Il progetto di ricerca di Supernovae all’Osservatorio Astronomico di Monte Agliale

aprile 30, 2011  |   AstronomiaNova   |     |   0 Commenti

di: Fabrizio Ciabattari

Abstract: sono descritti gli interventi a livello hardware e software che hanno permesso di trasformare l’osservatorio in una struttura completamente automatica, in grado di attuare sessioni senza alcuna assistenza remota. Il volume di immagini realizzabili, per il progetto di monitoraggio di Supernovae, cresce sensibilmente e vengono quindi illustrati gli interventi implementati per la successiva fase di analisi. Infine si presentano i risultati più significativi e viene valutata la possibilità di realizzare un coordinamento tra più stazioni interessate al progetto.

L’Osservatorio Astronomico di Monte Agliale (sito web: www.oama.it) è una struttura pubblica che sorge nei pressi del paese di Cune, nel Comune di Borgo a Mozzano, in provincia di Lucca. Le infrastrutture sono state realizzate grazie ai contributi e all’operato del Comune e della Comunità Montana della Media Valle del Serchio. Le attrezzature tecniche sono di proprietà dell’associazione di astrofili Gruppo Ricerche Astronomiche (GRA), incaricata della conduzione di tutte le attività. L’edificio che ospita il telescopio (fig. 1) consiste di un ambiente con una copertura a tetto scorrevole, all’interno del quale sono alloggiati alcuni telescopi Schmidt-Cassegrain classe 20 – 30 cm ed il telescopio principale.

Fig.1: l’edificio del telescopio dell’Osservatorio Astronomico di Monte Agliale.

L’osservatorio è stato trasformato in una struttura completamente automatica, capace di eseguire intere sessioni osservative in piena autonomia, senza alcun controllo di operatori in situ, né on line.  Il telescopio automatizzato è un Newton da 50 cm di apertura, f/4.5 (fig. 2).

E’ motorizzato con il sistema di puntamento elettronico FS2 ed equipaggiato con una camera CCD FLI Proline e focheggiatore elettronico FLI PDF. A breve verrà installata anche la ruota portafiltri FLI CFW2-7.

Fig. 2: Il telescopio da 50 cm di apertura f/4.5, si può notare la camera FLI Proline ed il focheggiatore FLI PDF montati al fuoco Newton; in parallelo è installato il telescopio rifrattore con camera SBIG ST7.

La camera CCD monta il chip Marconi 4710, un dispositivo retroilluminato processato con trattamento midband e caratterizzato da una matrice con 1056×1027 pixel da 13 micron di lato. L’area del chip è di 13.3 mm2; questi parametri permettono di ottenere un campo inquadrato di circa 20 arcmin e una scala, sul piano focale, di 1.16 arcsec/pixel. Sul telescopio principale è installato un rifrattore guida da 12 cm di apertura,  ridotto a f/7.5; il rifrattore monta una camera CCD SBIG ST7 che, in binning 2, presenta una scala intorno a 4 arcsec/pixel. Il telescopio è pilotato attraverso il software planetario TheSky6 mentre le camere CCD ed il focheggiatore sono controllate con MaxIm DL.

Per l’esecuzione delle procedure astrometriche viene adoperato CCDSoft. Grazie all’integrazione di librerie di funzioni, è possibile gestire i tre applicativi (MaxIm DL, TheSky6 e CCDSoft) all’interno di progetti Visual Basic (VB). Ciò ha permesso la realizzazione di programmi VB personalizzati, finalizzati all’implementazione delle procedure atte alla realizzazione dell’automazione dell’osservatorio.

Altri interventi fondamentali sono stati la motorizzazione del tetto scorrevole dell’osservatorio e l’acquisto della scheda IOADR810, prodotta dalla National Control Devices, fondamentale per l’utilizzo dei diversi dispositivi: sensori di presenze, di pioggia, di continuità elettrica, comandi di apertura/chiusura del tetto scorrevole, controllo dei fine corsa movimento tetto e telescopio, controllo degli alimentatori.

La scheda IOADR810 è programmabile con i più comuni software ed è un dispositivo ibrido, dotato di relays e porte I/O analogico-digitali (figura 3).

Fig. 3: Il dispositivo IOADR810 e la scheda autocostruita hanno permesso l'interfacciamento dei diversi apparati installati in osservatorio.

Una ulteriore scheda d’interfaccia autocostruita, provvista di altrettanti relays e disaccoppiatori ottici, ha permesso il cablaggio di tutti gli apparati. Un cellulare installato in osservatorio consente il videocontrollo dell’edificio rispondendo ed effettuando chiamate automatiche.  Il software “skydaemon”, sviluppato in VB (Visual Basic), sovrintende alla gestione dell’osservatorio. All’avvio di una sessione automatica, vengono realizzate le seguenti procedure: controllo della posizione dei fine corsa relativi al movimento del tetto, apertura del tetto scorrevole, verifica della posizione dei fine corsa movimento tetto, accensione degli alimentatori delle camere CCD e del sistema di puntamento elettronico FS2, raffreddamento delle camere CCD, sincronizzazione iniziale del telescopio, verifica della posizione iniziale dai dati astrometrici relativi alla prima immagine, avvio dell’applicativo “masacas”, che provvede alla conduzione della sessione osservativa, come illustrato in seguito. Durante l’attività osservativa, skydaemon monitora periodicamente diversi sensori e segnali: controlla i sensori di rilevamento presenze all’esterno dell’osservatorio, il sensore di pioggia, il limite orario imposto inizialmente, la presenza dell’energia di rete (in assenza di energia elettrica un gruppo di continuità assicura l’alimentazione per un tempo adeguato a completare lo shutdown), eventuali allarmi dovuti a cielo nuvoloso o trasmessi tramite internet. Al termine della sessione vengono eseguite le procedure inverse: il telescopio si sposta in posizione di “parcheggio”, vengono disattivati i link con le camere CCD, con il focheggiatore e con il sistema di puntamento FS2, vengono spenti gli alimentatori. Infine viene chiuso il tetto scorrevole dell’osservatorio.

Come detto sopra, skydaemon “lancia” masacas, applicativo sviluppato in VB. Esso è il software deputato alla effettiva realizzazione del programma osservativo: itera le diverse fasi che vanno dal puntamento del telescopio (secondo un programma predefinito) alla realizzazione della ripresa digitale e al salvataggio del file in formato FIT, attraverso l’esecuzione dell’astrometria e la conseguente sincronizzazione del telescopio sul punto della volta celeste effettivamente inquadrato.

La lista dei campi da fotografare, nell’ambito della sessione osservativa automatica, viene fornita al software masacas sotto forma di un file di testo chiamato target.txt. Ogni record consiste di campi con i valori dei parametri necessari alla realizzazione della ripresa: le coordinate equatoriali del soggetto, il tempo di esposizione, la precisione da assicurare nel puntamento del telescopio, l’eventuale filtro da adoperare ed il numero di copie da effettuare. Un ulteriore campo permette di realizzare particolari “task”, prima di effettuare la ripresa digitale stessa. Attualmente quelli implementati sono i seguenti: modifica del binning, avvio della procedura di autofocus/defocus, avvio della procedura di autoguida, realizzazione di immagini di buio (anziché di luce), attivazione della procedura per la realizzazione di riprese drift scan per osservazioni di occultazioni asteroidali.

Fig. 4: I file skydaemon.log e masacas.log vengono prodotti dalle routine di automazione e descrivono tutte le attività realizzate dagli applicativi skydaemon e masacas.

Fig 04b Il file masacas.log

I programmi skydaemon e masacas, durante la fase operativa, aggiornano continuamente alcuni file, descrittivi delle varie azioni realizzate. I seguenti file di “log” (fig. 4) costituiscono un esempio relativo alla sessione osservativa del 24 marzo 2011, dedicata principalmente al monitoraggio di Supernovae. Skydaemon.log riporta tutte le fasi di gestione e controllo dell’osservatorio, operate dal software skydaemon: si nota che la sessione è iniziata alle ora 19.15 e si è protratta fino all’alba (5.35).

Masacas.log mostra, invece, un dettaglio della serie di riprese digitali di diversi soggetti: le voci relative ai campi PGC si riferiscono a galassie del catalogo Principal Galaxy Catalog selezionate per la ricerca di possibili Supernovae; le righe relative all’oggetto 1998WL9 sono invece descrittive dell’osservazione del “pianetino” 1998WL9 (scoperto dall’osservatorio di Monte Aglieale nel lontano 1998). Nella parte superiore si può anche notare la sequenza di azioni relative alla procedura di autofocheggiamento che ha permesso di migliorare il fuoco, passando da immagini con una larghezza di 1.8 pixel a 1.4 pixel.  Nella sessione del 24 marzo 2011 sono state realizzate 615 differenti riprese digitali a circa lo stesso numero di campi di galassie e 5 focheggiamenti automatici.

L’ultimo aspetto significativo che caratterizza il sistema e che lo rende completamente autonomo, è il fatto che le immagini realizzate vengono gestite automaticamente da un ulteriore software (netdaemon) che si occupa dell’upload su server: netdaemon, tramite una connessione internet ADSL, carica le immagini della sessione (e quelle di confronto necessarie per la successiva analisi) su un server usato come ponte per lo scambio e la condivisione dei file da parte dei membri del gruppo.

In particolare, in occasione della sessione del 24 marzo, netdaemon ha trasferito i 615 file immagine, insieme ai corrispondenti per il confronto, per un totale di 1220 file FIT da circa 300 KB ciascuno.

Il completamento della gestione remota/automatica è reso possibile dal fatto che netdaemon, oltre ad assicurare l’upload automatico dei file, consente il controllo remoto di tutte le fondamentali procedure: permette l’avvio remoto della sessione, fornendo i parametri d’ingresso a skydaemon ed il file dei bersagli a masacas (target.txt). Permette di scaricare, in tempo reale, i file immagine, di intervenire sulla lista dei bersagli, di controllare l’andamento della sessione ed, eventualmente, di interromperla. Generalmente la sessione procede in modalità automatica, fino all’orario imposto (l’alba) o finché un eventuale segnale di allarme non la interrompa. Ovviamente è anche possibile, mediante software di desktop remoto, intervenire da casa prendendo possesso dei computer in osservatorio e quindi passando ad una gestione manuale, sospendendo quella automatica.

Fig. 5: il file catalogo.xls rappresenta il database della lista dei “bersagli” per l’attività di ricerca di Supernovae e permette la realizzazione di diverse importanti procedure quali l’assemblaggio del file target.txt mediante operazioni di filtro, la ricerca di file immagine nell’archivio, la ricerca di eventuali prediscovery, calcoli statistici sulle osservazioni, ecc.

Per l’attività di ricerca di Supernovae è necessario dotarsi di una lista di potenziali “bersagli” rappresentati da campi di galassie nelle quali sia possibile scorgere la presenza di oggetti appartenenti a tale classe.

Abbiamo operato interrogando il database PGC di TheSky6 e ottenuto una lista di circa 40000 campi di galassie soddisfacenti determinati criteri, relativamente alla magnitudine superficiale, alle dimensioni angolari e alla posizione sulla volta celeste. Questi dati sono stati arrangiati in un file (catalog.xls) di un foglio elettronico e, attraverso semplici operazioni di filtro, è possibile ottenere un sottoinsieme di alcune centinaia di galassie da fotografare notte per notte.  Questo sottoinsieme di bersagli viene a sua volta organizzato nel file di testo “target.txt” che, opportunamente formattato, viene interpretato da masacas nella conduzione della sessione osservativa automatica. Il file catalogo.xls (fig. 5) viene aggiornato con i dati relativi ad ogni sessione aggiungendo, per ogni campo di galassie catalogato e fotografato, informazioni sulla data e sulla directory contenente i file immagine.  Per noi costituisce anche una sorta di indice, indispensabile per il reperimento di un qualunque file immagine archiviato.

Chi si occupa di ricerca di Supernovae sa che, anche per un semplice controllo visuale, è indispensabile disporre di immagini di confronto. Spesso queste sono rappresentate da riprese digitali realizzate agli stessi oggetti ma in momenti precedenti.

Noi abbiamo optato per una scelta diversa, soprattutto perché nella prima fase tali confronti erano del tutto assenti.

Abbiamo sviluppato una routine, attiva nei computer dell’osservatorio in contemporanea con lo svolgimento della sessione automatica, che si “occupa” di reperire le immagini di confronto: l’applicativo (ancora scritto in VB) si collega al sito “Digitized Sky Survey” e provvede all’interrogazione del database, scaricando un’immagine di confronto, appartenente alla survey “DSS 2 red”, per ogni immagine realizzata nella contemporanea sessione osservativa. Sfruttando i parametri noti dalla soluzione astrometrica, il programma  scarica un’immagine perfettamente sovrapponibile (fig. 6) a quella realizzata dal nostro telescopio  (in termini di centro del campo inquadrato, estensione del campo e rotazione del campo).  L’immagine di confronto è generalmente più profonda della nostra, priva di difetti e quindi perfettamente  adeguata a rappresentare un valido termine di paragone per la ricerca di Supernovae nelle nostre immagini. Al termine della sessione osservativa, netdaemon carica sul server ponte i due insiemi di immagini: quello costituito dalle riprese digitali effettuate dal nostro telescopio e quello costituito dalle corrispondenti immagini di confronto scaricate dal sito del Digitized Sky Survey. Il “download” dei file per la successiva analisi viene realizzato comodamente  da casa da parte dei membri del gruppo.

Fig.6: L’immagine a sinistra ritrae la galassia PGC19790, ripresa in una sessione osservativa automatica e con un tempo di esposizione di 20 secondi. L’immagine a destra, relativa alla Survey POSS2 red, è stata scaricata automaticamente dal sito del Digitized Sky Survey. La perfetta sovrapponibilità permette la realizzazione di operazioni di “blink”, senza alcun passaggio intermedio. È visibile la Supernova classificata 2009mj, scoperta dall’osservatorio di Monte Agliale.

RISULTATI

Una versione ridotta del pacchetto di routine sviluppato per l’osservatorio di Monte Agliale è stata esportata su sistemi privati.  Il primo risultato significativo è così arrivato con la scoperta della SN 2007ru il 27/11/2007, effettuata con un telescopio SC da 30 cm di apertura che operava dai sobborghi di Lucca e che veniva pilotato dai software di automazione, allora in fase di debug.  Nel 2008 sono arrivate le prime scoperte  effettuate da Monte Agliale grazie al sistema automatico descritto. Nel giugno 2009 la “vecchia” camera CCD ST6 è stata sostituita dalla nuova arrivata FLI Proline (con relativo focheggiatore PDF) che ha dato altri “frutti”.  La tabella seguente riporta una sintesi dei risultati più significativi.

Nome oggetto Data scoperta Galassia Tipo SN
SN 2007ru 27 novembre 2007 UGC 12381 Ic-p
SN 2008ap 13 febbraio 2008 UGC 3754 II
SN 2008ei 23 luglio 2008 UGC 11977 Ia
SN 2009mj 10 dicembre 2009 MCG +07-14-18 Ia
SN 2010dd 23 maggio 2010 UGC 10594 Ia
SN 2010ex 01 luglio 2010 PGC 70222 Ia
PSN J12052970+4646315 15 gennaio 2011 UGC 7078 ?

Una considerazione particolare va dedicata  all’oggetto classificato  PSN J12052970+4646315:  si tratta di una possibile Supernova  da noi scoperta la notte del 15 gennaio 2011. Dal 2011 il CBAT, l’ente professionale che si occupa della raccolta, validazione e diffusione di notizie inerenti fenomeni astronomici transienti quali l’esplosione di Supernovae,  ha modificato la procedura per l’attribuzione del codice identificativo a nuove Supernoavae: le segnalazioni vengono caricate, dagli autori della possibile scoperta, sulla pagina delle Transient Objects Confirmation Page.  Una volta confermata la natura del fenomeno attraverso l’analisi spettroscopica, il CBAT procede all’assegnazione del codice identificativo e alla pubblicazione del documento ufficiale (CBET/IAUC).  Quello che è accaduto è che per numerosi oggetti apparsi su TOCP non sono disponibili spettri di conferma. E tra questi vi è proprio l’oggetto da noi segnalato! Sebbene sia stato osservato e confermato in momenti diversi da più osservatóri, non è stato analizzato adeguatamente e ormai è letteralmente “svanito”.

Numerosi sono i progetti di ricerca (professionali e amatoriali) impegnati nel monitoraggio di fenomeni di Supernovae; se il ritmo delle scoperte dovesse superare quello con cui è possibile, per la comunità astronomica, procedere all’analisi e alla caratterizzazione spettroscopica delle stesse, il rischio di vedere “dimenticate” un crescente numero di PSN potrebbe diventare sempre più attuale.

La lista degli oggetti in attesa di conferma sul sito TOCP è già molto lunga e comprende, insieme alla “nostra” PSN J12052970+4646315,  numerose altre segnalazioni afferenti a progetti professionali (ad esempio il Catalina Real-time Transient Survey e il Lick Observatory Supernova Search) e a noti astrofili (quali Boles e Puckett). Motivo di ulteriore rammarico è rappresentato dal fatto che almeno sei Supernovae sono state fotografate nelle nostre sessioni osservative automatiche ma non sono state “viste in tempo”: in certi casi, data la mole di immagini disponibili, l’analisi è stata condotta frettolosamente e ciò ha impedito di scorgere alcuni oggetti (peraltro molto deboli) la cui scoperta sarebbe stata attribuita al nostro gruppo. In altri casi le condizioni meteorologiche hanno impedito di tornare a osservare un sospetto individuato; l’oggetto è stato confermato essere proprio una Supernova, ma la segnalazione è stata fornita correttamente da parte di altri gruppi. Da giugno 2009 ad oggi (fine marzo 2011) abbiamo realizzato circa 33400 riprese di campi di galassie. Considerando le Supernovae scoperte e le prediscovery di questo lasso di tempo, estrapoliamo un tasso  di scoperta pari a circa 1 Supernova ogni 3300 immagini, in media.

Ovviamente l’informazione è puramente statistica e si possono verificare oscillazioni significative rispetto al dato medio. Spesso ci siamo imbattuti in Supernovae scoperte pochi giorni prima; un leggero anticipo nell’osservazione di quel campo avrebbe fatto aumentare il precedente parametro. Riteniamo comunque che il valore medio sopra riportato sia indicativo della necessità di giungere ad un coordinamento di alcune postazioni impegnate in questa attività. Con una strumentazione equivalente a quella operante presso l’osservatorio di Monte Agliale, in una sessione invernale opportunamente pianificata, si riescono a realizzare oltre 750 puntamenti e altrettanti scatti fotografici, superando la magnitudine 19 (senza l’uso di filtri). “Basterebbero” cinque strumenti automatizzati, operanti in maniera coordinata, per realizzare oltre 3500 immagini di campi distinti, in una sola notte!

Un altro delicato aspetto fortemente correlato con quanto detto sopra, è rappresentato dalla successiva fase di controllo delle immagini. Viste le numerose prediscovery di cui sopra, possiamo assicurare che l’attenta analisi visuale di centinaia di immagini, nello spazio di una giornata, non è per nulla banale; l’eventuale controllo di migliaia di immagini, nello stesso periodo di tempo, richiederebbe la costituzione di una schiera di collaboratori ben affiatati e coordinati. A questo problema abbiamo cercato di dare un’altra risposta con la realizzazione di un software che analizzi automaticamente le immagini, effettuando una prima “scrematura” delle stesse. Alcune Supernovae, tra cui l’ultima della tabella precedente, sono state individuate proprio con questa modalità: il programma ha evidenziato un segnale che, nel successivo controllo, si è confermato essere proprio una Supernova.  In questo periodo, oltre alla consueta attività osservativa, stiamo procedendo nello sviluppo di questa routine che si spera possa costituire un valido supporto nella fase di analisi, consentendoci di processare efficacemente volumi di immagini sempre maggiori.

Visto il perdurare della fase di sperimentazione e di debug di tale progetto, preferiamo non entrare, in questa sede, nei dettagli che lo caratterizzano, rimandando piuttosto ad alcuni link sul sito del nostro osservatorio (www.oama.it) o ad un prossimo intervento su queste stesse pagine.

FABRIZIO CIABATTARI

Laureato in Fisica nel 1995, discutendo una tesi di fisica dello stato solido, è da tempo appassionato di  astronomia. Ha avuto un’esperienza lavorativa presso una multinazionale di microelettronica e attualmente  è insegnante di Matematica nelle scuola media superiore; da anni si occupa di ricerca di Supernovae all’Osservatorio Astronomico di Monte Agliale, in località Cune, nel Comune di Borgo a Mozzano (Lucca). Ha all’attivo numerose scoperte.

Ha all’attivo numerose scoperte. Il sito dell’Osservatorio è: www.oama.it mail_ info@oama.it









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