Spettrografia amatoriale: utilizziamo lo Star Analyser

maggio 26, 2011  |   AstronomiaNova   |     |   0 Commenti

Alberto Villa

Test eseguiti dal Centro Astronomico di Libbiano

Introduzione

Lo spettroscopio è uno strumento in grado di scomporre la luce “bianca” proveniente da una sorgente nei vari colori dell’iride, formando appunto quello che viene chiamato uno “spettro”, nell’ambito del quale ad ogni “colore” è associata una determinata lunghezza d’onda. Sono fondamentalmente tre i tipi di spettri che possiamo osservare (fig. 1):
lo spettro continuo, originato da un solido incandescente;
lo spettro di assorbimento, dove il continuo è solcato da righe scure ben definite generate da gas inerte;
lo spettro di emissione, dove righe più brillanti generate da gas eccitato risaltano su un continuo molto più debole, se non addirittura assente.

Fig. 1: Tipi di spettro

In astronomia abbiamo a che fare con spettri di emissione e di assorbimento, le cui righe identificano gli elementi presenti nell’oggetto esaminato. Il fascino della spettrografia è proprio quello di consentirci di andare oltre la semplice ripresa fotografica, introducendoci alla fisica e alla chimica dell’universo.
Il recente avvento di sensibilissimi dispositivi di ripresa basati sulla tecnologia CCD e CMOS, ha aperto le porte ad un interessante lavoro di spettrografia stellare a livello amatoriale, ed è proprio in questo campo che si è cimentata negli ultimi anni la AAAV (Associazione Astrofili Alta Valdera). I risultati ottenuti con lo spettrografo realizzato dall’Ing. Vittorio Lovato sono disponibili sul sito www.astrofilialtavaldera.it alla sezione “Spettrografia”.

Fig. 2 : Lo Star Analyser

Lo Star Analyser

Proprio per l’interesse in questo campo, la nostra attenzione è stata attirata da uno strumento di recente produzione che sembra particolarmente adatto per ottenere interessanti risultati nella spettrografia amatoriale: lo STAR ANALYSER.

Lo Star Analyser (fig. 2 ) è un particolare tipo di spettrografo recentemente commercializzato, che sì è rivelato molto versatile e pratico da utilizzare per alcune tipologie di spettro.
In pratica si tratta di un reticolo di diffrazione di qualità (100 linee per mm) montato in una cella porta filtro del diametro di 31,8mm e che si può quindi avvitare a qualsiasi oculare o adattatore fotografico/CCD/Webcam delle stesse dimensioni. La superficie del reticolo di diffrazione è protetta con uno speciale vetro antiriflesso.   Per le sue caratteristiche, lo Star Analyser può essere utilizzato sia per le riprese che per l’osservazione visuale, in ogni caso senza l’impiego di una fenditura con la possibilità di orientare lo spettro risultante per le esigenze eventualmente richieste da una successiva elaborazione. Interessante analizzare l’immagine dello spettro di Arturo (fig. 3) fornita dallo Star Analyser montato direttamente sull’adattatore fotografico (Anello T2) applicato alla fotocamera digitale Canon 20D oppure su un oculare per l’osservazione visuale.

Fig. 3 – Arturo osservato attraverso un oculare sul quale è stato applicato lo Star Analyser

Al centro della fig. 3 si vede immagine di ordine 0 (zero), ovvero l’immagine di Arturo, e ai suoi lati gli spettri di ordine 1 e 2  in ordine di luminosità decrescente. Il reticolo produce coppie di spettri di “n” ordini, sempre più lontani dall’immagine di ordine zero e sempre più deboli: in fig. 3 sono visibili le due coppie di spettri di ordine 1 e 2. Lo Star Analyser è realizzato in modo tale da rendere il più luminoso possibile uno dei due spettri di ordine 1 (quello a destra in fig. 3): è proprio questo spettro che utilizzeremo per le nostre analisi.

Scala dello spettro ripreso con lo Star Analyser

Come si può notare in fig. 3, l’immagine ripresa inserendo nel treno ottico il solo Star Analyser fornisce uno spettro di dimensioni modeste rispetto alla superficie del sensore della camera  utilizzata. Per ingrandire la scala dell’immagine è necessario aumentare opportunamente la distanza tra lo Star Analyser ed il sensore, con la possibilità di intervenire ulteriormente con un tele-extender (o lente di Barlow), adeguatamente posizionato per evitare di ottenere effetti negativi sull’immagine finale. Presso il Centro Astronomico di Libbiano sono state eseguite alcune prove sul rifrattore Apo 180mm f/9, per determinare la scala di immagine più opportuna, prove che sono riassunte nella fig. 4 e di seguito commentate.

Fig. 4: Prove di ripresa di spettri stellari con lo Star Analyser effettuate con diversa scala di immagine.

Di seguito, un commento ai test illustrati in fig. 4.

TEST N.  1 – Arturo

Treno ottico: 20D + T2 + Star Analyser + Prolunga + Apo 180mm

Lo Star Analyser è stato semplicemente introdotto nella configurazione ottica che vede la Canon 20D posta al fuoco diretto del rifrattore Apo 180mm. Otteniamo in questo modo l’immagine più piccola dello spettro, con la maggior parte del sensore non utilizzato. La prolunga viene inserita solo per raggiungere la corretta posizione di messa a fuoco.

TEST N. 2 – Arturo

Treno ottico: 20D + T2 + Prolunga Meade + Star Analyser + Apo 180

Rispetto al test precedente, viene inserito nel treno ottico l’accessorio della Meade che consente di fotografare in proiezione da oculare: senza alcun oculare al suo interno come in questo caso, funge unicamente da elemento che aumenta la distanza tra il sensore della 20D e lo Star Analyser. Lo spettro di Arturo risulta infatti più ingrandito, pur lasciando ancora gran parte del sensore inutilizzato. La prolunga è stata tolta in quanto non più necessaria per mettere a fuoco l’immagine.

TEST N. 3 – Arturo

Treno ottico: 20D + T2 + Prolunga Meade + Star Analyser + Barlow 2X + Apo 180

Rispetto al test precedente,  viene inserita una lente di Barlow 2X che, posizionata tra lo Star Analyser e l’obiettivo del rifrattore, ingrandisce l’immagine del disco stellare di cui lo Star Analyser deve produrre lo spettro. Dato che la distanza tra Star Analyser e sensore non cambia, lo spettro prodotto avrà la stessa dispersione del test precedente, ma con le dimensioni del disco stellare raddoppiate. La risoluzione dello spettro però, non può che diminuire, peggiorando il risultato finale, come appare dal confronto tra i test 2 e 3 in fig. 4. Come regola generale, se ne ricava che è da evitare l’ingrandimento delle dimensioni dell’oggetto “target” prima che la sua immagine raggiunga il reticolo dello Star Analyser .

TEST N. 4 – Arturo

Treno ottico: 20D + Tele Ext. 2X + T2 + Prolunga Meade + Star Analyser + Apo 180

Rispetto al test precedente è stata rimossa la lente di Barlow. Tra il sensore (corpo macchina) e lo Star Analyser è stato invece aggiunto il Tele Extender Sigma 2X, che consente di aumentare la dispersione dello spettro risultante, senza aumentare le dimensioni della stelle da analizzare e sfruttando le dimensioni del sensore di cui si dispone. Per oggetti più deboli è in dotazione anche un Tele Extender Sigma 1,4X il cui utilizzo potrebbe risultare meno critico lasciando più margine per quanto riguarda il posizionamento sul sensore dell’immagine “stella + spettro”.

TEST N. 5 – Denebola

Treno ottico: 20D + Tele Ext. 2X + T2 + Distanz. Meade + Star Analyser + Apo 180

Treno ottico invariato rispetto al precedente test. Si tratta in questo caso dello spettro di Denebola che – se osservato attentamente – mostra qualche dettaglio in più rispetto ad Arturo per quanto riguarda le righe di assorbimento della serie di Balmer dell’idrogeno.

Fig. 5: Spettro di Vega ripreso con l’utilizzo della fenditura

Fig. 6: Spettro di Denebola (a colori) ripreso con lo Star Analyser senza fenditura confrontato con quello di Vega ottenuto con l’impiego della fenditura.

Tipologia di oggetti celesti e caratteristiche delle ottiche adatte  all’utilizzo dello Star Analyser

Fig. 7: Vista frontale della fenditura dello spettrografo e manopola per la regolazione della sua apertura.

Confrontando lo spettro di Vega ripreso con il CCD Starlight Express attraverso lo spettrografo a prisma dotato di fenditura posto al fuoco diretto del RC 500 di Libbiano (Fig. 5) con lo spettro di Denebola ripreso con  la  Canon  20D collocata al fuoco diretto del rifrattore Apo 180mm sempre in dotazione al Centro astronomico di Libbiano ed equipaggiata con Star Analyser e quindi senza fenditura (Fig. 6), si nota come le righe di assorbimento siano molto più nette e visibili quando la fenditura viene utilizzata. Nelle immagini riprese con lo Star Analyser, proprio a causa della mancanza di una fenditura le porzioni più luminose e brillanti dello spettro tendono ad invadere le righe di assorbimento, la cui identificazione diventa sempre più critica a mano a mano che queste diminuiscono di ampiezza e di intensità.

Operando con il RC 500mm di Libbiano, l’utilizzo della fenditura (Fig. 7) è  opportuno anche per la ripresa di spettri stellari. E questo principalmente per due ragioni: con  una focale di  4 metri e  pur con un minimo di turbolenza,  anche una sorgente stellare non è puntiforme e l’uso di una fenditura di appropriata apertura   fornisce  una  buona  risoluzione  delle righe spettrali; quando   l’oggetto  ripreso   dovesse   spostarsi anche  impercettibilmente   durante  la posa,  nel momento  in cui  la stella esce dalla fenditura sul sensore non arriva più luce, preservando ancora una volta la buona risoluzione dello spettro.

Dalle prove fin qui effettuate, si è pertanto accertato che lo Star Analyser risulta particolarmente indicato per la ripresa di spettri stellari caratterizzati:

  • da righe di assorbimento particolarmente evidenti (ad es. stelle al carbonio)
  • da righe di emissione (ad es. stelle con righe di emissione come β Lyr  e γ Cas, stelle Wolf Rayet,  comete, galassie attive, nebulose planetarie, ecc …)
  • da peculiarità dello spettro presenti su vasta scala (ad es. stelle al carbonio e comete)

Utilizzo dello Star Analyser con una fotocamera digitale

In fig. 8, riportiamo gli spettri delle stelle Wolf Rayet HD 192163 e HD 192641 e della stella al carbonio SAO 69636 (magnitudini comprese tra la 7,5 e la 8,5) ottenute con la Canon 20D nella configurazione ottica utilizzata nei precedenti test n. 4 e n. 5.

Fig. 8: Spettro delle stelle Wolf Rayet HD 192163 e HD 192641, e della stella al carbonio SAO 69636 ottenuti con lo Star Analyser.

La tecnica della somma risulta particolarmente indicata in quanto l’esposizione più breve garantisce una maggiore puntiformità della stella da analizzare, aumentando quindi la definizione dello spettro.
Sulla base dei test effettuati, possiamo affermare che per ottenere un buon risultato con lo Star Analyser è necessario lavorare su immagini stellari puntiformi, il che significa:
un’ottica di buona qualità;
una focale piuttosto corta;
tempi di posa possibilmente contenuti, ovvero una guida precisa.

Per quanto ovvio, più la sorgente da analizzare è luminosa, più siamo agevolati nel nostro lavoro: è pertanto indicato un rapporto focale piuttosto basso.
In fig. 9 viene illustrata la configurazione ottica con la quale sono stati ottenuti gli spettri mostrati in fig. 8, ponendo il tutto al fuoco diretto del rifrattore APO 180mm f/9 del Centro Astronomico di Libbiano.

Fig. 9 – Il treno ottico utilizzato per riprendere gli spettri di alcune stelle peculiari (WR e stelle al carbonio) presso il Centro Astronomico di Libbiano. Da sinistra:la fotocamera digitale,il tele-extender Sigma 1.4X (per oggetti luminosi per i quali sia visibile sia la sorgente che tutto lo spettro attraverso il mirino della fotocamera si può sostituire con il tele-extender Sigma 2.0X);l’anello T2 dedicato alla fotocamera utilizzata; un tubo di prolunga sul quale sia possibile avvitare lo Star Analyzer (in questo caso è stato utilizzato l’accessorio da utilizzarsi per la fotografia in proiezione da oculare, ovviamente senza inserire al suo interno alcun oculare).
Tutto il complesso è stato collocato al fuoco diretto del rifrattore APO 180mm.

Per verificare come l’utilizzo di un’ottica differente possa influenzare il risultato finale, dopo aver effettuato le prime riprese di spettri con lo Star Analyser applicato al rifrattore 180mm f/9 di Libbiano (focale di 1620mm), sono stati ripetuti alcuni test.  Si è applicato lo stesso “treno ottico”  illustrato in fig. 9 ad un rifrattore Apo 150mm f/6.7 (focale di 1000mm) che dovrebbe fornire un’immagine stellare ancora più puntiforme e allo stesso tempo più luminosa. In fig. 10 è illustrato lo spettro della stella al carbonio SAO 69636 ripreso con entrambe le ottiche: evidente il miglior risultato ottenuto con la focale più corta (e in questo caso anche più luminosa) che mostra righe più definite e più numerose in relazione a una maggiore risoluzione determinata da un disco stellare più puntiforme.

Fig. 10 – Spettro della stella al carbonio SAO 69636, situata nella costellazione del Cigno, ripreso con rifrattore Apo 180mm f/9 (in alto) e con rifrattore Apo 150mm f/6.7: evidente la migliore qualità/ definizione dello spettro ripreso con focale più corta. L’immagine della stella analizzata è mostrata anche ad ingrandimento 2X per evidenziare le differenti dimensioni dei due dischi stellari.

Di sicuro interesse, in fig. 11, il risultato ottenuto per la stella Wolf Rayet HD 192163 (denominata anche WR 136).
Confrontando nella stessa figura il profilo ricavato per lo spettro, ripreso a Libbiano, con quello professionale reperito in rete, si tenga presente che il primo è stato ottenuto con la camera digitale Canon 20D e non è calibrato in intensità. Si deve inoltre considerare che il sensore CMOS montato su molte reflex digitali ha un notevole calo di sensibilità per le lunghezze d’onda ai bordi del visibile (violetto/rosso). Nonostante ciò, appare molto evidente la corretta identificazione delle righe di emissione e l’andamento generale del profilo dello spettro. Il risultato è molto incoraggiante e da paragonare con le prove effettuate sugli stessi oggetti con il CCD (vedi oltre): in ogni caso si consideri che utilizzando il rifrattore Apo 150mm f/6.7 è stato possibile registrare lo spettro della galassia attiva di Seyfert NGC 4151 di magnitudine integrata 10.3, ricavandone una curva attendibile e significativa, come appare dal confronto (Fig. 12) con la curva ottenuta con un telescopio da 122 cm equipaggiato con spettrografo professionale presso l’Osservatorio Astronomico di Asiago.

Fig. 11: In basso a colori: lo spettro di HD 192163 ottenuto a Libbiano con Canon 20D e Star Analyser e la successiva elaborazione con Photoshop. Al centro: il relativo profilo ottenuto con Maxim DL. In alto: Spettro professionale di HD 192163 reperito in rete.

Fig. 12: Galassia attiva di Seyfert NGC 4151: confronto tra lo spettro ottenuto presso l’Osservatorio Astronomico di Asiago con strumentazione professionale e CCD (in alto) e quello ottenuto dalla AAAV con camera digitale (in basso).

DISPONIBILI NELLA VERSIONE PDF DI ASTRONOMIA NOVA

  • Calibrazione dello spettro ripreso con lo Star Analyser: utilizzo di due punti con lunghezza d’onda nota
  • Calibrazione dello spettro ripreso con lo Star Analyser: Utilizzo della sola immagine di ordine zero
  • Utilizzo dello Star Analyser con un CCD

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Conclusioni

Si può senza dubbio affermare che lo Star Analyser offre all’astrofilo una vasta gamma di impiego nell’ambito della spettrografia, arrivando, in certi casi, ad un livello di prestazioni semi – professionali.
Mi preme sottolineare la facilità d’impiego di questo accessorio, agevolata dalla mancanza della fenditura.
A Libbiano si sono ripresi spettri di stelle Wolf Rayet, stelle al Carbonio, nebulose planetarie, galassie, comete ed asteroidi e non è certamente da escludere – ad esempio – la possibilità di misurare in proprio lo spostamento verso il rosso di un quasar sufficientemente luminoso come 3C 273 (magnitudine 13);
Tutto ciò senza dimenticare la cosa forse più importante: e cioè che lo Star Analyser è in grado di fornire questi risultati utilizzando anche telescopi da campo che in alcuni casi hanno addirittura fornito risultati migliori di quelli ottenuti con una strumentazione semiprofessionale.
Ritengo lo Star Analyser un ottimo incentivo per stimolare l’astrofilo ad occuparsi di spettrografia, oltretutto divertendosi!

Alberto Villa

è Presidente della AAAV – Ass.ne Astrofili Alta Valdera di Peccioli (PI),
nell’ambito della quale è  responsabile delle sezioni
“Spettrografia”, “Eclissi” e  “Pianeti extrasolari”.

Osserva dall’ Osservatorio “Galileo Galilei”
del Centro Astronomico  di Libbiano  (e – mail: vilalber@tin.it ).









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