¿Cómo se realizan observaciones astronómicas con un telescopio profesional?

Los aficionados a la astronomía solemos coger un telescopio, irnos a un sitio oscuro y plantarnos allí para poder observar lo que buenamente se pueda dependiendo de la calidad del cielo en donde nos encontremos y de la calidad de nuestro telescopio.

Sin embargo para realizar una observación astronómica a nivel científico, la preparación y toma de las observaciones tiene bastantes sutilezas que la mayoría de los aficionados suele desconocer. Algunas tienen que ver con el simple hecho de conseguir tiempo de observación de un gran telescopio donde poder realizar nuestra ciencia, otras tienen que ver con el mismo procesado y tratamiento de los datos que nos ofrece este tipo de telescopios profesionales. Aquí intentaré explicar, de forma general, cual es el proceso que ha de seguir un astrofísico desde que toma la decisión de observar hasta que se obtienen los resultados definitivos.

Telescopio William Herschel en el Roque de los Muchachos, La Palma.

Telescopio William Herschel en el Roque de los Muchachos, La Palma.

Supongamos que tenemos un objetivo científico, por ejemplo observar una galaxia o una nebulosa. Lo primero de todo es escoger un telescopio adecuado a nuestras necesidades. Si nuestras observaciones requieren de un gran telescopio, como el William Herschel en la isla de La Palma no nos quedará más remedio que solicitar tiempo de observación en un telescopio como este o de similares características. Sin embargo si nuestras observaciones no requieren un nivel de calidad-resolución tan alto, es muy recomendable escoger un telescopio más pequeño. Esto tiene sus motivos, el primero es que conseguir tiempo de observación en un gran telescopio, evidentemente es mucho más complicado que en un telescopio más pequeño, y lo segundo es por simple sentido común, no queremos malgastar tiempos de observación de grandes telescopios.

El camino a seguir para poder obtener tiempo de observación es realizar la oportuna solicitud a la institución o grupo que administre el telescopio con el que queramos observar. Esto se traduce en que tendremos que realizar una solicitud de tiempo de observación, explicando si queremos una noche sin luna o con luna, los instrumentos que necesitaremos (fotometría, espectroscopía…) y por supuesto nuestro proyecto científico. Las noches más oscuras (sin luna) son mucho más difíciles de conseguir que las que tienen luna, por si nuestra observación no requiere de una gran oscuridad deberemos explicar esto, pues será más fácil conseguir una noche de observación.

problemas_tecnicos

Un aspecto muy importante en nuestra solicitud de tiempo de observación es explicar en que se aprovechará esa noche en el caso de que nuestra observación no se pueda realizar. Puede haber problemas como nubes, que un cable ande suelto, que algún instrumento no funcione bien o que a los ingenieros les hayan dado de comer yogures caducados. Normalmente se debe tener un plan b como puede ser otro objetivo observacional, calibración de algunos instrumentos o filtros… cualquier cosa útil que no haga desaprovecharse esa noche. Si no tenemos ese plan b raramente nos adjudicarán tiempo de observación en algún telescopio.

Sala de control del telescopio IAC-80, en el observatorio del Teide.

Sala de control del telescopio IAC-80, en el observatorio del Teide.

Supongamos que ya nos ha sido asignada una noche en un telescopio, ¿cómo es una noche de observación?. Bueno, antes de ponernos a observar debemos de tener preparados algunos detalles.

Además de nuestro objetivo observacional, han de observarse estrellas de calibración. Estas estrellas de calibración están catalogadas, conociéndose su luminosidad en todos los filtros que vayamos a utilizar. Esto nos permitirá, mediante comparación de la luminosidad observada en nuestra noche con las luminosidades medidas en los catálogos, la obtención de la extinción atmosférica de esa noche, y por tanto la extinción que ha sufrido nuestro objetivo observacional, lo cual es muy importante ya que nosotros hemos medido unas luminosidades, pero sin estas estrellas de calibración no sabríamos en que manera se ha extinguido la luz, y no sabríamos calcular la luminosidad real de la fuente.

Típicamente se usa un catálogo de estrellas estándar, llamado catálogo de estrellas Landolt. La estrella que deberemos escoger debe tener una altura sobre el horizonte similar a nuestro objetivo, para que así la cantidad de atmósfera que atraviesa la luz sea la misma y poderla calibrar. Para esto se usan algoritmos que calculan la altura sobre el horizonte a lo largo de la noche, dando a su vez los momentos de ocultación y salida del sol, así como el momento de oscuridad total, información importante para ajustar nuestros horarios de cenar y llegada al observatorio para una larga noche. Por ejemplo: STARALT, alojado en la página del ING (Isaac Newton Group) del IAC. El catálogo de estrellas Landolt puede encontrarse en la página de la ESO.

Ejemplo de plot de alturas sobre el horizonte para la Galaxia del Molinete (M101) y la estrella Landolt G12_43

Ejemplo de plot de alturas sobre el horizonte en el Observatorio del Teide para la Galaxia del Molinete (M101) y la estrella Landolt G12_43 el 11 de mayo de 2013

Bueno, ya tenemos nuestro plan de observaciones, nuestra galaxia a observar y nuestra estrella Landolt para corregir extinciones atmosféricas. Pero aún quedan algunos detalles antes de ponernos a observar, y están relacionados con la instrumentación que se utiliza en los telescopios profesionales. La forma en que tiene de observar un telescopio es recogiendo la luz en un dispositivo CCD. Una CCD es el sensor que recoge la luz y lo convierte en electrones que son los que podemos medir, al igual que las cámaras fotográficas corrientes. Este dispositivo electrónico, debido a la propia agitación térmica “creará” algunos electrones que no son producidos por la llegada de luz de la galaxia. Por lo tanto, esta imagen de agitación térmica ha de ser extraida de nuestra imagen de la galaxia. Esto se realiza mediante lo que se denomina una imagen BIAS. Esta imagen se toma en oscuridad total, al no llegar ninguna fuente de luz lo que obtendremos es una imagen de electrones producidos exclusivamente por agitación térmica de la electrónica de la CCD. Es bueno tomar unas 11-15 imágenes BIAS para combinarlas, reduciendo así el error estadístico asociado. Las CCD para astronomía son mucho más sensibles y de mejor calidad que las CCD de una cámara fotográfica. Precisamente se suelen enfriar con nitrógeno líquido a temperaturas del orden de -100ºC para minimizar esta agitación térmica y disminuir el ruido. Todos hemos comprobado que cuando tomamos una imagen con una cámara de fotos a baja luminosidad tenemos una degradación o granulado, esto es debido a que como tenemos muy poca luz, la importancia relativa de la imagen con respecto a ese BIAS disminuye, es decir, el BIAS tiene una luminosidad del orden de la propia imagen que estamos tomando. Cuando es de día, a altas luminosidades este efecto no es apreciable, ya que tenemos muchos más electrones de luz que de BIAS y no es apreciable el efecto. Para imágenes astronómicas, como la luminosidad es extremadamente baja, este efecto es muy importante y ha de ser corregido.

Ejemplo de imagen BIAS

Ejemplo de imagen BIAS

La CCD nunca es perfecta, esto implica que habrán algunos píxeles que tendrán mayor sensibilidad que otros, esto es, aunque le lleguen el mismo número de fotones a un píxel que a otro, la luminosidad que mostrará uno será diferente al otro. Este efecto se corrige con las llamadas imágenes FLAT-Field (campo plano), que es una imagen de luminosidad uniforme, es decir, estarán llegando los mismos fotones a cada píxel. Con esta imagen podremos calcular la sensibilidad relativa de los píxeles a un mismo estímulo lumínico. El FLAT-Field ha de tomarse para cada uno de los filtros que vayamos a usar, pues las sensibilidades de los píxeles también varían con el color que detecten, y suelen tomarse al amanecer o al anochecer, tomando una imagen del cielo, que en esos momentos tiene una luminosidad uniforme. A veces, por falta de tiempo suelen tomarse FLAT-Fields de la cúpula iluminada con una lámpara, esto no es lo recomendable, sobre todo para luz ultravioleta, pues las lámparas corrientes no suelen emitir mucho para estas longitudes de onda. Los FLAT-Field también sirven para corregir pequeñas motas de polvo o manchas que puedan tener los espejos del telescopio.

Ejemplo de imagen FLAT-Field

Ejemplo de imagen FLAT-Field

Con todo esto ya estamos listos para poder observar. Dependiendo de lo que queramos, tomaremos las imágenes en diferentes filtros, con diferentes tiempos de exposición dependiendo de la luminosidad de la fuente. El seguimiento del telescopio suele variar de unos a otros, pero suele hacerse tomando una estrella de referencia cercana a lo que estemos observando. Y normalmente es tan sencillo como introducir las coordenadas de la galaxia o lo que queremos observar y el ordenador del telescopio hace el resto.

Tras tomar las imágenes oportunas se deben de realizar las correcciones de las imágenes restando el BIAS y corregiendo el FLAT-Field, además de otros procedimientos más sutiles en los que no entraremos. Este tratamiento se denomina “reducción de datos”, y sirve para sacar la información científica a la imagen.

Como ejemplo aquí están algunas imágenes tomadas en el telescopio IAC-80 del observatorio del Teide, el día 11 de mayo de 2013 de M101:

M101 en filtro V

M101 en filtro V

M101 en filtro R

M101 en filtro R

M101 en filtro H-alpha

M101 en filtro H-alpha. Esta imagen muestra las zonas de la galaxia en donde se están produciendo nacimiento de nuevas estrellas, concretamente regiones de H ionizado por la luz de estrellas jóvenes y brillantes.

Imagen de M101 en falso color combinando los filtros anteriores

Imagen de M101 en falso color combinando los filtros anteriores

Anuncios
Esta entrada fue publicada en Divulgación y etiquetada , , , , , , , , . Guarda el enlace permanente.

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s