F-CHROMA progetto F-Hunters

Una campagna di osservazione e monitoraggio dei flares solari per astrofili

Dal 19 al 27 settembre,  F-CHROMA  F-CHROMA | Flare Chromospheres: Observations, Models and Archives ha organizzato una campagna per l'osservazione ad alta risoluzione di flares solari, che vede coinvolti diversi dei principali Osservatori e strumenti sia da Terra che dallo spazio, tra cui CRISP@SST, IBIS@DST e IRIS (vedi links in nota).  Questi strumenti forniscono dati spettrali preziosissimi, in particolare per quel che riguarda il problema della deposizione dell'energia nella "bassa" atmosfera solare, ma hanno campi di vista molto limitati (tra 1 e 2 minuti d'arco). L'acquisizione di immagini di contesto risulta quindi fondamentale per una completa comprensione del fenomeno, ed in tale ambito la partecipazione degli astrofili solari si è  rivelata di grande utilità.La campagna è stata quindi un interessante episodio di collaborazione professionisti-amatori nell’intento finale di una migliore comprensione dei fenomeni che avvengono in cromosfera Flare Hunters Observing Campaign - F-CHROMA Outreach - Understanding of Solar Flares

La campagna, tuttavia, perlomeno qui in Italia, è stata caratterizzata da un meteo avverso , mentre il sole è stato quanto mai dispettoso, elargendo i suoi flares nei periodi non compresi nella finestra osservativa, in genere coincidente con quella della missione IRIS Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS)  tra le 11 e le 17 UT.

Circa le modalità operative, queste erano molto semplici: il giorno prima F Hunters pubblicava sul suo sito ed avvertiva via mail ai partecipanti, del target scelto per il giorno successivo e degli orari di osservazione, con un'immagine composita come quella che segue, nella quale era anche mostrata il posizionamento della fenditura dello spettroeliografo di IRIS e le immagini di riferimento del BBSO o SDO.

Ma partiamo dall'inizio, ovvero dal tutorial (in inglese) sul sito web che specifica le modalità operative in caso di riprese CCD con videocamere, come nel mio caso ed in quello di molti utenti amatoriali.

Le prime tre regole fondamentali e di carattere generale che venivano raccomandate erano le seguenti:

1-Il tempo: per poter seguire l'evoluzione dei fenomeni  occorrono immagini  individuate nel tempo con la massima precisione possibile

2-Calibrazione: tutti i possibili effetti strumentali vanno rimossi dai dati ricevuti

3-Obiettività: le immagini devono essere quanto più obiettive possibile, quindi senza alcuna forma di elaborazione; quindi maschere sfocate, aggiustamento del contrasto, filtri di ogni genere, non sono consentiti in quanto alterano il segnale raw.

A ben guardare, tali regole sono comuni a qualsiasi acquisizione di immagine per fini scientifici, e noi astrofili dobbiamo quindi dimenticare l'istintivo impulso al miglioramento estetico dell'immagine: per fini scientifici servono immagini reali, pure, non belle , ma analizziamo queste regole in dettaglio.

Il tempo

Per sincronizzare con esattezza i nostri dati con quelli di altri osservatori e dei satelliti la precisione della indicazione temporale delle  immagini o dei nostri video è fondamentale.Grazie ai computers che usiamo possiamo acquisire ed inserire nei video dati temporali estremamente precisi, a patto di sincronizzare il nostro PC con alcuni server NTP e mantenere la sincronizzazione usando dei client appositi.Un'ottima applicazione freeware è NetTime  NetTime - Network Time Synchronization Tool essa sincronizza periodicamente il clock del sistema con un'accuratezza sino a 50 millisecs.

La Calibrazione

Può sembrare strana l'esigenza di dover calibrare le immagini solari , caratterizzate da molta luce e da tempi di integrazione ridottissimi.Tuttavia la nostra strumentazione, telescopio in testa, ed i vari accessori, filtri compresi, non sono perfetti : occorre quindi eseguire una serie di correzioni, del resto comuni a tutte le immagini astronomiche, per ottenere immagini finali depurate da tutti i difetti.Queste correzioni sono le seguenti:

1-OFFSET:detto anche bias frame, l'offset determina il più basso valore che ciascun pixel dell'immagine indica.Si potrebbe pensare che il valore di un pixel non illuminato sia sempre zero, ma non è così, e l'offset tende appunto a riportare questo valore a zero.Esso si ottiene riprendendo una sequenza di frames al più veloce valore di integrazione permesso dalla camera.Nel caso della IS DMK, ad esempio, questo è di 1/10000 di sec e sottraendo il risultato dall'immagine da correggere.

2-DARK la dark frame contiene il segnale associato alla corrente di buio, ovvero al rumore generato dal movimento termico degli elettroni: la corrente di buio aumenta con al'aumentare dell'integrazione e della temperatura, così nelle camere CCD per astronomia si usa un sistema di raffreddamento del sensore per ridurla al minimo:La dark nelle immagini solari si ottiene riprendendo col telescopio oscurato con un tappo allo stesso numero di frames (ad es. 300) ed alla medesima velocità di acquisizione (ad es. 1/15) usata per l'immagine da calibrare, e va sottratta da questa.

3-FLAT FIELD la flat è completamente diversa concettualmente dalle due correzioni precedenti, e rappresenta la foto di una superficie uniformemente illuminata, che ne evidenzia le imperfezioni, come sporcizia o granelli di polvere sul sensore o sugli elementi ottici ad esso vicini (filtri) ovvero la vignettatura del sistema ; l'immagine principale va quindi divisa per la flat per uniformarne il campo e togliere i difetti.

L'Obiettività

L'obiettività discende dall'esigenza di ottenere immagini che riflettano la realtà senza artefatti o alterazioni derivanti dall'uso di algoritmi di enfatizzazione o modifica del segnale originario.La differenza tra immagini esteticamente belle e piacevoli ed immagini utilizzabili per finalità scientifiche è quindi sostanziale.Tali immagini dovranno inoltre essere di un formato senza perdita di informazione, come il Fits o il Tiff

Iniziando la campagna, mi sono posto il problema se potessero essere di qualche utilità le mie immagini spettroeliografiche dell'intero disco solare , e mi è stato confermato che potevo usare quelle in luce Idrogeno beta. Mi sono quindi anche attrezzato per una survey in tale lunghezza d'onda con il mio spettroeliografo digitale VHIRSS.Purtroppo lo strumento è posizionato nel mio appartamento a Roma Montesacro, dove ho una finestra di visibilità del sole di circa 1 h e 1/4, tra le 9.30 e le 10.45 tempo locale, quindi fuori dal tempo di osservazione di IRIS: ho comunque registrato una serie di immagini del disco solare in H beta per ciascun giorno della campagna osservativa.

La strumentazione da me usata

Una volta elencati questi principi di carattere generale, posso passare a raccontare la mia personale esperienza di partecipazione all'iniziativa.

Innanzitutto la strumentazione da me usata,che, è bene precisare, costituisce un caso particolare di quella a disposizione della massima parte degli astrofili che si occupano di osservazione solare.Questi ultimi si dedicano esclusivamente all'osservazione in luce bianca e Halpha (alcuni, pochi , in luce CaK), mentre i miei spettroeliografi di gitali  possono accedere a qualsiasi lunghezza d'onda.

Il primo, VHIRSS, spettroeliografo digitale ad alta risoluzione, è stato usato la mattina dei giorni della survey intorno alle ore 10 locali (8 TU) per la ripresa del disco solare in luce H beta a 4861 A, così come suggeritomi dai coordinatori del progetto.Cio penso sia dovuto al fatto che i flares appaiono più evidenti.Dalla mia postazione casalinga di  Roma Montesacro ho tuttavia  a disposizione una fetta di cielo di 30 ° circa, che mi da una finestra osservativa di circa 1,5 ore, in media tra le 9,15 e le 11,45.

                 VHIRSS, il più efficiente dei miei spettroelioscopi digitali e quello che uso di più, in azione per alcune riprese CCD mattutine per il progetto F -Chroma

Per l'osservazione in luce H alpha a media risoluzione (quella più redditizia ai fini del progetto), ho usato il mio PST modificato su un ottica TAL 100 R da 1000 mm di EFL, nelle foto che seguono visibile con applicato il modulo per il Flat field, dal mio Osservatorio di Ponte di Nona. che mi permette una visibilità del cielo nettamente più ampia.

La procedura seguita con una camera IS DMK 41 AS, una EQ6 ed un Coronado PST modificato con l'ottica di un TAL 100 R

La DMK 41 AS, videocamera  commerciale con sensore Sony ICX 205 AL, da 1/2 " e 1,3 MP (1280 x 960) è la camera che uso normalmente per le riprese solari.Pur essendo ormai superata da altri hardware più recenti, essa ha un'elettronica di buon livello e, cosa ancora più importante, un software completo ed affidabile (IC Capture).

1)  La prima operazione importante, è stata quella di aggiornare l'orologio del computer che uso nel mio osservatorio con l'orario  di Net Time.Non avendo un collegamento internet, ho aggiornato un preciso orologio digitale ed ho trasferita l'ora sul PC con una precisione di 1 sec, non ho potuto fare di più.Per coloro che hanno una connessione internet basta scaricare Net sync tool e farlo girare per avere l'ora sincronizzata ed  esatta .

2) Ho quindi settato il programma di acquisizione IC Capture in modo da inserire nel nome dei Video da acquisire la data e l'ora del PC (in modo da avere dei files tipo "Sun Ha X-X-X  XY-XT-XZ", il numero dei frames in 300, e la velocità di acquisizione massima per la camera (15 Fps).Ho settato luminosità e gain a 0 e il codec al formato senza compressione.

3) Ho inquadrato il sole con l'EQ6 .Il software di detta montatura non prevede il puntamento del sole per motivi prudenziali, ed ho quindi dovuto ricorrere ad un'astuzia: ho controllato con un planetario la stella più vicina al sole (nel mio caso Regolo) ed ho effettuato una routine di allineamento su quella stella, in modo da posizionare il telescopio in prossimità del sole, e, aiutandomi coi movimenti della pulsantiera ho infine inquadrato il sole  nel crocifilo del cercatore (munito di filtro Astrosolar).

IL PC usato per la campagna (notare la copertura di cartone per evitare riflessi di luce sullo schermo)

Armato di buona volontà, nonostante il meteo incerto, ho effettuato riprese solari Hb e Ha nei giorni 19,21, 22 , 24, 25 e 27 settembre. Purtuttavia le immagini del 19, 21 e 25 settembre erano inutilizzabili o non definite  a causa di velature o nuvolosità del cielo, quindi ho inviato al database del progetto solo le immagini acquisite il 22, 24 e 27 settembre.

Ho a tal fine acquisito video di 300 sec (come consigliato nel tutorial del progetto) distanziati tra loro di 10-15 sec in gruppi di 4-6 video, a seconda del grado di interesse e se si scorgesse qualcosa di interessante nel target ,quasi sempre l'AR 12422,regione attiva che si è sviluppata nel corso della campagna e che ha originato numerosi flares, purtroppo quasi tutti fuori delle finestre osservative di IRIS.Ho anche registrato video di 300 sec per la dark, a tele tappato, e per l'offset, mentre per la flat è stato piuttosto problematico acquisire buone immagini: ho comunque usato (vedi foto sotto), un semplice fazzoletto di carta su un supporto, ma l'integrazione è stata di ben 13 sec per 10 frames per ottenere risultati accettabili.La stessa integrazione è stata effettuata per la dark della flat.Detti video sono stati trasformati in immagini con Registax 5.1 facendo la procedura di allineamento e stacking senza alcuna forma di elaborazione, quindi salvate in formato TIFF, lo stesso per  dark,offset, flat e dark della flat.La calibrazione delle immagini  TIFF raw è stata eseguita con Astroart.

Il semplice dispositivo per le flat solari in luce Ha: un fazzoletto di carta montato su un tubo a sua volta inserito nel paraluce del TAL

Durante le osservazioni  lo stato di attività della regione attiva è stato controllato con le immagini del flusso di raggi X fornito dal satellite GOES  http://www.swpc.noaa.gov/products/goes-x-ray-flux

Qui di seguito una immagine composita delle osservazioni in luce H beta del 21, 22, 24, 25 e 27 settembre che mostrano l'incremento di attività  nella AR 12422, in alto al centro:

Qui, invece, una composizione del flare osservato in Luce H alpha col PST modificato sulla AR 12422 il 27 settembre 2015, alle ore 14,21, praticamente quasi a chiusura di campagna: