Dokładność pomiarowa z wykorzystaniem filtrów fotometrycznych (+M97)

[LibMar]

Witam

 

Przyszedł kolejny dzień testów fotometrycznych. W ostatnią noc wycelowałem sprzęt w kierunku Mgławicy Sowa, która tak naprawdę stanowi produkt uboczny dzisiejszej pracy.

 

W ostatnim czasie z dużym zainteresowaniem zwróciłem uwagę na słabo widoczne cele wymagające obserwacji w różnych filtrach w celu wykrywania różnic. Takich projektów może być mnóstwo, jednak do tej pory nie posiadałem wystarczająco doświadczenia do jakich granic można dojść. I w sumie nadal nie mam, bo trzeba zrobić więcej konkretnych obserwacji  Słabo widoczny obiekt? Więc jazda bez filtra (albo CBB, który nieco eliminuje światło niebieskie, które obecnie dominuje z powodu białych nocy).

 

A białe noce, jak wiadomo, to czas testów niż brania się w coś konkretnego. Dzisiejsza noc sugerowała przyjście chmur jak zacznie się rozjaśniać i tak niestety było... a o tym już za moment.

 

Posiadam cztery filtry fotometryczne: BVRI (Johnsona). Wykonałem po ~80 ekspozycji na "maksymalnych parametrach" za pomocą filtrów VRI. Filtr B obecnie nie jest podłączony do koła filtrowego głównie z powodu ograniczonej ilości miejsca. Co więcej, obecnie korzystanie z niego nie ma zupełnie sensu. Filtr B zbiera bardzo mało światła, a przy białych nocach wręcz zabija cokolwiek, co chciałbym zarejestrować (pamiętam z kometą NEOWISE, kiedy mając jedyne filtry kolorowe jako fotometryczne, zdecydowałem się na złączenie kolorów w VRI zamiast BVR). Czym są te "maksymalne parametry"? To takie, którymi do tej pory udawało mi się uzyskać jak największy zasięg gwiazdowy (i na pojedynczych klatkach, cząstkowych stackach i na stackach z całości materiału): 30s ekspozycji, bin 2x2 i gain 300. Dłuższe czasy (do 60s) wymagają ciemnego nieba, ale powoli także guidingu... przy 30s przynajmniej mam pewność, że odrzutów nie mam żadnych i tło nie będzie zbyt jasne (a to jest obecnie największym ograniczeniem).

 

Pierwszy test, to wyznaczenie poziomu "piramidy" histogramu określającego tło. Słońce było akurat idealnie na -10 stopniach, a wyniki były następujące:

• I-band: 4-8%
• R-band: 13-20%
• V-band: 33-45%
• unfiltered: 112-146% (wartości wymnożone x2, gdyż wykorzystałem połowę czasu naświetlania dające 56-73%)

W obserwacjach tranzytów egzoplanet podczas dłuższych nocy staram się, aby poziom tła nie przekraczał 10% (rozpiętość 7-13%). Używam jednak wtedy znacznie krótszego czasu i mniejszego gainu, także bez binningu software'owego. Jeśli mam utrzymać 30s zamiast 60s (co nadal czeka na test), to fotometrię w I-band można rozpoczynać już przy wysokości Słońca pod horyzontem zaledwie -9 stopni. R-band wymaga -11, V-band już -13 (a dołowanie nawet nie sięga tego poziomu). Ale jak wiemy, to tymczasowa trudność i w sierpniu będzie można zacząć robić ambitniejsze projekty

 

Wykonałem 79-80 nieporuszonych klatek każdym z filtrów, zaczynając do I, potem R, potem V. Pierwsze dwie sesje wyszły świetnie. Z ostatnią już nie za bardzo - cirrusy powoli zaczęły nadchodzić. Pierwsze 20 klatek wyglądają świetnie, a na kolejnych M97 zaczyna blednąć... ale do pomiarów jeszcze "jako tako" się przyda. Gdybym miał dzisiaj pewną noc, powtórzyłbym. Ale wygląda na to, że znowu kilka dni pochmurnych nocy, więc warto było dzisiaj zaryzykować.

 

Stack I-band:

 

Stack R-band:

 

Stack V-band:

 

Wyraźnie najlepszy obraz mamy w przypadku R-band. Ostatni, czyli V-band, jest nieco jaśniejszy (cirrus oraz bardziej podatne na białe noce). Pierwszy I-band wygląda najgorzej. Jednak przy takiej jasności tła "tak ma być", a M97 praktycznie w ogóle ma nie świecić w IR (przypominając, I-band nie przepuszcza poniżej 700nm).

 

Warto zwrócić uwagę na gwiazdę centralną, która jest białym karłem. W V-band jest najjaśniejsza od całej trójki, a w I-band świeci światłem zbliżonym do słabszego sąsiada.

 

Szybkie złożenie trzech kolorów dało coś takiego. Już nie pamiętam jak się obrabia, bo z tłem i alignacją kanałów poległem (robione na szybko, bo na razie to nie główna działka) 

 

 

Filtry Johnsona powoli stanowią przeżytek. Zdecydowanie lepszymi filtrami są SLOANy, ponieważ spektrum poszczególnych filtrów nie nakłada się na siebie. Także wskaźniki g-r czy g-i są coraz częściej przedstawiane niż B-V. Niestety, SLOANy są dużo droższe, a za set 6 filtrów (od u' do y') przyjdzie zapłacić 700 euro wzwyż. Przy czym, dwa najbardziej skrajne filtry byłyby ekstremalnie rzadko używane (jasne obiekty do 8-10 mag), jednak przy cenie za filtr 150 euro (Baader) zaoszczędzimy zaledwie 100 euro. Jeszcze jedna uwaga - mówimy o wersji 1.25". Filtry 2" kosztują blisko dwa razy tyle.

 

40-minutowy materiał w I-band przy wysokości Słońca od -10 do -11 stopni pozwolił sięgnąć do 19.4 mag biorąc pod uwagę jasności w i-band (SLOAN), dane Pan-STARRS. Wybrana gwiazda porównawcza jest podobnie słabo widoczna na R-band, gdzie mamy zasięg ~20.5 mag. Filtr ten niestety dość sporo nakłada się na I-band, powiem wskaźnik r-i to 1.3 mag, a różnica zasięgu na klatkach do 1.1 mag. W V-band jej w ogóle nie widać - nic dziwnego, bo to dość mocno czerwonawy obiekt. Filtr V znajduje się pośrodku między g-band i r-band, więc będę sugerował się średnią. Wybierając inną gwiazdę ledwo widoczną, wyznaczyłem zasięg na 19.7 mag. Uważam, że przy takiej jakości materiału (mowa o cirrusach) tam powinno sięgnąć do 20 mag.

 

Oczywiście nie każdy projekt obserwacyjny pozwoli robić stacki po 40 minut. Jeśli chodzi o obserwacje planetoid (gdzie obecna jest rotacja), w ciągu pół godziny pomiar może mocno zejść w dół. Filtry fotometryczne są afokalne, jednak przy każdej zmianie pewną korektę musiałem wykonać... ale to może wynikać po prostu z temperatury i rozszerzalności przez całą sesję. To jeszcze będę patrzył, bo przy planetoidach najlepiej by było robić po 1-3 klatki na filtr, przechodzić na kolejny i po całej serii wrócić do pierwszego.

 

Kolejna sprawa - ostrość. W filtrach ostrość się zdecydowanie bardziej poprawia, a to najlepiej widziałem na I-band. Powyżej wygląda to średnio, a to z powodu zjechanej ostrości pod koniec sesji w I-band (w celach fotometrycznych jeszcze akceptowalna). Biorąc pod uwagę wszystkie ułatwienia (ciemniejsze tło i ostrość), przychodzi temat dokładności pomiarowej, co w zasadzie stanowi główny cel testu.

 

16.4 mag - 0.30 mag

15.8 mag - 0.22 mag

15.6 mag - 0.20 mag

15.3 mag - 0.10 mag

15.3 mag - 0.08 mag

14.6 mag - 0.055 mag

14.2 mag - 0.025 mag

13.7 mag - 0.020 mag

13.5 mag - 0.025 mag

13.5 mag - 0.020 mag

13.5 mag - 0.015 mag

13.1 mag - 0.011 mag

12.8 mag - 0.008 mag

 

Wnioski? W filtrze I-band naprawdę sporo się łapie. Pomiary wyraźnie mówią, że fotometria tranzytów na czerwonych karłach ma duży sens. Gliese 1214 b to egzoplaneta mniejsza od Neptuna, ale większa od Ziemi (ma 2.7 Rz). Mówi się, że to planeta oceaniczna typu superziemia, jednak przy takim promieniu (> 2 Rz) w zasadzie nie ma co mówić o skalistej planecie. Mimo to, nie jest to typowy gorący Jowisz. I w takim filtrze I, gwiazda ma 11.1 mag. W ETD widnieje V = 14.7 mag, co początkowo odstrasza trudnością. I właśnie test wykazał, że nawet gdyby gwiazda była o 2 mag słabsza, tranzyt nadal powinien spokojnie się zarejestrować

 

Wyniki są przeróżne dla gwiazd o podobnej jasności. Wynika to z:

• testowane były gwiazdy o różnych wskaźnikach barw, a po prostu w danym filtrze wypadała akurat taka jasność - te z wyższymi wskaźnikami dały nieco lepsze rezultaty
• za krótka obserwacja, ale 40 minut stanowiło "tyle akurat na styk starczy", bowiem wiele gwiazd musiałem odrzucić (11 pomiarów ze stacków świetnych i nagle na końcu znikąd dwa odrzuty); z pewnością nie planuję powtarzania takiego samego testu, a jedynie na 60s ekspozycjach

 

Co w takim razie z planetami TRAPPIST-1? Czy możliwe jest amatorskie zarejestrowanie tych światów? Niestety, są to bardzo krótkie tranzyty. Z drugiej strony, są tak krótkie, że nawet trend nie będzie stanowił większego kłopotu. Dodatkowo, można zastosować stackowanie krzywych z tranzytów po dokładniejszy wynik. A średnio w każdą jesienną noc wypada średnio 1 tranzyt, tylko nie zawsze fajnie w środku nocy. To jaką dokładność pomiarową można uzyskać? VizieR podaje bardzo różne wyniki. Według Simbad, w I-band to 14.0 mag. Ale są też wyniki 13.6 i 15.1 mag. Pomiar w 14.0 mag był zaznaczony, że wykonany był filtrem z systemu Johnsona, więc raczej będziemy przyjmować 14.0 mag. Spodziewany rozrzut pomiarowy to 0.03 mag przy pomiarach 3-minutowych, a podczas tranzytu wypadałoby ich 12-24. Małe szanse. Lekki spadek przy podwójnym tranzycie MOŻE by się zarejestrował z moim 8" teleskopem. A to dlatego, że tranzyty planet mają po 0.005-0.010 mag.

 

Do dalszej analizy trwają klatki z R-band i V-band. Ale myślę, że V-band będę musiał odpuścić. Już wielokrotnie obserwowałem tranzyty w R-band, ale nigdy nie robiłem fotometrii na słabych gwiazdach (tj. maksymalnych parametrach). Ale to już w oddzielnym poście, co ma na celu wyjaśnić długo zastanawiającą mnie kwestię: jaki jest minimalny wskaźnik barwy (R-I), przy którym lepiej jest obserwować w filtrze I zamiast R po większa dokładność pomiarową?

 

Pozdrawiam

[Tuvoc]

Bezcenna wiedza. Tylko zachęca do samodzielnego dokonywania pomiarów tranzytów i in.

[Behlur_Olderys]

I band górą

 

[LibMar]

Pora na wyniki R-band, tym razem od najjaśniejszych obiektów:

 

13.5 mag - 0.010 mag

13.5 mag - 0.012 mag

13.6 mag - 0.014 mag

13.6 mag - 0.016 mag

13.7 mag - 0.009 mag

13.8 mag - 0.014 mag

14.0 mag - 0.010 mag (czerwonawy obiekt)

14.1 mag - 0.025 mag

14.2 mag - 0.022 mag

14.9 mag - 0.025 mag

14.9 mag - 0.026 mag

14.9 mag - 0.030 mag

15.0 mag - 0.022 mag

15.3 mag - 0.05 mag (dwa duże odrzuty, mało miarodajny wynik)

15.4 mag - 0.035 mag

16.0 mag - 0.09 mag

16.6 mag - 0.15 mag

17.3 mag - 0.30 mag

17.5 mag - 0.20 mag (dość czerwonawy obiekt)

 

Tutaj także pojawia się tendencja, że im bardziej czerwonawy obiekt, tym lepszej dokładności pomiarowej możemy się spodziewać. Spektrum filtra R jest jednak dość szerokie, brakuje też dokładnych wyników robionych tym filtrem, więc one wszystkie są z grubsza... Stąd raz wychodzi lepszy i dużo gorszy rozrzut na gwiazdach o podobnym blasku.

 

Teraz odpowiedź na pytanie, gdzie znajduje się ta granica. Przy tranzycie egzoplanet interesuje nas dokładność krzywej, gdzie spadek byłby lepiej widoczny. Dajmy rozrzut 0.02 mag. W przypadku powyższych wyników w R-band, granica ta znajduje się w okolicach 14.0 mag. W przypadku I-band, było to gdzieś bliżej 13.5 mag. Zaledwie 0.5 mag różnicy, a biorąc pod uwagę tendencję z czerwonawymi obiektami, spodziewany rozrzut może być jeszcze mniejszy. To dajmy 0.025 mag. Bliżej 14.4 mag w R-band, natomiast w I-band... bliżej 13.9-14.0 mag? Mniej więcej 0.4-0.5 mag mamy też przy R-band.

 

A więc wniosek: jeśli dla danego w obiektu w R-band mamy daną dokładność pomiarową, to w I-band będzie ona jeszcze lepsza, jeśli gwiazda macierzysta w I-band jest przynajmniej o 0.5 mag jaśniejsza niż w R-band. Przykłady obiektów:

 

HD 209458 - typ spektralny G0, promień 1.20 Rs, R-I = 0.3

HD 189733 - typ spektralny K1-K2, promień 0.81 Rs, R-I = 0.4

NGTS-1 - typ spektralny M0, promień 0.57 Rs, R-I = 0.8

LHS 1140 - typ spektralny M4, promień 0.19 Rs, R-I = 1.7

TRAPPIST-1 - typ spektralny M7, promień 0.12 Rs, R-I = 2.4

 

Gwiazda nie może mieć przesadnie duży rozmiar, aby dało się zarejestrować tranzyt egzoplanety. W przypadku TRAPPIST-1 różnica jest kolosalna. W filtrze R ma 16.5 mag, a gwiazdy o 2 mag jaśniejsze (14.5 mag) mają taki sam rozrzut, co jakby zastosować filtr I. To przekłada się na kilka razy mniejszy rozrzut!

 

Czyli w skrócie - jeśli dysponujemy kamerą monochromatyczną CMOS i nasza optyka pozwala sięgnąć do 900nm (mowa o problematycznych achromatach przy dłuższych falach), to jeśli koniecznie mamy zamiar obserwować z wykorzystaniem filtra fotometrycznego, to I-band niemal we wszystkich przypadkach bije R-band na głowę. Mamy o wiele stabilniejsze gwiazdy i jesteśmy bardziej odporni na zaświetlenie miejskie (LEDy kończą swoje spektrum w momencie, jak dopiero filtr I się zaczyna!) jak i wieczornego/porannego nieba, przez co zawsze mamy bardzo ciemne tło. Korzystając z filtra I w stosunku do filtra R miałem wrażenie, że obserwowałem Rką z nieba, gdzie zasięg widoczności ma ~7 mag. Filtr V znajduje się dopiero na trzecim miejscu pod względem użyteczności - gwiazdy są nieco ciemniejsze i gorzej jest z tłem. Zasięg też wcale nie lepszy niż w filtrze R.

 

Skoro tak świetnie wychodzi z filtrem I, to co na to full spectrum?

Na samym początku zdecydowanie poleciłbym użyć filtr wycinający krótsze fale, jeśli interesuje nas detekcja czerwonawego obiektu. Sedna, czyli jeden z planowanych celów, znana jako jeden z najbardziej czerwonych obiektów w Układzie Słonecznym  

 

Na podstawie pracy naukowej autorstwa Scout S. Sheppard, jasność obiektu w poszczególnych filtrach to:

V = 21.10 mag

R = 20.59 mag 

I = 19.83 mag

W filtrze R sięgnęlibyśmy bardziej Sednę, niż gdybyśmy zastosowali filtr I. Czyli, jeśli nas interesuje nie fotometria dokładnościowa na jaśniejszych obiektach, tylko zarejestrowanie czegoś bardzo słabego z Układu Słonecznego... to filtrem I raczej tego nie zrobimy. To przywołam teraz obserwacje MGAB-V359, gdzie też pracowałem na maksymalnych parametrach.

 

Cytat

Obiekt o jasności 14.7 mag na 5-minutówkach osiąga dokładność pomiarową do +/- 0.009 mag. Na poziomie 15.3 mag wykazuje już do +/- 0.02 mag. Na obszarze Drogi Mlecznej może być jeszcze nawet nieco lepiej.

Tutaj z uprzedzeniem, mieliśmy do czynienia z 3-minutówkami (na 5-minutówkach mielibyśmy za mało pomiarów na rzetelną ocenę). Wyniki z filtrów fotometrycznych na 14.7 mag to rozrzuty R = +/-0.025 mag, I = +/- 0.05 mag; z kolei 15.3 mag dało R = +/- 0.09 mag, I = 0.22 mag. Do 5-minutówek te wyniki można zmniejszyć o 20%. Jest jednak przepaść, robiąc obserwacje tranzytów bez filtra po prostu zawsze będzie dokładniej. To w takim razie, czy ciemniejsze tło z filtrem fotometrycznym dużo nie pomoże? Na białe noce i przy zaświetleniu miejskim (tego drugiego na szczęście mam umiarkowanie dużo) sporo pozwoli . Właśnie dlatego stosuję filtr CBB. Odcina tylko trochę niebieskiego światła, gdzie i tak tranzyty są słabo widoczne. Ale to wciąż mały fragment wycinanego tła. I teraz jest coś, co koniecznie trzeba przetestować: filtr IR-pass. To jest jak wycięcie większej części światła wizualnego, niż robi to CBB. Pozostaje tylko to, co ma I-band (start jest mniej więcej zbliżony), ale łapie także dłuższe fale. Czerwonawe gwiazdy są tam jeszcze jaśniejsze, światło wieczorne/poranne najwyżej odrobinę podniesie jasność tła. Co więcej, satelita TESS ma spektrum podobne właśnie po zastosowaniu takiego filtra. Czy to ułatwi uchwycenie np. Sedny? Zwiększy zasięg gwiazdowy? Poprawi dokładność pomiarową bardziej niż filtr fotometryczny I na czerwonych obiektach? Jak uda mi się kupić, to przetestuję

 

Do filtra V już nie zaglądam. Widać już po uzyskanym zasięgu, że różnica między V i R jest bardziej kolosalna niż między R oraz I.

[Hans]

 

Masz wypracowany  sensowny algorytm przeliczania glebokosci tranzytu zarejestrowanego via konkretny filtr do pelnego spektrum vs kolor obiektu rejestrowanego? Wiesz, ze nie bedzie to 1:1. W teorii to bez wiekszego znaczenia dla najwazniejszej danej, momentu wejscia i wyjscia z tranzytu, ale zarejestrowana glebokosc zacmienia (a wlasciwie jej zmiany) niosa informacje. Bedziemy wprowadzac pot. zamieszanie do baz nie wiedzac jak to przeliczac. Z mojego doswiadczenia,  najczesciej proszona jest V-ka lub full clear (nawet bez ir-uv cuta), choc sustemy pozwalaja na deklaracje uzytego filtra. Pytanie czy tego typu dane (np. z I ) sa konwerowane jakims algorytmem dla normalizacji, czy tez... eh.. skalpowane z czesci parametrow (np dodania glebokosci tranzytu z takiej rejestracji do statystyk).

 

Bdw, gratulacje za glebokosc zejscia z rejestracja

 

 

 

Pozdrawiam.

[LibMar]

Jeszcze nie, na razie jedynie posiłkuję się "na oko" korzystając z przykładowych grafik:

 

 

Tę samą egzoplanetę (HAT-P-32 b) łapałem bez filtra i wynik wyszedł taki:

 

Głębokość na środku to 0.03 we fluxach i wynosi praktycznie w każdym przypadku tyle samo. A u mnie 0.025, co może spowodowane jest brakiem egressu (i lekko przechyliło). Ale w przypadku brzegowych tranzytów, na pewno spadki sa dużo trudniejsze do zarejestrowania. Przykładem jest WASP-93 b, gdzie ledwo sięga o tarczę gwiazdy - tutaj różny kształt krzywej w różnych filtrach fotometrycznych powinien być zauważalny 

[Grzędziel]

Jest oczywiste, że obserwując "normalne" gwiazdy zmienne  robimy to przez standardowe zestawy filtrów. Dzięki nim uzyskujemy różne kształty krzywych zmian blasku dla różnych pasm. Przy fotometrii planetoid podobnie -różne albedo dla różnych kolorów ich powierzchni też dzięki filtrom pozwala na zebranie ciekawych informacji.

Ale Gabriel, proszę wytłumacz mi w jakim celu filtrować sygnał przy obserwacji tranzytów?

Przecież spadek jasności nie zależy od tego w jakim paśmie obserwujemy, a od % zakrycia powierzchni gwiazdy przez planetę. Nie ma to też wpływu na wyznaczenie momentu zjawiska. Filtrując widmo tracimy masę sygnału, musimy stosować dłuższe czasy naświetlania, słowem tracimy dokładność pomiaru.

[LibMar]

8 minut temu, Grzędziel napisał:

Ale Gabriel, proszę wytłumacz mi w jakim celu filtrować sygnał przy obserwacji tranzytów?

Przecież spadek jasności nie zależy od tego w jakim paśmie obserwujemy, a od % zakrycia powierzchni gwiazdy przez planetę. Nie ma to też wpływu na wyznaczenie momentu zjawiska. Filtrując widmo tracimy masę sygnału, musimy stosować dłuższe czasy naświetlania, słowem tracimy dokładność pomiaru.

W przypadku znanych tranzytujących egzoplanet, jak najbardziej - nie ma potrzeby stosowania filtru (a ten CBB nawet lekko pomoże). Bardzo interesuje mnie wynik, jaki można byłoby uzyskać obserwując filtrem IR-pass, który jest nadal szerszy niż każdy z filtrów fotometrycznych. Oczywiście mowa tutaj o bardzo czerwonawych obiektach.

 

W przypadku nieznanych, czyli kandydatki TESS - w celu ewentualnego wykrycia chromatyczności zaćmień. Inna amplituda zmian blasku w poszczególnych filtrach wskazuje, że mamy do czynienia z układem binarnym (druga gwiazda robi różnicę z innym światłem), więc egzoplanety tam nie znajdziemy

 

A filtracja sygnału dotyczy projektów, które nie są związane z tranzytami egzoplanet  Możliwości takich zabaw z fotometrią jest mnóstwo, gdzie wybrane wymagają użycia filtrów fotometrycznych. Początkowo celem miała być Haumea, ale sezon na nią się kończy (potrzebne dłuższe wiosenne noce, które mieliśmy w marcu i kwietniu). Chodzi tam o fotometrię w wielu pasmach, by wykryć rotację i różnicę między filtrami w celu zidentyfikowania czerwonej plamy na powierzchni. Ale zanim do takiego tematu podejdę, poza wyszukiwaniem wyników z literatury, zaczynam od testów mających na celu określenie "czy to w takich warunkach jest wykonalne"

[Grzędziel]

Dzięki za odpowiedź, wszystko jasne i pełna zgoda.

No i szacunek za wykonane testy. Też kiedyś podobne robiłem tyle, że zwykłymi filtrami (Tricolor RGB Baadera) i kamerą ccd. Wyniki miałem wyraźnie gorsze.