======================================================================== 11. kapitola o CCD Charge Coupled Device = zařízení vázající náboj <- vlastně soustava kondenzátorů (fotodiod, PN přechodů) s potenciálovými jámami, ve kterých jsou "uvězněné" elektrony uvolněné z polovodiče (PN přechodu) FOTOELEKTRICKÝM JEVEM fotoelektrický jev (Einstein 1905): - pro záření s energií kvant (frekvencí) menší než určitá kritická se z kovu neuvolní ŽÁDNÉ elektrony BEZ OHLEDU NA MNOŽSTVÍ, ale po překročení je náboj přímo úměrný intenzitě záření (mikroskopicky to odpovídá kvantování energie záření a překročení ionizační energie atomů kovu). v 80. letech 20. století zařízení způsobilo revoluci v astronomii, protože je o řád citlivější než fotografie a dnes má i vyšší rozlišení organizovaný posun nábojů ven z matice způsobovaný změnami potenciálů na PN přechodech -> časově proměnný elektrický proud na výstupu -> zesilovač -> A/D převodník -> číselná matice A (s hodnotami ADU) odpovídající energii záření absorbované na jednotlivých pixelech OBR struktury CCD čipu a posunu nábojů OBR D/A převodník a komparátor => A/D převodník ADU (Analog Digital unit) - bezrozměrní INSTRUMENTÁLNÍ jednotka odpovídající energii signál nabývá hodnot od 0 do 2^N, kde N je počet bitů A/D převodníku (8, 12, 16) (65536 u astronomických CCD kamer, 255 nebo 4096 u digitálních fotoaparátů) pozn. o nastavení citlivosti ISO u digitálních fotoaparátů = zesílení na zesilovači pozn. o barevných snímcích: předřazení filtrového karuselu UBVRI před celý čip (u digitálních fotoaparátů jsou fixní matice s filtry RGGB před každým pixelem; u některých kamer dichorický hranol rozdělující záření na trojici čipů). ukázky zařízení s CCD prvky: CCD kamera SBIG PixCel 255, digitální fotoaparát Canon PowerShot A85, počítačová myš, atd. OFFSET, DARK a FLAT <- základní redukce snímku ------------------- nulový proud (offset, O): - přidaný elektronicky kvůli zápornému šumu a A/D převodu - co nejkratší expozice se zakrytým objektivem temný snímek (dark frame, D): - tepelný šum, elektrony emitované polovodičem bez vnějšího záření - stejně dlouhá expoziční doba jako u snímku objektu, ale se zakrytým čipem výrazná závislost na teplotě -> chlazení čipu Peltierovým článkem, kapalným dusíkem rovnoměrné pole (flat field, F): - koriguje nerovnoměrnou citlivost čipu, prachová zrníčka, vinětaci dalekohledu - snímek rovnoměrně osvětlené plochy nebo oblohy při svítání, kdy už nejsou vidět hvězdy (signál asi v polovině rozsahu ADU) máme tedy matice A (tj. snímek) O D F -> A' (jako výsledný snímek) operace s nimi: A' = (A-D-O) / (F-D-O) (pixel po pixelu) praktická ukázka pořízení korekčních snímků v učebně a redukce snímku oblohy ------------------------------------------------------------------------ ŠUM - Jaké jsou jeho zdroje? ---------------------------- - poissonovský šum (fotonový, od hvězdy, od oblohy) - temný proud (tepelný), také poissonovský - vyčítací šum (také tepelný), který vnáší zesilovač před A/D převodníkem; není poissonovský, ale "jednorázový" (=> druhá mocnina vvv) - kvantizace hodnot při A/D převodu POISSONOVSKÁ STATISTIKA dobře popisuje emisi fotonů, protože: - jde o NÁHODNÝ proces - STŘEDNÍ doba mezi emisemi je konstantní - tato doba NEZÁVISÍ na předchozí emisi Její důležitou vlastností je, že si mohu VYPOČÍTAT ŠUM (noise N) ZE SIGNÁLU (signal S) jako: N =~ sqrt(S) Jednotlivé šumy se přitom sčítají jako: N = sqrt(N_star^2 + N_sky^2 + N_dark^2 + N_readout^2) takže výsledný poměr signál/šum je: S/N = S_star / sqrt(S_star + S_sky + S_dark + N_readout^2) protože S \propto expoziční době t => poměr S/N roste NANEJVÝŠ jako ODMOCNINA z expoziční doby! OBR S/N(expoziční doba t) =~ sqrt(t) při skládání snímků PŘED pozorováním si volím, jaký chci S/N a podle toho pozorování plánuji! přibližně: pro S = 100 je N = 10 % * S, pro S = 10000 => N = 1 % * S součet 2x2, 3x3 nebo více pixelů (binning) => zvýšení S/N za cenu ztráty rozlišení při operacích se snímky (odečítání, dělení) se šumy také sčítají v kvadrátech (proto je vhodné používat PRŮMĚRNÝ offset, dark a flat z několika RŮZNÝCH snímků) ------------------------------------------------------------------------ ASTROMETRIE ----------- - poloha zdroje záření na CCD čipu se sub-pixelovou přesností <- výpočet 2-D těžiště (CENTROIDu) v dané APERTUŘE: T(x,y) = (Suma_aperturu x*ADU / Suma ADU, Suma y*ADU / Suma ADU) ^^^ UKÁZKA v programu ccdview - porovnání polohy s okolními hvězdami, jejichž polohy (RA, DE) na obloze znám <- výpočet metodou nejmenších čtverců (LSM) - katalog USNO 2.0 - astrometrie PSF v přeplněných polích (např. kulových hvězdokupách) Point Spread Function -> odezva atmosféry/dalekohledu/kamery na bodový zdroj záření v nekonečnu -> typicky 2-D gaussovský profil o nějaké typické pološířce (třeba 1 arcsec na obloze => určitý počet pixelů na čipu, třeba 4x4). Jaké je ZORNÉ POLE kamery při dané velikosti zobrazovacího prvku D? tg alpha/2 = D/2 / f V tomto zorném poli musím mít dostatečný počet vhodně jasných srovnávacích hvězd! (Přejíždět sem-tam nemohu, to by degradovalo přesnost.) Jaká velikost jednotlivého pixelu D' je vhodná pro astrometrii? D' = 2 * f * tg alpha'/2 (tj. tentýž vztah) -> musím vzorkovat PSF větším počtem pixelů než 1 ("mřížka") -> seeing je u nás typicky 2" -> průměr hvězdy vychází několik " -> alpha' má být méně než 2" -> při ohnisku f = 2 m je D' = 2 * 2 m * tg 2"/2 \doteq 4 * 1/60 * 1/(60*60) m \doteq 20 mikronů => při daném f mi z toho plyne ZÁROVEŇ celková velikost CCD čipu i velikost jednotlivých pixelů! Typická přesnost astrometrických měření shromažďovaných MPC je 0.2". ------------------------------------------------------------------------ FOTOMETRIE aneb "od hvězdy k ADU" --------------------------------- - porovnání zdroje záření s hvězdou o známé (konstantní) jasnosti <- součet signálů v dané APERTUŘE, odečtení oblohy, Pogsonova rce: m_* - m_známá = -2.5 log (Suma_aperturu ADU_* - Suma ADU_oblohy) / (Suma ADU_známé - Suma ADU_oblohy) ^^^ UKÁZKA v programu ccdview Příklad typických číselných hodnot pro "známou" *: - hvězda má zářivý výkon 1e26 W = 1e26 J/s, emituje IZOTROPNĚ fotony, mimo jiné s lambda = 500 nm, f = c/lambda = 3e8 / 5e-7 Hz = 1.5e16 Hz, E = h f = 6e-34 * 1.5e16 J = 1e-17 J, => řádově 1e43 kvant za sekundu Pozn.: kterých kvant je nejvíce (IR nebo V)? Viz Planckovu fci dělenou energií h*f => více je IR! - vzdálenost hvězdy (určená podle paralaxy) je r = 500 pc = 500 * 2 * 1e5 * 1.5 * 1e11 m = 1.5 * 1e19 m takže odpovídající plocha sféry je: 4 pi r^2 = 2e39 m^2 před "nastražený" CCD čip musím zařadit nějakou optiku, jinak by se mi tam "míchalo" záření od jiných hvězd - tzn. alespoň nejjednodušší dírkovou komoru; - lepší je ale použít dalekohled s větší sběrnou plochou: průměr zrcadla 1.0 m, tj. plocha pi R^2 = 0.8 m^2 poměr ploch 0.8/2e39 \doteq 4e-40 odhad počtu fotonů zachycených dalekohledem 1e43 * 4e-40 = 4e3 f. za sekundu záření se ale po zobrazení na čipu dělí na ~3x3 pixely => ~4e2 fotonu/s připadá na 1 pixel (to je docela MÁLO kvant, a proto je TAK patrný šum!) expoziční doba 30 s => ~12000 fotonu špičková kvantová účinnost čipu může být ~80 % => ~10000 elektronů vytvořených v pixelu účinnost A/D převodníku bývá i 1 ADU/e- => signál 10000 ADU lze očekávat fotonový šum ~ sqrt(10000) \doteq 100 ADU signál oblohy (při mírném světelném znečištění :) 2000 ADU => šum oblohy 45 ADU temný proud indukovaný za 30 s je 100 ADU => šum 10 ADU vyčítací šum kamery je ~ 15 ADU N = sqrt(N_star^2 + N_sky^2 + N_dark^2 + N_readout^2) = 110 ADU => S/N ratio ~= 100 Celou * ale pozoruji v 3x3 pixelech => tzn. menší šum! protože signály budou ~10 krát větší a => S/N ~= sqrt(S) ~= 300 (což je vcelku dobré pozorování) Jakou má ona hvězda absolutní a zdánlivou hvězdnou velikost? ------------------------------------------------------------ Jaká jasnost odpovídá nulté magnitudě ve V? (pův. definováno pouze relativně!) DEF: m = -2.5 mag log (j/j_0), kde j_0 \doteq 2.54e-6 lm/m^2 DEF: M_bolometrická = 0 mag <=> izotropní L_0 = 3.055e28 W M_bol naší hvězdy je tedy dle Pogsonovy rce: M_* - 0 mag = -2.5 log L_* / L_0 = -2.5 log 1e26/3e28 mag = 6.2 mag (OK, u Slunce vychází 4.76 mag) modul vzdálenosti: m - M = -2.5 * log (L/r^2 / L/(10 pc)^2) = 5 * log [r]_pc - 5 = +14.7 mag a zdánlivá * velikost m = 20.9 mag <- to je na 1 m dalekohled akorát Jak zjistím tuto ZDÁNLIVOU JASNOST Z ADU?! <- musím porovnávat s okolními *, u nichž m znám z nějakého katalogu! Jaky je ZÁŘIVÝ TOK od hvězdy? Phi = L/(4 pi r^2) = 1e26 W / 2e39 m^2 = 5e-14 W/m^2 pozn. o softwaru pro CCD fotometrii: CCDOPS, Munipack, IRAF pozn. o automatizaci fotometrie pro série snímků (matching) převod na STANDARDNÍ FOTOMETRICKÝ SYSTÉM, aby bylo možné snadno porovnat měření z různých observatoří: OBR propustnosti standardních filtrů hvězdné velikosti: instrumentální (u,b,v,r,i) vs. standardní (U,B,V,R,I) relativní (dv,dV) vs. absolutní (v,V) příklad převodních vztahů: U = v + Au * (b - v) + Bu * (u - b) - Xu * M B = v + Ab * (b - v) - Xb * M V = v + Av * (v - r) - Xv * M R = v + Ar * (v - r) - Xr * M I = v + Ai * (v - r) + Bi * (r - i) - Xi * M (b-v), (v-r) ... barevné indexy, A, B ... barevné koeficienty, X ... extinkční koeficienty, M =~ sec z ... vzdušná hmota základní princip: - změřím uvbri pro nějaké standardní pole hvězd, u kterých znám UBVRI - spočtu koeficienty A,B,X (z přeurčené soustavy rovnic metodou LSM) - ve stejné výšce nad obzorem změřím ubvri pro neznámé pole - z rovnic vypočítám UBVRI pro neznámé srovnávací hvězdy ------------------------------------------------------------------------ APLIKACE -------- Měření jasností proměnných hvězd a~jejich interpretace: např. zákrytové dvojhvězdy, pulsující proměnné, soustavy s akrečním diskem, ... světelné efemeridy: JD Min I = JD_0 + P * E O-C diagram: pozorovaný O minus vypočítaný C čas události v závislosti na pozorovaném čase O interpretace O-C <> 0: - chybně určená perioda, základní minimum -> oprava pomocí LSM, správné váhování dle chyb pozorovacích dat (CCD, fotoelektrických, vizuálních) - reálné změna periody: třetí těleso, přenos hmoty 3. KZ: a^3/P^2 = M_1 + M_2 = M dM = -2 a^3/P^3 dP dP/P = -1/2 dM/M OBR obrazovky z programu Phoebe a model XX Leo od Petra Zasche ANIMACE dvojhvězdy s akrečním diskem a polaru EX Hya Měření jasností planetek a inverzní problém určení tvaru: 1. odhad eliptického tvaru z amplitudy světelné křivky: LV = -2.5 log (pi a b) / (pi b^2) = -2.5 log a/b různé geometrie Slunce-planetka-pozorovatel při různých opozicích => možno jednoznačně rekonstruovat polohu rotační osy v prostoru a konvexní obálku tvaru pozn. o řídké fotometrii z teleskopu PanSTARRS a družice GAIA ANIMACE světelné křivky Erosu od Pepy Ďurecha ------------------------------------------------------------------------