle immagini acquisite) tecniche fotometriche # 46

47 Attività del Laboratorio di Astronomia tecniche fotometriche # 47

48 Attività del Laboratorio di Astronomia Osservazioni dirette osservazione visuale (a occhio nudo o con l ausilio di telescopi) Fotometria misurare le variazioni di luminosità degli oggetti celesti (es. studio di stelle variabili) caratteristiche fisiche degli oggetti in esame Astrometria misurare lo spostamento di pianeti, pianetini, asteroidi, comete Spettroscopia studio del moto e della composizione chimica delle stelle tecniche fotometriche # 48

49 Astrometria: studio del moto di asteoroidi tecniche fotometriche # 49

50 Astrometria: studio del moto delle comete tecniche fotometriche # 50

51 Astrometria: studio del moto delle comete tecniche fotometriche # 51

52 Fotometria: studio di stelle variabili L ammasso globulare M3 ( tecniche fotometriche # 52

53 Stelle variabili (da Wikipedia, l enciclopedia libera - it.wikipedia.org) Una stella variabile è una stella la cui luminosità non è costante, ma cambia nel tempo. La variazione può essere piccola, grande, regolare, irregolare o perfino distruttiva a seconda del tipo di stella variabile. La maggior parte delle stelle hanno una luminosità quasi costante. Il nostro Sole è un buon esempio di stella che non ha praticamente alcuna variazione misurabile. Alcune stelle, però, esibiscono variazioni di luminosità; si dividono in due categorie principali: variabili intrinseche variabili estrinseche tecniche fotometriche # 53

54 Stelle variabili (da Wikipedia, l enciclopedia libera - it.wikipedia.org) Variabili intrinseche (o pulsanti) Le variabili intrinseche sono stelle la cui luminosità varia effettivamente, cioè la stella stessa diventa più o meno luminosa. Ci sono molti tipi di variabili intrinseche, che a volte si sovrappongono. Alcuni sono: * Variabili di tipo Mira (stelle giganti pulsanti) * Variabili Cefeide (stelle giganti pulsanti) * Variabili RR Lyrae (stelle giganti pulsanti) * Variabili semiregolari * Variabili regolari * Variabili eruttive tecniche fotometriche # 54

55 Stelle variabili Stelle variabili (da Wikipedia, l enciclopedia libera - it.wikipedia.org) Variabili estrinseche Le variabili estrinseche appaiono di luminosità variabile a causa di qualche influenza esterna. Una delle cause più comuni è la presenza di una compagna, che forma con la principale una stella doppia. Viste da certe angolature, le due stelle possono passare una di fronte all'altra e causare un'eclisse, che si presenta come una riduzione di luminosità. La prima stella variabile conosciuta in Occidente, Algol (la stella del diavolo), è di questo tipo, e ha dato il nome alla categoria di variabili a eclisse. In alcune stelle binarie le componenti sono così vicine che si ha un trasferimento di massa da una all'altra. Queste stelle sono chiamate binarie interagenti. Nella maggior parte dei casi, il trasferimento di massa forma un disco di accrescimento attorno ad una stella. La complessa interazione di una stella con il disco di accrescimento e con l'altra stella causa vari fenomeni, tra cui le esplosioni di novae e di alcune supernovae e le pulsar a raggi X. tecniche fotometriche # 55

56 Riassumendo variabili intrinseche (variabili pulsanti) Cefeidi: da δ Cephei (Goodricke, 1784); periodo da 1 a 50 giorni RR Lyrae: stelle giganti vecchie molto calde; periodo minore (solitamente minore di 1 giorno) rispetto alla Cefeidi variabili estrinseche Binarie a eclisse: es. Algol tecniche fotometriche # 56

57 Studio delle variabili: la fotometria (da Wikipedia, l enciclopedia libera - it.wikipedia.org) La fotometria è una tecnica dell'astronomia che riguarda la misurazione del flusso, o dell'intensità, della radiazione elettromagnetica di un oggetto astronomico. Quando la distanza dell'oggetto misurato può essere stimata, la fotometria può fornire informazioni sul totale dell'energia emessa dall'oggetto, la sua dimensione, la temperatura e altre proprietà fisiche. Accurate misurazioni fotometriche sono difficoltose quando la magnitudine apparente dell'oggetto è fioca. In passato nella fotometria veniva esclusivamente usato il fotometro fotoelettrico Oggi sono stati largamente rimpiazzati dalle camere CCD La fotometria è di solito usata per generare le curve di luce curve di luce di oggetti come le stelle variabili e supernove dove l'interesse è concentrato sulla variazione dell'energia emessa nel tempo. tecniche fotometriche # 57

58 Studio delle variabili: la curva di luce (da Wikipedia, l enciclopedia libera - it.wikipedia.org) In astronomia, una curva di luce è un grafico che mostra l'andamento della luminosità in funzione del tempo Le curve di luce possono essere periodiche, come nel caso delle binarie a eclisse, delle variabili Cefeidi e di altre variabili, oppure aperiodiche, come le curve di luce di una nova, di una variabile cataclismica, o di una supernova. Lo studio delle curve di luce, assieme ad altre osservazioni, può dare molte informazioni sui processi fisici che la producono, e può influenzare lo sviluppo delle teorie fisiche che devono spiegarle. tecniche fotometriche # 58

59 Variabili intrinseche o pulsanti PERIODO M EPOCA tecniche fotometriche # 59

60 Variabili binarie ad eclisse tecniche fotometriche # 60

61 Variabili binarie ad eclisse tecniche fotometriche # 61

62 Variabili binarie ad eclisse M PERIODO EPOCA tecniche fotometriche # 62

63 Fotometria differenziale di apertura tecniche fotometriche # 63

64 Analisi delle curve di luce grafico di fase CY Aquarii, settembre 2006 tecniche fotometriche # 64

65 Analisi delle curve di luce CY Aqr: variabile intrinseca (pulsante) M PERIODO EPOCA tecniche fotometriche # 65

66 Analisi delle curve di luce tecniche fotometriche # 66

67 Analisi delle curve di luce tecniche fotometriche # 67

68 Analisi delle curve di luce V572 Lyr: binaria a eclisse tecniche fotometriche # 68

69 Exoplanet = pianeti extrasolari (al di fuori del sistema solare) tecniche fotometriche # 69

70 Il 1 1 meeting di Asiago (4-5 5 giugno 2005) Graziani, Lamberti, Marchini, Papini Ulisse Munari Symbio-coordinatore Roberto Claudi, Mauro Barbieri Exo-coordinatori tecniche fotometriche # 70

71 Exoplanets: : perché cercarli? CONTACT SETI tecniche fotometriche # 71

72 tecniche fotometriche # 72

73 Sostiene che l universo è infinito, vi sono infiniti mondi, e che questi sono tutti abitati da esseri intelligenti tecniche fotometriche # 73

74 Exoplanets: ricerca di Pianeti Extrasolari tecniche fotometriche # 74

78 Exoplanets: : metodi di ricerca Osservazione diretta Astrometrico Microlente gravitazionale Spettroscopico (con misure di velocità radiale ) Il metodo fotometrico (il metodo dei transiti planetari ) metodi indiretti tecniche fotometriche # 78

79 Osservazione diretta tecniche fotometriche # 79

80 Osservazione diretta Sept. 15, 2008 First Picture of Likely Planet around Sun-like Star Gemini adaptive optics image of 1RSX J and its likely ~8 Jupiter-mass companion, within red circle ( tecniche fotometriche # 80

82 Metodo astrometrico Un pianeta che orbita intorno a una stella provoca, per mezzo delle sue perturbazioni gravitazionali, un oscillazione della stella intorno alla sua posizione nel cielo. Misure astrometriche estremamente precise possono individuare questa piccolissima oscillazione. Noto il periodo dell oscillazione si possono calcolare il periodo orbitale del pianeta, la distanza dalla stella e la massa del pianeta. Nota: il primo pianeta scoperto con questo metodo si è rivelato un falso; successivi controlli hanno determinato che le oscillazioni erano dovute a difetti tecnici della strumentazione! tecniche fotometriche # 82

83 Metodo della microlente gravitazionale Una stella molto lontana passa dietro un altra stella intorno alla quale orbita un pianeta. La stella vicina focalizza la luce della stella lontana, creando un aumento della luminosità. Anche il pianeta focalizza la luce della stella lontana, creando i due picchi di luminosità visibili prima del massimo. tecniche fotometriche # 83

84 Il metodo spettroscopico: studio delle curve di velocità radiale tecniche fotometriche # 84

85 Distanza: 0,05 AU!!! tecniche fotometriche # 85

87 Il metodo spettroscopico tecniche fotometriche # 87

88 Il metodo spettroscopico Curva di velocità radiale tecniche fotometriche # 88

89 Il metodo fotometrico Curve di luce di transiti planetari tecniche fotometriche # 89

90 Il metodo fotometrico (transiti planetari) tecniche fotometriche # 90

91 Variazione di luminosità della stella dovuta a un transito planetario la curva di luce di un transito planetario tecniche fotometriche # 91

92 Caratteristiche di un transito Se varia R * : varia la durata e la profondità del transito Se varia R P : varia solo la profondità del transito tecniche fotometriche # 92

93 Metodo dei transiti: problemi tecniche fotometriche # 93

94 Difficoltà di applicazione del metodo dei transiti tecniche fotometriche # 94

95 Un esempio ottimistico tecniche fotometriche # 95

96 Due esempi noti tecniche fotometriche # 96

97 Variazione della luminosità della stella durante il transito M=~0,025 ~2% E necessaria una strumentazione che permetta di fare fotometria ad altissima precisione! tecniche fotometriche # 97

98 Precisione necessaria tecniche fotometriche # 98

99 Exoplanets: quanti sono? tecniche fotometriche # 99

101 Exoplanets noti al 27 novembre tecniche fotometriche # 101

102 Exoplanets noti al 29 settembre tecniche fotometriche # 102

103 Exoplanets noti al 14 dicembre tecniche fotometriche # 103

104 Exoplanets noti al 13 dicembre tecniche fotometriche # 104

105 Le stelle con pianeti sono ovunque Emisfero Nord Emisfero Sud La presenza di pianeti potrebbe essere una regola per moltissime stelle tecniche fotometriche # 105

106 Metodo fotometrico + metodo spettroscopico ovvero: l unione fa la forza. tecniche fotometriche # 106

107 Metodo fotometrico (transiti) + metodo spettroscopico si ottengono: dimensione del pianeta (R P ), distanza dalla stella (a), inclinazione dell orbita (i), massa (M P ) e densità del pianeta tecniche fotometriche # 107

108 Metodo fotometrico + spettroscopico: alla ricerca della vita L osservazione spettrale mostra la presenza di biomarcatori O 3 e H 2 O sulla Terra e non su Marte e su Venere. tecniche fotometriche # 108

109 Metodo fotometrico + spettroscopico: alla ricerca della vita First Detection of an Extrasolar Planet's Atmosphere By Robert Roy Britt 27 November 2001 Hubble Space Telescope /astronomy/extrasolar_atmosphere_ html tecniche fotometriche # 109

110 Metodo fotometrico + spettroscopico: alla ricerca della vita Spettro *+P Spettro * = Spettro P Sottraendo dallo spettro del sistema lo spettro della stella, in futuro si potrebbe cercare la presenza di sostanze che indichino possibili forme di vita tecniche fotometriche # 110