Jak się zabrać za fotometrię CCD gwiazd zmiennych

Fotometria CCD w monitorowaniu zmienności gwiazd daje bardzo duże możliwości. To po prostu zupełnie inna bajka niż obserwacje wizualne. Inne wymagania, inne techniki, procedury, bardzo odmienne podejście do samej obserwacji i przetwarzania danych pomimo tego, że ciągle celem może być ten sam obiekt. Wiele osób pyta jak się za to zabrać. Czasem na forum, czasem via mail. Oczywiście, jest wiele dróg ale najczęściej pada pytanie, jak to zrobić bez angażowania dużych kwot w sprzęt. Odpowiadając kolejnej osobie, postanowiłem przygotowane materiały opublikować dla wszystkich. W tym artykule postaram się rozdzielić potrzebną wiedzę na trzy kawałki.

 

1. NAJCZĘŚCIEJ PORUSZANE ZAGADNIENIA

  • Czy to prawda, że przy fotometrii kamerą b/w nie ma problemu z barwą gwiazdy referencyjnej?
  • Czy wystarczy jedna gwiazda referencyjna?
  • Czy w fotometrii używa się jeszcze innych typów gwiazd poza referencyjnymi?
  • Po jakim czasie mogę się spodziewać się zadowalających wyników?
  • O co chodzi z nieliniowym ADU kamery CCD?
  • Czy osiągnę dokładność rzędu 0,01-0,05 mag? Czy zejście poniżej 0,01 mag wiąże się z dużymi inwestycjami w sprzęt?
  • Czy tani sensor pozwoli na obserwacje gwiazd 6 - 12 mag?
  • Chcę tylko wyznaczać momenty minimów zaćmień - czy muszę stosować filtr V?
  • Czy mogę jednocześnie obserwować kilka zaćmień?
  • Potrzebuję sprzętu mobilnego aby móc obserwować w odpowiednich warunkach. Czy jest to możliwe?
  • Czy kamera ATIK 16IC-S to sprzęt w pełni liniowy?
 
  • Czy to prawda, że przy fotometrii kamerą b/w nie ma problemu z barwą gwiazdy referencyjnej?
 
Jak najbardziej jest taki problem. To że kamera jest B/W nie oznacza, że ma taką samą czułość dla każdej z barw. Gwiazda referencyjna winna mieć kolor i jasność możliwe zbliżoną do mierzonej zmiennej. Generalnie obowiązują ścisłe zasady doboru referencji, ale, o ile się nie mylę co do wymagań stosowanych w obserwacjach wizualnych, to zasady są bardzo zbliżone.
 
  • Czy wystarczy jedna gwiazda referencyjna?
 
Tak wystarczy, choć są techniki pozwalające na bazowanie przy pomiarze na wielu gwiazdach referencyjnych jednocześnie.
 
  • Czy w fotometrii używa się jeszcze innych typów gwiazd poza referencyjnymi?
 
Istnieje jeszcze w fotometrii coś takiego jak check stars. Użycie check stars pozwala niektórym algorytmom na zmniejszenie wpływu zmiennych warunków w trakcie sesji na krzywą pomiaru. Pomaga także w interpretacji krzywych tam, gdzie zarejestrowało się coś niejednoznacznego.
 
  • Po jakim czasie mogę oczekiwać, że będę uzyskiwał  zadowalające wyniki?
 
W moim przypadku "otrzaskanie się" z podstawami praktycznymi i oprogramowaniem wymagało kilku testowych sesji (jest kilka pułapek w które po prostu trzeba wpaść samemu ;) ). Pytanie jak długiego czasu będzie wymagać uzbieranie tych kilku stabilnych nocy. W fotometrii CCD, Księżyc nie jest wielką przeszkodą. Jasne tło oczywiście przeszkadza, ale nie dyskwalifikuje materiału. Byle były stabilne warunki. I tu niestety nie mam odniesienia do obserwacji wizualnych, więc mogę jedynie powiedzieć, że cirrus, mgła, odjeżdżająca ostrość, czy gorszy tracking, mają duży wpływ. Pomiar jest aperturowy i za każdym razem gdy zmuszeni jesteśmy do manipulacji aperturą pomiaru z powodu słabej jakości materiału lub ograniczeń naszego sprzętu, zaczynają się kłopoty. Generalnie jak niebo nie jest stabilne, dalej możemy z powodzeniem wyznaczyć minimum zaćmienia, ale wydobycie z takiej sesji pełnej fotometrii to koszmar, a często materiał okazuje się zbyt słaby, aby znormalizować go na akceptowalnym poziomie.
 
  • O co chodzi z nieliniowym ADU kamery CCD?
 
Tańsze sensory mają kilka "cech" które nie są zbyt dobre dla fotometrii. Przede wszystkim mają bramki ABG zapobiegające bloomingowi. To rozwiązanie niestety załamuje liniowość tego typu kamer, po przekroczeniu konkretnego wysycenia piksela.
 
 
 
Daje się z tym żyć i zdobywać wartościowy materiał, jednak należy zdawać sobie sprawę z ograniczeń sensora w trakcie ustalania czasu naświetlania dla sesji. Trzeba się po prostu wstrzelić pomiędzy górną granice, gdzie bramki ABG załamują nam liniowość, a dolną granice, gdzie stosunek S/N przestaje rokować na sensowne dane. Na niskich wartościach ADU jest liniowo, ale dochodzi problem szumów kamery (oraz nierówności szumów w kamerach opartych o proste rozwiązania chłodzenia matrycy) i jakość zarejestrowanego tła. Można niby pakietować, ale to nie jest remedium na wszystkie problemy zbyt słabego współczynnika Signal/Noise)
 
  • Czy osiągnę dokładność rzędu 0,01-0,05 mag? Czy zejście poniżej 0,01 mag wiąże się z dużymi inwestycjami w sprzęt?
 
Taka dokładność będzie osiągalna na zaproponowanym w następnej części sprzęcie. Oczywiście nie wszystko zależy od sprzętu. Zwiększenie dokładności do poziomu egzotranzytowych milimag również będzie możliwe i jest bardziej kwestią praktyki, doświadczenia i zrozumienia całego procesu, niż kwestią wydania większej kasy na lepszy sensor czy optykę.
 
  • Czy tani sensor CCD pozwoli na obserwacje gwiazd 6 - 12 mag?
 
Taka rozpiętość w jasności obiektów jest jak najbardziej osiągalna. 16to bitowe CCD o sensownej studni i przyzwoitym GAINie pozwoli na bardzo dużą rozpiętość, ograniczoną jedynie czasem naświetlania. Tańsze sensory, o płytszej studni (gain <1) po prostu będą wymagały podejścia z większą czułością do ustawianych czasów naświetlania. (np. Atik 314L z bramkami ABG z refraktorem ED120mm F7 dla pomiaru gwiazdy 6mag będzie trzeba ustawiać na czasach liczonych w poj. sekundach (1-2sek.), a 12 mag na czasach liczonych na kilkanaście , kilkadziesiąt sekund (15-30). Kamera o lepszych parametrach pozwoli zrobić fotometrię obu na klatce np. 10 sek.
 
  • Chcę tylko wyznaczać momenty minimów zaćmień - czy muszę stosować filtr V?
 
Nie, do tego typu pomiarów nie jest konieczne stosowanie filtrów fotometrycznych. (Zaproponowny poniżej zestaw nie będzie uwzględniał kosztu Vki). Niemniej zalecam stosowanie tego filtra. Wiele projektów wymaga fotometrii via Vka z setu Johnsona.
 
  • Czy mogę jednocześnie obserwować kilka zaćmień?
 
Hmm... To będzie niestety oznaczać montaż z GOTO. Ręczne skakanie i monitorowanie kilku obiektów będzie problematyczne i frustrujące, za każdym razem, gdy stracisz podczas ręcznego kadrowania akurat te klatki które były najważniejsze. Co prawda fotometria CCD nie wymaga tak długiego monitorowania przed i po zjawisku jak obserwacje wizualne, ale jednak też trzeba zapuścić trochę materiału poprzedzającego zjawisko i po zjawisku. Generalnie, siła fotometrii w moim osobistym przekonaniu polega na osiąganiu bardzo precyzyjnych i "gęstych" pomiarów. Zupełnie inaczej wygląda krzywa minimum gdy z 2h mamy 12 pomiarów, a zupełnie inaczej gdy mamy ich 120... Nie jestem pewny czy robienie fotometrii CCD na zasadach pomiarów wizualnych, tyle, że z sensorem zamiast oka, to dobre podejście. Niemniej to moje osobiste zdanie ;)
 
  • Potrzebuję sprzętu mobilnego, aby móc obserwować w dobrych warunkach. Czy jest to możliwe?
 
Zaproponowany sprzęt uwzględnia kwestię mobilności, choć po przeczytaniu następnej części łatwo będzie dostrzec pewną komplikację z tym powiązaną - wymagana rozdzielczość vs rozmiar i mobilność zestawu. Nie będzie to sprżet ultra-mobilny. Powiedzmy, że od biedy będzie go można uznać za mobilny bez wiekszych komplikacji logistycznych.
 
  • Czy kamera ATIK 16IC-S to sprzęt w pełni liniowy?
 
Nie. To kamera z antybloomingiem, tak jak większość tańszych kamer, opartych o popularne, tanie matryce. 
 

2. CZYM SIĘ KIEROWAĆ DOBIERAJĄC SPRZĘT

Postaram się pokrótce napisać wedle jakich zasad kierowałem się dobierając sprzęt w następnym dziale, aby było jasne dlaczego ten, a nie inny i jakie ustępstwa popełniłem, trzymając się wyznaczonego budżetu. Będzie też łatwiej świadomie podjąć decyzję, czy popełnione dalej ustępstwa, są akceptowane dla Ciebie.
 
Przy układach zaćmieniowych mierzymy różnicę wartości, a nie wartości bezwzględne - szukamy konkretnych momentów, ewentualnie mierzymy względną głębokość minimum. To znacząco ułatwia, bo nie musimy robić pełnej normalizacji. Ciągle jednak potrzebujemy pewnego minimalnego, względnie skorygowanego, niewinietującego pola (winietowanie da się załatać dobrym flatem od biedy) i rozdzielczości (aby uniknąć problemów z kłopotami z ustalaniem apertury pomiarów w ciaśniejszych polach gwiazdowych). Tu są dwa podstawowe wzory:
 
Pole widzenia (FOV) [arc min] = 3438 x rozmiar matrycy [mm] / ogniskowa [mm]
 
Rozdzielczość [arc sec/pixel] = 206,265 x rozmiar pixla [um] / ogniskowa [mm]
 
I już jest jasne, że będą ważne rozmiary matrycy i pixela oraz ogniskowa naszej optyki. (apertura nie jest dla nas kluczowa, mając na uwadze fakt, że nie zamierzamy sięgać zbyt głęboko)
 
Z małym FOV będzie nam ciasnawo. Im większa dziurka od klucza przez którą patrzymy, tym łatwiej o referencje w polu widzenia no i tym łatwiej GOTO trafić kadrem w obiekt, gdy nasz setup fotometryczny nie jest ulokowany w stałym obserwatorium, a więc nie jest perfekcyjnie skalibrowany na Polaris.
 
Rozdzielczość jest ważna, ponieważ im większa, tym gęściejsze pola gwiezdne można śmiało atakować, bez późniejszych problemów z kombinacjami nad rozmiarem apertury pomiarowej, oraz pozwala spełniać wymóg wielu projektów mówiący o tym, że rozdzielczość winna być w okolicach połowy seeingu FWHM. Pamiętać też trzeba tu jednak i o pewnej pochodnej ogniskowej, jakości trackingu. Wraz ze wzrostem ogniskowej, rosną wymagania dla PE montażu. Rozprzecinkowane gwiazdy zmuszą nas do stosowania dużych apertur pomiaru, a to nie sprzyja precyzji wyników. Generalnie im większa rozdzielczość, im mniejszy błąd prowadzenia, tym lepiej.
 
Jednak wcześniej wspomniałem o istotności parametrów samego chipa. Tu interesuje nas QE kamery (jej sprawność) poziom i charakterystyka jej szumów, oraz głębokość studni (powiązane z GAINem kamery). Generalnie interesuje nas jak najwyższe QE, jak najmniejsze szumy, oraz jak największa studnia. No i oczywiście liniowość sensora. Generalnie optymalnie by było mieć sensor typu backiluminated. To niestety baaardzo droga zabawa. Zostają kamery frontiluminated, ale bez bramek ABG, tyle, że to ciągle nie są tanie rozwiązania. Grzebiąc w popularnych kamerach wpadniemy w sensory z mikro-soczewkami na pixelach i z bramkami ABG. Niestety, tak jak pisałem wcześniej, oznacza to konieczność bardzo świadomego kontrolowania wartości ADU jakie osiąga w trakcie wypalania nasz obiekt.
 
Trzeba też zdawać sobie sprawę, że wysoka jakość materiału to nie tylko kamera. To kilkanaście czynników nad którymi kontrolę ma się może w co drugim. Po jakimś czasie i nałapaniu doświadczenia, nagle się okazuje, że materiał z którego na początku wyciągaliśmy trochę mało przydatnego "prawie śmiecia", po kolejnej już bardziej kumatej obróbce da rezultat, który spokojnie przyniesie zawodowcom dane na akceptowalnym poziomie. Praca nad materiałem fotometrycznym jest jednocześnie i prosta jak banan i skomplikowana. Można sporo osiągnąć za pomocą kilku kliknięć "bo sporo samo się robi" a jednocześnie można za pomocą kilku prostych, choć nieoczywistych ruchów, obejść znaczną część bolączek setupu, FOV, rozdzielczości, zasięgu, nieliniowości, trackingu, ostrości i 10 kolejnych problemów. Nie sądzę by ktokolwiek zaczął dawać z marszu materiał o jakości bliskiej profesjonalnej. To przychodzi z czasem. (Tak dokładnie, to przychodzi z czasem świadomość co jest nie halo. Niestety, tak naprawdę dopiero z tą świadomością jest się na etapie kupowania sprzętu, który da szanse na jakość, po jaką zawodowcy bez mrugnięcia okiem wyciągną rękę. Nikt nie nauczy tego lepiej i szybciej niż ty sam, własne błędy i własna walka z problemami.)
 

3. PROPOZYCJA SPRZĘTU (ok. 7000 złotych)

MONTAŻ

 

HEQ5 PRO SynScan – kosztuje ok. 3.5K pln (używany ok. 2-2.5K pln). Mogło by się wydawać, że GOTO jest zupełnie zbędne. Osoby prowadzące wizualne obserwacje przeważnie doskonale znają niebo i to obserwowane gołym okiem i to lornetkowe. Jednak bardzo szybko praktyka weryfikuje nasze przekonanie, że GOTO jest zbędne. Fotometria CCD tak bardzo "zwiększa" nasze możliwości, zasięg i ilość monitorowanych obiektów, że "GOTO w ręku" szybko staje się najsłabszym ogniwem.

SENSOR

Atik 16ic lub Atik 16ic-s lub któryś ze starszych używanych S-bigów np. ST-7XME (ale to kosztuje, nawet używane w okolicach 1.5K $) lub prędzej coś w stylu ST-402ME (które używane można dopaść już poniżej 1K $). Ceny Atików to odpowiednio 1.8K za 16ic i 2.8K 16ic-s lub okolice odpowiednio 1.2-1.5K/2-2.5K za używki.

OPTYKA

Newton (jakiś sensowniejszy)150mm f6-f7 lub ED80. Za newtona, w zależności od klasy OTY, trzeba zapłacić od okolic 300-400 pln w górę. To najtańsze rozwiązanie, jednak będzie oznaczać kłopoty ze "spajkami" jeżeli będzie to newton z klasycznym pająkiem LW. Nie głupim pomysłem wydaje się zainteresowanie nieco droższym Schmidt-Newtonem (SN) lub konstrukcją typu Schmidt-Cassegrain (SC). EDek będzie oznaczać najmniejsze problemy sprzętowe, a jego koszt to 2.1; 2.5K za nowy lub używka ok. 1.5K pln. Tu już bardzo dużo zależy, na jaki rodzaj kompromisu się zdecydujemy i na jakich obiektach skupimy. Doradzam zawsze przeliczyć ostateczną rozdzielczość i pole widzenia jakie osiągniemy w połączeniu  z upatrzonym CCD (wzory wyżej) i skonfrontowanie dobranej ogniskowej OTY z możliwościami montazu na jaki się zdecydujemy.
 
Proszę w ramach treningu przeliczyć sobie osiąganą rozdzielczość i FOV dla różnych kombinacji z podanego zestawu i odpowiedzieć na pytanie, gdzie ustępstwo jest akceptowalne, a gdzie jednak nie bardzo i trzeba zdecydować się na droższą opcję. Powodzenia!

Na naszej stronie internetowej używamy plików cookie. Niektóre z nich są niezbędne dla funkcjonowania strony, inne pomagają nam w ulepszaniu tej strony i doświadczeń użytkownika (Tracking Cookies). Możesz sam zdecydować, czy chcesz zezwolić na pliki cookie. Należy pamiętać, że w przypadku odrzucenia, nie wszystkie funkcje strony mogą być dostępne.

Ok