README http://www.astrohk.cz/observer.html kodování češtiny iso-8859-2 Miroslav Brož (miroslav.broz@email.cz), 22. 5. 2002 -------------------------------------------------------------------------------- NÁVOD A SOFTWARE PRO ABSOLUTNÍ STANDARDNÍ CCD FOTOMETRII M. Brož (1, 4), M. Lehký (2), O. Pejcha (3), M. Wolf (4) 1 Hvězdárna a planetárium Hradec Králové, Zámeček 456, 500 09 Hradec Králové, miroslav.broz@email.cz 2 Astronomická společnost v Hradci Králové, Národních mučedníků 256, 500 09 Hradec Králové, makalaki@astro.sci.muni.cz 3 MEDÚZA, pejcha@volny.cz 4 Astronomický ústav MFF UK, V Holešovičkách 2, 180 00 Praha, wolf@mbox.cesnet.cz Obsah 1. Úvod 2. Základní termíny 3. Co návod obsahuje? 4. Co v návodu nenajdete? 5. Praktikovo hledisko 5.1 Doporučení pro CCD fotometrii 5.2 Popis souborů a programů 6. Nezbytná teorie a vysvětlení algoritmů 7. Reference 8. Doplňující poznámky -------------------------------------------------------------------------------- 1. ÚVOD Pozorovatel, který se zabývá CCD fotometrií proměnných hvězd, je záhy nucen porovnávat svá měření s jinými pozorovateli, jenž jsou však vybaveni jinými dalekohledy, filtry s odlišnou propustností a CCD kamerami s obecně jinou spektrální citlivostí. Důsledek je zřejmý - změřené hvězdné velikosti proměnné hvězdy budou u jednotlivých pozorovatelů různé, přestože měření probíhalo ve stejném čase. Návod a software pro absolutní standardní CCD fotometrii (dále jen Návod) je určen právě zkušenějším CCD pozorovatelům; umožní jim přepočítat hvězdné velikosti tak, aby je mohli porovnávat a nakonec publikovat v odborné literatuře. Předtím, než přejdeme k vlastnímu obsahu Návodu, však musíme vysvětlit několik základních termínů. -------------------------------------------------------------------------------- 2. ZÁKLADNÍ TERMÍNY diferenciální hvězdná velikost - rozdíl h. v. dvou objektů, např. proměnné hvězdy a srovnávací (značí se často V-C), nebo dvou srovnávacích hvězd. absolutní hvězdná velikost - a. h. v. je přímo rovna h. v. objektu, slova absolutní se užívá pouze pro důrazné odlišení od diferenciálních h. v. V celém textu a. h. v. NEZNAMENÁ h. v. ve vzdálenosti 10 pc, což bývá obvyklý význam termínu. instrumentální h. v. - h. v. změřená nějakým pozorovatelem (tj. nějakým optickým systémem, CCD kamerou a redukčním softwarem). Pro různé pozorovatele je obecně různá (i když fotometrují tentýž objekt v témže čase). standardní h. v. - h. v. změřená pomocí přesně definovaného optického systému, filtrů, detektoru záření a podmínek. Tomuto souboru a zavedným h. v. se říká fotometrický systém. Fotometrických systémů je samozřejmě zavedeno více, my jsme z nich vybrali systém nazvaný JOHNSON-KRON-COUSINS (viz níže teoretickou kapitolu o fotometrických systémech). Doporučujeme zapamatovat si následující schéma: DIFERENCIÁLNÍ x ABSOLUTNÍ INSTRUMENTÁLNÍ x STANDARDNÍ V následujícím textu budeme pojmy různě kombinovat a je velmi důležité jim správně pozorozumět! (Ostatní užité termíny vysvětluje např. Vanýsek (1980).) -------------------------------------------------------------------------------- 3. CO NÁVOD OBSAHUJE? Podrobně popsaný postup, jak transformovat instrumentální (ať už diferenciální nebo absolutní) hvězdné velikosti na standardní. Nedílnou součástí Návodu je i software, pomocí kterého lze výpočty provést. Postup bude popsán nejprve z uživatelského, praktického hlediska; uvedeme osvědčená doporučení pro vlastní fotometrická CCD pozorování a jejich redukci. V závěrečné části ale přiblížíme také příslušnou teorii. Návod, software a všechny další potřebné materiály (katalogy standardů, mapky pro vyhledání Landoltových polí, atd.) je možné stáhnout z WWW adresy: http://www.astrohk.cz/observer.html, sekce "Absolutní fotometrie". Software je v současnosti navržen především pro práci v prostředí operačního systému LINUX. (Jednotlivé programy je však možné zkompilovat pro MS DOS, stejně tak je pod DOSem nebo Windows možné spouštět AWK skripty nebo gnuplot - případné úpravy pro toto prostředí přenecháváme jiným. -------------------------------------------------------------------------------- 4. CO V NÁVODU NENAJDETE? Nehledejte v následujícím textu návod na to, jak pracovat s CCD kamerou, jak provádět pozorování, jak vyhledávat objekty na obloze, ani jak fotometrická měření redukovat. Jak jsme již uvedli, Návod je beztak určen zkušeným CCD pozorovatelům, u nichž tyto znalosti přepokládáme. Začínající pozorovatele odkazujeme na Šarounová (???), Hroch (???), ???. -------------------------------------------------------------------------------- 5. PRAKTIKOVO HLEDISKO Nejčastější úlohou, se kterou se "praktik" setká, je převod instrumentálních diferenciálních hvězdných velikostí (nějaké proměnné hvězdy) na standardní h. v. Přitom srovnávací hvězda (již proměřená, se známou standardní absolutní h. v.) je v tomtéž poli (v zorném poli CCD kamery). Řešení je následující: - Na URL http://www.astrohk.cz/observer.html, v sekci Download si stáhněte poslední verzi Návodu (soubor absolut_*.tar.gz). - Pozorujte proměnnou hvězdu simultánně VE FILTRECH (měření pouze v jednom filtru nelze převést na standardní!). - Redukujte CCD snímky proměnné hvězdy obvyklým způsobem pomocí Munipacku (na výstupu získáte soubory se sloupci MJD, V-C, chyba V-C (s1), V-C1, s2, V-C2, s3, C-C1, s4, C-C2, s5, C1-C2, s6. - Upravte munipackovské soubory do tvaru, jaký má např. ./priklady/*/DXAnd_010822-010919_VRI_LEH.dat (tzn. spojit a doplnit "# FLT "). - Nasnímejte ve filtrech nějaké standardní pole. (Řiďte se přitom doporučeními uvedenými v následující kapitole.) K vyhledání polí mohou pomoci ./mapky/ nebo katalog ubvri.edb, který lze načíst do XEphemu a podle něj pak plánovat pozorování. - Redukujte měření standardního pole Munipackem, na výstupu však nechte vypsat ABSOLUTNÍ hvězdné velikosti všech standardních hvězd v poli. - Doplňte do hlavičky souboru klíčové slovo "# CMP" a za něj seznam jmen standardních hvězd (viz katalog ubvri.dat), přesně v tom pořadí, v jakém jste je "naklikali". - Programem ubvri1 si spočítejte transformační koeficienty (viz ./priklady/1/). Kontrolujte správnost výpočtu pomocí generovaných obrázků *.png. - Programem ubvri2 převeďte instrumentální diferenciální magnitudy na standardní (viz ./priklady/???/). Další, složitější aplikace Návodu (zejména proměření srovnávacích hvězd v neznámém poli), jsou uvedeny v dalších příkladech (viz ./priklady/*/README). -------------------------------------------------------------------------------- 5.1 Doporučení pro CCD fotometrii Při pozorování standardních polí a zpracování dbejte následujích doporučení: - PRO KAŽDÝ STANDARDNÍ FILTR, který vlastníte, pořiďte ALESPOŇ 5 SNÍMKŮ alespoň VE 2 NOCÍCH (tj. pro filtry V, R, I celkem 5*3*2 = 30 snímků). Nejlepší je filtry střídat po každé expozici (tj. dělat např. sekvenci UBVRIUBVRI...). Pouze pokud by Vám to činilo technické potíže, snímejte sekvenci UUUUUBBBBBVVVVVRRRRRIIIII. () - Přesně zaměřte dalekoled, snažte se, aby v zorném poli bylo co nejvíce standardních hvězd (viz hledací mapky, na kterých jsou vyznačena i zorná pole 15' x 10' a 9' x 7'). - Zvolte vhodnou expoziční dobu, tak aby ty nejjasnější STANDARDNÍ hvězdy ještě NEBYLY PŘEEXPONOVANÉ (přesněji, aby signál byl v "lineární oblasti" citlivosti CCD čipu). Ostatní jasné hvězdy na snímku přeexponované být mohou. Pro každý filtr bude vhodná expoziční doba jiná! - Nezapomeňte také na potřebné flat-fieldy (pro každý filtr má být jiný!) a dark-framy (ty na filtru nezávisí). -------------------------------------------------------------------------------- 5.2 Popis souborů Následuje přehled jmén důležitých souborů, programů a skriptů, stručná charakteristika jejich funkce. Podrobnosti viz v příkladech (v adresáři ./priklady/), u skriptů *.awk je dále možno užít přepínač "-h" pro krátkou nápovědu. ubvri.dat - katalog fotometrických standardů, reference viz v souboru ubvri1 - výpočet transformačních koeficientů ubvri2 - převod diferenciálních instrumentálních hvězdných velikostí na standardní (tj. aplikace transformačních vztahů) ubvri3 - výpočet extinkčních koeficientů ubvri4 - převod absolutních instrumentálních hvězdných velikostí na standardní (při znalosti transformačních i extinkčních koeficientů) ubvri1.awk - zobrazení a kontrola výstupu ubvri1 (příkazový soubor pro Gnuplot) ubvri2.awk - zobrazení a kontrola výstupu ubvri2 (příkazový soubor pro Gnuplot) ubvri3.awk - zobrazení a kontrola výstupu ubvri3 (příkazový soubor pro Gnuplot) ubvri4.awk - zobrazení a kontrola výstupu ubvri4 (příkazový soubor pro Gnuplot) ubvri5.awk - středování transformačních koeficientů změřených z různých standardních polí ubvri6.awk - konverze datového souboru s absolutními magnitudami na diferenciální ubvri7.awk - k diferenciálním (standardním) hvězdným velikostem připočti hvězdnou velikost srovnávací hvězdy ubvri8.awk - průměrování hvězdných velikostí (v každém filtru zvlášť) ubvri9.awk - podle časů (MJD) měření v prvním filtru interpoluj měření v ostatních (1 až 4) filtrech ubvri1?.awk - ostatní pomocné skripty, které se neužívají přímo Formát vstupních a výstupních souborů je nejlépe patrný z příkladů jednotlivých aplikací (viz ./priklady/*/README). Zde jen zdůrazníme, že vstupní datové soubory (s instrumentálními hvězdými velikostmi) jsou velmi podobné výstupním souborům Munipacku (Hroch, ???), resp. jeho nadstavby Variables/Photometry (Brož, 2002). Bývá do nich potřeba pouze ("ručně") doplnit několik klíčových slov (vždy je před nimi znak komentáře "# "): CMP - seznam jmen měřených standardních hvězd separovaný čárkami; na konci seznamu je možné uvést slovo "DIF [číslo]" určující, která hvězda se bude odečítat při výpočtu diferenciálních magnitud FLT - oddělovač sekcí, ve kterých jsou data pořízená v jednotlivých filtrech RA, DE - rektascenze a deklinace středu pole (pro výpočet vzdušné hmoty) -------------------------------------------------------------------------------- 6. NEZBYTNÁ TEORIE A VYSVĚTLENÍ ALGORITMŮ Proměnné (v celém textu) označujeme takto: u, b, v, r, i ... instrumentální absolutní hvězdné velikosti v jednotlivých filtrech, U, B, V, R, I ... standardní absolutní hvězdné velikosti (mohou být i katalogové), du, db, dv, dr, di ... instrumentální diferenciální hvězdné velikosti, dU, dB, dV, dR, dI ... standardní diferenciální hvězdné velikosti, Au, Bu, Ab, Av, Ar, Ai, Bi ... transformační koeficienty Cu, Cb, Cv, Cr, Ci ... jiná sada transformačních koeficientů pro jiné rovnice Xu, Xb, Xv, Xr, Xi ... extinkční koeficienty M ... vzdušná hmota dM ... rozdíl vzdušných hmot (pro dvě pole, nebo dva CCD snímky v různé výšce) Uvažované transformační vztahy jsou následující: dU = dv + Au * (db - dv) + Bu * (du - db) - Xu * dM dB = dv + Ab * (db - dv) - Xb * dM dV = dv + Av * (dv - dr) - Xv * dM dR = dv + Ar * (dv - dr) - Xr * dM dI = dv + Ai * (dv - dr) + Bi * (dr - di) - Xi * dM Pokud hledáme vztah mezi du, dU, Au, Bu, atd. pro hvězdy na jednom CCD snímku, je zřejmě dM = 0 a transformace se dále zjednoduší. Někdy uvažujeme jednodušší transformaci ve tvaru: dU = dv + Cu * (du - dv) - Xu * dM dB = dv + Cb * (db - dv) - Xb * dM dV = dv + Cv * (dv - dr) - Xv * dM dR = dv + Cr * (dv - dr) - Xr * dM dI = dv + Ci * (dv - di) - Xi * dM Nebo transformaci s absolutními hvězdnými velikostmi a členy: U = u + Du * (u - b) + Eu - Xu * M B = b + Db * (b - v) + Eb - Xb * M V = v + Dv * (v - r) + Ev - Xv * M R = r + Dr * (v - r) + Er - Xr * M I = i + Di * (r - i) + Ei - Xi * M Nebo bilineární transformaci tvaru: U = u + Fu * (b - v) + Gu * (u - b) + Hu - Xu * M B = b + Fb * (b - v) + Gb * (u - b) + Hb - Xb * M V = v + Fv * (v - r) + Gv * (r - i) + Hv - Xv * M R = r + Fr * (v - r) + Gr * (r - i) + Hr - Xr * M I = i + Fi * (v - r) + Gi * (r - i) + Hi - Xi * M Nebo inverzní transformaci se standardními hvzdnými velikostmi na pravé straně: u = U + Du * (U - B) + Eu - Xu * M b = B + Db * (B - V) + Eb - Xb * M v = V + Dv * (V - R) + Ev - Xv * M r = R + Dr * (V - R) + Er - Xr * M i = I + Di * (R - I) + Ei - Xi * M Při použití přesně standardního optického systému, filtrů a detektoru, by měly mít výše zavedené koeficienty tyto hodnoty: Au = 1; Bu = 1; Ab = 1; Av = 0; Ar = -1; Ai = -1; Bi = -1; Cu = 1; Cb = 1; Cv = 0; Cr = -1; Ci = -1; Du = 0; Eu = 0; Db = 0; Eb = 0; Dv = 0; Ev = 0; Dr = 0; Er = 0; Di = 0; Ei = 0; Fu = 0; Gu = 0; Hu = 0; Fb = 0; Gb = 0; Hb = 0; Fv = 0; Gv = 0; Hv = 0; Fr = 0; Gr = 0; Hr = 0; Fi = 0; Gi = 0; Hi = 0; ??? -------------------------------------------------------------------------------- 7. REFERENCE Šarounová, L.: Jak pořídit hezký CCD snímek. http://www.asu.cas.cz/~lenka/prednasky/318ccd.htm, ???. Šarounová, L.: Vlivy atmosféry na CCD pozorování - proč pro fotometrii používáme filtry a jak dělat kalibrace. http://www.asu.cas.cz/~lenka/prednasky/318ext.htm, ???. Wolf, M. aj.: Astronomická příručka. Academia, Praha, 1992. Hroch, F.: Munipack. http://munipack.astronomy.cz, 2002. Brož, M.: Variables/Photometry: http://www.astrohk.cz/observer.html, 2002. Numerical Recipes. http://www.nr.com Návod k CCD kameře DX And CCDOPS SBIG. http://www.sbig.com IRAF. http://iraf.noao.edu Vanýsek, V.: Základy astrofyziky. Academia, Praha, 1980. Forbers, D., Dawson, P., C.: A photoelectric BVRI sequence in the field of the globular cluster NGC 6205 (M 13). PASP, 98, s. 102-103, 1985. Schild, R., E.: CCD photometry of M 67 stars useful as BVRI standards. PASP, 95, s. 1021-1024, 1983. Landolt, A. U.: UBVRI Photometric Standard Stars in the Magnitude Range 11.5 < V < 16.0 around the Celestial Equator. Astron. J., 104, s. 340, 1992. Galasi-Enriquez, D. aj.: Secondary UBVRI-CCD standard stars in the neighbourhood of Landolt standard stars. Astron. Astrophys. Suppl. Ser., 146, s. 169-177, 2000. Mikulášek, Z.: Záludné nejmenší čtverce. Perseus 4/2001. Brož, M.: Ag. http://www.astrohk.cz/observer.html, 2002. Hroch, F.: Nightview. http://www.physics.muni.cz/mb/nightview/, 2002. XEphem. http://www.clearskyinstitute.com/xephem/ ??? -------------------------------------------------------------------------------- 8. DOPLŇUJÍCÍ POZNÁMKY Návod je stále v neustálém vývoji. Poděkování patří P. Sobotkovi, Z. Mikuláškovi, F. Hrochovi a L. Královi za pomoc různého druhu. Podle referencí je M67, M13, Landolt (1992) i Landolt (1983) (ke kterému je vztažena práce o M13) v Johnson-Kron-Cousins systému. Do katalogu ubvri.dat budou doplněna Stetsonova pole a proměřené srovnávačky na mapkách skupiny MEDÚZA. --------------------------------------------------------------------------------