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Spettroscopia (lista principale)

Spettroscopia - Cos'è la risposta dello strumento?

Questa pagina è legata ad un progetto amatoriale di spettroscopia. Qui spieghiamo una parte del processo di elaborazione effettuata sui nostri spettri

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Pagina di presentazione del progetto

In questa pagina ci riferiamo al procediemento che abbiamo adottato. Le riprese sono state fatte con una camera planetaria QHY5L-II mono e reticolo di diffrazione StarAnalyser100 su un telescopio Meade ACF 8″ (203 mm) - un set-up non professionale. Il software usato è stato scritto da uno degli autori (Marco), ma lo stesso procedimento si può eseguire usando software disponibili sul web (sia gratuiti che a pagamento), come VisualSpec, RSpec.... che permettono di eseguire tutta la procedura necessaria.

Pubblicato: 19 marzo 2016

Un passaggio importantissimo nell'elaborazione dello spettro è la correzione per la risposta dello strumento (instrument response).

Vediamo qui lo spettro di Sirio, una stella di classe A1V, come appare una volta trasformato in un profilo monodimensionale e calibrato l'asse delle lunghezze d'onda:

L'andamento di questo spettro riflette in realtà la sensibilità del sensore dalla camera. Infatti abbiamo il massimo dell'intensità nel verde, ma questo non corrispondere a dove effettivamente la stella emette maggiormente. Otteniamo questo stesso profilo per una qualunque stella, da una gigante blu a una rossa come Betelgeuse - hanno tutte lo stesso andamento, piccato sul verde. Il sensore della camera - che è una camera per riprese astronomiche planetarie - è intrinsecamente debole nell'ultravioletto (non avrebbe motivo di raccogliere luce nell'UV) e più sensibile nel centro dello spettro visibile e piuttosto sensibile per un buon tratto di infrarosso.

Dobbiamo quindi sistemare il nostro spettro tenendo conto di questo fatto, quantificandolo in quelche modo per applicare una correzione. Questo procedimento è infine un'operazione matematica che si fa sullo spettro, in particolare è una divisione del nostro spettro per la curva della risposta, curva che adesso vediamo come costruire. A livello di software è una divisione tra due array di valori numerici (noi qui intendiamo intensità relativa tra 0 e 1).

Per costruire la risposta dello strumento prendiamo il nostro spettro di Sirio e lo "ammorbidiamo" per eliminare le linee di assorbimento - che sono una caratteristica di questa stella specifica - e renderlo uno spettro continuo. Questa operazione si può fare tranquillamente con il programma di elaborazioe dedicato alla spettroscopia che si sta usando.

Si prende poi lo spettro di una stella della stessa classe spettrale da una library di spettri professionali - o semplicemente uno spettro già corretto che sappiamo essere affidabile - con un range di lunghezze d'onda compatibile con quello della nostra ripresa. Noi abbiamo usato principalmente gli spettri del catalogo Pickles perchè sono più semplici da "lisciare" rispetto, ad esempio, a quelli ad altissima risoluzionde dell'ESO, che appaiono fortmente frastagliati, e soprattutto perchè comprono completamente il range che ci serviva.

Ad esempio, per la ripresa di Betelgeuse, che ha una grande parte nell'infrarosso, non avremmo potuto usare alcuni cataloghi. Si svolge su questo la stessa operazione.

Spettro del catalogo Pickles di una stella A0-3V (Sirio è una A1V)

La risposta dello strumento si trova dividendo le due curve ottenute - il nostro spettro diviso per quello di riferimento:

La ragione per cui la curva che otteniamo si comporta in modo così strano agli estremi dovrebbe trovarsi nel fatto che ai bordi dello spettro visibile (immediatamente nell'ultravioletto e dopo una parte di infrarosso) il segnale della nostra camera va man mano diminuendo e perdendo di precisione - queste estremità non sono molto affidabili, abbiamo poca informazione.

In teoria questa curva dovrebbe andare bene non solo per sistemare Sirio, ma anche tutte le altre riprese della nottata (se effettuate con lo stesso set-up), anche se l'umidità o altri parametri atmosferici posso cambiare nel corso delle ore. In teoria dovrebbe andare bene proprio una volta per tutte, anche per le notti successive (sempre mantendo la stessa strumentazione, ad esempio non aggiungendo filtri).

L'operazione finale è una seconda divisione matematica, dello spettro di Sirio per la curva risposta dello strumento. Abbiamo quindi il profilo corretto, dove il picco si è spostato verso sinistra:

Da notare come le linee spettrali non si siano spostate - ciò che è cambiata è solo l'intensità, l'andamento in verticale della curva.

Qui sono sovrapposti lo spettro di Sirio e la curva di corpo nero generata per un corpo a T = 9.940 K.

La caduta drastica all'estremo sinistro dovrebbe essere causata dal fenomeno del "Balmer jump" ed è quindi un effetto reale (la curva di corpo nero è, dopotutto, una curva matematica, ideale, plottata inserendo la temperatura come unico parametro) causato dall'assorbimento degli atomi dell'atmosfera stellare.

È visibile anche in questa figura, in cui gli spettri di stelle di diverse classi spettrali sono rappresentati su un grandissimo range di lunghezze d'onda e - attenzione!- l'asse è in scala logaritmica:

Illustrazione presa da D. Maoz, "Astrophysics in a Nutshell".

Ora il nostro spettro è confrontabile con, ad esempio, quello di Pickles:

Il lavoro finale su Sirio: qui la pagina della stella (N.B. Questa ripresa di Sirio è stata però effettuata in un altra nottata -precedente- rispetto a quella usata per questo articolo, e sarà prossimamente integrata con la nuova)

È importante notare che avendo potuto costruire la risposta per una stella semplice come Sirio (serie di Balmer immediatamente identificabile e usabile per una calibrazione precisa, andamento del profilo per il resto molto pulito), si può poi usare questa risposta per correggere altre stelle meno facili: più atipiche, meno conosciute, molto deboli, o per cui non si ha lo spettro di riferiemento (ad esempio, non avremmo saputo come correggere la Wolf-Rayet WR 136 se non avessimo ripreso altre stelle quella notte oltre a lei) -, così da poter ottenere anche in questi casi un profilo con un maggiore significato fisico.

Credit: Alessia Rabaioli - Marco Gulino
alexstargazing.net