COELUM 140 26-07-2010 18:58 Pagina 44 Qualche piccolo segreto sui FILTRI ASTRONOMICI di Daniele Gasparri Ifiltri rappresentano un accessorio spesso indispensabile per le osservazioni e le riprese del cielo. Non di rado l aiuto di filtri, soprattutto a banda stretta, è fondamentale nel rendere visibili dettagli altrimenti riservati a telescopi di diametro ben maggiore e sotto cieli molto scuri. L avvento e la diffusione di sensori CCD per le riprese del cielo profondo e in alta risoluzione ha dato una spinta ulteriore all utilizzo dei filtri in astronomia, ormai indispensabili per l appassionato impegnato in ogni lavoro di fotografia astronomica. Per venire incontro alle richieste degli appassionati sempre più consapevoli ed esigenti, i produttori commerciali hanno incrementato in modo esponenziale l offerta, che ora può dirsi più che completa e che, come vedremo in questo articolo, si presta a qualche utile manipolazione. Navigando tra le decine di filtri ormai disponibili sul mercato e le relative bande di trasmissione, mi sono posto la domanda se fosse possibile accoppiare efficientemente, montandoli in serie, due filtri per ottenerne in modo totalmente gratuito un terzo con caratteristiche diverse. Sulla carta questa operazione è abbastanza facile: l unione di due filtri produce infatti una nuova banda, risultante dalle zone in comune nella curva di trasmissione dei due filtri considerati. È però realmente possibile combinare efficacemente due filtri per ottenerne un terzo diverso? Ovvero: con l offerta commerciale attuale, è possibile comporre un terzo filtro dall unione di due e avere una banda realmente utilizzabile per le osservazioni e la fotografia? Se la risposta fosse affermativa: quali sarebbero i risultati pratici di questa operazione? Una veloce classificazione dei filtri astronomici Prima di tutto dobbiamo avere un quadro di base sulle proprietà dei filtri astronomici. Per i nostri scopi possiamo fare la seguente classificazione: 1.Filtri a banda larga colorati, utili soprattutto nelle osservazioni e nelle riprese dei pianeti. Di questa famiglia fanno parte tutti i filtri colorati visuali della serie Wratten, più filtri infrarossi e ultravioletti. Questi filtri si basano sulle naturali proprietà di alcuni materiali nel selezionare determinate lunghezze d onda. La loro banda passante, oltre ad essere ampia, ha una forma piuttosto dolce. 2. Filtri interferenziali, di solito a bande multiple e larghe, utili per enfatizzare il contrasto degli strumenti, ridurre l aber- 44 AGOSTO 2010
COELUM 140 26-07-2010 18:58 Pagina 45 razione cromatica dei rifrattori o l inquinamento luminoso (UHC, contrast booster, i filtri nebulari...). Questi filtri si basano sui principi dell interferenza tra i vari strati di cui sono composti selezionando una o più bande spesso strette e con una forma piuttosto secca; essi sono tra i più interessanti per i nostri scopi perché accoppiandoli ad un altro filtro possiamo selezionare la banda che più ci interessa. Di questa famiglia fanno parte anche i filtri IR o IR/UV cut e alcuni filtri colorati non trasparenti nell infrarosso, riconoscibili dalla forma dura e dall andamento frastagliato della curva di trasmissione. 3. Filtri interferenziali a banda stretta, molto utili nelle osservazioni e soprattutto nelle riprese degli oggetti del profondo cielo. Il principio di funzionamento è lo stesso degli interferenziali a banda multipla o larga. Di questa famiglia fanno parte tutti i filtri dedicati alle riprese o alle osservazioni di oggetti del cielo profondo, tra i quali: H-alfa, OIII, SII, Calcio, H-beta, oppure il Calcio K-line della Baader per le osservazioni solari. Come si può capire, questi filtri non sono adatti ad essere combinati perché la loro banda passante è unica e piuttosto stretta; diciamo piuttosto che rappresentano l obiettivo che vogliamo raggiungere dall opportuna combinazione dei filtri dei primi due tipi. Se escludiamo i classici filtri colorati, il cui prezzo è di poche decine di euro, tutti gli altri hanno dei costi piuttosto importanti, anche superiori al centinaio di euro. Il principio alla base è semplice: se avete a disposizione due filtri, di cui magari uno interferenziale, allora è possibile ottenere un terzo filtro utile ed efficiente per le osservazioni del cielo combinandoli insieme, piuttosto che affrontare un nuovo acquisto. Filtro passa infrarosso Il classico IR-pass dovrebbe rappresentare un must nel corredo di un dilettante impegnato nelle riprese in alta risoluzione degli oggetti del sistema solare. Fortunatamente è anche il filtro più semplice da assemblare e il primo che ho utilizzato, ormai a partire dal lontano 2003. Tutti i filtri colorati per le osservazioni visuali, i famosi Wratten, sono sviluppati per le osservazioni visuali e per questo motivo sono trasparenti all infrarosso, lunghezza d onda tagliata naturalmente dal nostro occhio. Da questa semplice analisi abbiamo già la risposta: un filtro passa infrarosso si può costruire accoppiando due filtri colorati le cui bande di trasmissione nel visibile non si intersechino. COME STIMARE LA BANDA RISULTANTE DALLA COMBINAZIONE DI DUE FILTRI Quelle proposte in questo articolo sono le combinazioni che ho reputato più interessanti. Se disponete di filtri diversi rispetto a quelli citati e siete curiosi di capire se ne potete ricavare in modo efficiente e gratuito un terzo, a questa pagina trovate le curve di trasmissione di quasi tutti i filtri attualmente in commercio: http://www.astroamateur.de/filter/hersteller.html. Osservate bene le bande di trasmissione per capire quali sono le parti in comune: quelle determineranno la banda finale. È chiaro che è inutile provare a montare in serie due filtri di cui uno è a banda stretta perché nella migliore delle ipotesi otterrete la stessa banda, oppure un filtro completamente opaco. Una volta individuata una possibile banda interessante, potete scaricare dalla stessa pagina la trasmissione dei filtri in formato testuale CSV. Importate i due file in un qualsiasi foglio di calcolo (Excel, Gnumeric ) e moltiplicate le trasmissioni dei due filtri per una stessa lunghezza d onda: ne ricaverete la trasmissione risultante, dalla quale potrete costruirne il grafico. È in questo modo che si sono ottenute le bande risultanti del filtri proposti in questo articolo. Se volete avere a disposizione misurazioni indipendenti, questa pagina web è un altra preziosa fonte di informazioni: http://astrosurf.com/buil/filters/curves.htm In alto. Confronto tra la resa di un filtro IR-pass classico (Schott RG695) e uno assemblato montando in serie un filtro Violetto (N.47) e uno Giallo (N.12), le cui curve sono mostrate nel grafico in basso. La qualità ottica è molto buona e praticamente identica al filtro standard. Il contrasto è leggermente maggiore perché questo filtro lavora in modo ottimale oltre i 720 nm. Un IR-pass così assemblato si pone come un sostituto ideale ai classici IR-pass da 700-720 nm. COELUM 140 45
COELUM 140 26-07-2010 18:58 Pagina 46 Le combinazioni possono essere molteplici: Viola N.47 e Giallo N.12 o Arancio N.21 o Rosso N.25, Blu scuro e Rosso, oppure Verde e Rosso. Se possedete due di questi filtri per le osservazioni visuali (costo massimo 25 euro l uno) dalla loro unione otterrete un efficientissimo filtro passa infrarosso con banda passante che inizia dopo i 700 nm e raggiunge un picco superiore all 80% a 720-730 nm. I risultati sono eccellenti. Ho utilizzato personalmente un IR-pass costituito da un viola (N.47) e un giallo (N.12) per anni, sia nelle riprese del profondo cielo che, soprattutto, in alta risoluzione planetaria e non ho notato alcun decadimento della qualità dell immagine rispetto ai classici filtri IR-pass. Un confronto con un filtro standard, uno Schott RG695, non ha messo in luce alcuna differenza qualitativa nelle immagini (vedi a pag.??? la foto di Marte), tanto che ho potuto usare questo sandwich di filtri anche per applicazioni fotometriche di alta precisione. È indispensabile, naturalmente, che i filtri utilizzati siano trasparenti nell infrarosso, per questo motivo sono da escludere i filtri colorati interferenziali per le tricromie CCD (dal costo peraltro molto superiore rispetto ai classici filtri colorati). In alto. A sinistra, l efficienza dell accoppiata Baader UHC e Violetto N.47 (curve in basso) nelle osservazioni solari confrontata con un immagine nel visibile (a destra) ripresa nelle medesime condizioni. Il filtro così assemblato aumenta il contrasto di dettagli fotosferici quali granulazione e facolae. Da consigliare solamente per le riprese. Filtro per le osservazioni solari nella lunghezza d onda del calcio Spinto dalla positiva esperienza nell assemblare un filtro IR-pass, mi sono messo alla ricerca di altre possibili combinazioni e questo filtro per le osservazioni solari centrato sulle lunghezze d onda H e K del calcio (393-396 nm) è stato il secondo tentativo. Montando in serie un filtro Baader UHC e un violetto N.47 si ottiene una banda risultante con larghezza di soli 4,5 nm, piccata sulla lunghezza d onda di 396,5 nm, proprio a cavallo delle righe di nostro interesse. In alternativa si può usare un UHC della Astronomik che produce una maggiore trasparenza in UV, sebbene con una banda leggermente più larga. L efficienza del filtro è del tutto simile a quella del blasonato e molto più costoso Baader Calcio K-Line. Come tutte le osservazioni solari, anche in questo caso è necessario un apposito filtro in astrosolar da inserire prima dell obiettivo del telescopio. I risultati possono essere molto interessanti, sebbene lontani da quelli prodotti da un telescopio solare specializzato in questo tipo di riprese (ma sulla stessa linea del Baader K- line che ha una banda molto simile). Una precisazione è comunque d obbligo. Questa combinazione, lavorando ai limiti della sensibilità dell occhio umano, trova la sua massima utilità nelle riprese fotografiche; in queste condizioni le strutture fotosferiche del Sole sono molto più facili da evidenziare rispetto alle osservazioni in luce visibile. Particolarmente evidenti, anche con un piccolo telescopio da 80 mm, risultano la granulazione solare e le facolae, zone brillanti attorno alle macchie solari. Un confronto con un immagine ripresa nel visibile mostra il notevole incremento dei dettagli rilevabili con questa combinazione. 46 AGOSTO 2010
COELUM 140 26-07-2010 18:58 Pagina 47 Filtro H-alfa per osservazioni e riprese delle nebulose a emissione Per le osservazioni e soprattutto la ripresa degli oggetti del profondo cielo le combinazioni sono ancora più vantaggiose e sorprendenti. Combinando un filtro rosso scuro della Baader, venduto anche con il nome di Schott RG630, e un IR/UV cut, della stessa casa o di altre marche (l importante che sia anche UV cut), si ottiene un filtro centrato sulla lunghezza d onda H- alfa dell idrogeno (656,3 nm), con una banda passante di circa 35 nm e una trasmissione di picco pari a circa l 85%. Le proprietà di questo filtro (larghezza e forma della banda e picco di trasmissione) sono sorprendentemente simili al filtro H-alfa a banda media venduto dalla stessa Baader (che sia effettivamente lo stesso?), il cui acquisto, se si dispone di queste due combinazioni, diventa superfluo. Se si desidera ottenere un restringimento della banda si può usare un filtro Astronomik UHC al posto del rosso scuro della Baader e ottenere così un H-alfa con una banda di 20 nm. Sebbene si tratti di una banda ancora piuttosto larga rispetto ai filtri normalmente utilizzati per le riprese CCD, questo filtro può costituire un ottima palestra per le prime riprese a banda stretta ed essere molto efficiente per quei dispositivi poco sensibili a questa lunghezza d onda, come le reflex digitali o le webcam. I risultati sugli oggetti celesti sono molto incoraggianti e da cieli scuri offrono immagini molto simili ai filtri a banda più stretta, evidenziando molto bene le nebulose ad emissione e alcune parti di nebulose planetarie o resti di supernovae, soprattutto gli aloni esterni. euro, con la semplice unione di un filtro interferenziale Blu della Custom Scientific e un Baader giallo (Schott GG 495) dal prezzo di poche decine di euro. Il filtro risultante ha una larghezza di banda di soli 12 nm e una trasmissione di picco superiore al 60%, non moltissimo, ma sufficiente a incrementare in modo evidente i dettagli di brillanti nebulose planetarie (vedi l immagine di M57 in alto a destra) ed effettuare riprese in banda piuttosto stretta con ogni dispositivo digitale. A destra, ripresa di M57 ottenuta con il filtro OIII derivato dalla combinazione di un Custom Scientific blu ed un filtro giallo N.12. Con il filtro giallo della Baader i risultati sono ancora migliori; nonostante ciò, sono evidenti i tipici dettagli visibili a questa lunghezza d'onda. Filtro OIII Questa è una delle combinazioni più sorprendenti, perché mai mi sarei aspettato di poter costruire un efficientissimo filtro OIII, venduto sul mercato spesso a qualche centinaio di A destra, confronto tra una ripresa della nebulosa del granchio (M1) ottenuta nel visibile e una con un filtro H-alfa costruito montando in serie un filtro rosso scuro e l'ir/uv cut della Baader (vedi curva nel grafico a sinistra). Sono evidenti tutti i dettagli tipici di queste lunghezze d'onda, come i filamenti di idrogeno. Questo filtro può sostituire perfettamente il filtro Baader H-alfa con banda di 35 nm. COELUM 140 47
COELUM 140 26-07-2010 18:58 Pagina 48 Filtro SII (zolfo ionizzato una volta) La serie di filtri a banda stretta di solito utilizzati nelle tricromie si completa con questo filtro centrato a ridosso della linea di emissione dello zolfo ionizzato una volta. Unendo in serie un filtro IR-pass della Baader (detto anche Mars filter) e un IR/UV cut della stessa casa è possibile avere una banda risultante piccata alla lunghezza d onda di 679 nm (vedi grafico a destra???) con una banda passante di 20 nm, eccellente per le riprese a questa lunghezza d onda; e senza dover affrontare una spesa piuttosto impegnativa per un filtro peraltro utilizzato solamente in circostanze particolari. La prova sul campo Fino a questo momento la teoria ha fornito risultati interessanti e inaspettati; ma siamo sicuri che nella pratica la combinazione di due filtri sia altrettanto vantaggiosa? Sicuramente a questo punto dell articolo si saranno sollevate domande e perplessità, soprattutto da parte dei puristi dell immagine. Cerco di prevederne alcune: Unire due filtri insieme, soprattutto se di tipo economico come i Wratten, non porta a un certo decadimento della qualità dell immagine? La banda risultante è effettivamente quella stimata? Quali e quante sono le differenze con un filtro appositamente costruito? Il miglior modo per rispondere a queste domande è attraverso delle prove pratiche e qualche ricerca sul web. Le prove da me condotte sono piuttosto positive. I filtri per l imaging degli oggetti del sistema solare, contrariamente a quanto si possa pensare, non degradano l immagine e si comportano in tutto e per tutto come dei filtri standard, eccetto per una minore trasparenza del filtro del calcio che si può però compensare con l uso dell astrosolar fotografico al posto di quello visuale. Per quanto riguarda i filtri a banda stretta per il profondo cielo, durante le prove pratiche eseguite con una camera CCD molto sensibile (ST-7XME), non ho notato alcun riflesso indesiderato attorno a sorgenti brillanti, punto davvero interessante se si pensa che certi filtri appositamente progettati (in particolare l H-alfa) presentano questo spiacevole effetto. Eventuali difetti dell immagine, come la vignettatura, sono gli stessi rispetto ai filtri appositamente progettati, visto che a determinarla sono spesso le dimensioni ridotte del barilotto rispetto al sensore utilizzato. La puntiformità delle stelle resta ottima e, d altra parte, non poteva essere altrimenti visto che l esame per l alta risoluzione è stato superato a pieni voti. L unico reale svantaggio rispetto ai classici filtri interferenziali è una minore trasmissione della luce, con una caduta che può raggiungere al massimo il 20%. Nelle osservazioni visuali (ad esempio attraverso il filtro OIII) questo si traduce in una perdita di circa 0,2 magnitudini, percettibile ma non dannosa come si potrebbe pensare; nelle riprese questo comporta un allungamento del tempo di posa del 20% al massimo per ottenere la stessa saturazione rispetto ad un filtro con una trasmissione dell 80-85%. I filtri a banda stretta che abbiamo assemblato devono soddisfare anche un altro punto. Le trasmissioni misurate devono essere le stesse per ogni esemplare entro una tolleranza di pochi nanometri, ed è qui che una ricerca nel web ha dato i risultati sperati, confermati dai dettagli visibili nelle immagini: lo standard qualitativo è piuttosto stabile quanto a banda passante. La conferma di ciò deriva da misurazioni eseguite da più osservatori indipendenti, incrociate con i dati forniti dalle stesse case produttrici. I risultati mostrano una stabilità di banda di pochi nanometri per i classici filtri colorati Wratten e migliore di 2 nm per tutti quelli basati sui principi dell interferenza (interferenziali). Questo significa che a meno di grossolani, quanto rari, difetti di produzione, le bande che abbiamo ricavato (che si riferiscono a misurazioni reali) sono praticamente le stesse per ogni esemplare. Conclusione Il principio alla base dello sviluppo di questo articolo e dei filtri proposti è piuttosto semplice, forse addirittura banale per gli osservatori un po più navigati, eppure grazie all ottima qualità dei filtri attualmente in commercio rappresenta una soluzione sicuramente vantaggiosa per chi già dispone di alcuni filtri adatti alla combinazione. È chiaro che le prestazioni di alcune combinazioni non possono essere equiparate a quelle di filtri già nati allo scopo, in particolare per quanto riguarda i filtri a banda stretta, ma è altrettanto evidente, e spero di averlo sufficientemente dimostrato, che se si hanno a disposizione filtri adatti a essere combinati allora è utile fare almeno un tentativo prima di proiettarci verso un nuovo e dispendioso acquisto: provare non ha costi e spesso i risultati possono essere sorprendenti. Alcuni filtri proposti, addirittura, possono sostituire in toto quelli standard, e questo è particolarmente indicato per il filtro passa infrarosso, quello per le osservazioni solari nel calcio e per l H-alfa a banda media: questi filtri non hanno nulla da invidiare (trasparenza, qualità, banda passante) alle versioni standard di pari banda passante. Daniele Gasparri, classe 1983, studia astronomia all università di Bologna. Ha ricevuto il suo primo libro scientifico a 7 anni e il primo telescopio a 10 e da allora non ha mai smesso di guardare il cielo. Appassionato di sport, di fotografia astronomica e di tutta la scienza in genere, spera di diventare un astronomo professionista per occuparsi di popolazioni stellari e pianeti extrasolari: www. danielegasparri.com 48 AGOSTO 2010