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   Riprese CCD dalla città a diverse lunghezze d’onda: il caso di M1

Multiband CCD imaging : the M1 case

di  Fulvio Mete

Il problema dell’inquinamento luminoso dei siti cittadini rende molto difficile ottenere, nelle riprese CCD, risultati appena accettabili rispetto a quelli ottenibili da località “astronomiche” spesso situate in zone montane di difficile accesso o comunque lontane da quelle di residenza.Parlo innanzitutto delle grandi e medie città, dove gli appassionati sono costretti a fare  di necessità virtù  dedicandosi esclusivamente alle riprese planetarie , lunari e solari.

The light pollution problem in urban sites makes very difficult to obtain, from such sites, quite acceptable results  respect  to those  from mountain side places, often very far from those amateur astronomers live in.I'm talking about big cities, where amateur can only make lunar, solar and planetary imaging.

Chi scrive risiede a Roma, una megalopoli di tre milioni di abitanti nella quale gli effetti nocivi dell’illuminazione ,stradale e non, sono avvertibili in un cerchio di oltre ottanta km di diametro,ed è pienamente conscio delle difficoltà di poter effettuare, non solo osservazioni, ma anche riprese CCD di oggetti deboli, ad esclusione degli ammassi globulari e delle nebulose planetarie:i primi in quanto ammassi di stelle puntiformi e luminose, e le seconde per le ridotte dimensioni angolari e la conseguente  elevata luminosità relativa che fanno risentire meno gli effetti delle luci cittadine.Il mio può inoltre definirsi un caso da manuale,quello del classico appassionato che abita un appartamento al secondo piano di uno stabile fronteggiato da un altro fabbricato, con meno di 30° di cielo libero ad est, e luci a profusione (Fig.1).Sembrerebbe logico, in tale situazione,  rinunciare ad ogni velleità di ripresa di oggetti deboli, ma non è esattamente così.

I live in Rome, a large city in which the light pollution effects spread over a 60 miles circle, and I'm aware of difficulties of making deep sky objects imaging, except globular clusters and planetary nebulas, the first for their stellar nature, and  the second for their reduced angle extension.My situation is that of many amateurs who lives in a 2 nd floor flat, with a building in front of it, with less of a 30° of free sky to east, and a lot of lights (fig 1).In such a situation it should be resonable to avoid any attempt of deep sky objects imaging, but it isn't exactly as it may seem.

Fig.1-  La visuale dalla postazione osservativa  con l’indicazione approssimata del punto del cielo in cui si trovava M1 al momento delle riprese CCD descritte nell’articolo.Le luci principali sono emesse da lampade al mercurio ed al neon.

The sight from my home balcony observation post: it is shown the point where M1 was at the moment in which the CCD images mentioned in this article were taken.

Negli ultimi tempi sta prendendo piede , tra coloro  che abitano nelle città od in luoghi ad elevato inquinamento luminoso, la tecnica delle riprese di oggetti del cielo profondo, anche estesi, con filtri interferenziali a banda passante molto  stretta (dai 15 a 3 Nm) disponibili oggi in commercio sotto varie marche (Astronomik, Baader, Hoya, Schuler,Idas, etc) , centrati in primo luogo sulla riga Ha dell’idrogeno, ma anche in righe particolari quali l’SII (Zolfo), Hb (Idrogeno Beta) ,  OIII (Ossigeno III), e così via.L’espediente, oltre che a contrastare le immagini degli oggetti stessi, permette di bypassare il problema dell’inquinamento luminoso, dato che le banda passante dei filtri non tocca minimamente le righe di emissione delle luci cittadine, in genere centrate sul mercurio e sul sodio.

Recently is more and more growing the tecnique of DSO imaging from high light pollution places by narrowband filters (from 15 to 3 nm) ,on the market under various brands such Astronomik, Baader, Schuler, Idas, etc.They are first centered on Hydrogen alpha  line, but also on Sulphur, Hydrogen beta, Oxigen III lines and so on.Such a method is useful to bypass the light pollution problem, considering that the filters bandpass leave apart the mercury and sodium emission lines of city lights.

La ripresa CCD di oggetti deboli in bande spettrali strette e selezionate  si dimostra quindi un approccio interessante e promettente per coloro che, non avendo la possibilità o il tempo materiale di escursioni osservative in siti montani, intendono tuttavia mettere a frutto la loro esperienza ed usare la loro strumentazione con una certa continuità, anche in condizioni estremamente sfavorevoli.L’unica controindicazione per l’uso di tali filtri è costituito dal diametro minimo dell’obiettivo del telescopio,che per alcuni di essi, e particolarmente  per quelli a banda passante più stretta,  dovrà necessariamente essere superiore ai 15-20 cm a seconda dei filtri.Nel caso di riprese CCD, è anche necessario che il range di sensibilità spettrale del sensore sia il più esteso possibile, specialmente per la banda UV e IR.

Narrowband CCD imaging is an interesting approach for those who can't go to mountain sides and intend anyway to use their experience and  their instruments in critical conditions too.The only issue in using those filters is the telescope's objective  diameter that, especially for narrower bandpass ones, must be at least 15-20 cm.In the case of UV and IR imaging, is also necessary a wider CCD Q.E. spectral range.

Tale approccio permette altresì, di ottenere risultati interessanti anche dal punto di vista scientifico, oltre che da quello estetico, a patto che i filtri scelti per la ripresa riproducano con una certa  fedeltà quelle che sono le bande spettrali di emissione dell’oggetto: occorre quindi conoscere con sufficiente approssimazione lo spettro dell’oggetto stesso e, sulla scorta di questo, individuare gli elementi che lo compongono valutando, anche sulla base anche della intensità relativa di questi, il tipo di filtri che sarà necessario utilizzare per le riprese e la durata relativa delle esposizioni.

The described method let the observer obtain some interesting results, from the scientific point of vue too, but only in the case that the chosen filters will be able to show exactly the emission wavelenght of the object.It's necessary, then, to know the object's spectrum and, on the indications of this, to find out its elements and consequently the kind of filters to be used and relative duration of CCD integration.

Non si tratta, quindi, di un procedimento banale o superficiale, ma di un processo di approfondimento delle caratteristiche spettrali dei vari DSO che comunque sarà poi utile anche per le osservazioni visuali  ed a livello di cultura scientifica personale.Sia ben chiaro, tuttavia, che non vi è nulla di particolarmente esotico e difficile  nell’approccio proposto, dato che le caratteristiche spettrali dei vari oggetti deboli (nebulose ad emissione, galassie, nebulose planetarie e così via) sono oggi facilmente reperibili sul web con un tocco di mouse.Ritengo quindi utile esporre, un esempio di ripresa CCD di Messier 1,cd. “Crab Nebula”, nella costellazione del Toro, effettuato nello scorso mese di novembre 2006 seguendo il criterio dianzi menzionato .Si tratta, come molti sanno, di una nebulosa ad emissione posta a circa 6300 anni luce da noi, residuo di una supernova esplosa nell’anno 1054, un evento talmente cospicuo da essere visibile nel cielo del periodo per oltre 23 giorni.Caratteristica più evidente dell’oggetto sono i filamenti gassosi che la stella progenitrice ha espulso nell’esplosione, ma un’altra evidenza, seppure meno esplorata a livello amatoriale, è la emissione multi banda , dal dominio dei raggi X a quello delle onde radio, effetto anche dell’emissione della stella di neutroni centrale in rapida rotazione.

It must be clear that there is nothing esotic or difficult in this approach, for spectral characters of DSO (emission and planetary nebulas, galaxies and so on ) are easily found on the web, with a mouse touch.I think useful to show, then, an example of multiband imaging of Messier 1, the so called "Crab Nebula" in the constellation of Taurus, from the city of Rome.The object is, as many people know, a supernova remnant of an event occurred on year 1054, and reported from chinese astronomers too.

 Due parole, prima di tutto, sulla sequenza della procedura usata:

Two words, before all, about the method  used:

1-     Ricerca sul Web, tramite Google od altro motore di ricerca, dello spettro o delle caratteristiche spettrali della nebulosa, digitando, nel motore di ricerca, esattamente le predette parole seguite dal nome dell’oggetto.

        Web search, by Google of spectrum or spectral characters of nebula

2-     Identificazione delle righe principali di emissione e della loro intensità .Nel caso in esame, è stato reperito uno spettro professionale dell’oggetto riportato sul sito di Richard Crisp http://www.narrowbandimaging.com.

      Identification of main emission lines and their intensity.In the case being examined, a professional spectrum of M1 was found on the Richard Crisp website http://www.narrowbandimaging.com.

3-     Da tale spettro (Fig.2 ), compreso tra il 4680 ed i 6730 Angstrom, risulta che circa il 70% dell’emissione in tale banda spettrale  avviene, in misura pressocchè uguale, nelle righe dell Ossigeno III e dell’ SII (Zolfo), risultando l’emissione Ha  circa il 60% della prima, ed condivisa in egual misura con l’NII.

      This spectrum (Fig 2) extended between 4680 and 6730 A shows that about 70% of emission fall in the Oxigen III and Sulphur II lines, resulting the total of Ha and NII  emission about  60% of the first.

4-     Da altro materiale reperibile sul web risulta altresì che la nebulosa possiede una cospicua emissione nel dominio dei raggi X (a causa della pulsar che ospita), dell’UV e dell’infrarosso.

      Other informations found on the web let me know that the nebula presents a strong emission in X ray domain (for the pulsar hosted inside it), and in UV and infrared bands too.

5-     I filtri da usare sono quindi, dando per scontato l’ impossibilità di effettuare riprese X, l’UV, OIII, Ha , SII e IR. E’ interessante, inoltre, osservare che le differenze tra UV a 380 nm e quello a 340 nm, sono molto più evidenti di quanto si possa immaginare sulla base della differenza in Angstrom.

       The filters to be used were, being quite impossible to do Xrays shots, the UV, OIII, Ha, SII and IR.

6-     Sulla base di tali valutazioni,e del materiale in mio possesso, ho scelto un UV 340 Hoya, un UV 380 a banda media (filtro da microscopia in fluorescenza), un UHC + Filtro Verde entrambi di marca Astronomik  (per simulare l’OIII che non possiedo), un Ha da 13 nm di banda passante , un SII ed un filtro IR pass da 742 nm, tutti di marca Astronomik e regolarmente in commercio.

      Following the above mentioned indications and trying to use equipment of my own, I choosed a 340nm Hoya UV filter, a 380 nm UV (from fluorescence microscopy), a set of an UHC + Green filters, both Astronomik (to simulate the OIII band) a 13 nm Ha  a SII and a IR 742  nm filters,all Astronomik made too,regularly on the market.

7-     Le riprese sono state effettuate con una camera CCD Atik  16 HR usata in binning 2x2 per aumentare la sensibilità e campionare meglio la focale di 2000 mm , ottenuta usando un Celestron 11 a f 7, con un riduttore di focale Meade 6,3.I tempi di integrazione sono stati limitati a 20 sec, con la tecnica delle riprese multiple non inseguite, allo scopo di ridurre al minimo l’incidenza residua dell’inquinamento luminoso e gli inevitabili errori di tracking della mia  ottima montatura equatoriale Losmandy G11 ad una focale così elevata.Sono state sottratte  le dark frame e divisi i flat field.Il numero delle immagini ha tenuto conto delle diverse intensità di emissione, privilegiando comunque quelle in UV ed IR, e, soprattutto, quella In UV 340, dato che in tale banda la barriera posta dall’ l’atmosfera e dai vetri in BK7 della lastra correttrice degli Schmidt Cassegrain non permettono che l’arrivo di veramente pochi fotoni sul chip del CCD (a patto che, ovviamente, il chip stesso presenti, come si è detto, una certa sensibilità spettrale e non sia cieco a quella lunghezza d’onda).

     All images were obtained by an Atik 16 HR CCD camera, binned 2 x2 to increase sensitivity and for a better sampling of the focal lenght of 2000 mm, of a Celestron 11 ota @ f 7,with a Meade 6,3 focal reducer.Integration times were limited to 20 secs each, by the multiple unguided images tecnique, in order to avoid possible tracking errors of my mount at such a high FL.Dark frame were substracted and flat fields divided.The frame number was set considering the different emission intensities of the centerwavelenghts being used, and giving much more time to the 340 UV emission, in which the atmosphere limit and the BK7 corrector lens of SC let only a few photons to reach the CCD chip.

8-     La tecnica di elaborazione è stata la seguente:  ottenuta una prima immagine LRGB, questa è stata poi scomposta nei tre canali RGB che la costituivano.Successivamente sono state allineate e sommate le immagini ottenute nelle bande spettrali UV 380, OIII, Ha , SII e IR (quella UV 340 è stata lasciata da parte per la estrema inconsistenza del segnale, e per gli artefatti presenti nell’immagine stessa a seguito dell’elaborazione.) ottenendo una immagine di luminanza multibanda, che è stata combinata con quelle R,G e B di cui si è fatto cenno.Tale accorgimento ha reso, a mio avviso, possibile una resa accettabile dei colori, ed una contemporanea profondità dell’immagine finale, che, dato il peso della luminanza, era una sovrapposizione “a strati” dell’emissione della nebulosa in tutte le bande spettrali.Il procedimento seguito ha quindi permesso:

a)      – la registrazione di una immagine complessiva della nebulosa in tutte le bande di emissione, e quindi completa e più profonda,  anche con dettagli di rilievo, nonostante la  precaria situazione di ripresa;

b)      -  il confronto tra le immagini delle varie bande di emissione, non solo nel visibile, ma esteso a UV e IR, e l’esame delle caratteristiche e particolarità delle stesse.

The processing method was the following: after having got a first LRGB image , from this were extracted the three RGB channels.Furthermore, the images obtained in the spectral band UV 380, OIII, Ha,SII and IR (the one at 340 nm was left apart for the excessive presence of artifacts) were stacked together in order to get a multiband luminance image, that was after combined with the RGB channels before mentioned.This approach make possible, in my opinion, a  final image layered with all the single wavelenght images contributions, with the following results:

a) An  appearance of nebula in all the emission bands, and so ,more deep and complete, notobstanding the bad shooting situation.

b) The comparison between images of different emission bands, not only in visible, but UV and IR too.  

Fig.2-  Spettro di M1 nel visibile, con le principali righe di emissione: notare l’intensità della riga dell’OIII, di quella dell’SII e dell’Ha, che contribuiscono in modo determinante all’emissione complessiva della nebulosa nel visibile.

           M1 spectrum in visible, with the main emission lines: note the OIII , Ha and SII intensity, and their contribution to almost  the whole nebula emission.

Nella Fig 3 è mostrato il confronto tra le immagini riprese nelle singole bande di emissione., con quelle in UV e IR in falsi colori per meglio apprezzarne le caratteristiche.Si nota, in particolare, la rassomiglianza tra la conformazione delle zone interne della nebulosa nell’UV e nell’IR vicino, ed il contrasto accentuato in punti diversi nei filamenti gassosi nelle immagini in Ha e SII.

In Fig.n.3 is shown the comparison between the images shot in the above mentioned emission wavelenghts, with the UV and IR ones in false colours.Note the similar composition of nebula  inner zone in near UV and infrared, and the strong contrast of filaments in Ha and SII images.

Le figure 4 e 5 mostrano, rispettivamente, l’immagine LRGB finale ottenuta come si è detto, ed una elaborazione del “core” di M1 in cui è ben visibile una formazione a forma di Y che  appare soltanto in alcune delle numerose immagini  amatoriali della nebulosa.

Fig 4 & 5 shows the final LRGB image obtained with the before described method and a processed image of M1 core with a "Y" shaped formation that appears only in some amateur images of the nebula.

Nella Fig. 6 è infine, indicata una immagine in alta risoluzione ottenuta nel 2001  col Telescopio “Isaac Newton” da 2,5 metri di apertura nelle Canarie nelle bande dell’OIII, Ha e He II (http://www.ing.iac.es/PR/science/stars.html#supernova)

Fig n.6 shows a Hi res image of M1 by 2,5 meters "Isaac Newton Telescope" located in The Canarias Islands, in the OIII, Ha, He II wavelenghts.

Fig.3-   Composizione delle immagini ottenute nelle bande di emissione dall’UV all’IR.Si nota lo scarso dettaglio di quella in UV 340 rispetto a quella in UV 380 dovuta  anche alla barriera posta dall’atmosfera e dalla lastra correttrice degli Schmidt-Cassegrain alla radiazione UV media.Si notano, altresì, l’intensità dei filamenti gassosi nelle immagini in Ha e SII, sebbene focalizzata in punti diversi, e la sostanziale somiglianza della forma della parte centrale nelle immagini UV e IR.

Images of various bands from UV to IR .Note the poor detail of the 340nm image, due to the atmosphere  and the corrector lens of SC , that interpose a strong barrier to UV radiation,  the different intensity of filaments in Ha and SII images, and the similar shape of the central part of nebula in UV and IR.

Fig.4-  Immagine LRGB risultante dalla composizione della luminanza- somma delle immagini filtrate nelle varie bande spettrali ed i frame R, G B senza filtri.Risulta evidente , nonostante la precarietà delle condizioni di ripresa, la profondità dell’immagine della nebulosa, risultante dalla stratificazione degli apporti delle emissioni dei diversi tipi di radiazione.

Final LRGB image,deep enough  considering the observing  site, for layering of different bands images( up), and the center of image itself processed, with a Y shaped formation

  Fig.5-   Particolare della zona centrale dell’immagine LRGB, che mostra delle caratteristiche interessanti, quali anelli concentrici ed    una formazione ad Y che non è sempre visibile in tutte le immagini amatoriali dell’oggetto

Fig.6- Immagine della Nebulosa ottenuta nel 2001 dal Telescopio “Isaac Newton” da 2,5 mt nelle Canarie, nelle bande OIII, Ha e He II.

          Isaac Newton Telescope image in OIII, Ha and He II wavelenghts