Dall’osservazione al risultato scientifico Amata Mercurio – parte 2 INAF - OAC Non è sufficiente osservare per avere un’immagine scientificamente utile di una sorgente. • Si deve correggere per il contributo strumentale e sottrarre il segnale del cielo Pre-riduzione Calibrazione in l • Si devono trasformare i pixels in unità fisiche Astrometria Contributo strumentale Bias Per un pixel non esposto alla luce, il valore di zero può risultare traslato di una quantità positiva non nulla. Questo offset è proprio quello che noi indichiamo come “livello zero” dell’immagine o bias. Per valutare questo livello di zero e le sue fluttuazioni, noi usiamo le immagini di calibrazione che chiamiamo di bias e che consistono in immagini con esposizioni di 0 sec, acquisite ad otturatore chiuso. Flat Field All’interno di un CCD non tutti i pixel hanno lo stesso guadagno o la stessa efficienza quantica. Di conseguenza, essi rispondono in modo diverso all’illuminazione. Questa variazione di risposta pixel-a-pixel può essere corretta usando le immagini di flat-field, che devono avere, come caratteristica principale un’illuminazione uniforme del rivelatore. Corrente oscura (dark current) Flusso di corrente non nullo anche quando nessuna radiazione incide sul rivelatore. Ciò è dovuto ad impatti casuali di elettroni sul rivelatore causati dall’energia termica. La corrente oscura è funzione del tempo di esposizione e della temperatura del rivelatore. Il suo effetto è additivo. Pre-riduzione (1): Immagini di Bias Immagini di Bias: esposizioni con zero secondi di posa, servono a determinare il rumore dovuto alla lettura del CCD anche in assenza di segnale Bias= biasi/Nbias Superficie dipixel una porzione Valore Valore Istogramma deidei pixel dell’immagine nella nella colonna riga20x20 720 725 Pre-riduzione (2): Immagini di Flat Field Flat Field: immagini ottenute illuminando uniformemente il CCD (o in cupola con uno schermo o in cielo al tramonto e all’alba). Serve a correggere le disuniformità su piccola scala dovute Superficie una a piccole Valore Valore dei differenze pixel deidipixel nella traporzione nella icolonna pixelriga e20x20 564 quelle 644 a grande scala dovute alle ottiche del Istogramma dell’immagine telescopio. Flat normalizzato= Flati/Nflat/<Flat> Pre-riduzione (3) Immagini di Dark: immagini ottenute ad otturatore chiuso di durata uguale a quella delle esposizioni scientifiche. Servono a misurare il rumore dovuto all’eccitazione termica degli elettroni. Attualmente questo rumore è quasi sempre trascurabile essendo i CCD raffreddati alla temperatura dell’azoto liquido. Possono essere molto importanti nel caso di CCD amatoriali In definitiva immagine preridotta=(immagine grezza -Bias -Dark)/Flat normalizzato) Imaging Pre-riduzione Astrometria Galassie interagenti B Galassie interagenti R Formazione stellare B Formazione stellare R Galassia ellittica B Galassia ellittica R Spettroscopia Pre-riduzione Spettro reale bidimensionale della galassia prima…. …e dopo la sottrazione delle righe del cielo. Spettro reale unidimensionale della galassia e del cielo Spettroscopia Calibrazione in l Spettro simulato bidimensionale della galassia Struttura del rumore Conclusione scientifica Premio Einstein Rivelatore Galassia Spettro osservato con l’emissione del cielo Lunghezza d’onda Spettro osservato senza l’emissione del cielo Galassia Residui sottrazione cielo Lunghezza d’onda Raggio cosmico …ma in origine lo spettro osservato è: Galassia Righe del cielo Pixel Raggio cosmico Riduzione degli spettri Effetti strumentali • Sottrazione del bias • Divisione per il flat field Fasi successive alla riduzione • Calibrazione in lunghezza d’onda Fasi successive alla riduzione • Sottrazione del contributo del cielo Righe del cielo Fasi successive alla riduzione • Sottrazione del contributo del cielo Fasi successive alla riduzione • Sottrazione del contributo del cielo • Somma delle immagini ed eliminazione dei raggi cosmici Fasi successive alla riduzione • Media delle righe centrali Redshift: Effetto Doppler Se un galassia si sta muovendo con velocità v, una riga spettrale emessa a lunghezza d’onda λ verrà osservata a λoss. Avrà, quindi uno shift D λ =(λoss – λ ) In termini di velocità v = c D λ / λ Se v << c v/c ~ z Attenzione, già per V=3000km/s la formula approssimata causa un errore di 15km/s Redshift: Effetto Doppler Se un galassia si sta muovendo con velocità v, una riga spettrale emessa a lunghezza d’onda λ verrà osservata a λoss. Avrà, quindi uno shift D λ =(λoss – λ ) In termini di velocità v = c D λ / λ Se v << c v/c ~ z v/c ~ ((z +1)2 -1)/((z+1)2 +1) Redshift: Come si misura Correlazione Redshift: Come si misura Redshift: Come si misura Redshift: correzione Lo spettro osservato della galassia è la somma degli spettri delle singole stelle che contribuiscono lungo la linea di vista 2 Moto delle stelle Vr vr 2 n(vr ) exp 2 2 r Distribuzione gaussiana Spettro di una stella Si(x) S1(x - ũi) x = ln λ + S2(x - ũi) + otteniamo S3(x - ũi) + ..... G (x) Spettro osservato di una stella con velocità vi=c · zi Si(x - ũi) ũi = ln (1+zi) SN(x - ũi) Spettro di una galassia G (x) = Σi=1N Si(x - ũi) N→∞ G (x) = ∫B(ũ) S(x - ũ) d ũ B(x) ⊗ S(x) B(x) (broadening function) rappresenta la distribuzione di velocità delle stelle lungo la linea di vista: B(x) ∝ exp ( - x2 / 2σ2) σ = dispersione di velocità Considerando una galassia costituita da stelle identiche con spettro S(x) G (x) = B(x) ⊗ S(x) Lo spettro intrinseco della galassia è dato dalla convoluzione dello spettro della stella per una funzione di allargamento, che descrive la distribuzione di velocità delle stelle lungo la linea di vista Spettro osservato della galassia Gobs (x) = B(x) ⊗ S(x) ⊗ P(x) P(x) = funzione di risposta strumentale Se stella e galassia sono osservate con lo stesso strumento: Gobs (x) = B(x) ⊗ Sobs(x) Le galassie ellittiche presentano caratteristiche spettrali tipiche degli spettri delle giganti di tipo G e K. Proprio per questa somiglianza, si può supporre che lo spettro di una galassia possa essere rappresentato tutto da stelle dello stesso tipo. Ma va sempre considerato che, allo spettro di assorbimento di una galassia contribuiscono stelle di diversi tipi spettrali. L’ipotesi dell’esistenza di un’unica stella tipica comporta dei problemi indicati con il termine di template mismatching. Per ridurre i problemi template mismatching si può usare, come campione, una combinazione di spettri di stelle di tipo G e K: template T(x). G(x) = B(x) ⊗ T(x) In linea di principio si potrebbe determinare la broadening function (BF), calcolando l’antitrasformata del rapporto delle trasformate di B(x) e T(x) In pratica, ciò non è possibile a causa della presenza del rumore. Metodi per la misura della dispersione di velocità Metodi indiretti (Simkin 1974, A&A, 31, 129) Rumore Fourier Quotient …passando alla trasformata di Fourier Metodi per la misura della dispersione di velocità Dal rapporto si ottiene: Rumore Il termine di rumore per la BF diventa molto importante quando la trasformata di Fourier di T(x) si avvicina a zero… Metodi per la misura della dispersione di velocità …è, quindi, necessario far tendere a zero anche il numeratore, utilizzando spettri ad alto rapporto segnale-rumore e applicando un filtro ottimale (filtro di Wiener) per ricostruire il segnale incontaminato. Metodi per la misura della dispersione di velocità Con questo metodo, la dispersione di velocità può essere ricavata direttamente dalla funzione di allargamento senza fare alcuna ipotesi sulla forma di B(x). In questo modo è possibile valutare eventuali asimmetrie della BF, perché la parte immaginaria della trasformata di Fourier di una funzione asimmetrica è diversa da zero. Queste asimmetrie sono identificabili cercando la presenza di componenti immaginarie diverse da zero a bassi numeri d’onda nella trasformata di fourier di B(x). Limitazioni dei metodi indiretti • Il problema del campionamento Teorema del campionamento (Shannon, 1949) Se la trasformata di Fourier ỹ(x) di un segnale y(x) è uguale a zero per frequenze superiori ad un fissato valore ωNy, che prende il nome di frequenza di Nyquist, y(x) può essere univocamente determinata dai suoi valori yn=y(n/NωNy), con n=-N/2,….,N/2. La frequenza di Nyquist o frequenza critica per un segnale discreto con intervallo di campionamento Δx è ωNy=1/(2 Δx ). Limitazioni dei metodi indiretti • Il problema del campionamento sottocampionamento Aliasing sovracampionamento Unaliasing discontinuità Aliasing Limitazioni dei metodi indiretti • Ipotesi di periodicità discontinuità Aliasing presenza di zeri Unaliasing filtro Limitazioni dei metodi indiretti • Rumore Attenzione alla perdita di informazioni!!! Determinazione della massa di una galassia ….sostituendo nel teorema del viriale, si ottiene: - GM/<R> = <v>2 Le quantità fisiche presenti in questa espressione, possono essere legate alle quantità osservate: σ2 ∝ <v>2 r ∝ <R> Ottenendo, così, una stima della massa: M = - r σ2 /G Studio di galassie a redshifts diversi Galassie vicine r v Galassie lontane Problema dell’osservazione di template e galassia Stella Galassia Problema dell’osservazione di template e galassia Spettro unidimensionale del template Sottrazione del continuo Confronto diretto tra lo spettro template allargato e lo spettro unidimensionale della galassia Residui