Inseguendo la stella cometa: fotografia stellare e rotazione terrestre

Il cielo sopra i sobborghi di Tokyo
(Orione è in basso al centro)
100+ frame 30 secondi f3.5
iso 800, canon

In altri post abbiamo accennato alla possibilità di fare delle fotografie astronomiche semplicemente  con una macchina fotografica ed un treppiede. Anche da cieli abbastanza inquinati dal punto di vista luminoso e dello smog come quelli italiani e giapponesi è possibile ottenere dei risultati discreti (e persino spettroscopia stellare) con solo un pizzico di pazienza ed attenzione. 

Effettuando molte foto in sequenza in campo largo (ossia senza zoom) diventa evidente il movimento  apparente della volta celeste dovuta alla rotazione della Terra sul suo asse. Se la macchina fotografica è una reflex la cosa più semplice è comprare un pulsante di scatto remoto (circa 15 euro su ebay). Se si ha una canon si può installare CHDK, un programma sulla memoria che permette di aggiungere una infinità di funzioni alla propria macchina digitale. Alla peggio un po di nastro adesivo sul pulsante di scatto funziona altrettanto bene. 

Se le batterie sono cariche si riesce a fare foto per qualche ora. Per sommarle è possibile utilizzare un programma a pagamento come imagestacker (selezionando l'opzione di prendere il pixel più luminoso, ossia quello della stella, dalla sequenza di immagini). In alternativa ci sono anche programmi freeware come deep sky stacker (che però è più complesso e maggiormente orientato all'allineamento delle immagini in maniera da sovrapporre gli stessi punti l'uno sull'altro). 

Per aumentare il contrasto è possibile usare photoshop, soprattutto l'opzione curves, per aumentare la luminosità delle stelle ed abbassare quella del fondo cielo. Puntando l'obiettivo verso la stella polare l'effetto sarà ancora più spettacolare. 

Il cielo sopra Pietraforte (Sx) e Montorio in valle  (alto a Dx).
La traccia verticale in alto al centro è probabilmente una flare di un satellite dell'Iridium.
200+ frame, f3.5 10s iso 800 canon

Un rivelatore di particelle elementari nascosto nella vostra macchina fotografica

La foto della galassia, con il raggio
cosmico indicato dalla freccia

Lo sviluppo delle macchine fotografiche digitali ci consente di avere a nostra disposizione uno strumento astronomico potentissimo, anche senza utilizzare un telescopio. In alcuni post precedenti è stato accennato a come osservare pianeti e  lune, studiare  la luce delle stelle ed  effettuare anche  una semplice analisi spettrale.

Il rivelatore al silicio della macchina fotografica può essere utilizzato anche come rivelatore di particelle elementari. I raggi cosmici che colpiscono la terra sono per lo più assorbiti dall'atmosfera terrestre, per cui al livello del suolo abbiamo per lo più muoni, fratelli maggiori degli elettroni in quanto più massivi. 

Nel corso di una sequenza di foto ho avuto la fortuna di trovare una traccia di un raggio cosmico che ha colpito direttamente la CCD della macchina fotografica. Non si tratta di luce, in quanto le stelle - idealmente puntiformi - appaiono nella foto come piccoli dischi di qualche pixel di estensione. 

E' possibile cercare di risalira a che particella fosse da questi indizi:

Uno zoom del raggio cosmico, la cui interazione
con il sensore della macchina fotografica
ha dato la traccia bianco/porpora verticale.
I cerchietti luminosi sono le stelle, non
perfettamente a fuoco. 

1) Il sensore della Canon Kiss X3 è 22.3 * 14.9 mm, con ciascun pixel delle dimensioni di 4.7 micron. La traccia è lunga circa 90 pixel, quindi circa 450 micron nel silicio.

2)  L'elevato rilascio di energia ha prodotto una traccia molto "luminosa", bianco / violetta, probabilmente originata in basso a sinistra e diretta verso l'alto a destra. 

3) La traccia non è perfettamente dritta probabilmente per lo scattering multiplo del raggio cosmico nel silicio, che si comporta come la pallina nel flipper microscopico del sensore della macchina fotografica.

 Anche se i muoni sono le particelle maggiormente presenti nei raggi cosmici, la loro interazione è quasi trascurabile e per lo più eliminata dal coating  di protezione del sensore (che scherma anche dalle particelle radioattive). Le CCD astronomiche sono più sensibili ai raggi cosmici perché volutamente sprovviste di questa protezione. Un protone di bassa energia si sarebbe fermato prima e soprattutto sarebbe "rimbalzato" di meno nel silicio del sensore. 

L'indiziato principale dovrebbe essere un elettrone od un positrone (elettrone positivo), prodotto nelle  interazioni nell'atmosfera.

Il numero di eventi è comunque molto basso, uno per nottata o meno, ma ciò non dovrebbe far scoraggiare. L'esperimento è molto semplice e può essere ripetuto dentro casa, avendo cura di lasciare la macchina fotografica in condizioni di buio perfetto.

Sommando qualche decina di foto si evidenzia
la traccia delle stelle nel cielo notturno.
La galassia appare come una nuvola indistinta.

Simple astronomy with digital camera / デジカメで手軽に天文学

This post is based on a stand the JEM-EUSO group  prepared for RIKEN open campus, in April 2012. 

After the Venus passage we do not need to stop with backyard astronomy: With current quality of digital cameras everyone can take good astronomical pictures. They will not be detailed as those of Hubble Space Telescope, but you can have a lot of fun discovering the universe with your own eyes.

You only  need a tripod or a place to set your camera steady, any camera will work:

If your camera has fixed setting, choose night, or star.

If you can change settings manually usually it is better to choose largest aperture, long exposure, set the manual focus to infinity, ISO 400 or higher. 

Moon, stars, nebulae and the planets are easily accessible: start using the settings in the pamphlet  and experiment with your own!

The poster prepared fo RIKEN open campus 2012. Click to enlarge
Special thanks to I. Kaneko for the graphic layout and to H. Miyamoto
for the Japanese translation.

誰でもデジタルカメラで天体の写真をとることができます。ハッブル宇宙望遠鏡みたいな性能はなくても、自分の目でたくさんの天体を発見するのはすごく楽しいですよ。必要なのはカメラを固定する三脚だけ。どんなカメラでも大丈夫。

カメラを固定したら夜空に向けてみましょう。特定の星を選んで向けてみても良いです。手動でカメラの
設定を変えられるなら、絞りを最大、露光時間を最長、焦点を無限大に合わせて、ISOを400かそれ以上にすると良いでしょう。それが終わったらたくさんのターゲットの中から見たいものを選びましょう。

L'orizzonte, lo spazio, e la terra dal finestrino dell'aereo

Le distanze dall'aereo: foto scattata al sorgere del sole, sopra
la Mongolia, guardando verso est in un volo Roma-Tokyo
a marzo. L'aereo era diretto verso sud-est.   

Nei voli internazionali gli aerei commerciali volano ad una quota di 33000 piedi, che nel Sistema Internazionale corrispondono 10058 metri. 

Da questa quota è possible godere di un ampio panorama: l'orizzonte si trova infatti a 358 km di distanza. Questo ci permette di stimre le distanze e le dimensioni dei fenomeni che osserviamo dall'aereo. La foto è stata scattata  in un volo Roma-Tokyo, al momento del sorgere del sole, con una  Canon SX30is con lunghezza focale di 24 mm equivalenti. L'orizzonte si estende orizzontalmente per circa 380 km, con le nuvole ed il grosso del pulviscolo (la parte rossa) che si innalzano sino ad 11 km di altezza.  Il sole era già sorto sulla destra (est sud-est) dell'immagine, ma sulla sinistra (nord-ovest) era ancora notte.  La forma della struttura triangolare luminosa è dovuta (probabilmente) alla diffusione della luce da parte dell'atmosfera: ad est il sole è più alto e la quantità di luce  dispersa nell'atmosfera è maggiore. Ad ovest invece i raggi sono appena radenti per via della curvatura terrestre. In ogni caso è possibile osservare l'ideale linea di confine che separa la terra dallo spazio: la banda luminosa sulla destra si erge infatti per circa 100 km, 20 in più di quanto necessario volare per "diventare astronauti". La stazione spaziale internazionale si trova  a circa quattro volte questa altezza.

La foto originale. 

Nota 1

La distanza dell'orizzonte D dipende dall'altezza H  cui ci troviamo secondo la formula H=radice(2*H*R)

dove R=6380km è il raggio terrestre. Al mare ad un'altezza di  un metro vediamo sino a 3.5km, sulla torre Eiffel possiamo idealmente raggiungere i 65km di distanza ed i 200km da una montagna alta 3000 m. Dalla Stazione Spaziale il campo di vista supera i 2000km, ma non permette di osservare il disco completo della terra: per quello bisogna superare i 1000 km di altezza. 

Nota 2

Ciascuna macchina fotografica ha un campo di vista che dipende dalla lunghezza focale (lo zoom) dell'apparecchio: focale piccola = grandangolo, focale grande = teleobiettivo. Poiché le digitali compatte hanno sensori più piccoli delle vecchie 35 mm  a pellicola, la lunghezza focale è spesso espressa in 35 mm equivalenti: una lente da 50mm ha un campo di vista di circa 40 * 27 gradi. 

La foto aveva una lunghezza focale di 24mm (questi valori sono contenuti nei dati Exif leggibili con vari programmi) ed un campo di vista di 65*48 gradi (una calibrazione precisa del campo di vista della macchina fotografica si può effettuare con la luna, ma ne parleremo una prossima volta). Dal numero di pixel della macchina otteniamo circa 66 pixel per ciascun grado di campo di vista. Con Photoshop o qualunque altro programma è poi semplice misurare le varie altezze.