TECNICA FOTOMETRICA PER ASTROSISMOLOGIA - Icra.it
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Univers<strong>it</strong>à La Sapienza<br />
Dipartimento di Fisica<br />
Laboratorio G28<br />
Fisica Solare e Astrosismologia<br />
http://cassandra.phys.uniroma1.<strong>it</strong>/g28/laboratorio.htm<br />
<strong>TECNICA</strong> <strong>FOTOMETRICA</strong><br />
<strong>PER</strong> <strong>ASTROSISMOLOGIA</strong><br />
Relazione conclusiva dell'esperienza di<br />
Laboratorio di Astrofisica A.A. 2002-03<br />
corso prof. P. de Bernardis<br />
Supervisori: Studenti:<br />
Runa Briguglio<br />
Alessandro Cacciani Roberto Guida<br />
Costantino Sigismondi Marco Iacobelli<br />
Laura Elena Nalbant<br />
1
Indice<br />
1. INTRODUZIONE: .......................................................................................................................... 4<br />
1.1 Problemi aperti in astrofisica stellare.........................................................................................4<br />
1.2 Cenni generali sulla Fisica Solare..............................................................................................5<br />
1.3 Cenni generali sull'astrosismologia........................................................................................... 5<br />
1.3.1 Pulsazioni p e g..............................................................................................................6<br />
1.3.2 Frequenze di oscillazione.............................................................................................. 6<br />
1.3.3 Il caso delle stelle roAp................................................................................................. 7<br />
1.4 Confronto tecniche Doppler-fotometriche in astrosismologia...................................................8<br />
1.4.1 Cause comuni di errore..................................................................................................8<br />
1.4.2 Tecnica Doppler............................................................................................................ 8<br />
1.4.3 Tecnica fotometrica.......................................................................................................9<br />
1.4.4 Serie temporali discontinue...........................................................................................9<br />
1.5 Obiettivi dell'esperienza di laboratorio....................................................................................10<br />
1.6 Scelta della stella da osservare.................................................................................................10<br />
2. SIMULAZIONE DEL SEGNALE................................................................................................. 11<br />
2.1 La sorgente...............................................................................................................................12<br />
2.2 Il filtro alla calc<strong>it</strong>e....................................................................................................................13<br />
2.3 Segnale simulato......................................................................................................................13<br />
2.4 Segnale differenziale................................................................................................................14<br />
2.5 L'effetto Doppler......................................................................................................................16<br />
2.6 La scintillazione atmosferica................................................................................................... 18<br />
3. APPARATO STRUMENTALE.....................................................................................................22<br />
3.1 Descrizione dell'apparato strumentale..................................................................................... 22<br />
3.2 Il Problema dell'inseguimento..................................................................................................23<br />
3.2.1 La camera CCD di guida............................................................................................. 24<br />
3.2.2 Considerazioni preliminari sull'inseguimento.............................................................24<br />
3.2.3 Considerazioni sul campo inquadrato e sull'inseguimento..........................................25<br />
3.2.4 Scelte operate nell'inseguimento................................................................................. 25<br />
3.3 Il programma di acquisizione...................................................................................................27<br />
3.4 Il Lock-in................................................................................................................................. 29<br />
3.5 Il problema dell'elettronica: i fotometri................................................................................... 35<br />
4. OTTIMIZZAZIONI E MISURE.....................................................................................................40<br />
4.1 Prima luce del telescopio......................................................................................................... 40<br />
4.1.1 Dati e calibrazione del sistema....................................................................................40<br />
4.1.2 L'usc<strong>it</strong>a della stella dal campo.....................................................................................44<br />
4.1.3 Massimizzazione del segnale...................................................................................... 45<br />
4.1.4 Studio degli errori........................................................................................................45<br />
4.2 Run osservativo e analisi dati.................................................................................................. 48<br />
4.2.1 Considerazioni.............................................................................................................50<br />
4.2.2 Conclusioni..................................................................................................................51<br />
4.3 Up-grade possibili per l'esperimento ...................................................................................... 51<br />
4.3.1 Telecopio.....................................................................................................................51<br />
4.3.2 L'autoguida.................................................................................................................. 53<br />
4.3.3 Fotometri..................................................................................................................... 53<br />
4.3.4 Scheda di acquisizione................................................................................................ 54<br />
4.3.5 Amplificatore logar<strong>it</strong>mico........................................................................................... 54<br />
4.3.6 S<strong>it</strong>o osservativo........................................................................................................... 55<br />
4.3.7 Rete network ...............................................................................................................55<br />
5. SCHEDE TECNICHE DELLA STRUMENTAZIONE.................................................................56<br />
2
5.1 Telescopio................................................................................................................................56<br />
5.2 Montatura.................................................................................................................................56<br />
5.3 CCD......................................................................................................................................... 57<br />
5.4 Fotometri..................................................................................................................................58<br />
5.5 Chopper ottico..........................................................................................................................59<br />
5.6 Lock-in.....................................................................................................................................59<br />
5.7 Divisore di fascio.....................................................................................................................59<br />
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI..................................................................................................... 61<br />
3
Abstract:<br />
E' stato sviluppato, ottimizzato e verificato un apparato sperimentale per astrosismologia, basato<br />
su un tipo di indagine fotometrica piuttosto che Doppler. La nov<strong>it</strong>à di questo set-up è un elemento<br />
divisore di fascio, che opera come filtro passa-banda centrato sul picco di emissione della stella da<br />
analizzare, e in cui la finestra di trasmissione può essere variata; dai dati nei due canali si può<br />
costruire un segnale differenziale normalizzato all'intens<strong>it</strong>à istantanea (R-B/R+B), che utile ad<br />
abbattere le fluttuazioni acromatiche di trasparenza atmosferica. L’esperienza, intesa come studio<br />
di efficienza di tale metodo,ha evidenziato tutte le sorgenti di rumore astronomico e dell'apparato<br />
strumentale. Ha inoltre permesso una valutazione della risposta dell'intero apparato strumentale.<br />
1. INTRODUZIONE:<br />
1.1 Problemi aperti in astrofisica stellare<br />
Modelli di evoluzione stellare hanno spiegato o almeno tengono in considerazione molte delle<br />
proprietà osservate delle stelle. I modelli stellari sono determinati sulla base di condizioni fisiche<br />
assunte nell'interno della stella, incluse le proprietà termodinamiche della materia stellare,<br />
l'interazione tra la materia e la radiazione, e le reazioni nucleari che alimentano la stella. Seguendo i<br />
cambiamenti nella struttura man mano che la stella evolve attraverso la fusione di elementi leggeri<br />
in piu' pesanti, a partire dall'idrogeno che e' trasformato in elio, i modelli predicono come le<br />
proprietà osservabili delle stelle cambiano con la loro età. Queste predizioni possono essere poi<br />
comparate con i dati sperimentali. Importanti esempi sono le distribuzioni delle stelle in termini di<br />
temperatura superficiale e luminos<strong>it</strong>à, in particolare per gli ammassi stellari nei quali le stelle,<br />
essendosi formate presumibilmente dalla stessa nube interstellare, hanno (almeno cosi' e'<br />
ragionevole assumere) la stessa età e composizione originaria ma diverse masse. Queste<br />
distribuzioni sono generalmente in ragionevole accordo con i modelli; il confronto tra le<br />
osservazioni e i modelli in piu' dà una stima delle età degli ammassi, di grande interesse al fine di<br />
comprendere l'evoluzione della galassia. Altri test sono dati in quei pochi casi in cui le masse<br />
stellari possono essere determinate con accuratezza dal moto delle stelle in sistemi binari. Tali<br />
successi garantiscono l'uso dei modelli stellari anche in altre aree dell'astrofisica. Questi includono<br />
studi sulla sintesi degli elementi negli stadi finali dell'evoluzione stellare, l'uso delle supernovae<br />
come candele standard in cosmologia, e stime della composizione primordiale degli elementi dalle<br />
osservazioni stellari.<br />
Le condizioni all'interno delle stelle sono generalmente abbastanza estreme, in termini di<br />
temperatura e dens<strong>it</strong>à, molto piu' di quanto si possa ottenere nei laboratori in circostanze controllate.<br />
Quindi dati stellari sufficientemente dettagliati potrebbero offrire la possibil<strong>it</strong>à di ottenere<br />
informazioni sulle proprietà della materia in queste condizioni.<br />
Quasi tutte le osservazioni relative all'interno stellare pongono solo lim<strong>it</strong>i non stringenti alle<br />
proprietà dettagliate delle stelle. Mentre informazioni piu' accurate stanno diventando disponibili,<br />
come determinazioni dettagliate delle abbondanze superficiali, i modelli spesso falliscono per<br />
spiegarli.<br />
In piu', i modelli sono in effetti molto semplici, paragonati alla potenziale compless<strong>it</strong>à dell'interno<br />
stellare . In particolare, la convezione, che domina il trasporto energetico nelle parti di molte stelle e'<br />
trattata molto approssimativamente, mentre altre potenziali instabil<strong>it</strong>à idrodinamiche sono<br />
generalmente non considerate. Anche la rotazione stellare e' raramente presa in considerazione,<br />
avendo tuttavia effetti importanti sull'evoluzione. Queste lim<strong>it</strong>azioni potrebbero avere profonde<br />
conseguenze su, per esempio, la modellizzazione degli stadi finali dell'evoluzione stellare, che<br />
dipende fortemente dal profilo di composizione stabil<strong>it</strong>o durante la v<strong>it</strong>a della stella.<br />
Il Sole è la stella che viene studiata in grande dettaglio, e lo studio delle sue oscillazioni superficiali<br />
viene chiamato Eliosismologia.<br />
4
1.2 Cenni generali sulla Fisica Solare<br />
Le oscillazioni osservate sulla superficie solare offrono una possibil<strong>it</strong>à unica di investigare le<br />
proprietà interne del Sole. Attraverso grandi sforzi osservativi, incluse osservazioni estensive dallo<br />
spazio, cosi' come grazie allo sviluppo di sofisticati strumenti per l'analisi e l'interpretazione dei<br />
dati, e' ora possibile inferire circa la struttura a larga scala e la rotazione dell'interno solare con<br />
sostanziale accuratezza, e si puo' cominciare ad avere informazioni sulla complessa struttura<br />
sottosuperficiale e la dinamica degli spot solari, che dominano l'attiv<strong>it</strong>à magnetica nell'atmosfera<br />
solare e oltre.<br />
Il Sole e' una stella relativamente semplice: e' a metà della sua v<strong>it</strong>a, ha usato approssimativamente la<br />
metà dell'abbondanza centrale originaria di Idrogeno, e rispetto ad altre stelle, le condizioni fisiche<br />
nel suo interno non sono estreme. Cosi' in linea di principio e' un caso ideale nel testare la teoria<br />
dell'evoluzione stellare.<br />
In pratica, il successo di tali tests e' stato per lungo tempo particolarmente dubbio. Il modello solare<br />
dipende da due parametri incerti: l'abbondanza iniziale di elio e un parametro che caratterizza<br />
l'efficacia del trasporto energetico convettivo vicino alla superficie del sole, la cosiddetta 'mixinglenght'.<br />
Questi parametri possono essere 'aggiustati' per dare un modello solare, che si accordi con la massa,<br />
il raggio e la luminos<strong>it</strong>à all'età attuale del Sole.<br />
Data questa calibrazione, comunque, le proprietà superficiali misurate del Sole non forniscono un<br />
test indipendente del modello. In piu', due sono i problemi potenzialmente gravi del modello solare<br />
largamente considerati. Uno, il cosiddetto problema del 'faint early Sun' (Sole primordiale fioco),<br />
risultante dalla constatazione che i modelli solari predicono che la luminos<strong>it</strong>à iniziale del Sole,<br />
all'inizio della fusione dell'idrogeno, debba essere stata circa il 70 per cento del valore attuale,<br />
contrastando con i dati geologici che non indicano nessun grande cambiamento climatico sulla Terra<br />
durante gli ultimi 3.5 miliardi di anni. Un problema piu' serio e' il fatto che tentativi di determinare i<br />
neutrini creati dalle reazioni di fusione nel core solare hanno dato come risultati valori molto al di<br />
sotto delle predizioni. Questo evidentemente ha fatto sorgere dubbi sulle determinazioni dei modelli<br />
solari, e quindi sulla comprensione generale dell'evoluzione stellare e ha portato a un numero di<br />
suggerimenti per cambiare i modelli in modo da accordarsi con le misure sui neutrini.<br />
Gli ultimi trenta anni hanno visto una grandissima cresc<strong>it</strong>a sulle informazioni circa l'interno solare,<br />
anche attraverso l'analisi e l'osservazione estensiva delle oscillazioni della superficie solare.<br />
1.3 Cenni generali sull'astrosismologia<br />
Anche se sono stati fatti passi avanti sugli studi eliosismologici dell'interno solare, questi danno<br />
informazioni solo su una singola stella.<br />
Tests completi della teoria della struttura stellare e dell'evoluzione richiederebbero studi su un<br />
ampio range di tipi di stelle, che comprendono molte differenti proprietà fisiche e processi che sono<br />
osservati. Questi includono effetti, come rotazione rapida e cores convettivi, che non possono essere<br />
investigati nel caso solare. Fortunatamente e' stato trovato che stelle di tipo molto differente,<br />
spaziando in un ampio range di masse stellari e stati evolutivi, mostrano pulsazioni; spesso, queste<br />
stelle sono oscillatori multi modi e quindi in principio offrono informazioni relativamente<br />
dettagliate sul loro interno. Per esempio tali stelle includono γ Doradus e δ Scuti, le stelle B con<br />
pulsazioni molto lente e le β Cephei, che spazzano la sequenza principale da masse di 1.5 a piu' di<br />
10 masse solari, e vari tipi di nane bianche. Cosi' sembrerebbe ci sia un eccellente potenziale per<br />
l'astrosismologia.<br />
5
1.3.1 Pulsazioni p e g<br />
Le pulsazioni nelle stelle sono normalmente caratterizzate dalla natura della 'restoring force' che è la<br />
principale causa dell'andamento oscillatorio adiabatico. Per esempio nelle pulsazioni denominate<br />
modi-p, essenzialmente onde sonore, i gradienti di pressione forniscono la maggior parte della<br />
'restoring force'; mentre, invece, in quelle denominate modi-g la spinta idrostatica è la parte<br />
dominante della 'restoring force'.<br />
Le stelle che mostrano pulsazioni possono essere descr<strong>it</strong>te con ragionevole accuratezza come sfere.<br />
Per questo motivo è possibile e conveniente scrivere gli automodi pulsanti come il prodotto di una<br />
funzione del raggio e di un'armonica sferica:<br />
m −iwnlmt nlmr , , ,t= nl rY l ,e (1)<br />
dove è una qualsiasi perturbazione scalare associata con il modo (per esempio lo spostamento<br />
radiale), e r, , e t sono rispettivamente la coordinata radiale, la colat<strong>it</strong>udine, la long<strong>it</strong>udine e il<br />
tempo. L'ordine radiale n del modo, si identifica di sol<strong>it</strong>o con il numero di nodi nell'autofunzione<br />
che esiste tra il centro della stella e la sua superficie. Poiche' ha a che fare con la struttura profonda,<br />
n non e' accessibile ad una osservazione diretta; modi con grandi valori di l presentano molti<br />
cambiamenti di segni su un emisfero stellare e quindi sono di sol<strong>it</strong>o inosservabili su stelle lontane.<br />
L'ordine azimutale m è la proiezione di l su un equatore della stella ed è quindi minore o uguale a l<br />
in valore assoluto. I modi-p possono essere puramente radiali (l=0), mentre i modi-g hanno sempre<br />
l≥1 (Brown & Gilliland, 1994). La frequenza del modo wnlm generalmente dipende da n ed l in<br />
modo complicato, e non c'e' una semplice relazione armonica tra le frequenze di modi con (per<br />
esempio) un dato l e valori successivi di l. Per stelle che sono realmente a simmetria sferica, le<br />
frequenze del modo dipendono solo da n ed l, e sono indipendenti da m. Questo perché m dipende<br />
dalla scelta della posizione del polo nel sistema di coordinate, che è arb<strong>it</strong>rario per una<br />
configurazione sferica. Le osservazioni di pulsazioni stellari di sol<strong>it</strong>o coinvolgono sia l'intens<strong>it</strong>à<br />
fotometrica che la veloc<strong>it</strong>à radiale che naturalmente sono relazionate. Lo spostamento del plasma<br />
stellare causa direttamente uno shift Doppler; la conseguente compressione o spostamento<br />
dall'altezza di equilibrio causa anche un cambiamento in temperatura che si osserva come<br />
perturbazione dell’intens<strong>it</strong>à osservata.<br />
1.3.2 Frequenze di oscillazione<br />
Le frequenze contengono la maggior parte delle informazioni, perchè possono essere misurate<br />
accuratamente e perchè possono essere di sol<strong>it</strong>o calcolate con buona accuratezza considerando solo<br />
effetti adiabatici. Le ampiezze dei modi e le larghezze delle righe di assorbimento, d'altra parte,<br />
richiedono un trattamento esplic<strong>it</strong>o e dettagliato del trasporto di energia dentro e fuori dei modi di<br />
oscillazione e quindi la loro interpretazione è fin'ora molto più problematica.<br />
Anche se le frequenze dei modi dipendono in maniera complicata dalla struttura stellare c'è un<br />
lim<strong>it</strong>e vantaggioso ( n≫l ) nel quale una semplice formula asintotica dà una utile approssimazione<br />
al reale andamento della frequenza. Per i modi-p, si trova:<br />
nl= 0nl /2− A L2 −<br />
nl /2 (2)<br />
dove Δν0 , A, ε e η sono parametri che dipendono dalla struttura della stella (spiegati nel segu<strong>it</strong>o), e<br />
L 2 ≡l l1 .<br />
6
Se i parametri A e η fossero zero le frequenze dei modi-p cadrebbero in una serie regolare di<br />
picchetti distanziati di 0 /2 : i modi con l dispari cadrebbero esattamente a metà tra i modi con l<br />
pari, e i modi con differenti n a un dato l sarebbero sempre separati in frequenza da multipli di 0 .<br />
Il parametro 0 , denominato la 'separazione grande' (defin<strong>it</strong>a come n1,l − n ,l ) è relazionato in<br />
maniera semplice al tempo di cammino del suono attraverso il centro della stella:<br />
R s<br />
0=[2∫ 0<br />
dr<br />
c ]<br />
−1<br />
dove c è la veloc<strong>it</strong>à del suono locale e Rs è il raggio stellare. Considerazioni sul teorema del viriale<br />
mostrano che questo tempo di cammino è in relazione alla dens<strong>it</strong>à media della stella, secondo:<br />
0≃135 M s<br />
3<br />
Rs <br />
1/2<br />
Hz (4)<br />
Dove Ms e Rs sono la massa della stella e il raggio in un<strong>it</strong>à solari. L'equazione (4) risulta essere<br />
esatta per famiglie omologhe di stelle ma anche per stelle che non sono omologhe, come stelle di<br />
differente massa lungo la sequenza principale. La separazione grande è quindi facilmente<br />
interpretata in termini della struttura stellare, e inoltre è facile da osservare anche in dati stellari con<br />
grande rumore. I parametri A e ε nella equazione (2) hanno a che fare rispettivamente con la<br />
struttura vicino al centro della stella e in prossim<strong>it</strong>à della superficie.<br />
Modi con differenti valori di l penetrano a differente profond<strong>it</strong>à nella stella: modi con l=0 hanno<br />
sostanziale ampiezza perfino al centro, mentre quelli con più alti valori di l ev<strong>it</strong>ano una regione<br />
circolare al centro della stella di raggio crescente al crescere di l. Ciò si vede con l'aggiunta di un<br />
secondo termine al lato destro dell'equazione (2) che rimuove la degenerazione in frequenza tra i<br />
modi che differiscono di -1 in n e +2 in l. Questo effetto è spesso parametrizzato dalla piccola<br />
separazione defin<strong>it</strong>a come n ,l≡ n1,l− n ,l2 La piccola separazione può essere scr<strong>it</strong>ta come un<br />
integrale analogo a quello dell'equazione (3):<br />
n ,l= 0<br />
l1<br />
2 2 nl<br />
(3)<br />
Rs dc dr<br />
∫0 dr r (5)<br />
la piccola separazione è quindi sensibile ai gradienti della veloc<strong>it</strong>à del suono, particolarmente nel<br />
core stellare. Poichè questi gradienti cambiano quando le reazioni nucleari modificano la<br />
distribuzione del peso molecolare nella regione di produzione energetica della stella, la piccola<br />
separazione contiene informazioni sullo stato evolutivo della stella.<br />
Il parametro ε è relativo al cambiamento di fase subìto dalle onde sonore nella riflessione vicino alla<br />
superficie della stella. Dipende dai dettagli della struttura termodinamica e magnetica vicino la<br />
superficie; è difficile dire di più circa la generica natura di esso. Si può dire, comunque, che la<br />
profond<strong>it</strong>à alla quale le onde sonore propagantesi verso l'alto si riflettono dipende quasi interamente<br />
dalla loro frequenza e non da l. Per questa ragione modi con differenti frequenze campionano<br />
differenti regioni vicino la superficie della stella, e cambiamenti strutturali che avvengono vicino<br />
alla superficie tendono a causare perturbazioni in frequenza del tipo nl = f nl .<br />
1.3.3 Il caso delle stelle roAp<br />
Le stelle roAp (rapid oscillating) sono generalmente quelle studiate con le più semplici tecniche.<br />
Esse sono posizionate lungo la sequenza principale nel diagramma HR con temperature che<br />
7
spaziano un dominio che parte appena sotto il lim<strong>it</strong>e freddo della striscia di instabil<strong>it</strong>à classica (δ<br />
Scuti) e si estende molto oltre il lim<strong>it</strong>e blu delle temperature più calde. Il meccanismo responsabile<br />
dell'oscillazione non è ancora stato determinato con certezza. Sono stati proposti anche meccanismi<br />
in cui il campo magnetico fornisce la forza restoring. La stella da noi scelta, γ Equ appartiene a<br />
questa categoria di stelle, e i motivi di tale scelta saranno ampiamente discussi nella sezione ‘Scelta<br />
della stella’. Per quanto riguarda la tecnica di osservazione, essa sarà illustrata nella prossima<br />
sezione; tuttavia i metodi usualmente usati finora sono quelli spettroscopici o fotometrici, anche se<br />
il futuro delle tecniche osservative è sicuramente quello della fotometria dallo spazio.<br />
1.4 Confronto tecniche Doppler-fotometriche in astrosismologia<br />
In linea teorica le misure Doppler hanno molti vantaggi rispetto ai metodi fotometrici, infatti a<br />
par<strong>it</strong>à di risoluzione raggiungibile (forn<strong>it</strong>a dalla durata della serie temporale) il sistema fotometrico<br />
risulta penalizzato da un peggior rapporto segnale su rumore.<br />
1.4.1 Cause comuni di errore<br />
Le cause principali di rumore sono (Fossat, 1984) l’effetto dell’atmosfera. La conseguenza sarà<br />
avere nello spettro un fondo molto più consistente nel caso fotometrico rispetto a quello Doppler,<br />
così da rendere più problematica l’individuazione di modi a bassa ampiezza che non siano racchiusi<br />
in un inviluppo che facil<strong>it</strong>i la loro localizzazione. Il rumore indotto dall’atmosfera è legato a due<br />
fenomeni, la scintillazione e la variazione di trasparenza atmosferica. La seconda può essere in<br />
qualche misura rimossa (per quanto riguarda le misure fotometriche) tram<strong>it</strong>e l’osservazione di una<br />
stella di riferimento, ottenendo alla fine un segnale normalizzato che compensi eventuali drift<br />
correlati nei due canali. La scintillazione, invece, è molto scorrelata spazialmente, impedendo così<br />
la sua correzione attraverso una stella di confronto posta ad una certa separazione dall’oggetto in<br />
studio; inoltre presenta un comportamento cromatico, è quindi impossibile eliminarla usando<br />
osservazioni in due bande separate.<br />
1.4.2 Tecnica Doppler<br />
Nel caso Doppler sia l’effetto della trasparenza che della scintillazione può essere corretto, perchè si<br />
studia la singola linea spettrale usando il continuo come riferimento per l’ampiezza: in questo modo<br />
la dipendenza cromatica può essere annullata, così come l’osservazione nella stessa direzione può<br />
abbattere l’effetto della scintillazione. A questo occorre aggiungere che gli errori legati alla<br />
scintillazione possono essere diminu<strong>it</strong>i aumentando il diametro del telescopio, ma qui entra in gioco<br />
un andamento asintotico per cui, come rapporto costo beneficio non è conveniente il passaggio da<br />
telescopi di 1 m a 4 m per dimezzare il rumore (vedi Fig. 7).<br />
Per avere un'idea dell'ordine di grandezza del segnale Doppler è importante ricordare che gli shifts<br />
in lunghezza d'onda associati ai segnali di pulsazione aspettati sono piccolissimi, infatti<br />
15cm∗s −1 ⇒/=5∗10 −10<br />
, e perciò buone misure richiedono sia alta risoluzione spettrale che<br />
rumore molto basso.<br />
Il lim<strong>it</strong>e fondamentale alla precisione raggiungibile in una misura Doppler risulta dalla statistica del<br />
conteggio dei fotoni. Con sufficiente accuratezza esso può essere scr<strong>it</strong>to come:<br />
rms=<br />
cw<br />
(7)<br />
1/2<br />
d N pix N lines I c<br />
dove c è la veloc<strong>it</strong>à della luce, w è la larghezza della riga spettrale (includendo i processi di<br />
allargamento di riga dovuti sia alla strumentazione che alla stella), λ è la lunghezza d'onda al centro<br />
8
della riga, d è la profond<strong>it</strong>à di riga frazionaria, Npix è il numero di campioni presi intorno alla<br />
larghezza di riga, Nlines è il numero di righe spettrali osservate, e Ic è l'intens<strong>it</strong>à continua nella misura,<br />
espressa come il numero di fotoni rilevati.<br />
In aggiunta ai lim<strong>it</strong>i determinati dalla statistica dei fotoni si deve tenere in considerazione il rumore<br />
da sorgenti strumentali. Questo non è un problema da poco; raggiungere una precisione relativa di<br />
lunghezza d'onda di qualche parte su 10 10 richiede mantenere (o mon<strong>it</strong>orare) qualche grandezza<br />
all'interno dei strumenti con la stessa precisione. Nei lunghi run osservativi, la spettroscopia echelle<br />
rappresenta la tecnica osservativa più promettente per le oscillazioni nello shift Doppler. Il suo<br />
vantaggio principale è che le misure possono essere fatte su molte centinaia di righe<br />
simultaneamente, dando grandi potenziali miglioramenti alla precisione Doppler ottenibile (lim<strong>it</strong>ata<br />
dai fotoni). Questa desiderabile caratteristica è controbilanciata da una seria difficoltà: spettroscopi<br />
della grandezza richiesta sono essenzialmente impossibili da stabilizzare con la precisione voluta.<br />
Risultati da astrosismologia con shift Doppler sono disponibili solo per poche stelle tra cui α Cen A,<br />
α CMi (Procyon A), e β Hyi. I due più grandi problemi che impediscono progressi sono la semplice<br />
carenza di fotoni, e la necess<strong>it</strong>à di osservazioni estese da una rete di s<strong>it</strong>i osservativi intorno alla<br />
Terra. Entrambi i problemi stanno diventando meno seri con l'avvento di spettrografi echelle e con<br />
l'aumentare delle dimensioni dei telescopi.<br />
1.4.3 Tecnica fotometrica<br />
La tecnica fotometrica ha qualche punto a suo favore. Infatti può essere applicata a stelle più deboli<br />
di quelle osservate col Doppler, inoltre non richiede strette linee spettrali ed è indipendente dalla<br />
rotazione stellare. Tra le sorgenti di rumore che cost<strong>it</strong>uiscono il lim<strong>it</strong>e fondamentale per la<br />
fotometria a Terra c'è la variazione di trasparenza atmosferica, e ben più grave la scintillazione<br />
atmosferica (Brown, Gilliland, 1994):<br />
I / I =0.09 D −2/3 X 1.75 e −h/h 0/2t integr 1/2 (8)<br />
dove I / I è il rumore rms nella intens<strong>it</strong>à relativa misurata, D è l'apertura del telescopio in<br />
centimetri, X è l'airmass, h l'altezza, h0 è l'altezza scala atmosferica (tipicamente 8000 m), e tintegr è il<br />
tempo di esposizione in secondi. Mediando su una finestra di osservazione di 8 ore, integrando a 60<br />
secondi, con un telescopio di 4 metri a 2000 metri di altezza I / I è circa 215 μmag.<br />
Il rumore dalla statistica Poissoniana quindi, per larghi telescopi, è piccolo relativamente alla<br />
scintillazione per stelle più brillanti di m=13.<br />
Ulteriore pecca del metodo fotometrico è che lavora in luce integrata sull’intera sfera, resta perciò<br />
precluso lo studio di modi ad alto l.<br />
Tra i vantaggi di questo metodo sono legati invece alla relativa semplic<strong>it</strong>à del sistema in uso e al<br />
fatto che utilizza la maggior parte della luce in ingresso (e non una piccolissima frazione come nel<br />
caso Doppler). Questo permette il proficuo utilizzo anche di telescopi minori con il vantaggio di una<br />
maggiore disponibil<strong>it</strong>à, che si traduce in più lunghi tempi di osservazione.<br />
1.4.4 Serie temporali discontinue<br />
Tra i problemi principali di entrambi i metodi c'è il ciclo giorno-notte, che interrompe le<br />
osservazioni e introduce gap nei dati, sebbene questi possano essere colmati attraverso opportune<br />
procedure di gap-filling: è infatti sufficiente che il tempo di coerenza delle oscillazioni sia maggiore<br />
della durata delle interruzioni per superare questo problema. L’unico modo per avere lunghe serie<br />
temporali è disporre di telescopi a long<strong>it</strong>udini differenti, predisponendo così una rete network che<br />
operi sulle 24 ore.<br />
Una struttura simile è in funzione per il Sole, con un telescopio aggiuntivo posto al polo sud che<br />
9
permette la sovrapposizione dei dati provenienti dai vari osservatori.<br />
Una rete di telescopi minori, invece, risulta meno dispendiosa e anche capace di una disponibil<strong>it</strong>à<br />
temporale più ampia, permettendo così la raccolta di dati su lunghi periodi e il raggiungimento di<br />
risoluzioni più elevate.<br />
1.5 Obiettivi dell'esperienza di laboratorio<br />
L’esperienza in questione è basata sul seguente principio: pulsazioni radiali a basso l (l=0) non sono<br />
altro che cicliche espansioni e contrazioni della superficie stellare. Questo movimento provocherà<br />
delle oscillazioni in temperatura, così come oscillazioni in luminos<strong>it</strong>à; per piccoli intervalli la<br />
relazione, per stelle di tipo solare, è lineare: L/ L ∝T /T (Kjeldsen, Bedding, 1994). A<br />
variazioni della temperatura superficiale saranno associate variazioni nello spettro di emissione; non<br />
tanto a livello delle righe (come invece accade nel caso Doppler, in cui si misura la veloc<strong>it</strong>à della<br />
superficie rispetto alla veloc<strong>it</strong>à, costante, della stella rispetto all’osservatore), ma piuttosto in<br />
riferimento allo spettro di corpo nero che caratterizza l’emissione della fotosfera. Ovviamente si<br />
lavora prendendo come approssimazione che lo spettro di emissione sia esattamente di corpo nero.<br />
La variazione di forma della planckiana può essere osservata attraverso la misura del flusso in due<br />
bande, una centrata sul blu, l’altra sul rosso; la variazione relativa di flusso, sarà proprio indice di<br />
questa oscillazione in temperatura e, in ultima analisi, delle pulsazioni cercate.<br />
L’esperienza si è svolta nel laboratorio di fisica solare G28 con telescopio SC Meade 20cm,<br />
fotometri Hamamatsu H5784, filtro di calc<strong>it</strong>e, scheda di acquisizione a 12 b<strong>it</strong>. Tra le stelle variabili<br />
pulsanti, come le RRLyr o le AP, piuttosto che stelle di tipo solare, generalmente usate in<br />
astrosismologia, è stata scelta γ Equ. La scelta di questa candidata è dettata principalmente da una<br />
maggiore luminos<strong>it</strong>à intrinseca e ad una maggiore ampiezza di oscillazione; nel caso delle stelle AP<br />
questa variazione è 1000 volte maggiore che nel caso solare. Le onde cercate però sono pur sempre<br />
onde p di pressione, quindi in questo senso lo studio si qualifica ancora come astrosismologia,<br />
seppure non sulle stelle classicamente scelte (α Cen, α Boo, etc).<br />
Le maggiori lim<strong>it</strong>azioni riscontrate sono relative all’apparato sperimentale: i fotometri non sono<br />
raffreddati e la scheda di acquisizione ha una risoluzione di 12 b<strong>it</strong>. In ultimo il fondo cielo è<br />
pesantemente affetto da inquinamento luminoso, rendendo così le misure al lim<strong>it</strong>e.<br />
L’esperienza si caratterizza perciò come uno studio di fattibil<strong>it</strong>à ed avrà come risultato la<br />
determinazione dei requis<strong>it</strong>i minimi che dovrà avere la strumentazione per misure come questa. Il<br />
lavoro risulta diviso in tre blocchi principali:<br />
· la simulazione del segnale in esame, al fine di rispondere alla domanda: è effettivamente<br />
grande abbastanza da essere rivelabile?<br />
· La predisposizione dell’apparato sperimentale: montaggio, studio del rumore, calibrazione e<br />
misure preliminari, ottimizzazione, studio delle lim<strong>it</strong>azioni. Questa è la parte fondamentale<br />
del lavoro e quella che ha richiesto più tempo.<br />
· Misura vera e propria, segu<strong>it</strong>a dall’analisi dei dati.<br />
1.6 Scelta della stella da osservare<br />
Equ è una stella Ap rapidamente oscillante, cioè appartiene ad una classe di astri pulsanti nei<br />
modi p con periodi inferiori all’ora; in particolare la sua variabil<strong>it</strong>à fotometrica ha un periodo di 12<br />
minuti (Martinez et al., 1996).<br />
Queste stelle appartengono alla sequenza principale (classificate spettralmente come B8p-A7p,<br />
dunque calde), sono oggetti piuttosto complessi a causa della presenza e struttura di intensi campi<br />
10
magnetici (il cui asse è inclinato rispetto l’asse di rotazione) ed i modelli sinora proposti sono<br />
troppo approssimativi per spiegare le loro proprietà ed i meccanismi di pulsazione.<br />
L’interesse degli astrofisici per tali astri è elevato; mostrano infatti una elevata temperatura ed<br />
atmosfere stabili in modo che la pressione di radiazione agisca su un elemento di volume in<br />
competizione con la grav<strong>it</strong>à (quindi presenza di modi p): se la pressione di radiazione domina<br />
l'elemento di volume è innalzato, se la grav<strong>it</strong>à prevale si abbassa. Inoltre il campo magnetico<br />
controlla tale moto verticale (diffusione) impedendo il flusso di materiale attraverso le linee di<br />
campo, cosicchè lo studio dell'abbondanza superficiale dei vari elementi chimici permette di risalire<br />
alla struttura del campo stesso; non a caso queste stelle mostrano abbondanze e distribuzioni<br />
superficiali anomale di alcuni elementi come Si, Cr, Fe (Hatzes, 1998).<br />
Diverse stelle Ap sono state studiate spettroscopicamente (Hatzes, 1998) evidenziando la<br />
dipendenza delle ampiezze delle pulsazioni dalle lunghezze d’onda, dall’intens<strong>it</strong>à delle righe e dalle<br />
specie atomiche; tra le stelle esaminate compare anche la nostra Equ (O. Kochukhov, T.<br />
Ryabchikova, 2001).<br />
Il nostro interesse verso tale classe di stelle consiste nel fatto che:<br />
• Sono caratterizzate da un breve periodo (relativamente ad altre classi di stelle oscillanti) che<br />
accorcia i tempi di osservazione necessari per avere una buona risoluzione in frequenze ed una<br />
statistica significativa del numero di cicli.<br />
• Sono calde e perciò dotate di ampie variazioni di luminos<strong>it</strong>à ( L/ L∝T /T ), in genere<br />
qualche decimo, che agevola uno studio fotometrico come il nostro.<br />
Ultimo ma non meno importante, γ Equ ha avuto un lungo periodo di visibil<strong>it</strong>à durante<br />
l'esperimento ed era osservabile dal nostro s<strong>it</strong>o per gran parte della notte.<br />
Riportiamo di segu<strong>it</strong>o alcune sue caratteristiche prese da “Combined General Catalogue of Variable<br />
Stars” (Vol. I-III) (Kholopov, 1998):<br />
Catalogues and names: γ Equ, gam Equ, 5 Equ, HR 8097, HD 201601, SAO 126593, WDS<br />
21103+1008A<br />
Constellation: Equuleus<br />
Pos<strong>it</strong>ion (J1950): RA: 21h 7min 54 6sec, DEC: +9° 55' 45''<br />
Variabil<strong>it</strong>y type: Rotating variable star<br />
Magn<strong>it</strong>ute at max brightness: 4,58 mag<br />
Magn<strong>it</strong>ute at min brightness: 4,77 mag<br />
Δ M= 0,19 mag<br />
Period [d]: 0,00868<br />
Spectral type: The spectrum has been variously classified as cF1, F0III, and F0pV. Also classified<br />
A9Vp.<br />
2. SIMULAZIONE DEL SEGNALE<br />
Scopo della simulazione nell’esperimento in esame è in primo luogo darci informazioni a priori sul<br />
segnale da estrarre. Conoscere anticipatamente le caratteristiche del segnale permette:<br />
· Di progettare il set up sperimentale in maniera da ottimizzarlo proprio per quel tipo di<br />
misure che si intendono realizzare, così da ridurre le cause di noise e scegliere i componenti<br />
compatibili con i livelli di risoluzione richiesti.<br />
· Di scegliere i parametri di acquisizione dei dati (freq. di campionamento, media su un<br />
numero n di campioni, quant<strong>it</strong>à minima dei dati necessaria per una corretta analisi, etc).<br />
· Di prevedere il rumore in ingresso, anche in questo caso per agire sull’apparato<br />
sperimentale al fine di ridurre il noise.<br />
· In ultimo, la simulazione permette di rispondere alla domanda: con la strumentazione<br />
utilizzata è possibile raggiungere la risoluzione e l’accuratezza richiesta dall’esperimento?<br />
E ancora: quale tipo di oggetto è il candidato maggiormente compatibile (per caratteristiche<br />
11
di luminos<strong>it</strong>à, frequenza delle oscillazioni, visibil<strong>it</strong>à) con la strumentazione in uso e con i<br />
risulati preliminari della simulazione?<br />
2.1 La sorgente<br />
L’osservabile astrofisica in studio è la variazione di flusso nel canale rosso R e in quello blu B di<br />
una stella: lo studio di questa variazione permette di estrarre le frequenze di oscillazione proprie<br />
della stella. A tal propos<strong>it</strong>o occorre specificare che la misura del flusso in sé (e di conseguenza la<br />
calibrazione assoluta dei fotometri, etc) non ha interesse per la misura in esame, proprio perché<br />
l’informazione da estrarre è solo la frequenza di questa variazione. Tuttavia una calibrazione può<br />
risultare utile per stimare la risposta del sistema con stelle campione diverse, stabilendo così una<br />
magn<strong>it</strong>udine lim<strong>it</strong>e per l’oggetto in studio.<br />
Come già detto il fenomeno fisico connesso è l’oscillazione della stella osservabile come moti di<br />
contrazione ed espansione della stella stessa, in particolare degli strati più esterni; a questi moti<br />
saranno associate fasi di aumento e diminuzione della temperatura, in particolare di quella<br />
superficiale. Quest’ultima può essere mon<strong>it</strong>orata attraverso il modello di emissione di corpo nero,<br />
assumendo come ipotesi che l’emissione di una stella sia proprio di questo tipo. L’effetto di questi<br />
moti sullo spettro (descr<strong>it</strong>to da una curva planckiana) è quello di modificare lo spettro stesso. A<br />
temperature differenti sono associate differenti planckiane: in particolare, considerando la stessa<br />
banda di osservazione, si misurerà una luminos<strong>it</strong>à della stella tanto maggiore quanto maggiore è la<br />
temperatura superficiale.<br />
Il grafico seguente (Fig. 1) rappresenta due curve di corpo nero a temperature differenti<br />
(T1=10000K; T2=12000K).<br />
flusso (un<strong>it</strong>à arb<strong>it</strong>rarie)<br />
2,0x10<br />
0,0<br />
14<br />
4,0x10 14<br />
6,0x10 14<br />
8,0x10 14<br />
1,0x10 15<br />
1,2x10 15<br />
1,4x10 15<br />
1,6x10 15<br />
1,8x10 15<br />
2,0x10 15<br />
2,2x10 15<br />
2,4x10 15<br />
2,6x10 15<br />
2,8x10 15<br />
3,0x10 15<br />
3,2x10 15<br />
3,4x10 15<br />
-2,0x10 14<br />
1,0x10 -7 2,0x10 -7 3,0x10 -7 4,0x10 -7 5,0x10 -7 6,0x10 -7 7,0x10 -7 8,0x10 -7 9,0x10 -7 1,0x10 -6<br />
lambda (m)<br />
Fig. 1 Confronto fra planckiane a T differente<br />
La legge che regola queste variazione (per intervalli piccoli ovviamente) è lineare:. L/ L ∝T /T<br />
La simulazione ha confermato questo andamento lineare, oltre alla nota relazione fra temperatura e<br />
flusso (Stephan-Boltzmann). Pertanto dall’escursione in luminos<strong>it</strong>à osservata (1/1000 ad esempio<br />
per stelle AP (Kjeldsen, Bedding, 1994)) , si può dedurre l’ampiezza di variazione di temperatura.<br />
Se si considerano invece due bande spettrali (ad esempio una centrata sul rosso e l’altra sul blu) ad<br />
un aumento della temperatura corrisponderà un aumento (relativamente al canale rosso) di segnale<br />
nel canale blu, viceversa ad un abbassamento di temperatura corrisponderà un aumento<br />
12<br />
10000K<br />
12000K
elativamente stavolta al blu) di segnale nel canale rosso. L’escursione di luminos<strong>it</strong>à è maggiore nel<br />
canale rosso, come confermato dai dati della missione spaziale (ESA-NASA) SOHO, che hanno<br />
evidenziato una escursione di luminos<strong>it</strong>à nelle oscillazioni solari più pronunciata nel rosso che nel<br />
blu (Richard Wachter of the Swiss group of C. Frohlich, private communication).<br />
2.2 Il filtro alla calc<strong>it</strong>e<br />
L’inserimento del divisore di fascio agisce proprio da filtro passa banda a differenti lunghezze<br />
d’onda, come mostra il grafico che segue (Fig. 2): quindi permette di mon<strong>it</strong>orare queste<br />
deformazioni e trovarne la frequenza. Questo set-up è assemblato con un prisma di calc<strong>it</strong>e, un<br />
polarizzatore e una lamina di r<strong>it</strong>ardo. Per il funzionamento si rimanda all'articolo: Two color pupil<br />
imaging method to detect stellar oscillations (Cacciani et al, a disposizione su<br />
http://cassandra.phys.uniroma1.<strong>it</strong>/g28/home.html) La finestra di trasmissione può essere variata<br />
cambiando la lamina di r<strong>it</strong>ardo.<br />
2.3 Segnale simulato<br />
Le considerazioni della sezione precedente permettono di calcolare i parametri fondamentali per<br />
costruire la serie temporale. Per il calcolo dei due parametri si è considerato il prodotto degli spettri<br />
con le curve di risposta dei filtri e si è poi integrata la funzione così ottenuta:<br />
∞<br />
F i=∫ 0<br />
trasm<strong>it</strong>tanza<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0,0<br />
200 300 400 500 600 700 800 900 1000<br />
Fig. 2 Curva di risposta dei filtri<br />
lambda (nm)<br />
BBT ∗ i∗ i d (9)<br />
in cui F è il flusso totale calcolato, BB(T) è lo spettro di corpo nero alla temperatura T, Φi è la<br />
funzione di trasmissione del filtro i-esmo (rosso o blu della calc<strong>it</strong>e), εi è la funzione di risposta<br />
spettale dei fotometri; questa si è considerata piatta e diversa da zero negli intervalli c<strong>it</strong>ati sopra.<br />
Dalla media fra il valore dell’integrale alle due temperature (su ciascuna banda) si è ottenuto<br />
B 0R 0 (valore medio) e dalla differenza B R (ampiezza dell’oscillazione). La curva di<br />
risposta dei fotometri è stata assunta piatta all'interno dei valori estremi (300-600 nm per il blu; 450-<br />
13<br />
Curva di risposta dei filtri
800 nm per il rosso). Valori tipici del segnale a differente T sono elencati di segu<strong>it</strong>o. In questo modo<br />
si può costruire una serie temporale tempo-segnale.<br />
T (K) Blu (un<strong>it</strong>à arb<strong>it</strong>rarie) Red (un<strong>it</strong>à arb<strong>it</strong>rarie) ΔB=1,607*10 5 ΔR=2,376*10 5<br />
6000 1,608*10 7 3,280*10 7<br />
6010 1,624*10 7 3,304*10 7<br />
6020 1,640*10 7 3,328*10 7<br />
6030 1,657*10 7 3,352*10 7 B 0 =1,616*10 7 R 0 =3,292*10 7<br />
6040 1,673*10 7 3,376*10 7<br />
Il segnale B (o R ) da simulare puo’ essere espresso dalla formula:<br />
B=B 0 B coswt (10)<br />
in cui B è il segnale in ingresso al fotometro associato al canale i-esimo (blu o rosso), B 0 è il<br />
segnale medio di offset e B l’ampiezza dell’oscillazione; w è ovviamente la frequenza per 2π.<br />
Il calcolo di B e B è stato fatto scegliendo T1=6000K e T2=6010K (temperature confrontabili<br />
con quella solare): si nota sub<strong>it</strong>o che la variazione sul segnale costante è dell’ordine dell’1%. Da<br />
analisi successive (vedi sotto) emerge che all’aumentare della temperatura media (pur mantenendo<br />
costante l’incremento) il segnale differenziale aumenta, quindi la scelta dei valori 6000 e 6010 per<br />
la simulazione può essere intesa come un caso lim<strong>it</strong>e, nel senso che osservando una stella più calda<br />
le condizioni saranno sicuramente migliori.<br />
2.4 Segnale differenziale<br />
Calcolati quindi i due contributi, si può ottenere il segnale vero e proprio, considerato come misura<br />
differenziale normalizzata all'intens<strong>it</strong>à istantanea:<br />
S=R−B/RB (11)<br />
Si è scelto di usare un segnale differenziale per differenti motivi: il rapporto permette di eliminare<br />
tutte le variazioni moltiplicative come la trasparenza atmosferica non cromatica e le variazioni di<br />
guadagno del fotometro. Le fluttuazioni add<strong>it</strong>ive invece (come le variazioni di fondo cielo) vengono<br />
eliminate solo nel numeratore, non nel denominatore. Per confronto, i seguenti spettri rappresentano<br />
il risultato di una simulazione solo sul canale blu (Fig. 3) e della simulazione sul segnale<br />
differenziale (Fig. 4). Si nota che il rumore bianco di fondo è attenuato (per la simulazione degli<br />
errori nella serie temporale vedi di segu<strong>it</strong>o).<br />
14
Angle(deg)<br />
Ampl<strong>it</strong>ude<br />
-630 -540 -450 -360 -270 -180 -9<br />
300<br />
0<br />
0,0 0,1 0,2<br />
Frequency (Hz)<br />
0,3 0,4 0,5 0,6<br />
180 270 360 450 540 630 720 810 900 990<br />
90<br />
200<br />
100<br />
0<br />
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6<br />
Fig. 3 FFT sul segnale simulato (blu) affetto da rumore<br />
Ampl<strong>it</strong>ude<br />
Angle(deg)<br />
0,0015<br />
0,0010<br />
0,0005<br />
15<br />
FFT solo segnale blu<br />
Frequency (Hz)<br />
0,0020 -810 -720 -630 -540 -450 -360 -270 -180 -90 90<br />
0,0 0,1 0,2<br />
Frequency (Hz)<br />
0,3 0,4 0,5 0,6<br />
180 270 360 450 540 630 720<br />
FFT segnale differenziale<br />
0,0000<br />
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6<br />
Frequency (Hz)<br />
Fig. 4 FFT segnale differenziale simulato: si nota l'abbattimento del rumore bianco di fondo
2.5 L'effetto Doppler<br />
L’effetto Doppler è stato alla base delle misure in astrosismologia; l’idea è di analizzare i moti delle<br />
superfici stellari studiando gli spostamenti delle righe spettrali legati all’avvicinamento o<br />
all’allontanamento della superficie. Il presente studio non è di questo tipo, tuttavia di questo effetto<br />
occorre tenere conto nell’interpretazione dei dati e nella loro simulazione. La presenza di veloc<strong>it</strong>à<br />
relative causa due tipi di effetti: il primo è lo shift della curva planckiana verso il rosso o il blu<br />
proprio per effetto Doppler (assumendo che l’effetto sia una traslazione rigida dello spettro); il<br />
secondo effetto è legato alla periodic<strong>it</strong>à delle veloc<strong>it</strong>à in gioco, che può introdurre delle modulazioni<br />
nel segnale. Le veloc<strong>it</strong>à caratteristiche saranno quindi:<br />
• Moto proprio del sistema Sole- stella<br />
• Moto di rivoluzione della Terra<br />
• Moto di rotazione della Terra<br />
• Rotazione della stella<br />
Il moto proprio Sole-stella, per quanto caratterizzato da veloc<strong>it</strong>à molto elevate, non è però un moto<br />
periodico, ma puramente traslazionale; pertanto l’effetto Doppler sulla planckiana sarà costante per<br />
la durata dell’esperimento e non introduce cause di errore perché non si ha bisogno di un sistema di<br />
riferimento assoluto in lunghezza d’onda.<br />
Il moto di rotazione della stella è anch’esso un effetto sempre costante, che non introduce<br />
modulazioni nel segnale, tanto più se si osservano modi di pulsazione a basso l e se non c’è<br />
risoluzione spaziale sul disco della stella, cosa che invece accade nel caso solare.<br />
Il moto di rivoluzione terrestre è caratterizzato da alta veloc<strong>it</strong>à (30 km/s) ma modulazione annuale,<br />
quindi del tutto trascurabile nell’arco della nottata. Si noti (per periodi di osservazione di molti<br />
giorni) che l’effetto è massimo quando la stella è in quadratura con il sole, quindi in condizioni non<br />
ideali per l’esperimento.<br />
Il moto di rotazione della terra è quello che genera modulazioni nel segnale perché prossimo alla<br />
frequenza caratteristica del segnale in studio; l’effetto introdotto è di uno spostamento verso il blu<br />
nell’istante del sorgere e verso il rosso nell’istante del tramonto. Occorre però sottolineare che<br />
l’osservazione sarà effettuata con la stella lontana dall’orizzonte, diminuendo così l’effetto<br />
introdotto (la veloc<strong>it</strong>à radiale è infatti nulla nell’attimo in cui la stella culmina ed ha un massimo di<br />
0,45km/s con la stella all’orizzonte). Comunque questo effetto è perfettamente riconoscibile nello<br />
spettro di potenza e anzi non crea nessun problema, ma è utile per calibrare gli altri picchi dello<br />
spettro e vedere quale è il valore del rumore nello spettro stesso.<br />
16
flusso (un<strong>it</strong>à arb<strong>it</strong>rarie)<br />
2,10E+014<br />
1,80E+014<br />
1,50E+014<br />
3,0x10 -7<br />
4,0x10 -7<br />
Fig. 5 Planckiane a T differente e con shift Doppler<br />
Il grafico (Fig. 5) rappresenta quattro planckiane: due alle temperature in esame (7000 K, 7010 K),<br />
le altre due applicando uno shift Doppler causato da una veloc<strong>it</strong>à di 30 km/s (la massima in gioco<br />
seppure legata a effetti di modulazione del tutto trascurabili); le ultime due saranno praticamente<br />
sovrapposte alle prime perchè la differenza di flusso per ogni punto è 0,1% . Si noti che la<br />
variazione causata dall’oscillazione in temperatura è molto maggiore che quella Doppler.<br />
La simulazione numerica ha portato i seguenti risultati:<br />
A B<br />
T=7010 K Doppler a 7010 K<br />
3,8646*10 7 3,8647*10 7<br />
6,2332*10 7 6,2328*10 7<br />
Colonna A: flusso (in un<strong>it</strong>à arb<strong>it</strong>rarie) per un corpo nero a 7010 K osservato attraverso i filtri in uso<br />
Colonna B: flusso (in un<strong>it</strong>à arb<strong>it</strong>rarie) per lo stesso corpo nero e sistema di filtri ma con un moto in<br />
avvicinamento della veloc<strong>it</strong>à indicata (si noti l’aumento del flusso nel blu e la diminuzione nel<br />
rosso, consistente con l’ipotesi fatta),<br />
La variazione dovuta al Doppler è dell’ordine dell’ 1/1000 (Kjeldesn, Bedding 2000).<br />
Ulteriori effetti sullo spettro sono:<br />
• Doppler termico, legato alla distribuzione statistica delle veloc<strong>it</strong>à degli atomi em<strong>it</strong>tenti<br />
• Effetto Zeeman e effetti legati alla struttura fine degli atomi<br />
• Allargamento collisionale<br />
• Effetti legati alla v<strong>it</strong>a media dei sistemi em<strong>it</strong>tenti<br />
Questi effetti, seppure importanti in esperimenti di astrosismologia per via spettroscopica, possono<br />
essere trascurati perché non operano modifiche sulla curva planckiana in esame ma sono<br />
apprezzabili solo al livello delle singole righe spettrali.<br />
17<br />
5,0x10 -7<br />
lunghezza d'onda (m)<br />
T=7000K<br />
T=7000K con Doppler<br />
T=7010K<br />
T07010K con Doppler<br />
effetto dello shift Doppler<br />
su planckiane a T differente<br />
6,0x10 -7<br />
7,0x10 -7
2.6 La scintillazione atmosferica<br />
Le fonti di errore legate agli effetti introdotti dall’atmosfera terrestre sono essenzialmente di tre tipi:<br />
l’arrossamento sub<strong>it</strong>o dagli oggetti quando si approssimano al tramonto, la variazione di trasparenza<br />
atmosferica (acromatica, quindi compensata dalla misura differenziale) e la scintillazione causata<br />
dalla turbolenza atmosferica (cromatica, quindi non compensata). La variazione dell’airmass è<br />
compensata dalla misura differenziale, tranne che per l’effetto di arrossamento che è cromatico.<br />
Questo introduce una differente caduta di segnale nei due canali, che genera un drift nel segnale<br />
differenziale; l’effetto di questo drift è generare rumore a bassissima frequenza.<br />
La scintillazione è la fluttuazione dell’ampiezza dell’onda incidente provocata dai turbolenti moti di<br />
rimescolamento della masse d’aria. Dipende dalla lunghezza d’onda e dalla massa d’aria interessata,<br />
e può essere ridotta aumentando il diametro del telescopio. La massa d’aria coinvolta può essere<br />
espressa dalla nota formula M =sec z dove z è l’angolo zen<strong>it</strong>ale; in tal modo osservazioni allo<br />
zen<strong>it</strong>h sono meno affette da rumore rispetto a osservazioni poco sopra l’orizzonte.<br />
Si osserva che lo spettro delle fluttuazioni è piatto (rumore bianco) fino a frequenze di<br />
campionamento =V o / D , in cui D è il diametro del telecopio e V o rappresenta la veloc<strong>it</strong>à con<br />
cui la turbolenza attraversa la linea di vista (in prima approssimazione per i calcoli successivi può<br />
essere posta pari a 30 m/s). Questo è consistente con il fatto che la scintillazione è un fenomeno<br />
atmosferico, per cui i tempi scala di variazioni correlate sono lunghi, perciò lo spettro sarà bianco<br />
(fenomeno random) per le alte frequenze. Per frequenze inferiori il rumore rms (δI/I) può essere<br />
calcolato con la seguente formula (Marton 1974):<br />
=S 0 D −2/3 M p e −h/ho f 1/2 (12)<br />
Dove il significato dei parametri è riassunto nella tabella:<br />
S 0 0.09 Se D è in cm<br />
D Parametro Diametro del telescopio<br />
M Parametro Sec z : tiene conto della massa d’aria attraversata<br />
p 3/2 o 2 Dipende dalla direzione del vento (2 se parallelo alla linea<br />
di vista)<br />
h Parametro Altezza s.l.m.<br />
h 0 8000m Altezza scala dell’atmosfera terrestre<br />
f Parametro =1/4t con t=tempo di integrazione<br />
L’andamento del rumore in funzione del tempo di integrazione e dell’angolo zen<strong>it</strong>ale è riportato nel<br />
grafico di Fig. 6.<br />
18
errore rms<br />
0,03<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
0 5 10 15 20<br />
tempo di integrazione (s)<br />
Fig. 6 Andamento della scintillazione con il tempo di integrazione (errore percentuale)<br />
Risulta evidente che, anche per angoli zen<strong>it</strong>ali poco favorevoli, un tempo di integrazione superiore<br />
al secondo, riduce di molto il rumore. Si noti che all’aumentare di t il rumore ha un andamento<br />
asintotico, per cui non risulta conveniente l’integrazione del segnale per tempi più lunghi di 3 s al<br />
fine dell’abbattimento del noise (cosa che invece può essere utile per ridurre la dimensione dei dati).<br />
È inoltre importante notare la forte dipendenza dall’elevazione della stella: a tal propos<strong>it</strong>o occorre<br />
ev<strong>it</strong>are misure al di sotto dei 30° sopra l’orizzonte (nell’intervallo fra 30° e 15° il rumore raddoppia<br />
per effetto dell'airmass).<br />
La scintillazione può essere abbattuta aumentando le dimensioni del telescopio, come mostra il<br />
grafico seguente (Fig. 7): lo strumento usato, con un’ottica da 20 cm, si pone al lim<strong>it</strong>e per l’utilizzo.<br />
19<br />
z=0<br />
z=15<br />
z=30<br />
z=45<br />
z=60<br />
z=75
errore rms<br />
0,10<br />
0,05<br />
0,00<br />
0 80 160<br />
diametro telescopio (cm)<br />
Fig. 7 Andamento della scintillazione con il diamentro del telescopio (errore<br />
percentuale)<br />
L’effetto della scintillazione è stato inser<strong>it</strong>o nella simulazione. Il segnale affetto da scintillazione è<br />
stato simulato sommando al flusso imperturbato il prodotto del flusso stesso per un parametro<br />
“peso” per un numero random fra -1 e 1. Pertanto il segnale finale, su ciascun canale, è<br />
S=S 01 p∗N random (13)<br />
Il parametro p è stato preso dalla letteratura,circa il 7% per il blu e il 5% per il rosso (Marton, 1974).<br />
Il problema della scintillazione nasce perchè ha un andamento cromatico, nel senso che a lunghezze<br />
d’onda differenti ha un peso diverso: nel blu è quasi il doppio che nel rosso, e questo introduce<br />
errori nel segnale differenziale perchè proprio per questa divers<strong>it</strong>à non è eliminabile del tutto. I<br />
grafici sottostanti rappresentano la simulazione completata, cioè la costruzione della serie temporale<br />
(eq. 10) e il relativo spettro, senza scintillazione (Fig. 8), cioè con il puro segnale modulato, e con la<br />
scintillazione e gli effetti cromatici di cui sopra(Fig. 9).<br />
20<br />
z=0<br />
z=15<br />
z=30<br />
z=45<br />
z=60<br />
z=75
Ampl<strong>it</strong>ude<br />
Ampl<strong>it</strong>ude<br />
0,0020 -270<br />
-180 -90 0 90<br />
0,00<br />
180 270 360<br />
450 540<br />
630 720<br />
810 900<br />
990<br />
0,05 0,10<br />
Frequency (Hz)<br />
0,15 0,20 0,25<br />
Angle(deg)<br />
0,0015<br />
0,0010<br />
0,0005<br />
0,0000<br />
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25<br />
Fig. 8 FFT sul segnale sinusoidale<br />
Angle(deg)<br />
0,0005<br />
21<br />
segnale simulato<br />
esente da scintillazione<br />
(periodo 10min)<br />
Frequency (Hz)<br />
-200<br />
-400<br />
-600<br />
-800<br />
0<br />
0,00<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0,05 0,10<br />
Frequency (Hz)<br />
0,15 0,20 0,25 0,30<br />
0,0015 segnale simulato<br />
con scintillazione<br />
(effetto differente<br />
0,0010<br />
nel rosso e nel blu)<br />
0,0000<br />
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30<br />
Frequency (Hz)<br />
Fig. 9 FFT su segnale affetto da scintillazione cromatica
3. APPARATO STRUMENTALE<br />
3.1 Descrizione dell'apparato strumentale<br />
L’apparato strumentale predisposto rappresenta una lunga evoluzione durata circa 10 mesi part<strong>it</strong>a da<br />
una configurazione iniziale (ben più semplice di quella mostrata nella figura seguente, Fig. 10) che<br />
prevedeva l’uso solamente del telescopio, della cella contenente la calc<strong>it</strong>e, dei due fotometri, della<br />
scheda di acquisizione; tale evoluzione ha inev<strong>it</strong>abilmente comportato un aumento della<br />
compless<strong>it</strong>à operativa del sistema, ma ha risolto in modo soddisfacente molti dei problemi che si<br />
sono dovuti affrontare nella realizzazione pratica dell’esperimento:<br />
• Puntamento ed inseguimento.<br />
• Collimazione, centramento e messa a fuoco dei fasci (massimizzazione del segnale).<br />
• Stabil<strong>it</strong>à strutturale.<br />
• Estrazione del segnale (inserimento chopper-lock in).<br />
• Oscuramento.<br />
Le soluzioni adottate per tali problemi saranno chiar<strong>it</strong>e nei rispettivi paragrafi: per il punto I. vedere<br />
“problemi inseguimento”; per il punto II. “massimizzazione del segnale”, per il punto III. “problemi<br />
inseguimento” e “schede strumentazione”, per il punto IV. e V. “lock in” e “analisi dati”; qui<br />
basterà richiamare i cr<strong>it</strong>eri che hanno guidato le nostre scelte:<br />
• Facil<strong>it</strong>à di assemblaggio e semplic<strong>it</strong>à d’uso per intervenire rapidamente.<br />
• Economic<strong>it</strong>à e funzional<strong>it</strong>à.<br />
• Basso ingombro e robustezza, prevedendo la durata dei singoli run ed i futuri up-grade.<br />
• Preservare o migliorare il rapporto segnale/rumore<br />
Ovviamente per ogni questione affrontata c’è stata una fase di progettazione, realizzazione ed<br />
ottimizzazione e ciò giustifica in parte la durata dell’esperimento; in effetti ogni nuova componente<br />
strumentale aggiunta può causare il malfunzionamento dell’intero sistema, se non viene predisposta<br />
correttamente, ed a tale scopo diagnostico si è creata una procedura di predisposizione della<br />
strumentazione articolata in 3 fasi, da eseguire prima di ogni run.<br />
La predisposizione del sistema per una corretta acquisizione dati del metodo sperimentale proposto<br />
comporta una serie di steps che devono essere compiuti da almeno due operatori:<br />
FASE 1:<br />
Stazionamento del telescopio; verifica del corretto funzionamento della calc<strong>it</strong>e; verifica<br />
dell’allineamento dei beams uscenti con i fotometri; verifica della messa a fuoco tram<strong>it</strong>e CCD;<br />
prova di stabil<strong>it</strong>à del sistema.<br />
FASE 2:<br />
Puntamento di un corpo celeste luminoso su cui eseguire un run di prova per controllare il<br />
funzionamento del sistema chopper, lock-in, fotometri; controllo della presenza di luci spurie.<br />
FASE 3:<br />
Individuazione e puntamento dell’oggetto in esame; run effettivo con periodico oscuramento del<br />
telescopio per controllare l'efficienza della schermatura realizzata.<br />
Il tempo necessario ad eseguire le fasi 1 e 2 è risultato essere poco più di 1h; tale predisposizione<br />
può essere fatta sub<strong>it</strong>o dopo il tramonto, senza compromettere in tal modo una lunga durata del run<br />
nella successiva fase 3.<br />
Le restanti questioni non risolte (o irrisolubili) sono considerate come futuro up grade (vedere<br />
sezione relativa); una di esse consiste nell’ impossibil<strong>it</strong>à di raffreddare il sistema (la sua elettronica)<br />
22
per diminuire il noise termico intrinseco; ciò non è risultato possibile a causa del vincolo in<br />
temperatura presentato dal range di operativ<strong>it</strong>à dei fotometri (5°C; 50°C): così si è solo potuto<br />
mon<strong>it</strong>orarne l’andamento durante il corso della notte con delle termocoppie.<br />
Fig. 10 Schema a blocchi dell'esperimento<br />
3.2 Il Problema dell'inseguimento<br />
Una delle necess<strong>it</strong>à dell’esperimento, per garantire una buona riusc<strong>it</strong>a, è quella di avere un lungo<br />
run osservativo (molte notti), e per ogni singola notte il maggior numero di ore possibili. Questa<br />
richiesta nasce dal fatto che la risoluzione in frequenza è direttamente proporzionale al tempo di<br />
osservazione. Dovendo osservare oscillazioni della frequenza tipica del mHz, il tempo minimo per<br />
osservare un ciclo sarà 1000 s. È però evidente che una buona risoluzione è ottenibile solo con un<br />
run osservativo di almeno 5-6 ore. Sulla base di questa necess<strong>it</strong>à, nasce immediatamente il<br />
problema di mantenere l’oggetto al centro del campo inquadrato dai fotometri per la durata della<br />
misura; ovviamente una montatura equatoriale motorizzata assolve egregiamente a questo comp<strong>it</strong>o<br />
solo in via teorica: questi i problemi da affrontare:<br />
• Allineamento polare,<br />
• Periodismi della v<strong>it</strong>e senza fine (che la casa produttrice non quantifica, essendo legate alla<br />
precisione della costruzione, ma abbiamo stimato che l'ent<strong>it</strong>à delle escursioni è 10”).<br />
• Imprecisioni della motorizzazione,<br />
• Impossibil<strong>it</strong>à di usare un sistema PEC di correzione dell’errore periodico e di compensare il<br />
r<strong>it</strong>ardo dei motori in caso di correzioni su direzioni opposte; questo principalmente perchè la<br />
correzione dell’errore periodico avviene tram<strong>it</strong>e un programma che memorizza le correzioni di<br />
un inseguimento di prova, che però è impossibile fare per motivi di tempo a disposizione.<br />
• Problemi meccanici di bilanciamento del sistema, fortemente appesant<strong>it</strong>o sul piano focale.<br />
Per garantire una efficiente centratura dell’oggetto nel campo si è ricorso ad un sistema di guida<br />
manuale aiutato da CCD, facilmente up-gradabile a guida automatica.<br />
23
L’inserimento della lamina semiriflettente (trasm<strong>it</strong>tanza 13%) permette di avere un secondo fuoco a<br />
90° dal fuoco principale; tale fuoco è utilizzato, per la ricerca e centratura dell’oggetto in studio e<br />
per l’inseguimento.<br />
3.2.1 La camera CCD di guida<br />
Si tratta di una camera con sensore rettangolare di 500x291 pixel di dimensione 9,8x12,6 μm, per<br />
un’area sensibile di 4,9x3,65 mm. Utilizzando una focale f = 2000 mm tale area sensibile avrà un<br />
campo di vista pari a circa (D/f) 8’x6’. Il picco di efficienza quantica si ha a 570 nm e corrisponde<br />
al 50%. La camera è pilotata da un programma che effettua il download delle immagini e la loro<br />
visualizzazione, e che gestisce le proprietà dell’acquisizione di immagini; interessanti opzioni sono<br />
il binning, che permette di accorpare i pixel adiacenti in quadrati di 2x2 o 3x3 pixel e il windowing,<br />
con cui selezionare una particolare regione del sensore ed effettuare la posa solo di essa. Tra le altre<br />
opzioni c’è anche la funzione Guide, che consiste nella ripresa continuativa di una certa regione con<br />
tempo di posa e binning impostabili a piacere; su questa regione il programma individua e insegue<br />
un centroide stellare, indicando gli spostamenti dX e dY con precisione maggiore del mezzo pixel<br />
(0,5’’).<br />
Fig. 11Schermata della finestra di guida<br />
3.2.2 Considerazioni preliminari sull'inseguimento<br />
Al fine di acquisire esperienza e ottenere informazioni preliminari sulle caratteristiche<br />
dell’inseguimento, è stato effettuato uno studio preparatorio. Si è perciò preso un oggetto a circa 45°<br />
dal polo e si sono esegu<strong>it</strong>e due serie di prove: nella prima si sono acquis<strong>it</strong>e 20 immagini a 30 s di<br />
distanza, avendo stazionato il telescopio centrando nel crocicchio del cannocchiale polare α UMi<br />
(commettendo così un errore di stazionamento di circa 50'). Si sono poi sommate le immagini per<br />
rendere evidente il mosso causato dall’errato stazionamento. La deriva complessiva è dell’ordine di<br />
16’’/minuto. A questo lento moto si somma poi un andamento sinusoidale, provocato dai periodismi<br />
della v<strong>it</strong>e senza fine. Il risultato della misura è rappresentato di segu<strong>it</strong>o (Fig. 12). Nella seconda<br />
prova si è allineato correttamente il telescopio e si sono acquis<strong>it</strong>e immagini per 8 minuti: la deriva<br />
risultante è di circa 5’’/minuto, cioè 1/3 rispetto all’allineamento calcolato sul centro del<br />
cannocchiale polare.<br />
24
3.2.3 Considerazioni sul campo inquadrato e sull'inseguimento<br />
La domanda a cui occorre rispondere è: con gli strumenti in uso è possibile garantire una buona<br />
accuratezza nell’inseguimento? Analizzando i dati si osserva: il campo inquadrato dal CCD è 6’x8’,<br />
mentre quello dei fotometri è 3’x3’ (stimato dai tracciati di usc<strong>it</strong>a della stella dal campo a diverse<br />
veloc<strong>it</strong>à di movimento del telescopio). Utilizzando la procedura di stazionamento più semplice, cioè<br />
allineare l’asse polare con la polare stessa si osserva un moto di deriva di 16’’/min quindi 11 minuti<br />
risulta essere il tempo minimo che occorre perché una stella percorra tutto il campo ( 3’) fino ad<br />
uscire; si noti che è un tempo molto più grande dei tempi caratteristici di guida, caratterizzati dai<br />
cicli posa-dig<strong>it</strong>alizzazione-visualizzazione (tempo scala dell’ordine dei 10 s); si può concludere che<br />
un efficiente inseguimento è possibile, anche con errori di 50' nello stazionamento polare.<br />
3.2.4 Scelte operate nell'inseguimento<br />
Fig. 12Prova di inseguimento: si notano la deriva in<br />
declinazione e i periodismi della v<strong>it</strong>e senza fine<br />
A rigore è sufficiente mantenere la stella nel campo della CCD per un corretto inseguimento; si è<br />
però scelto di ridurre il campo inquadrato al 15% dell’area sensibile, per due motivi: per diminuire i<br />
tempi di download dell’immagine e per avere la possibil<strong>it</strong>à di rintracciare la stella di guida anche<br />
qualora dovesse uscire dal campo (basta riselezionare l’opzione full image). Il tempo di posa della<br />
guida dipende ovviamente dalla stella; tuttavia è possibile ridurlo (tempi standard di circa 0,2 s),<br />
rendendo così la guida molto più rapida ed efficiente, accorpando i pixel in quadrati 2x2 o 3x3 e<br />
riducendo ancora una volta i tempi di download dell’immagine. In conclusione: operando gli<br />
accorgimenti descr<strong>it</strong>ti finora è possibile mantenere la stella di guida entro un quadrato di 2’ di lato,<br />
quindi entro un’area minore del campo di vista dei fotometri, garantendo perciò un inseguimento<br />
efficace. L’uso di una CCD sul fuoco secondario permette inoltre di confrontare il campo<br />
inquadrato con carte di riferimento, assicurando così di aver puntato l’oggetto corretto anche<br />
quando è di bassa luminos<strong>it</strong>à; è infatti possibile raggiungere la mag 13 con 90 s di posa,<br />
evidenziando così quasi tutti gli oggetti presenti nei comuni cataloghi (GSC, Uranometria, etc.)<br />
Ovviamente le correzioni devono essere più piccole possibile ed impedire che l’oggetto si sposti<br />
anche di poco dal centro del campo; questo per ev<strong>it</strong>are drift nel segnale, come evidenziato nel<br />
25
tracciato seguente (Fig. 13), in cui sono evidenti le escursioni causate dalle correzioni.<br />
segnale (V*100)<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
Fig. 13 Errori dovuti alla guida<br />
errori di guida<br />
correzione di guida<br />
drift causato dall'usc<strong>it</strong>a della stella dal campo<br />
0 100 200 300 400 500<br />
Questo effetto dovrebbe essere completamente eliminato dal metodo della pupilla, mandando cioè<br />
sui fotometri la pupilla di usc<strong>it</strong>a del telescopio; inoltre la risposta angolare dei fotometri è defin<strong>it</strong>a<br />
piatta dalla casa costruttrice, non ci dovrebbero quindi essere cadute di luce ai bordi. Non si possono<br />
però escludere effetti di vignettatura che diminuiscono la luminos<strong>it</strong>à nella periferia del campo,<br />
dando luogo all’effetto osservato.<br />
Come dato finale, si inserisce il tracciato 13 min su Altair (Fig. 14): non si notano nè escursioni<br />
dovute alla guida, nè drift causati all’allontanamento dell’oggetto dal centro del campo, a riprova<br />
dell’efficacia del sistema di guida.<br />
segnale (V)<br />
0,012<br />
0,008<br />
0,004<br />
26<br />
t (s)<br />
0 400 800<br />
t (s)<br />
Fig. 14 Inseguimento e guida corretti su Altair<br />
inseguimento su Altair
3.3 Il programma di acquisizione<br />
L'interfaccia per l' acquisizione è stata realizzata mediante il software LabView. Ha essenzialmente<br />
4 final<strong>it</strong>à:<br />
I. Effettuare il download dei dati e la loro conversone analogico-dig<strong>it</strong>ale.<br />
II. Salvare su hard disk i dati.<br />
III. Permettere la loro visualizzazione istantanea a scopo di controllo sulla corretta acquisizione.<br />
IV. Impostare i parametri di acquisizione, in tal modo dialogando con la scheda di acquisizione.<br />
Il programma realizzato permette inoltre di regolare il guadagno dei fotometri, attraverso le porte di<br />
output della scheda che generano tensioni impostabili dall’utente.<br />
I parametri da impostare per l'acquisizione sono:<br />
I. Nome del file di dati e formato<br />
II. Veloc<strong>it</strong>à di acquisizione (campioni/s) e punti da mediare<br />
III. Tensione di alimentazione dei fotometri (per il guadagno)<br />
IV. Range dinamico del canale di acquisizione (risoluzione della scheda)<br />
Il formato è .txt, quindi file di testo dove i valori sono separati da tab e i dati omologhi (serie<br />
temporale) sono incolonnati. Il formato numerico è a 6 cifre dopo la virgola: in questo modo la<br />
risoluzione permessa dalla media sul campione viene mantenuta, come pure si sfrutta la risoluzione<br />
della scheda al fondo scala scelto. La prima riga del file contiene il numero di campioni su cui si è<br />
effettuata la media, la data e l’ora della misura. Nelle colonne sono salvati i dati relativi alla lettura<br />
dei fotometri e del lock-in, oltre che alle tensioni di alimentazione dei fotometri.<br />
Il rate di acquisizione è stato impostato con il valore di default, 1000 campioni al secondo. La media<br />
avviene su un insieme di 1000 punti, quindi il programma salva e visualizza un dato al secondo. Il<br />
numero di campioni da mediare può essere liberamente scelto; si è verificato che diminuirne la<br />
grandezza, seppure renda molto più rapida l’acquisizione, peggiora il rapporto S/N (si veda la<br />
sezione prima luce per l’andamento S/N con il numero di punti mediati). D’altra parte, è possibile<br />
accelerare l’acquisizione, ad esempio a 5000 campioni/s, e mediare sempre su 1000 ogni 0,2 s, ma<br />
l’efficacia della media è che avviene su un campione temporalmente distribu<strong>it</strong>o, mediando quindi a<br />
zero le fluttuazioni ad alta frequenza causate ad esempio dalla scintillazione. Perciò i valori scelti<br />
sono un compromesso fra la necess<strong>it</strong>à di avere un’acquisizione in tempo reale, una buona statistica<br />
di punti da mediare, ma anche distribu<strong>it</strong>i su un tempo che abbatta il rumore di scintillazione (vedi<br />
paragrafo corrispondente).<br />
La tensione di alimentazione dei fotometri serve a regolare il gain dei rivelatori, in un range fra 10 2<br />
e 10 7 . Risulta utile poter variare questo parametro nel corso dell’attiv<strong>it</strong>à per massimizzare il segnale<br />
nel passaggio da stelle luminose a stelle più deboli, oppure per rendere i segnali dei due canali<br />
simili, prima di inviarli al lock-in. Questa funzione è svolta dallo strumento Update Channel, con<br />
possibil<strong>it</strong>à di regolazioni 'fine e corse'.<br />
Il range di acquisizione della scheda è selezionabile a seconda del canale prescelto; è infatti<br />
possibile configurare dei canali virtuali, per cui scegliendo il valore massimo e minimo<br />
dell’intervallo in cui si trovano i dati, la risoluzione è data dall’escursione divisa per il numero di b<strong>it</strong><br />
(12). In particolare si sono considerati due canali: uno di prova, con lim<strong>it</strong>i 0-10V, e risoluzione<br />
dell’ordine del mV, ed un altro più spinto, fra 0 e 50mV, con risoluzione circa 20 μV. Il primo<br />
ovviamente ha funzioni di calibrazioni e verifica, con un alto lim<strong>it</strong>e di saturazione, mentre quello di<br />
acquisizione è il secondo.<br />
Il flusso dei dati si può perciò riassumere come segue:<br />
27
RANGE<br />
CAMPIONI<br />
AL SECONDO<br />
NUMERO<br />
CAMPIONI<br />
DATA<br />
E ORA<br />
MEMORIZZAZIONE<br />
VISUALIZZAZIONE<br />
28<br />
TELESCOPIO<br />
FOTOMETRI<br />
CANALI DI<br />
ACQUISIZIONE<br />
MEDIA<br />
SUL<br />
CAMPIONE
Fig. 15Diagramma del programma di acquisizione<br />
3.4 Il Lock-in<br />
Nel corso dell’esperienza si è deciso di utilizzare un dispos<strong>it</strong>ivo di modulazione e amplificazione<br />
del segnale tram<strong>it</strong>e chopper ottico e lock-in. Le motivazioni di questa scelta sono dettate<br />
essenzialmente dal fatto che il lock-in, funzionando come filtro passa banda centrato sulla frequenza<br />
di modulazione, taglia tutti i segnali al di fuori di tale banda, eliminando così qualunque luce<br />
estranea al segnale astronomico nei fotometri, e riduce notevolmente i rumori caratterizzati da<br />
spettro piatto, poichè li amplifica solo intorno alla frequenza di modulazione. In aggiunta, i rumori<br />
caratterizzati da una precisa fequenza (ad esempio la rete a 50 Hz o le lampade a 100 Hz) vengono<br />
totalmente eliminati, e anche le dannose componenti a bassa frequenza, come il rumore 1/f e anche<br />
il ruomre Johnson che ha spettro bianco. Un certo numero di svantaggi saranno però chiaramente<br />
29
presenti. Primo fra tutti, il più piccolo ingresso di luce estranea al segnale astronomico che venga<br />
riflesso sul chopper sarà modulato da quest’ultimo, quindi amplificato; l’apparato sperimentale<br />
diventa rapidamente più complesso, perchè la linea di comunicazione fotometri-scheda deve essere<br />
deviata e perchè altri strumenti si aggiungono; in ultimo perchè occorre garantire un supporto<br />
stabile ed esente da vibrazioni al chopper. Il sistema sviluppato permette tutto questo, isolando la<br />
montatura dal chopper tram<strong>it</strong>e materiali a bassa trasmissione delle vibrazioni.<br />
Senza entrare nel dettaglio del funzionamento di un lock-in, si da' qui una breve spiegazione delle<br />
impostazioni scelte per il corretto funzionamento dell’apparato.<br />
La luce in usc<strong>it</strong>a dalla calc<strong>it</strong>e viene modulata tram<strong>it</strong>e chopper a disco rotante: è possibile montare<br />
diversi dischi, da 2 a 20 lame. Il miglior compromesso fra massima frequenza raggiungibile (da cui<br />
dipende il miglioramento introdotto nel segnale) e dimensione delle lame, che devono oscurare<br />
completamente i due beam, ha fatto scegliere il disco a 5 lame, che permette di raggiungere una<br />
frequenza del KHz. Il dispos<strong>it</strong>ivo che alloggia il disco è dotato di un sistema led infrarossofotodiodo<br />
che rende possibile l’indicazione della frequenza reale.<br />
Tra le impostazioni prescelte per il lock-in:<br />
• Costante di tempo a 1 s: permette di impostare l'ampiezza della banda di amplificazione<br />
eliminando così le oscillazioni molto rapide, al costo però di una maggiore lentezza della<br />
risposta. Si è studiato come varia il rumore utilizzando varie costanti di tempo, ottenendo, con la<br />
scelta di 1 s o 0,3 s, il seguente risultato:<br />
30
segnale (V)<br />
3,5<br />
2,8<br />
2,1<br />
effetto della costante di tempo del lock-in:<br />
maggiore stabil<strong>it</strong>à nella misura<br />
costante di tempo t=0.3s<br />
380<br />
• È stato usato l’ingresso differenziale: in pratica, l’amplificatore legge la differenza fra i due<br />
canali e amplifica solo quella. Il meccanismo è in realtà leggermente più complesso, perchè il<br />
riferimento avviene considerando il segnale maggiore (a cui si sottrae il minore). Questo<br />
potrebbe in linea di principio creare dei problemi perchè si perde l’indicazione di qual’è il<br />
riferimento. A tale scopo si è creato un appos<strong>it</strong>o programma di acquisizione con un sistema di<br />
discriminazione che salva nel file di dati 0 se la misura è corretta, 1 se c’è stata inversione nel<br />
riferimento dei canali. Occorre sottolineare che, fissando la costante di tempo a 1s, gli spikes<br />
dovuti per esempio alla scintillazione non vengono letti, quindi neanche contribuiscono al<br />
meccanismo di inversione dei canali.<br />
• Il range di lavoro è stato impostato a 50 mV. Questa scelta è utile per ev<strong>it</strong>are saturazioni, pur<br />
restando in un intervallo che non sia al lim<strong>it</strong>e per le grandezze in gioco.<br />
• La funzione expand, che permette di variare l’amplificazione, ha permesso di avere il segnale in<br />
usc<strong>it</strong>a dal lock-in intorno alla metà del range della scheda di acquisizione (quindi intorno a 5 V).<br />
• La pendenza del filtro passa banda del lock-in è stata fissata a 12 dB/Oct.<br />
• La frequenza di lavoro per il chopper va scelta sulla base delle seguenti considerazioni: la più<br />
alta possibile, per migliorare il rapporto segnale rumore S / N = f max<br />
B ; non eccessivamente<br />
elevata per ev<strong>it</strong>are problemi meccanici; lontana da multipli di 50 Hz. Quest’ultima motivazione è<br />
stata dettata dal fatto che le frequenze tipiche della rete e delle lampade (50-100 Hz) sono visibili<br />
(in banda) anche intorno ai rispettivi multipli, come mostrano i grafici di Fig. 17 e 18. Questo<br />
effetto è dovuto alla caratteristica del lock-in di essere sensibile anche alle armoniche della<br />
frequenza di riferimento e, pur potendo impostare esternamente il numero di armoniche da<br />
amplificare (in questo caso 1), la sottrazione delle restanti non è ottimale.<br />
31<br />
t (s)<br />
costante di tempo t=1s<br />
Fig. 16 Miglioramento della misura variando la costante di tempo del lock-in<br />
1/2
segnale (V)<br />
Fig. 17<br />
segnale (V)<br />
2<br />
0<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Fig. 18 Effetto della rete a 50Hz<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
frequenza (Hz)<br />
È necessario inoltre soddisfare la condizione che il rumore bianco sia prepoderante rispetto all’ 1/f<br />
nella regione di modulazione. A tale scopo si è fatto uno scan sulle basse frequenze (Fig. 19) (cavo<br />
usato come antenna) che completi il grafico di Fig. 18 e in cui si evidenzia che la componente<br />
principale di rumore è bianca per frequenze sopra i 10 Hz.<br />
32<br />
lock-in<br />
errori introdotti nella misura<br />
a causa del rumore di rete<br />
segnali spurii causati dalle interferenze della rete<br />
rumore 1/f<br />
rete a 50 Hz<br />
lampade a 100 Hz<br />
frequenza scelta per il chopper<br />
0 100 200 300<br />
freq (Hz)
.<br />
segnale (V)<br />
0,05<br />
0,04<br />
0,03<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
0 5 10 15 20 25<br />
frequenza (Hz)<br />
Fig. 19 Interferenze alle basse frequenze (rumore 1/f)<br />
Partendo da queste considerazioni e sulla base dei dati in possesso, si è scelta una frequenza di<br />
modulazione intorno ai 280 Hz; si sottolinea che, poichè il lock-in ha un meccanismo di aggancio<br />
alla fase, non è strettamente necessario che la frequenza resti invariata, purchè il riferimento del<br />
chopper sia collegato al lock-in.<br />
Si è compiuta una verifica, in condizioni di perfetto oscuramento del chopper, sul miglioramento<br />
del rapporto segnale rumore introdotto dal lock-in, sia su stella artificiale che su Altair. Di segu<strong>it</strong>o si<br />
riportano entrambe le serie temporali: i tracciati dei singoli canali sono stati moltiplicati per renderli<br />
confrontabili con l’output del lock-in (senza alterare S/N).<br />
33<br />
Rumore di fondo
segnale (V)<br />
2,1<br />
1,4<br />
Fig. 20 Lettura si stella artificiale<br />
segnale (V)<br />
2<br />
1<br />
0<br />
miglioramento S/N con Lock-In su stella artificiale<br />
380 400<br />
34<br />
t (s)<br />
miglioramento S/N con lock-in su Altair<br />
stella nel campo<br />
stella fuori campo<br />
Blu *150<br />
Rosso * 150<br />
Lock-In<br />
210 280 350<br />
tempo (s)<br />
Fig. 21 Confronto tra segnali del lock-in e dei fotometri<br />
blu *200<br />
lock-in
ALTAIR Media<br />
(V)<br />
Deviazione<br />
standard (V)<br />
S/N<br />
Blu 0,01763 0,00217 8,124424<br />
Rosso 0,01928 0,00203 9,497537<br />
Lock-In 1,6036 0,05212 30,76746<br />
STELLA ARTIFICIALE Media Deviazione<br />
standard<br />
S/N<br />
Blu 0,00941 0,00134 7,022388<br />
Rosso 0,0075 7,39*10 -4 10,14934<br />
Lock-In 2,09735 0,03463 60,56454<br />
Come si nota dai tracciati e dati inser<strong>it</strong>i, l’uso del lock-in permette di migliorare sensibilmente la<br />
qual<strong>it</strong>à della misura.<br />
3.5 Il problema dell'elettronica: i fotometri<br />
Sono state esegu<strong>it</strong>e delle misure di prova sui fotometri, con le seguenti final<strong>it</strong>à: verifica del corretto<br />
funzionamento, studio del comportamento in funzione del gain e del segnale in ingresso, studio dei<br />
rumori e confronto con le specifiche forn<strong>it</strong>e. Lo studio dei rumori è ovviamente uno degli aspetti<br />
essenziali: lavorando con apparecchiature elettroniche è necessario stimare il peso dei rumori<br />
elettronici all’interno della misura. Si possono distinguere 4 tipi di noise:<br />
• Rumore Johnson, che però, anche per alte resistenze (MΩ) è dell’ordine dei 100nV/√Hz (de<br />
Bernardis), quindi si può in un primo momento trascurare.<br />
• Rumore di temperatura, che ha un andamento lineare in T, con variazioni dell’ordine dei 2<br />
mV/ o C, quindi rilevante soprattutto per misure in un ambiente non controllato come ad es. il<br />
laboratorio. Le caratteristiche tecniche dei fotometri indicano tuttavia la temperatura di corretto<br />
funzionamento fra 5 °C e 50 °C.<br />
• Shot noise, causato dalle fluttazioni poissoniane degli elettroni prodotti sul fotocatodo.<br />
• Rumore 1/f, causato ad esempio dai contatti.<br />
Il data sheet dei fotometri indica un ripple noise (picco picco) di 1 mV, quindi scopo dello studio<br />
sarà anche verificare questa caratteristica e identificarla nelle misure su stella.<br />
Sulla base di queste considerazioni si sono prese appos<strong>it</strong>amente 5 serie di dati in laboratorio,<br />
confrontandole poi con le misure su stella. Come sorgente di luce si è preso un led verde (circa 1W<br />
posto a 10 cm dai fotometri) alimentato tram<strong>it</strong>e scheda di acquisizione, quindi più stabile<br />
dell’alimentatore (che genera fluttuazioni di circa 3 mV): le fluttuazioni di alimentazione, picco<br />
picco, sono dell’ordine di 0.1÷0.5 mV. La prima serie descrive l’andamento del segnale e del rumore<br />
in funzione del guadagno applicato ai fotometri (Fig. 22, 23); la seconda variando la luminos<strong>it</strong>à<br />
della sorgente (Fig. 24); la terza è uno studio del rumore di buio del fotometro (Fig. 27); la quarta e<br />
la quinta rappresentano un lungo run con le stesse condizioni di un’acquisizione standard<br />
(campionamento, durata, guadagno) con e senza sorgente (Fig. 28, 29): queste due ultime misure<br />
hanno lo scopo di confrontare i rumori con quelli trovati nelle misure su stella.<br />
Variazione di guadagno: Lo studio ha dimostrato la linear<strong>it</strong>à del sistema rispetto alle variazioni di<br />
guadagno: questo è stato dimostrato anche successivamente su stelle (vedi sezione Prima Luce), a<br />
riprova del corretto funzionamento. Lo studio del rapporto segnale rumore ha evidenziato, seppure<br />
su pochi punti, un andamento non lineare.<br />
35
Fig. 22 Andamento del segnale con il guadagno: verifica della linear<strong>it</strong>à della<br />
risposta in funzione dell'amplificazione<br />
S/N<br />
segnale (V)<br />
900<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
0 20000 40000 60000 80000 100000<br />
36<br />
gain<br />
0 20000 40000 60000 80000 100000<br />
gain<br />
Fig. 23 Andamento del S/N al variare del guadagno
Variazioni di luminos<strong>it</strong>à della sorgente: La sorgente in uso è un led (verde) che perciò ha una<br />
caratteristica tensione-corrente esponenziale e quindi ci si aspetta un andamento di questo tipo nel<br />
rapporto fra tensione di alimentazione e lettura dei fotometri. Questo è l’andamento trovato:<br />
Fig. 24 Andamento del segnale al variare dell' alimentazione<br />
del led<br />
L’alimentazione del led è molto stabile (fluttuazioni picco picco inferiori a 0.5mV) quindi le<br />
fluttuazioni osservate non sono imputabili alla tensione applicata, mentre non si possono escludere<br />
variazioni di luminos<strong>it</strong>à intrinseche del led. Gli errori aspettati sono perciò di tre tipi: errore<br />
poissoniano causato dal fotocatodo, intrinseco del segnale (rumore fotonico) e fluttazioni casuali del<br />
led. Il grafico mostra un andamento tipo radice per il rumore rispetto al segnale in ingresso (quindi<br />
con l’ecc<strong>it</strong>azione del fotocatodo); questo è indizio di rumore poissoniano come detto in precedenza:<br />
errore (devstar V)<br />
segnale (V)<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0,0035<br />
0,0030<br />
0,0025<br />
0,0020<br />
0,0015<br />
0,0010<br />
0,0005<br />
1,80 1,82 1,84 1,86 1,88 1,90 1,92 1,94<br />
Fig. 25 Relazione tra errore e segnale<br />
a riprova dell’andamento a radice si è esegu<strong>it</strong>o un f<strong>it</strong> lineare sui quadrati dei dati precedenti,<br />
ottenendo il seguente grafico:<br />
37<br />
alim led (V)<br />
0,0000<br />
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6<br />
segnale (V)
La serie di dati successiva è una misura dello zero dei fotometri, esegu<strong>it</strong>a senza sorgente luminosa e<br />
con lo stesso guadagno della misura precedente:<br />
segnale (V)<br />
errore ^2<br />
Fig. 26 F<strong>it</strong> lineare sui quadrati degli errori in funzione del segnale<br />
0,0000<br />
-0,0005<br />
-0,0010<br />
-0,0015<br />
-0,0020<br />
0,000010<br />
0,000008<br />
0,000006<br />
0,000004<br />
0,000002<br />
0,000000<br />
Fig. 27 Lettura senza sorgente (corto run)<br />
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6<br />
si noti che l’offset di lettura è negativo (vedi la sezione dati e calibrazione). L’escursione picco<br />
picco è dell’ordine del mV e la deviazione standard f<strong>it</strong>ta bene con il grafico precedente, assumendo<br />
qui un segnale nullo.<br />
Misura di buio e con sorgente in simulazione di osservazione: Impostando le stesse condizioni dei<br />
run osservativi su stella, cioè integrazione a 1 s, range della scheda a 50 mV, durata superiore ad 1 h,<br />
alto gain, lettura intorno ai 10mV si è fatta un’acquisizione senza sorgente:<br />
38<br />
segnale (V)<br />
misura di zero<br />
0 50 100 150 200 250<br />
t
Fig. 28 Lettura senza sorgente (misura di zero) a lungo run<br />
si nota un’escursione picco picco tipica di 0.5mV (minore rispetto al caso precedente per effetto<br />
dell'operazione di media su più punti) e un lento drift, probabilmente causato da rumore di<br />
temperatura.<br />
Misura su stella artificiale in simulazione di osservazione: Con le stesse impostazioni della misura<br />
precedente, si è fatto un run su led, aggiustando la luminos<strong>it</strong>à per avere una lettura di circa 30mV,<br />
confrontabile quindi con quella su Altair:<br />
segnale (V)<br />
segnale (V)<br />
0,0345<br />
0,0340<br />
0,0335<br />
0,0330<br />
0,0325<br />
0,0320<br />
0,0000<br />
-0,0005<br />
-0,0010<br />
-0,0015<br />
-0,0020<br />
Fig. 29 Lettura su sorgente<br />
0 3000 6000<br />
anche qui l’escursione del segnale è dell’ordine di 0.5mV.<br />
Considerazioni: Le serie di dati permettono di trovare, almeno qual<strong>it</strong>ativamente, il peso del rumore<br />
elettronico in diverse condizioni di gain, di segnale, e di campionamento, quindi è possibile,<br />
osservando i tracciati su stella, determinare l’effetto specifico del rumore elettronico. In particolar<br />
39<br />
lettura di zero<br />
(run di 2 ore)<br />
t (s)<br />
1000 2000 3000 4000<br />
t (s)
modo risulta interessante l’ultima misura, che simula in condizioni ottimali la lettura di una stella<br />
brillante con gli stessi parametri di acquisizione utilizzati nelle osservazioni.<br />
Sulle misure (sia su stelle come spiegato nelle sezioni successive, sia su stella artificiale) si possono<br />
evidenziare 2 effetti principali del noise: in primo luogo lo “spessore” del tracciato, intendendo in<br />
questo l’escursione picco picco del segnale; poi la deviazione standard del campione. A questo<br />
propos<strong>it</strong>o, avendo a disposizione una misura di durata T e con costante di tempo t nei dati, si può<br />
considerare un campione di T/t punti, in cui la deviazione standard fornisce una stima dell’errore.<br />
Analizzando il primo effetto, ben visibile nei tracciati, si nota che l’ampiezza delle escursioni è<br />
sempre dell’ordine del 1 mV, quindi in accordo con le specifiche per la voce Ripple Noise.<br />
Questo valore è dello stesso ordine di grandezza per tutte le misure a bassa valore (inferiore a 100<br />
mV), quindi si può affermare che il contributo del rumore elettronico è di questa ent<strong>it</strong>à.<br />
All’aumentare del guadagno o del segnale questa fluttazione aumenta (a 6 V di lettura è sui 10 mV).<br />
Considerando invece la deviazione standard dei vari campioni, si può considerare un valore minimo<br />
di 0.2 mV, estrapolato dal grafico errore vs segnale e comunque in accordo con l’errore sulla lettura<br />
di zero del fotometro. In condizioni di osservazione (gain elevato e lettura di qualche decina di mV)<br />
è un valore ripetibile, quindi si può affermare che l’errore statistico introdotto dall’elettronica ha<br />
circa questo valore.<br />
4. OTTIMIZZAZIONI E MISURE<br />
4.1 Prima luce del telescopio<br />
La prima luce del telescopio ha lo scopo di testare l’efficienza dell’apparato sperimentale ed è stata<br />
esegu<strong>it</strong>a su 4 stelle: Altair, Antares, Arturo e Spica. La scelta è stata dettata principalmente dalla<br />
posizione (campo a sud più libero da inquinamento luminoso e da oggetti sull’orizzonte) e dall’alta<br />
luminos<strong>it</strong>à.<br />
Le misure sono state fatte con il solo fotometro blu, posizionato direttamente sulla calc<strong>it</strong>e per<br />
ridurre gli ingressi di luce spuria; il fotometro rosso non era stato attivato per problemi di<br />
posizionamento. Pertanto questa prima luce non intende fornire dati di calibrazione che possano<br />
servire da confronto per le misure successive o nel passaggio a strumenti superiori, ma risponde<br />
unicamente alla domanda: qual’è l’ordine di grandezza del segnale che si misura? Si sottolinea<br />
inoltre che, allo scopo di ottimizzare il sistema, sono state apportate modifiche allo schema ottico,<br />
come ad esempio l’inserimento di una lente di campo che focheggi il fascio, quindi i presenti dati<br />
non sono necessariamente confrontabili con i restanti; è pur vero che il sistema non è del tutto fuori<br />
fuoco, quindi le presenti considerazioni hanno un loro motivo d’essere.<br />
Da un breve conto teorico: il fuoco è a circa 10 cm dalla culatta del telescopio, l’elemento della<br />
calc<strong>it</strong>e (che non varia il focheggiamento) è lungo 14 cm e il fotometro è a 2 cm dalla calc<strong>it</strong>e: in<br />
questo modo il sensore è fuori fuoco di 6 cm e vede perciò uno spot di 6 mm di diametro (il<br />
diametro della superficie sensibile è 8 mm)<br />
4.1.1 Dati e calibrazione del sistema<br />
I fotometri leggono il segnale luminoso con una frequenza di circa 20 KHz (tempo minimo di arrivo<br />
di fotoni distinguibili): via scheda di acquisizione si è impostata nel programma la media su un<br />
numero n di punti, integrando così il segnale al fine di ottenere un S/N migliore: in particolare il<br />
programma, con le impostazioni utilizzate, rest<strong>it</strong>uisce un valore ogni 150 ms (quindi utile per<br />
misure veloci a scopo di calibrazione), si integra perciò con questa costante di tempo. Nelle misure<br />
successive si è passati ad un numero di punti maggiore, quindi costanti di tempo più lunghe (vedi<br />
sotto).<br />
Per ogni stella si sono prese 4 serie di dati: 3 variando il guadagno (da 0,8 V a 0,3 V, quindi<br />
variando l’amplificazione da 8*10 5 a 3*10 5 ), l’ultima spegnendo il moto orario del telescopio e<br />
40
osservando l’usc<strong>it</strong>a dal campo di vista. Per ogni run ci si è assicurati che il fotometro stesse<br />
effettivamente leggendo un segnale legato all’oggetto inquadrato coprendo alternativamente il<br />
telescopio: un tipico tracciato è il seguente:<br />
segnale (V)<br />
0,04<br />
0,02<br />
0,00<br />
misure su Altair<br />
a differente guadagno dei fotometri<br />
gain 8*10e5<br />
30 40 50 60<br />
I minimi corrispondono alla lettura a telescopio oscurato: hanno tutti lo stesso valore,<br />
corrispondente all’offset di lettura; il fatto che sia effettivamente zero±offset dimostra che non c’è<br />
la presenza di luci .<br />
Per ottenere una stima del flusso si è presa la serie di dati a guadagno maggiore e si è sottratto da<br />
ciascun punto il valore medio dello sky-background (ottenuto facendo uscire la stella dal campo<br />
inquadrato) e se ne è calcolata la media e la deviazione standard.<br />
Con le prime tre serie di dati si è proceduto a calibrare la risposta del sistema telescopio-calc<strong>it</strong>efotometri.<br />
Si consideri una stella di magn<strong>it</strong>udine m cui corrisponde un flusso f (confrontato con una stella di<br />
riferimento, in questo caso Vega di mag 0); senza considerare altri fenomeni più complessi, per<br />
effetto dell’assorbimento atmosferico il flusso che arriverà a terra sarà f = f 0 e −t dove t è<br />
l’airmass. Pertanto ad un guadagno fissato g il fotometro leggerà un segnale<br />
S=b∗ f ∗g a (14)<br />
in cui b è un coefficiente di risposta del sistema e a un eventuale offset di background, ad esempio<br />
l’offset di lettura dei fotometri. Variando f e g è possibile calibrare il sistema trovando tram<strong>it</strong>e f<strong>it</strong> i<br />
parametri a e b. La calibrazione risulta utile per stimare a priori il segnale di una stella di<br />
magn<strong>it</strong>udine nota; è importante sottolineare che qui non si è tenuto conto dell’indice di colore della<br />
stella, quindi della differente risposta che fornisce nei due canali; in aggiunta il range di luminos<strong>it</strong>à<br />
delle stelle campione dovrebbe essere più ampio, per studiare la risposta del sistema anche a<br />
magn<strong>it</strong>udini più alte al fine di verificare che la stella in studio sia ancora nella zona di linear<strong>it</strong>à.<br />
41<br />
t (s)<br />
Fig. 30 Misura su Altair a differente guadagno<br />
gain 5*10e5<br />
oscuramento<br />
telescopio<br />
gain 3*10e5
Il risultato della calibrazione fornisce la lettura di una stella osservata allo zen<strong>it</strong>h (airmass 1), quindi<br />
va ricalcolata ad elevazioni differenti.<br />
Si è presa come stella di riferimento Vega ( mag=O a cui si è associato un flusso f=1) e si è ottenuto<br />
questo andamento:<br />
segnale (V)<br />
0,08<br />
0,06<br />
0,04<br />
0,02<br />
0,00<br />
segnale su Spica<br />
0 40000 80000 120000 160000 200000 240000<br />
si nota che i dati per ogni stella sono ben allineati, anche se tre soli punti sono un campione troppo<br />
piccolo, mentre risultano più dispersi per l’insieme delle osservazioni: questa dispersione può essere<br />
in parte attribu<strong>it</strong>a al colore delle stelle, come spiegato sopra. Si nota inoltre che l’errore relativo è<br />
molto più pesante per guadagni minori (quindi segnali più piccoli). Questo andamento è imputabile<br />
all’effetto del rumore di lettura, che diventa paragonabile al segnale per bassi fattori di<br />
amplificazione.<br />
Il risultato della calibrazione fornisce i seguenti dati S=b∗ f ∗ga<br />
Coefficiente (Volt) Errore (Volt)<br />
a -0,00217 3,88*10 -4<br />
b 2,91*10 -7 1,51*10 -8<br />
Coefficiente di correlazione 0,98684<br />
Si osserva che il termine noto a è proprio l’offset di lettura dei fotometri. Pertanto si può costruire<br />
una tabella con l’output del sistema per stelle di differente magn<strong>it</strong>udine:<br />
Magn<strong>it</strong>udine F/F0 Segnale (V)<br />
0 1 0,2307<br />
1 0,39810717 0,09057935<br />
2 0,15848932 0,03479631<br />
3 0,06309573 0,01258869<br />
42<br />
segnale su Altair<br />
segnale su Antares<br />
flusso x gain<br />
Fig. 31 Misura su 4 stelle (Altair, Antares, Spica, Arturo) a tre guadagni diversi<br />
segnale su Arturo
Magn<strong>it</strong>udine F/F0 Segnale (V)<br />
4 0,02511886 0,00374767<br />
5 0,01 0,000228<br />
Risulta interessante osservare lo spettro dei tracciati fotometrici ottenuti: poichè la frequenza di<br />
campionamento è circa 6 Hz, questa sarà anche il doppio della massima frequenza studiabile; inoltre<br />
poichè il run dura mediamente 30-60 s, le risoluzioni in frequenza raggiungibili sono dell’ordine di<br />
0.1÷0.3 Hz . Si nota (Fig 32, 33) che gli spettri sono piatti fino a basse frequenze: in questa regione<br />
risultano dominati dal picco causato dall’offset del segnale, che si estende fino a 0.1 Hz; poi<br />
compaiono le ondulazioni causate dall’”effetto finestra”, cioè dal troncamento del segnale<br />
(convoluzione con una funzione box, la cui FFT è una sinc, cioè sen(x) /x ).<br />
Angle(deg)<br />
Ampl<strong>it</strong>ude<br />
-200<br />
-400<br />
-600<br />
-800<br />
-1000 0,04<br />
0<br />
0,0 0,5<br />
Frequency (Hz)<br />
1,0 1,5 2,0<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0,03<br />
0,02<br />
0,01<br />
0,00<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0<br />
Fig. 32 FFT sul tracciato di Arturo: si notano le ondulazioni della funzione<br />
sinc sull'origine<br />
Ampiezza<br />
0,040<br />
0,035<br />
0,030<br />
0,025<br />
0,020<br />
0,015<br />
0,010<br />
0,005<br />
0,000<br />
-0,005<br />
43<br />
Frequency (Hz)<br />
FFT su Arturo<br />
Data: FFT1_r<br />
Model: Sinc<br />
Chi^2 = 3.1243E-7<br />
P1 0.03564 ±0.00033<br />
P2 43.65199 ±0.14922<br />
-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6<br />
Frequenza (Hz)
4.1.2 L'usc<strong>it</strong>a della stella dal campo<br />
Spegnendo il motore di inseguimento è possibile osservare l’usc<strong>it</strong>a dell’oggetto dal campo<br />
inquadrato dal sensore: in tal modo è possibile accertarsi che effettivamente l’oggetto inquadrato è<br />
la stella in esame e trovare anche il valore del fondo cielo, dominato soprattutto dalla riflessione<br />
delle luci c<strong>it</strong>tadine, così da sottrarlo al segnale della stella. Andamenti tipici sono i seguenti:<br />
0,10<br />
0,08<br />
0,06<br />
0,04<br />
0,02<br />
0,00<br />
Segnale (V)<br />
0,08<br />
0,07<br />
0,06<br />
0,05<br />
0,04<br />
0,03<br />
0,02<br />
0,01<br />
140 150 160 170 180 190 200 210<br />
Si notano due sostanziali differenze: per Arturo la fase di caduta è preceduta da un andamento<br />
costante (a meno della dispersione dei dati), mentre il tracciato di Altair presenta un massimo<br />
immediatamente prima della discesa. Inoltre i tempi di caduta sono rispettivamente 35 s e 15 s . Per<br />
analizzare queste evidenze sperimentali occorre considerare la risposta angolare del fotometro e del<br />
sistema telescopio più calc<strong>it</strong>e e le dimensioni del fascio di luce in ingresso; l’immagine è una<br />
circonferenza (in accordo con la previsione teorica) che si sposta sul sensore: la caduta di segnale è<br />
44<br />
tempo (s)<br />
Fig. 35 Usc<strong>it</strong>a di Altair dal campo inquadrato<br />
Arturo<br />
Altair<br />
40 50 60 70 80 90<br />
tempo (s)
spiegabile con la diminuzione di area sottesa sul sensore (che ha risposta angolare constante) nel<br />
movimento di usc<strong>it</strong>a. Il tracciato di Altair è causato da un passaggio molto esterno, in cui il fascio<br />
nel suo moto prima entra nel campo e sub<strong>it</strong>o dopo ne esce.<br />
4.1.3 Massimizzazione del segnale<br />
Per ev<strong>it</strong>are la dispersione dei fasci di luce su un'area maggiore di quelle sensibili dei fotometri si è<br />
inser<strong>it</strong>a una lente di campo: in tal modo si ha una soluzione al problema dell'usc<strong>it</strong>a della stella dal<br />
campo (vedi sopra); ulteriore conseguenza è che il sistema ottico complessivo risulta avere un<br />
ingrandimento di circa 50 volte, e sperimentalmente si è dedotto un campo totale di circa 3'.<br />
Dopo l’inserimento della lente di campo, si è provveduto a testare la capac<strong>it</strong>à di messa a fuoco del<br />
sistema. La lente ha una focale di 40 mm, perciò è possibile muovere il fuoco del telescopio fino a<br />
farlo coincidere con quello della lente, ed avere un fascio parallelo (pupilla) in usc<strong>it</strong>a. Dal momento<br />
che sia la posizione della lente che del fuoco del telescopio possone essere variate, si è trovata<br />
l’opportuna configurazione che permette di avere contemporaneamente focheggiati CCD di guida<br />
(sul fuoco laterale) e fotometri (su quello principale).<br />
La messa a fuoco è stata studiata acquisendo la lettura dei fotometri contemporaneamente allo<br />
spostamento dello specchio principale dello Schmidt-Cassegrain, in cui il focheggiamento avviene<br />
proprio in questo modo. Questi i risultati ottenuti:<br />
segnale (V*1000)<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
Fig. 36 Prove di fuoco e oscuramento<br />
Il drift lento è causato proprio dallo spostamento del fuoco, mentre le rapide interruzioni che<br />
portano il segnale a 0 sono l’oscuramento del telescopio per controllare che il segnale letto sia<br />
effettivamente della stella e non di luci spurie.<br />
4.1.4 Studio degli errori<br />
prova di focheggiamento su Altair Blu<br />
Rosso<br />
fuori fuoco<br />
oscuramento telescopio<br />
5<br />
-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180<br />
Per uno studio dettagliato e sistematico di tutte le fonti di rumore si rimanda alla sezione sui<br />
fotometri e sulla scintillazione: qui si approfondirà l’effetto complessivo del noise sulla misura.<br />
Le fonti di errore nelle misure sono: luce in ingresso nel tubo ottico, presenza di fondo cielo<br />
45<br />
t (s)<br />
fuoco ottimale
consistente (considerando che le stelle osservate sono piuttosto basse sull’orizzonte), scintillazione.<br />
A questi si sommeranno gli errori indotti dall’elettronica: offset di lettura non costante ed errore di<br />
dig<strong>it</strong>alizzazione, rumori a bassa frequenza come l’1/f, rumore Johnson, rumore di temperatura,<br />
ripple noise e i problemi connessi alla rete a 50 Hz.<br />
La luce in ingresso nel sistema è completamente eliminata attraverso la schermatura del fotometro e<br />
del supporto: si nota infatti che oscurando il tubo il segnale va a zero; resta ovviamente quella in<br />
ingresso dal tubo ottico, che viene ridotta con l’uso di un paraluce.<br />
Il fondo cielo è risultato avere un flusso massimo pari al 20-30% di quello su stelle brillanti, quindi<br />
assolutamente non trascurabile; si noti che la misura del fondo cielo cresce con l’angolo zen<strong>it</strong>ale.<br />
Non è però un fondo riproducibile su misure in notti diverse, tant’è che su altri tracciati (vedi ad<br />
esempio Fig. 21) la lettura è diversa; questa variabil<strong>it</strong>à è dovuta a condizioni metereologiche,<br />
presenza della luna, grado di illuminazione urbano.<br />
Nelle misurazioni sulla stella prescelta, invece, questo rumore è risultato essere anche maggiore del<br />
flusso della stella stessa, come mostra il grafico sottostante:<br />
segnale (V)<br />
0,003<br />
0,000<br />
-0,003<br />
tracciato su gamma equ<br />
stella fuori campo<br />
oscuramento del telescopio<br />
1600 2400 3200<br />
Fig. 37 Tracciato su Gamma Equ con usc<strong>it</strong>a della stella e oscuramento del telescopio<br />
ll tracciato rappresenta una misura effettuata da Roma: le cadute di segnale sono, rispettivamente,<br />
l’usc<strong>it</strong>a della stella dal campo, l’oscuramento della parte posteriore dei fotometri (le luci della<br />
facoltà erano accese) e l’oscuramento del telescopio. Il lento drift, più evidente nel tracciato del<br />
fotometro rosso, è causato dall'aumento delle luci di fondo cielo (inquinamento luminoso),<br />
caratterizzato da una forte componente arancione, perciò meno visibile nel blu. La lettura sulla<br />
stella, calcolata come differenza fra i vari contributi, è circa 0,3 mV, come aspettato dalle misure su<br />
stelle più brillanti (vedi sez dati e calibrazione).<br />
Sui vari tracciati è ben visibile una fluttuazione di circa 1 mV picco picco; a questa contribuiscono<br />
sia l’elettronica che la scintillazione. In particolare (si veda la sezione sui fotometri) il rumore picco<br />
picco stimato sull’elettronica si attesta proprio su questo valore, se ci si pone in condizioni di<br />
misura simili a quelle delle osservazioni (alto guadagno, campionamento a 100 punti/s e media su<br />
1000 punti, segnale inferiore a 50 mV): inoltre coincide con il valore di ripple noise forn<strong>it</strong>o dal data<br />
46<br />
t (s)<br />
Blu<br />
Rosso<br />
schermatura supplementare<br />
dei fotometri
sheet. La scintillazione e gli effetti atmosferici rapidi sulla stella in studio danno perciò un<br />
contributo poco apprezzabile: se infatti per γ Equ la lettura del fotometro è dell’ordine di 0,5 mV, la<br />
scintillazione dà un contributo al segnale minore di questo valore, quindi inferiore al rumore<br />
dell’elettronica.<br />
La deviazione standard dei tracciati (vedi sezione sui fotometri), dà valore di 0,1 mV.<br />
L’effetto del rumore può essere ridotto acquisendo un campione numeroso di dati e mediandolo<br />
(Fig. 38). Se il campione è disperso lungo un intervallo temporale sufficientemente ampio, la media<br />
azzera le fluttuazioni ad alta frequenza, pulendo così il segnale. Su Altair (quindi con un segnale di<br />
50 mV pari a 100 volte quello della stella in esame), con un campionamento a 1000 punti/s e la<br />
media su 1000 campioni, si è riscontrato un netto miglioramento del segnale. A tale scopo, si sono<br />
effettuati diversi tracciati variando il numero di campioni da mediare da cui si vede che l’andamento<br />
del rumore segue quello teorico previsto per l’abbattimento della scintillazione con il tempo di<br />
integrazione. È opportuno sottolineare che con i fotometri non si può agire con una vera e propria<br />
integrazione, nel senso che i singoli fotoni vengono accumulati per 1 o più s, ma piuttosto con una<br />
media sul campione di dati che la scheda ha “prelevato” dal segnale continuo in usc<strong>it</strong>a dal<br />
fotometro.<br />
dev standard (V)<br />
0,0016<br />
0,0014<br />
0,0012<br />
0,0010<br />
0,0008<br />
0,0006<br />
0,0004<br />
0,0002<br />
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600<br />
Fig. 38 Abbattimento del rumore con la media<br />
Si nota un eccesso di rumore per bassi tempi di integrazione rispetto al solo rumore elettronico (che<br />
fornisce una deviazione standard del decimo di mV, circa costante con il tempo di integrazione).<br />
Questo eccesso può essere attribu<strong>it</strong>o in questo caso alla scintillazione atmosferica: dai tracciati<br />
emerge anche un’escursione picco picco di 2 mV, quindi maggiore rispetto a quella osservata per il<br />
solo rumore elettronico.<br />
Le ultime due fonti di errori sono quelle di lettura: in particolare si può notare che il segnale a<br />
telescopio oscurato non è esattamente 0 ma oscilla al di sotto dello zero. Questo avviene perchè il<br />
segnale ha un offset di 2-4 mV, a cui si aggiunge il rumore quantizzato della dig<strong>it</strong>alizzazione: infatti,<br />
impostando un range di campionamento da 0 a 10V e la dig<strong>it</strong>alizzazione a 12 b<strong>it</strong>, la minima<br />
differenza di segnale leggibile è 1mV, quindi la lettura oscillerà di 1mV attorno al valore istantaneo.<br />
47<br />
n° punti
segnale (V)<br />
0,0030<br />
0,0025<br />
0,0020<br />
0,0015<br />
0,0010<br />
Fig. 39 Errore di dig<strong>it</strong>alizzazione sul fondo scala massimo(0-10 V)<br />
Cambiando il fondo scala di acquisizione è possibile rendere quest’errore minore, dell’ordine dei 20<br />
μV (vedi sezione sul programma di acquisizione).<br />
Riassumendo (per un guadagno tipico di 10 5 ):<br />
• Il segnale aspettato per la stella in esame (mag 4,7) è intorno a 0.5 mV.<br />
• Il fondo cielo dà un apporto diverso da notte a notte tra 1 mV e 20 mV.<br />
• La scintillazione viene efficientemente ridotta con l’operazione di media, risultando perciò<br />
trascurabile (se il segnale su γ Equ è 1 mV, fluttuazioni anche del 50% non saranno apprezzabili,<br />
anche perchè immerse nel rumore elettronico)<br />
• Il rumore elettronico è quello preponderante, fornendo un’escursione picco picco del mV e una<br />
deviazione standard intorno a 0.1 mV; questo valore si può considerare lim<strong>it</strong>e perchè anche<br />
aumentando il tempo di integrazione non viene diminu<strong>it</strong>o.<br />
• Il rumore di dig<strong>it</strong>alizzazione, impostando la risoluzione massima) è circa 20 μV, piccolo rispetto<br />
al segnale in ingresso, ma importante al livello delle oscillazioni cercate sulla stella (dell'ordine<br />
del 10% del segnale su γ Equ).<br />
• Il rumore legato alla rete e all’elettronica è molto importante nelle frequenze cruciali come 50<br />
Hz e armoniche, mentre alle basse frequenze (> 5 Hz) è dell’ordine del mV. A frequenze ancora<br />
più basse è ben visibile un andamento 1/f, con contributi molto importanti (>50 mV, vedi sezione<br />
su lock-in per la misura di questi contributi). L’uso di un lock-in risolve egregiamente questo<br />
problema.<br />
• L’offset dei fotometri è intono a 1 mV, mentre il loro rumore di temperatura, in particolar modo<br />
la dark current in funzione della temperatura, non è stato considerato per mancanza di<br />
strumentazione.<br />
4.2 Run osservativo e analisi dati<br />
0 2 4 6 8 10 12<br />
Il dato selezionato per questa discussione è una serie temporale di 75 minuti, campionati a 0,3 Hz. I<br />
dati comprendono la lettura di entrambi i fotometri, del lock-in e delle alimentazioni di gain dei<br />
fotometri. La serie presenta due interruzioni, causate dall'usc<strong>it</strong>a della stella dal campo inquadrato:<br />
questo è stato causato da un problema di collegamento elettrico fra il drive di guida del telescopio e<br />
i motori, per cui il sistema ha smesso di inseguire. Queste interruzioni non sono però problematiche<br />
al fine della misura, perché non regolari, quindi non dotate di frequenza propria e perché scorrelate<br />
48<br />
errore di dig<strong>it</strong>alizzazione
dalla frequenza cercata. A tal propos<strong>it</strong>o è utile confrontarsi con il caso dei gap giorno notte nelle<br />
osservazioni solari; in tal caso l’interruzione non crea problemi perché dura un tempo minore dei<br />
caratteristici tempi scala di ecc<strong>it</strong>azione e smorzamento delle oscillazioni.<br />
Il metodo di analisi prevede un algor<strong>it</strong>mo differenziale, dove a partire dai due canali R e B si crea un<br />
segnale S=R−B/RB . In questo modo si usa il canale blu per compensare i problemi causati<br />
dall’atmosfera, come nel caso della stella di confronto: il vantaggio risiede nel fatto che l’oggetto di<br />
comparazione non è spazialmente scorrelato da quello in studio (anzi coincide con questo), lo<br />
svantaggio è che gli errori introdotti non sono del tutto acromatici, quindi non del tutto eliminabili.<br />
Infatti l’arrossamento atmosferico crea un lento drift nel segnale, a riprova del fatto che l’algor<strong>it</strong>mo<br />
considerato non è in grado di abbattere totalmente i rumori atmosferici. Il segnale così calcolato non<br />
sarà a media nulla, perciò dovrà essere sottratto di un offset pari proprio alla media; un metodo più<br />
raffinato potrebbe essere un detrending che raddrizzi in pratica tutto il tracciato. A questo punto si<br />
calcola lo spettro del segnale tram<strong>it</strong>e FFT, con finestra rettangolare. Questo il risultato ottenuto:<br />
segnale (V)<br />
Fig. 40<br />
0,017<br />
0,016<br />
0,015<br />
0,014<br />
0,013<br />
0,012<br />
0,011<br />
0,010<br />
0,009<br />
0,008<br />
0,007<br />
tracciato su gamma Equ Blu<br />
Rosso<br />
usc<strong>it</strong>a della stella dal campo<br />
0 1000 2000 3000 4000 5000<br />
49<br />
t (s)<br />
drift elettronico
si nota un eccesso di potenza nella regione del mHz, con un esiguo picco proprio alla frequenza<br />
cercata (≈ 1.3 mHz): tuttavia è troppo piccolo per affermare che è proprio quello aspettato. In effetti<br />
l’operazione di sottrazione della media non ha ripul<strong>it</strong>o del tutto il tracciato, per via della pendenza<br />
non nulla: questo può aver introdotto del rumore a bassissima frequenza, come la delta sull’origine<br />
nel caso di segnale di offset. I dati del lock-in non sono di aiuto perché non si è riscontrato che la<br />
lettura era nulla se il telescopio era oscurato: questo è indizio del fatto che una piccola infiltrazione<br />
di luce è stata modulata dal chopper e amplificata. Ad esempio è possibile che la luce non letta dai<br />
fotometri (come confermato dalla caduta di segnale a telescopio chiuso) abbia sub<strong>it</strong>o riflessioni<br />
sulle lame del chopper, risultando così modulata e amplificata. La risoluzione inoltre non permette<br />
uno studio efficace sullo spettro: poiche la durata della misura è 75 m, la risoluzione è dell’ordine<br />
dei 200 μHz, troppo poco per visualizzare lo spettro bianco a sinistra del picco, ed avere così la<br />
certezza del risultato trovato.<br />
4.2.1 Considerazioni<br />
Angle(deg)<br />
Ampl<strong>it</strong>ude<br />
-200<br />
-400<br />
-600<br />
0,015 -800<br />
0<br />
0,000<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0,005<br />
Frequency (Hz)<br />
0,010 0,015 0,020<br />
0,010<br />
0,005<br />
0,000<br />
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020<br />
Fig. 41FFT sul tracciato di Gamma Equ<br />
Il tracciato in sè, sebbene sia la prova del corretto funzionamento della strumentazione, della bontà<br />
dell’inseguimento e della stabil<strong>it</strong>à della misura, non è molto attendibile al fine della misura della<br />
frequenza di oscillazione, principalmente perchè risulta pesantemente affetto da luci di fondo cielo<br />
preponderanti rispetto al segnale. Si può avere un’idea dell’ordine di grandezza del segnale partendo<br />
dalla considerazione che la lettura su stelle brillanti è dell’ordine dei 20÷100 mV ; per la stella in<br />
esame è circa di 0.5 mV (vedi grafico di Fig. 37). Il fatto che invece la lettura è maggiore dimostra la<br />
presenza di un fondo consistente.<br />
Le cause di rumore sono da ricercarsi nella presenza della Luna a 45 0 dalla stella. Non sono<br />
imputabili invece a ingressi spuri esternamente al tubo ottico, perché la lettura era nulla a telescopio<br />
chiuso. Ovviamente questo segnale viene modulato e amplificato dal lock-in, quindi difficilmente<br />
eliminabile, a meno di non interporre diaframmi lungo il cammino ottico, che riducano l’area di<br />
cielo che illumina i fotometri.<br />
Il tracciato rappresenta una misura da Roma: le cadute di segnale sono, rispettivamente, l’usc<strong>it</strong>a<br />
della stella dal campo, l’oscuramento della parte posteriore dei fotometri (le luci del dipartimento<br />
erano accese) e l’oscuramento del telescopio. La lettura sulla stella, calcolata come differenza fra i<br />
vari contributi, è circa 0.3 mV, come dal confronto con le misure su stelle più brillanti.<br />
50<br />
Frequency (Hz)<br />
Spettro su 75min
4.2.2 Conclusioni<br />
Si è cercato di studiare, realizzare, ottimizzare e verificare un nuovo sistema di indagine in<br />
astrosismologia. I suoi lim<strong>it</strong>i principali sono evidentemente strumentali: il piccolo diametro del<br />
telescopio e la sensibil<strong>it</strong>à dei fotometri, poco adatti per misure di oggetti poco luminosi, di cui si<br />
debbano trovare micro oscillazioni. L’ottimizzazione del sistema è quella che ha dato più risultati:<br />
con le modifiche ideate e realizzate, l’apparato è in grado di:<br />
• Puntare stelle fino alla mag 5 visualmente (ma anche mag 10 disponendo di stelle brillanti di<br />
riferimento) e giungere alla mag 14 per identificare le stelle di campo.<br />
• Protrarre la misura per un tempo dell’ordine delle ore senza particolari difficoltà o problemi di<br />
inseguimento, garantendo una precisione dell’ordine del secondo d’arco, per ev<strong>it</strong>are effetti di<br />
vignettatura nel campo inquadrato.<br />
• Acquisire contemporaneamente due segnali da due distinti fotometri su stelle di magn<strong>it</strong>udine<br />
lim<strong>it</strong>e 4 (segnale dei fotometri 3mV; S/N ~3), più un terzo canale proveniente da un<br />
amplificatore lock-in referenziato da un chopper ottico che modula la luce in ingresso ai<br />
rivelatori.<br />
• Controllare in maniera rapida ed efficace il sistema di puntamento, guida e acquisizione.<br />
L’effettiva presenza di oscillazioni sulla stella prescelta non è effettivamente documentabile, per i<br />
problemi c<strong>it</strong>ati sopra, tuttavia si può affermare che il sistema, seppure con caratteristiche lim<strong>it</strong>ate<br />
dovute alla strumentazione, è funzionante e permette lo studio fotometrico di stelle brillanti.<br />
4.3 Up-grade possibili per l'esperimento<br />
Il lavoro preliminare di ottimizzazione dell’apparato strumentale ha permesso di raggiungere un<br />
livello qual<strong>it</strong>ativo decisamente superiore rispetto a quello iniziale. Tra le principali migliorie<br />
introdotte si evidenzia: la montatura alla tedesca, che garantisce stabil<strong>it</strong>à e robustezza superiori,<br />
nonchè la possibil<strong>it</strong>à di puntare ogni punto del cielo (cosa imped<strong>it</strong>a da quella a forcella per via del<br />
sostegno dei fotometri); guida manuale con CCD e lamina sem<strong>it</strong>rasparente per un secondo fuoco<br />
laterale; focheggiamento del sistema ottico tram<strong>it</strong>e lente di campo; oscuramento del sistema; uso del<br />
sistema chopper e lock-in. Si evidenziano comunque i lati deboli del sistema, come possibili punti<br />
di partenza per un eventuale upgrade oltre le possibil<strong>it</strong>à presenti.<br />
4.3.1 Telecopio<br />
Il lim<strong>it</strong>e maggiore che esso presenta è il piccolo diametro dello specchio (20 cm). Questo genera due<br />
tipi di problemi: da un lato ovviamente vi è la piccola area di raccolta luce; dall’altro c’è il fatto che<br />
pur con un rapporto focale molto lungo (f/10 quindi scarsa luminos<strong>it</strong>à) il campo inquadrato è ancora<br />
così grande che al segnale concorrono anche le stelle di campo, oltre ad un’imponente area di fondo<br />
cielo; per tale ragione sarà utile inserire opportuni diaframmi lungo il cammino ottico. Sarebbe<br />
perciò opportuno avere un telescopio con una focale più lunga, per ridurre il campo, ma al<br />
contempo con diametro maggiore, per non penalizzare la luminos<strong>it</strong>à. Inoltre l’aumento del diametro<br />
risulta vincente per abbattere il rumore di scintillazione. Le immagini di segu<strong>it</strong>o rappresentano il<br />
campo inquadrato con la focale di 2000 mm e l’andamento del rumore di scintillazione con il<br />
diametro.<br />
51
Fig. 42 Campo inquadrato dai fotometri su gamma Equ<br />
errore rms<br />
0,10<br />
0,05<br />
0,00<br />
0 80 160<br />
diametro telescopio (cm)<br />
Fig. 43 Abbattimento della scintillazione all'aumentare del diametro del<br />
telescopio<br />
52<br />
z=0<br />
z=15<br />
z=30<br />
z=45<br />
z=60<br />
z=75
4.3.2 L'autoguida<br />
Il sistema di guida di cui ci siamo serv<strong>it</strong>i è manuale assist<strong>it</strong>o da CCD: la camera fornisce<br />
l’immagine di riferimento, quindi l’eventuale correzione è effettuata manualmente. Questa<br />
procedura, sebbene se ne sia studiata e verificata l’efficienza, ha come grossa lim<strong>it</strong>azione<br />
l’impossibil<strong>it</strong>à di un controllo efficace sulle correzioni, poiché l’ent<strong>it</strong>à dello spostamento dipende<br />
dalla durata della pressione sul tasto di movimento, si tratta quindi di un fattore fisiologico non<br />
controllabile. Una ulteriore lim<strong>it</strong>azione è data dal fatto che è necessaria la presenza di un operatore<br />
che effettui la guida. In alternativa è possibile costruire un sistema di autoguida completamente<br />
computerizzata, attraverso un circu<strong>it</strong>o che interfaccia CCD e computer e comanda i motori del<br />
telescopio. Lo schema di funzionamento è quindi: la CCD scarica l’immagine, poi il programma<br />
legge la posizione della stella di guida e comanda uno spostamento di x” nell’asse corrispondente<br />
allo spostamento. Di segu<strong>it</strong>o mostriamo il circu<strong>it</strong>o da costruire.<br />
4.3.3 Fotometri<br />
Fig. 44 Schema dell'interfaccia di autoguida<br />
I rivelatori in uso sono fotometri commerciali, non espressamente costru<strong>it</strong>i o ottimizzati per<br />
astronomia; tra i difetti che hanno maggiormente inciso si nota:<br />
I. L’assenza di un sistema di raffreddamento che abbatta il noise termico; le specifiche<br />
suggeriscono inoltre di non lavorare sotto i 5°C per ev<strong>it</strong>are il possibile scollamento della finestra<br />
ottica, lim<strong>it</strong>ando così le possibil<strong>it</strong>à di un funzionamento in montagna o comunque sotto cieli<br />
migliori.<br />
II. Offset di lettura notevole (circa 1 mV) quindi paragonabile al segnale da rivelare.<br />
III. Sensibil<strong>it</strong>à non adeguata alle richieste dell’esperimento: sarebbero stati probabilmente più utili<br />
dei photocountig head, lavorando con segnali più piccoli.<br />
IV. L’alto costo di un sistema di connessione tram<strong>it</strong>e fibra ottica, che avrebbe completamente<br />
eliminato il problema delle luci , massimizzando nel contempo la frazione di luce che arriva<br />
sull’area sensibile. Questa connessione avrebbe inoltre permesso di posizionare i fotometri in<br />
53
qualunque posizione, senza l’ausilio di strutture metalliche aggiuntive, che appesantiscono e<br />
rendono meno stabile il sistema.<br />
4.3.4 Scheda di acquisizione<br />
Il modello Ni-Daq in dotazione ha caratteristiche (bipolare a 12 b<strong>it</strong>s) appena sufficienti per operare<br />
su segnali deboli come quello da noi esaminato (le variazioni cercate sono dell’ordine della<br />
risoluzione).<br />
Per una scheda bipolare a 12 b<strong>it</strong>s il numero di livelli di quantizzazione (cioè i valori permessi per il<br />
segnale) sono 2 12 (1/2) = 2048 ; dal loro inverso si ottiene la risoluzione (cioè la distanza tra due<br />
livelli adiacenti) che risulta essere 1/2048 = 0,488*10 -3 .<br />
Così al fondo scala massimo (50 mv) la risoluzione corrispondente è R = 24,5 μV (cioè lo 0,024%<br />
del fondo scala), che va confrontata con le ampiezze delle variazioni ~40 V all’usc<strong>it</strong>a dei canali<br />
red-blu dei trasduttori (i fotometri).<br />
In effetti una scheda con un numero di b<strong>it</strong>s superiori (per esempio con 16 b<strong>it</strong>s si otterrebbe una<br />
risoluzione di circa 30*10 -6 ben più adeguata) permetterebbe di apprezzare segnali (e variazioni) di<br />
ampiezza minore introducendo un minore rumore negli stadi di amplificazione e nella successiva<br />
fase di dig<strong>it</strong>alizzazione e migliorando quindi la stabil<strong>it</strong>à del sistema.<br />
4.3.5 Amplificatore logar<strong>it</strong>mico<br />
Uno dei lim<strong>it</strong>i maggiori della fotometria da terra è l’effetto dell’atmosfera terrestre. Questa<br />
introduce fluttuazioni nel segnale causate dalla scintillazione e dalla lenta variazione della<br />
trasparenza atmosferica.<br />
La misura in esame, attraverso l’algor<strong>it</strong>mo differenziale e la misura in due bande, si propone<br />
appunto di lim<strong>it</strong>are l’incidenza dell’atmosfera sulle misure; una delle lim<strong>it</strong>azioni risiede però nel<br />
fatto che l’algor<strong>it</strong>mo differenziale è applicato successivamente all’acquisizione. Uno strumento che<br />
permette questa operazione in contemporanea è l’amplificatore logar<strong>it</strong>mico.<br />
Questo dispos<strong>it</strong>ivo elettronico sfrutta il principio che la differenza di due logar<strong>it</strong>mi è il logar<strong>it</strong>mo del<br />
rapporto degli argomenti. Si consideri il seguente diagramma a blocchi.<br />
L’elaborazione che introduce è perciò:<br />
logR−B−logRB=log R−B/ RB<br />
rest<strong>it</strong>uendo perciò il valore istantaneo della differenza normalizzata. La sottrazione, che attraverso il<br />
logar<strong>it</strong>mo si traduce nella normalizzazione) può essere fatta con un lock-in in misura differenziale,<br />
se i segnali sono modulati.<br />
Fig. 45 Schema di funzionamento dell'amplificatore logar<strong>it</strong>mico<br />
La funzione logar<strong>it</strong>mo permette poi di schiacciare le grosse fluttuazioni di segnale amplificando<br />
invece quelle più piccole, in tal modo contribuendo a migliorare il rapporto S/N.<br />
54
4.3.6 S<strong>it</strong>o osservativo<br />
Le osservazioni sono state effettuate dal Dipartimento di Fisica, quindi in condizioni estreme perché<br />
completamente immersi dalle luci della c<strong>it</strong>tà. I problemi che ne derivano sono: la forte presenza di<br />
luci che arrivano sul piano focale sia attraverso il telescopio che lateralmente; la grande luminos<strong>it</strong>à<br />
di fondo cielo, che fornisce un segnale dell’ordine del 20÷50% delle stelle utilizzate per la<br />
calibrazione.<br />
4.3.7 Rete network<br />
La risoluzione di una misura di frequenza è proporzionale al tempo di osservazione; pertanto il run<br />
ideale dovrebbe protrarsi per il maggior tempo possibile. Questo non è compatibile con i cicli<br />
giorno-notte, con le variazioni meteo e eventualmente con la disponibil<strong>it</strong>à dello strumento (tanto più<br />
se grande). Per tale motivo è interessante la proposta di reti network, con osservatori posti a<br />
long<strong>it</strong>udini diverse. Utilizzando reti di questo tipo, c’è sempre un osservatorio in funzione in una<br />
local<strong>it</strong>à in cui è notte. I grafici sottostanti rappresentano la FFT di un segnale sinusoidale<br />
campionato per 3 o 8 cicli. Aumentando la durata del campionamento la risoluzione diventa<br />
maggiore, così come la FWHM del picco diventa più piccola, permettendo così di risolvere la<br />
singola frequenza anche all’interno di un inviluppo, come nel caso delle pulsazioni solari (vedi<br />
simulazione). Un ulteriore effetto benefico è l’abbattimento del picco “fantasma” sull’origine,<br />
originato dall’offset del segnale; questo effetto viene tanto più ridotto quanto più lungo è il periodo<br />
di osservazione.<br />
Angle(deg)<br />
Ampl<strong>it</strong>ude<br />
-900 -810<br />
-720 -630<br />
-540<br />
-450 -360<br />
-270 -180<br />
-90 0<br />
Frequency (Hz)<br />
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5<br />
180 270<br />
90<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0,0<br />
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5<br />
Fig. 46 Spettro di un segnale sinusoidale affetto da rumore campionato per 5<br />
cicli<br />
55<br />
Frequency (Hz)
5. SCHEDE TECNICHE DELLA STRUMENTAZIONE<br />
5.1 Telescopio<br />
È a schema Schmidt-Cassegrain MEADE con primario parabolico e secondario iperbolico. Il<br />
rapporto focale è f/10 con diametro dello specchio primario 200 mm e focale 2000 mm:questa<br />
configurazione ottica fornisce bassa luminos<strong>it</strong>à e alti ingrandimenti, cosa che può risultare<br />
svantaggiosa nelle operazioni di puntamento a causa del piccolo campo inquadrato.<br />
E’ stato usato un cercatore 5x80 mm. Inoltre è stato usato un paraluce di fronte alla lastra correttrice<br />
per ev<strong>it</strong>are ingressi di luce SPURIA (avendo cura di oscurare tutte le possibili fonti di rumore).<br />
5.2 Montatura<br />
Angle(deg)<br />
Ampl<strong>it</strong>ude<br />
-810 -720 -630 -540 -450 -360 -270 -180 -90 Frequency (Hz)<br />
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5<br />
180 270 360 450 540 630<br />
90<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0,0<br />
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5<br />
Fig. 47 Spettro di un segnale sinusoidale affetto da rumore campionato per 10<br />
cicli<br />
E’ un modello LOSMANDY G-11 equatoriale alla tedesca con un carico massimo di circa 23 kg. La<br />
56<br />
Frequency (Hz)<br />
Fig. 48 Schema ottico Schmidt-Cassegrain
presenza del cannocchiale polare permette un puntamento della Polare con grande precisione<br />
garantendo un inseguimento abbastanza preciso. Il driver di guida permette operazioni come la<br />
correzione per il ciclo di isteresi del motore, e la correzione di errore periodico della v<strong>it</strong>e senza fine.<br />
5.3 CCD<br />
Fig. 49 Testa equatoriale Losmandy G-11<br />
La camera CCD Starlight-XPress è usata ha le seguenti caratteristice tecniche:<br />
Dimensione pixel: 6x9 μm che permette di avere una risoluzione di 0,5 secondi d’arco.<br />
Numero pixel: 500x580.<br />
Settaggio di lavoro binning: 2x1, cioè accorpa due pixel adiacenti a formarne uno singolo, di<br />
dimensioni 12x9 μm, in totale i pixel sono 500x290.<br />
Efficienza quantica: 50% a 590 nm<br />
Dig<strong>it</strong>alizzazione: 12 b<strong>it</strong><br />
Full well capac<strong>it</strong>y (numero massimo di cariche accumulabili): 70.000 e - .<br />
Rumore termico: < 0,1 elettroni/s per pixel.<br />
Raffreddamento: –30 o con cella Peltier.<br />
57
Fig. 50 Risposta spettrale della CCD sui filtri colore (RGB)<br />
5.4 Fotometri<br />
I fotometri (Hamamatsu H5784) sono caratterizzati da una finestra spettrale 200-600 nm e 300-850<br />
nm (rispettivamente il blu e il rosso); hanno il picco di sensibil<strong>it</strong>à intorno alle lunghezze d’onda<br />
rispettivamente 420 nm e 630 nm; il guadagno è regolabile via scheda con opportuna tensione da<br />
100 a 1 milione circa; la temperatura di funzionamento va da 5 o a 50°; la tensione di alimentazione<br />
può variare tra ± 11.5 e ± 15.5 V; la tensione di Offset è di circa ±3 mV. (Il problema di andare<br />
sotto la temperatura di 5°C è quello di un possibile danneggiamento fisico del fotometro, in quanto<br />
come comunicato dalla casa produttrice hamamatsu, si potrebbe staccare la finestra ottica del<br />
fotometro).<br />
Fig. 52 Specifiche tecniche dei fotometri: risposta spettrale e guadagno<br />
58<br />
Fig. 51 Piano focale del telescopio: CCD di guida
5.5 Chopper ottico<br />
Output Voltage: 15V DC Maximum<br />
Stabil<strong>it</strong>y: ±0.01%/°C<br />
Frequency Control: Internal→ Manual Control via 10 turn potentiometer f<strong>it</strong>ted w<strong>it</strong>h a turns counting<br />
dial. External→ BNC connector for 0 to 15 V.<br />
Frequency Stabil<strong>it</strong>y: Short term→ see phase j<strong>it</strong>ter. Long term→ ±0.1% of maximum frequency<br />
Reference output: 5 V HCT TTL signal via BNC socket.<br />
Power Requirement: 100-130 V or 200-260 V AC, 50 or 60 Hz, 12 V/A.<br />
Range delle frequenze: da 5 a 5 kHz (con il disco a 5 fori fino a 500 Hz)<br />
Fig. 54 Chopper a 5 lame<br />
5.6 Lock-in<br />
Modello: SR850.<br />
Il segnale d’ingresso può essere differenziale o “single-ended”.<br />
Sensibil<strong>it</strong>à: nel range 2 nV -1 V.<br />
Corrente d’ingresso: circa 10 6 V/A.<br />
Il canale di riferimento per la frequenza e la fase ha un range di frequenza tra 0.001 Hz e 102.4 kHz<br />
con un ingresso TTL o sinusoidale(400 mV pp min).<br />
Input impedance: 1 MΩ, 25 pF.<br />
Risoluzione della fase: 0.001°.<br />
Tempo di acquisizione: (2 cicli + 5 ms) o 40 ms.<br />
La costante di tempo del demodulatore varia tra 10 µs a 30 ks.<br />
Oscillatore interno:<br />
Range 1 mHz ÷ 102.4 kHz.<br />
Risoluzione 0.01% o 0.1 mHz.<br />
Ampiezza 0.004 ÷ 5 Vrms fino a 10 kΩ (con 2 mV di risoluzione).<br />
5.7 Divisore di fascio<br />
Fig. 53 Strumenti di piano focale: calc<strong>it</strong>e, chopper, fotometri<br />
Il nostro divisore di fascio è composto da un cristallo di calc<strong>it</strong>e, un r<strong>it</strong>ardatore, un polarizzatore e<br />
una lente di campo. È preceduto da una lamina semiriflettente, che devia una frazione della luce in<br />
ingresso verso un secondo fuoco, utilizzato per il puntamento e la guida.<br />
• La lente di campo ha una focale di 4 cm ed è inser<strong>it</strong>a al fuoco del telescopio per avere dei fasci<br />
paralleli;<br />
• La calc<strong>it</strong>e è un cristallo monoassiale, anisotropo, che mostra birifrangenza; essenzialmente tre<br />
59
caratteristiche definiscono la qual<strong>it</strong>à di un elemento di calc<strong>it</strong>e: il colore (le impurezze chimiche<br />
possono infatti assorbire i fotoni nel range visibile conferendo un particolare colore; per<br />
applicazioni nel visibile è quindi essenziale utilizzare della calc<strong>it</strong>e “bianca”), la diffusione (sono<br />
dovute alle imperfezioni del reticolo cristallino, che sono importanti sol<strong>it</strong>amente in presenza di<br />
luce altamente coerente, tipo laser) e la distorsione operata sul fronte d’onda (ovvero fluttuazioni<br />
nell’indice di rifrazione dovute ad imperfezioni del reticolo).<br />
La calc<strong>it</strong>e mostra un ampio range di trasmissione ottica con un coefficiente di assorbimento per<br />
entrambi i raggi ordinario e straordinario minore di 0.1 da 260 a 1700 nm.<br />
Per il sistema ottico assemblato la finestra di trasmissione è visualizzata nel grafico in basso.<br />
trasm<strong>it</strong>tanza<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0,0<br />
200 300 400 500 600 700 800 900 1000<br />
Fig. 55 Curva di risposta dei filtri<br />
TRASMITTANZA<br />
FILTRO ROSSO<br />
lambda (nm)<br />
SU FOTOMETRO ROSSO 0,119 0,089<br />
SU FOTOMETRO BLU 0,122 0,083<br />
60<br />
Curva di risposta dei filtri<br />
TRASMITTANZA<br />
FILTRO BLU<br />
TRASMITTANZA<br />
LAMINA<br />
0,875
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