Observatorio CCD en el colegio Guía para estudiantes, profesores y padres Versión: 4.15 EU-HOU El Universo en tus manos, Europa Llevando a las aulas astronomía de primera línea e interactiva Título original en lengua polaca: Szkolne obserwatorium CCD Página web oficial de esta monografía: http//www.cft.edu.pl/astro/ Logo diseñado por Armella Leung, www.armella.fr.to Varsovia, 2003-2005 2 Observatorio CCD en el colegio Autores Anna Tretowska Departamento de Matemáticas y Ciencias Naturales, Universidad Cardenal Wyszynski Lucas Nowotko Departamento de Matemáticas y Ciencias Naturales, Universidad Cardenal Wyszynski Tomasz Sowinski (correo electrónico: tomsow@cft.edu.pl) Centro para Física Teórica de la Academia de las Ciencias, Polonia Weronika Sliwa (correo electrónico: sliwa@camk.edu.pl) Centro Astronómico Nicolás Copérnico de la Academia de las Ciencias, Polonia Grzegorz Wrochna Instituto de Estudios Nucleares Andrzej Soltan Piotr Fita Instituto de Física Experimental de la Universidad de Varsovia, Club Astronómico Almukantarat Traducción al inglés Magda Zarzycka Observatorio CCD en el colegio Índice 1. ¿Por qué observar? 2. Observatorio CCD - ¿Qué vamos a necesitar? 2.1. Webcam CCD – cómo funciona 2.2. Cómo elegir una webcam 2.3. Adaptación de la cámara 2.4. Las lentes de la cámara 2.5 Telescopio no profesional 3. Nuestro observatorio 4. Algunas fórmulas 5. Ordenador y programas/software 6. Preparación para las observaciones 7. Registrando las fotografías. 8. Iris - proceso de datos 8.1. Preparando un marco oscuro 8.2. Preprocesado 8.3. Procesado gráfico 9. Ejemplos de los resultados 10. Empresas en Internet 11. Software útil 12. Bibliografía y direcciones útiles APÉNDICE: IRIS (v3.81) – comandos seleccionados 3 4 Observatorio CCD en el colegio 1.- ¿Por qué observar? Las observaciones astronómicas pertenecen a una de las formas más sencillas y baratas de examinar y admirar las leyes de la naturaleza. Al contrario de las muchas otras ramas de la física, la astronomía es un campo donde los aficionados pueden llevar a cabo investigaciones científicamente valiosas. Los principiantes seguramente se centrarán en admirar sus propias fotografías de planetas, cometas y estrellas; los observadores más avezados encontrarán mayor disfrute en grabar la variabilidad de las estrellas, descubriendo nuevos cometas y siguiendo planetoides de manera sistemática. Nuestras observaciones tendrán mucho más valor si podemos registrarlas/grabarlas. El modo más sencillo de registro es sacar fotografías. Este método, sin embargo, también tiene sus desventajas. En condiciones de aficionado, es imposible sacar muchas fotos en poco tiempo- pues se requiere normalmente un tiempo de exposición prolongado para conseguir una buena calidad. Además, su procesado posterior y comparación es algo complicado. Las propiedades del papel fotográfico hacen que sea fácil subexponer o sobreexponer la fotografía, puesto que en cierto rango de brillo el grado de densidad óptico no es proporcional a la intensidad de la luz. Muchos de estos obstáculos se pueden solventar empleando una webcam CCD como herramienta de registro de imágenes. Este manual explica cómo elegir una cámara, describe su estructura y propiedades, y además da ejemplos de software que facilita procesar la información registrada. 2. Observatorio CCD - ¿Qué vamos a necesitar? Para poder llevar a cabo las observaciones necesitaremos: una webcam con sensor CCD, una lente fotográfica o un telescopio, y un ordenador con el software adecuado. Veamos estos elementos. 2.1. Webcam CCD – cómo funciona Para poder juzgar adecuadamente las ventajas y desventajas de los tipos diferentes de webcam necesitamos unos conocimientos básicos sobre la estructura del CCD. La parte fundamental de un CCD, (Dispositivo Acoplado por Carga), consiste en una placa de elementos fotosensibles que forman una matriz. El número de estos elementos –pixeles en la placa – determina la resolución del sistema. Las matrices empleadas en las webcam no profesionales varía de 320x240 pixeles a 640x480 pixeles. Antes de la exposición, por ejemplo durante el proceso de registro, cada píxel en el CCD está cargado positivamente. Los fotones que lo golpean reducen gradualmente esta carga inicial. Cuando se acaba la exposición, las cargas que permanecen en los píxeles individuales se transmiten a un amplificador y después a un Observatorio CCD en el colegio 5 conversor de analógico a digital. La representación digital de una imagen producida de esta manera puede ser procesada posteriormente y guardada en formato electrónico. El rango de sensibilidad de los elementos CCD es comparable a la del ojo humano, pero CCD también registra frecuencias muy cercanas al infrarrojo. Los píxeles típicos están entre 5 y 25μm. Cuando la luz incide en una placa CCD, se mide su intensidad para cada elemento fotosensible. De esta manera nos da información del brillo de la imagen registrada. Figura 1. El sensor de la webcam se cubre con un filtro para obtener información sobre el color de la luz. Este filtro transmite a cada píxel luz en uno de los tres colores: rojo (R), verde (G) o azul (B). Durante el procesado de la imagen, se mide la intensidad de la luz en estos tres colores básicos. El color real de un píxel se consigue por interpolación de los píxeles vecinos. Los componentes del color para cada píxel se calculan en base a los componentes del color en los elementos vecinos. Aquí tiene un ejemplo que muestra cómo trabaja una webcam. Figura 2. Imagen registrada y procesada. 2.2. Cómo elegir una webcam Las webcam CCD profesionales son muy caras – su coste está raramente por debajo de 1300€. Sin embargo, se pueden realizar valiosas observaciones con una cámara para internet – las webcams. Una webcam típica normalmente cuesta en torno a 25€ y después de unos pequeños ajustes pueden hacerse observaciones 6 Observatorio CCD en el colegio interesantes. ¿Qué criterios deben tenerse en cuenta para elegir un modelo en particular? El parámetro más importante en una webcam es el tipo de sensor que emplea. Podemos elegir entre cámaras con sensores CCD y CMOS, aunque el primero es definitivamente mejor (más sensible). Si es posible, es mejor elegir una cámara con una resolución de 640x480 pixeles, aunque es suficiente con 320x240 pixeles para realizar observaciones bastante interesantes. La posibilidad de establecer un largo periodo de exposición (hasta medio minuto) es una gran ventaja de una webcam. Aunque la mayoría de las webcam disponibles en el mercado no cumplen con este estándar, es posible modificar algunas de ellas para aumentar los tiempos de exposición preestablecidos por el fabricante. Si necesita más información sobre los distribuidores de webcams y las empresas que las pueden modificar vaya al capítulo 10 de este documento La siguiente parte de este manual describe cómo se trabaja con una webcam Philips Vesta (PCVC 675K) y cómo renovar una ToUcam PRO (PCVC 840K). Las cámaras Philips están equipadas con un sensor CCD con una diagonal de ¼ de pulgada y una resolución de 640x480 pixeles (el tamaño del píxel es de 5,6 x 5,6 micras). El tiempo de exposición máximo preestablecido por el fabricante es de 1/5 de segundo. Sin embargo, la webcam puede adaptarse de tal manera que es posible establecer tiempos de exposición ilimitados. La adaptación consiste en instalar en el interior de la cámara un sistema electrónico que asuma el control del tiempo de exposición, y colocar un cable extra que estará conectado al puerto de la impresora del ordenador. Las webcam Philips ToUcam PRO II, que permiten mayores tiempos de exposición, son las distribuidas como parte del proyecto El Universo en tus manos – Europa (página web internacional: http://www.eu-hou.net, página de Polonia: http://www.cft.edu.pl/astro/). 2.3. Adaptación de la cámara Aunque la propia webcam está equipada con una lente, esta es prácticamente inservible – salvo para observar meteoritos – debido a su pequeña apertura y pequeña distancia focal (unos pocos milímetros). El ancho campo de visión de la webcam, de unos 40 x 30 grados, nos permite sacar fotografías de una gran parte del cielo durante toda la noche con tiempos de exposición entre 10 y 20 segundos. La película resultante puede analizarse posteriormente o uno puede intentar el reconocimiento automático de los cambios en los fotogramas sucesivos para grabar únicamente las imágenes en las que suceden cosas interesantes. Observatorio CCD en el colegio 7 Sin embargo, para otros propósitos se necesitará una lente diferente. El kit vendido con la webcam debe, por tanto, incluir un adaptador fotográfico que nos permita colocar la webcam en el enfoque (debemos estar seguros de ello cuando encarguemos la cámara. Si no, se puede comprar el adaptador por separado, por ejemplo en http://www.astrokrak.pl). Una solución habitual es colocar una lente (con una longitud focal de 30-35 mm, que nos permitirá realizar observaciones del campo de visión con un lado de unos pocos grados) a la webcam, o colocar el CCD en el enfoque de un pequeño telescopio. Ambas soluciones tienen sus ventajas. 2.4. Las lentes de la cámara Sustituir las diminutas lentes originales de la webcam por una lente de una cámara reflex de lente sencilla de 35 mm puede dar buenos resultados con un coste moderado. Como el sensor CCD es mucho más pequeño que el negativo de la película, el campo de visión de la webcam con una lente fotográfica es mucho menor que el campo de visión de una cámara equipada con la misma lente. Para describir en números este efecto, debemos introducir el concepto de longitud focal equivalente. La longitud focal equivalente es tantas veces mayor que la longitud focal real de la lente y es tantas veces menor que la diagonal del sensor CCD respecto a un fotograma de una película de 35 mm. Para las webcam Philips con un sensor del tipo ¼”, cuyo campo de fotosensibilidad tiene una diagonal de 4.8 mm, este ratio es de 9. ¡Esto significa que una webcam equipada con una lente estándar con una longitud focal de 50 mm, tiene el mismo campo de visión que una cámara con un gran teleobjetivo con una longitud focal de 450 mm! Gracias a este hecho, ¡podemos usar las lentes más habituales, cuya longitud focal está entre 35 y 200 mm, para sacar las mismas fotografías que con cámaras fotográficas equipadas con lentes telescópicas cuya longitud focal podría estar entre 300 y 1800 mm! La lente fabricada para cámaras reflex con una única lente tienen muchos tipos de montura pero, para la astrofotografía, las más adecuadas son aquellas con rosca M42 x 1. La lente que se monta de esta manera está diseñada para las cámaras analógicas de Zenit y Praktica. Gracias a la montura roscada, estas lentes se pueden acoplar fácilmente a una webcam mediante un simple adaptador, y su mejor ventaja es su disponibilidad y bajo precio. Las lentes rusa (Mir, Wolna, Zenitar, Helios, Júpiter) son especialmente populares y baratas, aunque las lentes alemanas (Sonnar, Pentacon, Practicar) tienen mejor calidad. Las longitudes focales más habituales de las lentes con una montura M42 x 1 son 35 mm, 50 – 58 mm, 135 mm y 200 mm, así como las de 500 mm y 1000 mm. Las lentes de 28 mm, 85 mm, 100 mm y 180 mm son menos habituales. Las lentes de las cámaras 8 Observatorio CCD en el colegio con longitudes focales hasta 500 mm están hechas de lentes; las lentes de las cámaras con longitud focal de 500 mm pueden construirse utilizando tanto una lente como un espejo, ya que las lentes de una cámara con una longitud focal de 100 mm están construidas con un sistema de espejo (similar al del telescopio astronómico en el sistema Maksutov). Las lentes de cámara con longitudes focales menores de 200 mm son las más comunes en astrofotografía para su uso con la webcam. La siguiente tabla muestra los campos de visión de estas lentes y sus aplicaciones típicas. Longitud focal Campo de visión 35 mm 4.6º x6.3º 50 mm 3.2º x 4.4º 135 mm 1.2º x 1.6º 200 mm 0.8º x 1.1º Aplicaciones observaciones de estrellas variables, fotografías del campo de estrellas en la Vía Láctea Fotografía de grandes racimos abiertos (Pléyades, Praesepe M44), grandes galaxias (M31, M33) Fotografía de pequeños racimos globulares o abiertos, galaxias, la Luna y el Sol Las lentes de cámara con longitudes focales de 500 o mayores son telescopios en la práctica y su uso junto con la webcam requiere un esfuerzo importante – el campo de visión de tales lentes es muy pequeño y hace necesario ajustarlo en una montura ecuatorial con controles de movimiento de precisión para encontrar el objeto que queremos fotografiar y ser capaz de mantenerlo en nuestro campo de visión unos pocos segundos. Además, pueden ser útiles si queremos fotografiar la Luna y el Sol. Las lentes con una rosca M42 x 1 pueden comprarse en el mercado fotográfico, e incluso mejor en la subasta vía internet de Allegro (http://www.allegro.pl) o eBay (http://www.ebay.com), donde existe una amplia selección a un precio razonable. Cuando se compra una lente para una cámara, debes prestar atención a su brillo y calidad óptica. El primer parámetro siempre se facilita con las especificaciones de la lente, por ejemplo una lente con una especificación 135/2.8 (o 2.8/135) tiene una longitud focal de 135 mm y su máxima apertura de 2.8. Esto significa que la apertura (el diámetro efectivo/eficaz de la lente) es 2.8 veces menor que su longitud focal. Debido a que astrofotografía debemos esforzarnos siempre para conseguir la mayor cantidad de luz sobre la lente, cuanto mayor sea su diámetro (o más pequeño el número de la apertura máxima), mejor. Desafortunadamente, cuanto mayor sea el brillo, más cara es la lente. De hecho, como regla, las lentes de cámara con mayores longitudes focales son también más oscuras, debido a que su diámetro debe ser mayor para soportar el brillo cuando la longitud focal es mayor, lo que las hace más caras de fabricar. Las siguientes lentes son un buen promedio entre calidad y brillo: 35/2, 50/1.8, Observatorio CCD en el colegio 9 135/2.8, 200/4. No se recomienda emplear lentes de 50/2.8 y 135/3.5, porque sus rivales más destacados tienen un precio similar. La calidad óptica de una lente no viene especificada y debes confiar en tu intuición cuando la eliges. Sin embargo, podemos obtener información más detallada, prestando atención al poder de resolución en mitad del campo, lo cual se da en número de líneas por milímetro, que se ven independientemente en la imagen. En una cámara normal este número oscila entre 30 y 50 líneas por milímetro. El poder de resolución de una lente afecta significativamente a la resolución de imágenes registradas por la webcam pues, con una resolución de 30 líneas/mm podemos esperar que la imagen de una estrella – teóricamente un punto –tenga un diámetro de unas 30 μm, que equivalen a 5 píxeles de las webcams de Philips. ¡Esto significa que la resolución real de la imagen que obtenemos es unas cuantas veces menor que la resolución de la webcam! No se recomienda el empleo de lentes de aumento a pesar de su brillo y calidad óptica. Son más oscuras y tienen una resolución más pobre que las lentes cuya longitud focal no se puede cambiar. Al mismo tiempo, las lentes de aumento son más caras, y en astrofotografía nunca hay necesidad de un cambio gradual de longitud focal. Las lentes de cámaras para los modelos nuevos de Praktica y Zenit tienen apertura automática, por ejemplo, la apertura se cierra sólo después de disparar el pulsador situado en la parte trasera de la lente. Esto permite que en la cámara se pueda componer la imagen con la máxima apertura, independientemente de la apertura que queramos utilizar. Cuando acoplamos la lente a una webcam, sin embargo, significa que esta lente siempre tendrá la máxima apertura: Esto no representa un problema si queremos fotografiar los objetos menos contrastados porque en este caso debemos emplear, de todos modos, el brillo total de la lente. Si, sin embargo, queremos fotografiar la Luna, podemos querer hacer la apertura menor, de esta manera podemos mejorar especialmente la resolución del objetivo. En este caso podemos bloquear el pulsador (por ejemplo, pegándolo con una gota de pegamento epoxi), pero una solución mucho mejor es comprar un objetivo con interruptor que nos permita cambiar la apertura independientemente del pulsador. Desafortunadamente, estos interruptores (denominados Auto-Manual, A-M) pueden encontrarse sólo en objetivos con longitudes focales de 135 mm o mayores. Si es posible, se recomienda comprar un objetivo con este tipo de interruptor. Si compra un objetivo pensando únicamente en astrofotografía, puede buscar un objetivo sin apertura automática – para modelos más antiguos de cámara. El uso de dicho objetivo será más sencillo. 10 Observatorio CCD en el colegio El objetivo se acopla a la cámara con un adaptador. Un extremo del adaptador se fija a la webcam en lugar de la lente original, y la nueva lente se ajusta al otro extremo del adaptador. Este tipo de adaptador está disponible por ejemplo en Astrokrak (http://www.astrokrak.pl). Hay dos tipos de adaptadores: los antiguos y más sencillos son un simple tubo con sus extremos roscados, así una webcam con una lente se monta colocando un tornillo en la rosca situada en el cuerpo de la webcam. Esto significa que todo el peso del objetivo descansa en una delicada rosca en la cámara y en su igualmente delicado cuerpo, disminuyendo la vida de la cámara significativamente y imposibilitando el uso de objetivos más pesados. La nueva versión del adaptador está realizada en duraluminio más resistente y tiene extremos roscados que hacen posible ajustar el adaptador directamente a la montura. En esta configuración, el peso de la lente de la cámara pasa a la montura a través de un elemento macizo metálico, por lo que no es un problema emplear lentes de cámara más pesadas con una longitud focal de 200 mm. Las webcams Philips ToUcam pueden utilizar únicamente este tipo de adaptador, porque no tienen una rosca de montaje en su cuerpo. Webcam Philips ToUcam PRO II con un objetivo Domiplan 2.8/50 acoplado mediante la nueva versión del adaptador. El mago regulador de la montura se sitúa mirando al frente; porque si no fuera así haría difícil observar objetos situados muy por encima del horizonte. Observatorio CCD en el colegio 11 Fotografía inferior: Webcam Philips ToUcam PRO II con un objetivo telescópico Helios 2.8/135. Con el uso de una webcam en astrofotografía podemos utilizar teleconvertidores. Estos son elementos sujetos entre la webcam y el objetivo de la cámara que amplian la longitud focal efectiva, normalmente al doble. Nos permiten tomar fotografías de un campo más pequeño cuando no tenemos un objetivo con suficiente longitud focal a nuestra disposición. Desgraciadamente, el empleo de un teleconvertidor conlleva pérdidas significativas – el brillo del objetivo es dos veces menor y su poder de resolución se deteriora. Debemos pues evitar las situaciones en las que sea necesario utilizar un teleconvertidor. Es mucho mejor comprar una lente de cámara extra con una longitud focal grande, cuyo precio es similar al de un teleconvertidor. El modo más sencillo de fotografiar el cielo con una webcam y una lente de cámara es colocarlas sobre una montura y sacar fotografías con una cámara estática. La simplicidad es una ventaja de este método pero de esta manera sólo podemos sacar fotografías con tiempos de exposición limitados. Si la exposición es muy larga, las estrellas (y los demás objetos que hay en el cielo) serán registrados como manchas, reflejando la variabilidad de estos objetos en el cielo. El tiempo máximo de exposición 12 Observatorio CCD en el colegio depende de la longitud focal del objetivo (a mayor longitud, menos tiempo de exposición) y la declinación del área del cielo que queremos fotografiar (a mayor declinación, mayor es el tiempo de exposición aceptable). Podemos encontrar este valor, si aceptamos que la forma de la imagen de una estrella se elongue, por ejemplo, menos de 1,5 veces su diámetro,. Vamos a emplear una expresión que relaciona el tiempo de exposición t (en segundos) con la longitud de la trayectoria L (en milímetros) de una estrella con una declinación δ fotografiada con un objetivo de longitud focal f (en milímetros): t 13713 L f cos Vamos a calcular el tiempo máximo de exposición, suponiendo que tenemos un buen objetivo y que queremos trayectorias circulares de estrellas igual de débiles. Si no se sobreexpone, la imagen de una estrella en estas condiciones aparece en no más de 3 píxeles de una webcam, así que supongamos que su movimiento en el sensor CCD no debe exceder 10 μm (dos píxeles). Tomando L =10 μm en la fórmula, obtenemos los siguientes valores de tiempo máximo de exposición (en segundos) para las diferentes declinaciones y longitudes focales: δ f 0º 30º 60º 70º 80º 35 mm 4 5 9 13 25 50 mm 3 3 6 9 17 135 mm 1 1 2 3 6 200 mm 1 1 1.5 2 4 Usando esta fórmula también podemos encontrar el tiempo máximo en otras situaciones, por ejemplo, objetivos con diferente longitud focal o estrellas muy brillantes cuya imagen en la fotografía esté muy sobreexpuesta. En esta situación, la imagen de la estrella es mucho mayor que los 3 píxeles supuestos y su movimiento puede ser mayor sin causar una distorsión visible. Aunque el tiempo de exposición está muy limitado cuando usamos una cámara estática, podemos atrevernos a fotografiar objetos menos contrastados sacando múltiples fotografías, cada una con un tiempo de exposición lo bastante corto para que la imagen aparezca casi como un punto. Entonces, desplazando estas fotografías hasta que se solapen las imágenes de las estrellas, y sumándolas, tendremos una imagen cuyo tiempo de exposición es igual a la suma del tiempo de exposición de todas las imágenes. Este hecho aumentará significativamente la magnitud límite de una imagen de la fotografía final respecto a la de una única exposición. Sin embargo, no es posible fotografiar objetos poco contrastados ilimitadamente añadiendo un número mayor de fotografías, pues un objeto poco contrastado fotografiado con un Observatorio CCD en el colegio 13 periodo de exposición breve no alcanzará el umbral de sensibilidad de la webcam, y no aparecerá en la fotografía, incluso si tenemos un gran número de fotogramas. Para fotografiar objetos nebulosos poco contrastados, es necesario seguir el movimiento aparente del cielo con la webcam. No necesita seguir este movimiento exactamente porque el método de añadir muchas exposiciones cortas le permitirá fotografiarlos incluso si los tiempos de exposición inferiores a un minuto causan errores. El modo más sencillo de obtener un mecanismo director para la webcam y su objetivo es montarlos en un telescopio (por ejemplo, en paralelo a su tubo óptico) en un trípode ecuatorial con un mecanismo director automático. Así se emplea únicamente el telescopio como montura, y su óptica permite monitorizar y corregir su movimiento. También puede probar a usar un telescopio en una montura sin un controlador eléctrico. El telescopio se maneja manualmente con controles de movimiento precisos, para mantener la imagen de la estrella elegida en el centro del campo de visión del telescopio (la estrella no tiene porque estar en el campo que fotografiamos). Para que este método sea efectivo, sin embargo, la montura del telescopio tiene que ser muy estable porque si no las vibraciones de nuestra mano sobre los controles de movimiento se transmitirán a la webcam y destruirán el efecto conseguido. Los telescopios con monturas altazimutales con controladores de movimiento dirigidos por ordenador son cada vez más populares. Nos permiten elegir un objeto en el centro del campo de visión, ¡pero la imagen en ese telescopio gira alrededor de su centro! Por tanto, aunque sea perfecto para las observaciones visuales, este tipo de telescopios no es adecuado como montura con mecanismo controlador para astrofotografía. Es verdad que puede añadir las imágenes tomadas con la ayuda de este telescopio (girándolas con una aplicación informática) pero su procesamiento es más complicado que el de las fotografías sacadas con un mecanismo controlador sobre una montura ecuatorial. Algunos de estos telescopios, (por ejemplo, las series Meade ETX), pueden configurarse para trabajar en un sistema ecuatorial, así que merece la pena sacarle partido a este hecho. Si además, este telescopio tiene la capacidad de apuntar automáticamente a un objeto elegido del catálogo, es una montura sobresaliente para una webcam con una lente de cámara. Si la montamos previamente en un telescopio de tal forma que el centro del campo de visión del telescopio se solapa con el de la webcam, eliminamos los problemas de una búsqueda tediosa con la webcam para sacar una fotografía. Entonces usamos un mecanismo controlador dirigido por ordenador para apuntar al objeto buscado, y además podemos comprobar con el telescopio si el objeto que nos interesa está en el campo de visión, si es muy débil para ser visible en una única exposición sin procesado informático. 14 Observatorio CCD en el colegio 2.5 Telescopio no profesional Cuando se acopla una webcam a un telescopio no profesional con una longitud focal de unos 1000 – 2000 mm y una apertura de 10 – 25 cm, seremos capaces de intentar tomar fotografías de los cráteres de la Luna, los planetas y (después de disponer un filtro apropiado, por supuesto) las manchas solares. Si queremos mirar al universo más lejano y sacar fotografías de objetos Messier, nuestra cámara tiene que modificarse de tal manera que admita tiempos de exposición largos. También necesitaremos un telescopio cuyas lentes tengan una longitud focal f = 300 – 500 mm y una apertura de 5 – 10 cm. También será necesario tener un mecanismo controlador automático para el telescopio, que nos permitirá seguir al objeto observado constantemente, mientras se fotografía. Un telescopio común, de los que a menudo hay en los colegios – normalmente olvidado y rara vez empleado, puede resucitarse con el uso de una webcam. Se puede modificar fácilmente para la observación con el empleo de una cámara CCD. El tipo más común de telescopio es el llamado telescopio newtoniano. Si nunca lo ha utilizado, échele un vistazo más de cerca. El tubo grueso que constituye el cuerpo principal del telescopio se llama tubo óptico. Sin embargo, la parte más importante es el espejo primario. Los factores decisivos para la resolución del telescopio y su capacidad de registrar hasta los objetos menos contrastados son el tamaño y la forma de este espejo parabólico. La siguiente parte más importante del telescopio es su espejo secundario, que dirige la luz procedente del espejo primario hacia el enfoque. En el enfoque, normalmente situado a un lado del tubo óptico, colocamos una lente ocular. Esta nos permite ajustar la nitidez de la imagen. También es el lugar donde instalaremos la webcam. El diámetro más habitual de la lente ocular es de 1.25 pulgadas (a mayor diámetro, mayor el campo de visión). Con este típico diámetro es muy fácil instalar la webcam; si la lente ocular tiene otro diámetro (caso poco frecuente), debemos tenerlo en cuenta al encargar el adaptador. La lente ocular junto con el enfoque es un sistema de lentes a través del cual pasa un haz de luz, enfocado por los espejos. Gracias a este haz podemos tener una imagen nítida y aumentada. Algunas veces tendremos que acoplar una lente Barlow al enfoque frente a la lente ocular normal. Esta lente aumenta la longitud focal del telescopio (x2, x3, x4, …). De desafortunadamente a costa del brillo. esta manera, el aumento será mejor, Observatorio CCD en el colegio 15 Los telescopios newtonianos se caracterizan habitualmente por un ratio focal amplio (el ratio entre el diámetro del espejo y su longitud focal), lo que los hace instrumentos idóneos para la observación de objetos poco contrastados. Debido a su sencilla construcción, también son los telescopios de reflexión construidos más frecuentemente por los aficionados. Como en otros telescopios de reflexión, el espejo secundario se sitúa en el camino del haz de luz, lo que provoca que una cierta cantidad de luz se pierda pero es un pequeño porcentaje de la superficie del espejo primario y no nos debe molestar. El tamaño de un telescopio de este tipo depende por supuesto del diámetro del espejo y de su longitud focal, y la longitud del tubo óptico es muy similar a la longitud focal. El campo de visión del telescopio es algo pequeño y normalmente, con algo de suerte, podemos ver a través de la lente ocular únicamente el objeto que hemos elegido. Pero, ¿cómo encontrarlo en el cielo? Aquí es donde un buscador es útil. Un buscador es un pequeño telescopio que nos ahorra tiempo y esfuerzo mientras se posiciona el telescopio sobre el objeto buscado. Debe calibrarse a la luz del día. Requiere un gran esfuerzo encontrar la estrella o planetoide elegido, incluso con un buscador. (Los principiantes deben practicar intentando encontrar la Luna). Por lo tanto, antes de empezar las observaciones debemos comprar un mapa celeste con la región que queremos observar y desarrollar entonces una estrategia: desde qué objetos a qué objetos vamos a proceder. Siempre es una buena idea empezar con los objetos más fáciles de localizar, y luego experimentar con otros más difíciles. El siguiente problema es colocar el enfoque del telescopio. Si, después de armar todo el conjunto, no podemos ver los objetos celestes a los que está orientado el telescopio, suele pasar que la nitidez de nuestro enfoque no está ajustada. La manera más sencilla de hacerlo es ajustar primero el enfoque para que los objetos terrestres cercanos sean visibles (los árboles del horizonte, una chimenea o una antena en un edificio lejano), y gradualmente moverlo hacia el objeto celeste elegido para ajustar el último enfoque. El tubo óptico está colocado sobre una montura. Una montura puede ser altazimutal (con movimiento horizontal y vertical) o (mejor) ecuatorial, con el que podemos seguir el desplazamiento de los objetos en el cielo, guiando el telescopio en un solo eje. Una montura altazimutal corriente se puede transformar en una montura más o menos ecuatorial inclinando la montura hasta que su eje vertical esté inclinado respecto del horizonte un ángulo igual a la latitud de nuestra ubicación, φ (por ejemplo, disponiendo una cuña con un ángulo 90 – φ bajo la montura). Una vez se acopla el telescopio a la montura y se orienta correctamente, lo guiamos con controles de movimiento de precisión. Si planeamos una observación larga de un objeto (por ejemplo con una webcam adaptada), necesitaremos un sistema automático de guía 16 Observatorio CCD en el colegio para el telescopio junto con el movimiento del cielo; los controles manuales son suficientes para observaciones más cortas. A veces, para la mejor calidad de las observaciones con una webcam, incluso se recomienda que el objeto se desplace en el campo visual. 3. Nuestro observatorio La siguiente descripción es del conjunto de un telescopio newtoniano y una webcam Philips. Sus parámetros son los siguientes: Webcam (sensor CCD): tamaño resolución tamaño del píxel 3.87 x 2.82 mm 640 x 480 píxeles 5.6 micrómetros x 5.6 micrómetros Telescopio: diámetro lente principal máximo aumento longitud focal Buscador 76 mm 350x 700 mm 5x24 mm lente ocular 4 mm, 12.5 mm, 20 mm lente Barlow 2x, 3x aumentos teóricos de la lente ocular 35x 70x 175x 4. Algunas fórmulas Vamos a familiarizarnos con algunos de los parámetros más importantes que describen el telescopio y la webcam y las fórmulas que son comunes a ambas. Estas aclaraciones serán de utilidad en la planificación eficiente de las observaciones con un determinado tipo de equipo. La resolución angular de un telescopio nos dice cuán cerca pueden estar dos objetos celestes para poder ser capaces de distinguirlos entre sí. La resolución está relacionada con el diámetro de la lente, D, y la longitud de la longitud de onda de la luz que observamos, λ: ρ=1.22 λ/D (radianes) Para calcular ρ de radianes a segundos de arco debemos multiplicar el resultado por el número de segundos que hay en un radián, nominalmente 206205. Aunque esta fórmula sugiere que a mayor diámetro mayor resolución , en la práctica la resolución de las observaciones terrestres no es nunca mayor a un segundo de arco (y normalmente mucho menor), debido a la influencia distorsionadora de la atmósfera. Observatorio CCD en el colegio 17 Por lo tanto, un diámetro mayor no asegura una resolución notablemente mejor, pero una superficie mayor recogiendo luz hará posible ver los objetos menos contrastados. El aumento angular, P, está estrictamente relacionado con las longitudes focales de las lentes y de la lente ocular; a mayor longitud focal de la lente y menor la de la lente ocular, es decir, a mayor ratio, conseguimos un mayor aumento. P = fob / fok siendo: P – el aumento de los telescopios, fob – la longitud focal de la lente, fok –la longitud focal de la lente angular. Otro parámetro importante del telescopio es su ratio focal, que describe el brillo de un objeto continuo visible a través de él. El ratio focal se describe por el ratio del diámetro de una lente respecto a su longitud focal: A = D/ fob A mayor A, se ven mejor los objetos menos contrastados. Un parámetro muy importante es el tamaño del campo de visión: q = 2 arctg (ddet / 2 fob)[rad] siendo ddet el tamaño linear del detector CCD – en el caso de la webcam Vesta Pro, el campo de visión de la cámara con la lente de una cámara de fotos acoplada (f = 50 mm) es igual a 4.4 X 3.2 grados, y el campo de visión de una webcam acoplada a un telescopio (f = 200 mm) es sólo de 6.6 x 4.8 minutos de arco. Como podemos ver, los instrumentos con una longitud focal pequeña deberían emplearse para observaciones de objetos con tamaño angular grande. De otra manera, para lograr una buena imagen, deberemos componer un mosaico de un ingente número de fotografías. En el caso de objetos en los que queramos registrar el mayor número de detalles posible, es importante emplear otro criterio – uno que dé la longitud focal óptima de un telescopio con un diámetro dado, igual al tamaño de un único píxel de una matriz CCD, dpix. Si se observa bajo una luz con una longitud de onda λ, entonces: fob ~ (D dpix) / (0.51 λ) Y así, mientras observamos Saturno (λmax ~ 550 mm) con un telescopio con una lente de diámetro 76 mm (como la descrita anteriormente) y una webcam Vesta Pro, sería ideal que el telescopio tuviera una longitud focal de 1517 nmm. Como un telescopio tiene una longitud focal de 700 mm, será necesaria una lente Barlow para duplicarla. 5. Ordenador y programas/software Obviamente, necesitaremos más que una webcam y un telescopio para registrar la imagen. Será necesario un ordenador con el software adecuado. Lo mejor es un ordenador portátil – un cuaderno. El ordenador en sí mismo no tiene que tener unos parámetros extraordinarios – un modelo antiguo puede ser suficiente. Sin embargo, será útil si el ordenador tiene un puerto USB al que conectar la webcam. (Si no 18 Observatorio CCD en el colegio tenemos un puerto USB, debemos adquirir una tarjeta que lo tenga). Si hemos mejorado la cámara para que soporte exposiciones largas, también será imprescindible un puerto para la impresora. Debemos comprobar que este realmente existe, puesto que muchos modelos de ordenador actuales no lo tienen. La elección de software es muy amplia, siendo la mayoría gratis. Normalmente, necesitaremos un programa que guiará la cámara, y otro que procese los datos registrados. Será también útil un mapa celeste, como Cartes du Ciel (disponible en polaco) http://www.stargazing.net/astropc/ SkyMap http://www.skymap/com o Starry Night http://www. starrynight.com/. Todo este software puede descargarse de internet. Nosotros recomendamos K3CCD TOOLS para guiar la cámara, disponible en internet en http://www.pk3.org/Astro/software.htm. Otra posibilidad es el programa AstroVideo en http://www.ip.pt/coaa/astrovideo.htm, disponible como shareware (deberíamos comprarlo después de 21 días). Un programa para procesar las fotografías registradas que merece nuestra especial atención es Iris. Está disponible en http://www.astrosurf.com/buil/us/iris/iris.htm. Podemos también utilizar un programa más sencillo, Astrostack, aunque tiene menos opciones – http://www.astrostack.com/ El siguiente reto al que nos encontraremos es la instalación de la webcam CCD y el software necesario. Con Windows XP, los drivers de Vesta y ToUcam se instalan automáticamente, pero en versiones anteriores de Windows se requiere cargar los drivers desde un CD. 6. Preparación para las observaciones Antes de empezar a observar el cielo, debemos considerar dónde y a qué objetos queremos dedicarnos. Es importante elegir un punto suficientemente oscuro para nuestras observaciones. En la práctica, esto significa que cuanto más alejados de la ciudad, mejor. Sin embargo, si no podemos escaparnos a la periferia, debemos encontrar un lugar donde las luces de la ciudad no distorsionen nuestras imágenes (cuanto más oscuro, mejor). En el lugar de observación debemos asegurarnos que tenemos acceso a la corriente eléctrica, incluso si utilizamos un ordenador portátil con su batería, porque en una noche fría, la batería de un ordenador trabajando continuamente y con una webcam, puede no durar más de una hora de observación. Otro tema importante digno de consideración es que los objetos visibles lo serán un día determinado, debido a que la Tierra y los otros planetas giran alrededor del Sol y también alrededor de su propio eje. Por eso algunos objetos son difíciles de observar y en cualquier caso debemos comprobar cuales y cuando son visibles en un día Observatorio CCD en el colegio 19 determinado. Aquí es cuando los programas mencionados anteriormente son útiles – mapas informatizados del cielo Es mejor empezar las observaciones aprendiendo a reconocer los lados del mundo. En el hemisferio norte la mejor guía es la Estrella Polar, que se sitúa precisamente en el polo norte del cielo. ¿Y cómo encontrarla? La manera más fácil es localizar la Osa Mayor que nos orienta a la Estrella Polar. La Osa Mayor es una constelación que es visible en el cielo en nuestro país todo el año. Si alargamos la pata delantera de la Osa Mayor, llegaremos a la Polar. Todos los planetas y la Luna en nuestro cielo están muy cerca de la eclíptica y, a groso modo, se mueven a lo largo de ella. La Luna, el cuerpo más brillante en el cielo después del Sol, se aleja de la eclíptica no más de cinco grados norte o sur. El tiempo que necesita para dar una vuelta completa alrededor de la Tierra es igual al tiempo que tarda en dar una vuelta a su propio eje. Esa es la razón por la que sólo podemos ver un lado de la Luna desde la Tierra. Dependiendo de cómo caiga la luz del Sol en este lado de la Luna, podemos apreciar el fenómeno de las fases. Las fases son muy útiles durante las observaciones de nuestro satélite natural. La mejor fase para las observaciones es en cuarto creciente, porque en esta fase las montañas y cráteres dan lugar a sombras en el borde del lado iluminado con el lado oscuro. Este borde se denomina terminator. En cuarto creciente vemos el termitador recto desde arriba y las sombras son mayores. Además de la Tierra, hay ocho planetas diferentes que giran alrededor del Sol. Cinco de ellos se pueden ver a simple vista. El brillo de los planetas consiste en el reflejo de la luz solar, un detalle que los distingue de las estrellas, las cuales tienen luz propia. Podemos reconocer los planetas en el cielo por el hecho de que no parpadean. Su luz es constante y estable. Si queremos observar planetas, es mejor empezar comprobando cuáles son visibles en el cielo ese mes. Los planetas son muy brillantes y siempre están cerca de la eclíptica, lo que significa que siempre podemos encontrarlos en una de las doce constelaciones del zodiaco, a lo largo de las cuales pasa la eclíptica. Los planetas pueden estar en varias posiciones respecto del Sol y de la Tierra. Este hecho tiene su reflejo en el brillo de los planetas. Mercurio y Venus, como los planetas más interiores, están muy próximos al Sol, así que es posible verlos justo después de amanecer o del atardecer, en la zona oeste o este del cielo. Los planetas más exteriores son aquellos cuyas órbitas son mayores que la órbita de la Tierra, por ejemplo Marte, Júpiter, … Si uno de estos planetas está situado opuesto al Sol, significa que está en oposición. En este caso permanece en el cielo toda la noche. Cuando dos o más planetas se acercan uno a otro en el cielo, hablamos de conjunción. También son posibles las conjunciones de planetas con la Luna. Podemos ahora con buena fe elegir un objeto para observar y empezar a actuar. Y aquí surge la pregunta: ¿Cómo hacerlo? 20 Observatorio CCD en el colegio Deberíamos iniciar nuestra observación colocando adecuadamente la montura de nuestro telescopio, de modo que uno de sus ejes (el llamado eje de ascensión recta) apunte a la Estrella Polar. En los mejores telescopios un polariscopio sirve a tal efecto. Se acopla paralelo al eje de ascensión recto y la Estrella Polar debe quedar en el centro del campo de visión. Los telescopios que no tienen polariscopio se tendrán que ajustar confiando en nuestra intuición, mirando a lo largo del eje e intentando disponer la montura de tal manera que la Estrella Polar se sitúe en la prolongación del eje de ascensión recto. Es importante colocar la montura con precisión porque en una montura colocada idealmente podemos compensar por el movimiento del cielo con un solo movimiento de los controles de movimiento de precisión. Desafortunadamente, tenemos que aceptar que la montura no se puede colocar perfectamente, a menos que utilicemos un telescopio situado en una cúpula de observación y no se mueve porque el procedimiento de colocar la montura dura una o dos noches. Por lo tanto, deberemos corregir con los controles de movimiento de precisión también la posición en el otro eje (el llamado eje de declinación), pero cuanto mejor coloquemos la montura, menores serán las correcciones a realizar. Si no tenemos un telescopio sino solamente una webcam con una lente de cámara en un trípode fotográfico, entonces, por supuesto, no realizamos el proceso anterior. De todas formas, es útil asegurar que la montura es estable, y que está situada cerca de un ordenador, para ser así capaces de mover la webcam sin levantarnos del teclado. Antes de empezar las observaciones fotográficas, se recomienda echar un vistazo a los objetos en los que estamos interesados, armados con un telescopio o unos prismáticos. Será más sencillo encontrar el objeto con un telescopio equipado con una webcam cuando queremos sacar su fotografía. Si tenemos prismáticos, es una buena idea emplearlos porque gracias a su amplio cambio de visión y normalmente brillo significativo es más fácil encontrar los objetos nebulosos. Sabiendo qué aspecto tienen y su ubicación precisa frente a las estrellas, encontraremos más fácil encontrarlo con un telescopio. En este paso, podemos utilizar un buscador, una pieza necesaria del equipo de cualquier instrumento grande de observación. El buscador aumenta muy poco pero tiene un campo de visión relativamente ancho, haciendo fácil así apuntar el telescopio en la dirección del objeto que queremos ver. Normalmente se instala sobre una base doble con tornillos guía – mientras los utilizamos debemos prestar atención a que los ejes ópticos del buscador y del telescopio permanecen paralelos, por ejemplo que el mismo objeto sea visible en el centro del campo de visión del buscador así como en el del telescopio. El buscador debe calibrarse durante el día, con objetos grandes. Una vez colocado adecuadamente, nos será muy útil. Cuando se orienta el telescopio hacia el objeto se debe inmovilizar. Para inmovilizar un telescopio debemos enroscar todos los reguladores para prevenir cualquier Observatorio CCD en el colegio 21 movimiento accidental. Ahora sólo nos quedan los movimientos de precisión. Su propósito es cambiar la posición del telescopio con gran precisión, y uno de ellos (en el eje de ascensión recta) se emplea para seguir el movimiento del cielo con el telescopio. Obviamente, esto solo afecta a los telescopios sin control automático. Cuando hayamos ajustado nuestro telescopio adecuadamente (y acabado con cualquier observación visual posible), le debemos acoplar la webcam, empleando el adaptador adecuado. Podemos hacerlo usando un adaptador con un extremo se monta en lugar de la lente original de la webcam y el otro extremo es un tubo cuyo diámetro es igual al diámetro estándar del ocular (1,25 pulgadas). Este tubo debe colocarse en el enfoque en lugar del ocular. En el caso de algunos telescopios, especialmente los antiguos telescopios Universal, tenemos que adoptar una estrategia diferente porque el diámetro del ocular es diferente. En los antiguos telescopios Universal podemos desenroscar parte del enfoque , con lo que conseguimos acceso a la rosca M42x1 – la misma que en una lente de una cámara. Entonces, seguimos los mismos pasos con estos telescopios que con las lentes de una cámara – utilizamos un adaptador que en un extremo se acopla a la webcam y el otro tiene la rosca M42x1, que encaja tanto en la lente de la cámara como en los telescopios antes mencionados. El último paso de las preparaciones es conectar la cámara al ordenador – si no intentamos tomar exposiciones largas, por ejemplo si sólo queremos fotografiar la Luna o el Sol, o planetas brillantes, es suficiente con conectar el cable al puerto USB. Para poder emplear todas las propiedades de la webcam acoplada, debemos conectar también el cable extra al puerto paralelo. Antes de sacar fotografías del cielo, debemos enfocar, lo que quiere decir ajustar la distancia entre la webcam y el espejo del telescopio de tal manera que el sensor CCD se sitúe precisamente en el punto focal del espejo. Para hacerlo, debemos encender el ordenador y el programa que registra las imágenes de la webcam. 7.- Registrando las fotografías. La mejor manera de registrar fotografías puede hacerse empleando el programa antes mencionado – K3CCD Tools, que es compatible con las webcam Philips adaptadas. El programa tiene muchas opciones y lo mejor es aprenderlas a base de prueba y error, cambiando los parámetros y comprobando cómo estos cambios afectan a las imágenes obtenidas. Discutiremos ahora algunas de las opciones y características básicas del programa sobre la versión 1.1.7.541 (es conveniente disponer siempre de la última versión del programa y descargar regularmente sus actualizaciones de internet). Esta versión del programa es gratuita, aunque el autor 22 Observatorio CCD en el colegio requiere que descarguemos una nueva clave cada varias semanas de su website. Si al arrancar el programa vemos esta ventana de diálogo: significa que debemos descargar una nueva clave de: http://www.pk3.org/K3CCDTools/freekey.htm. Para hacerlo, debemos seleccionar todos los números en la casilla blanca del website y pulsar la combinación de teclas Ctrl+C. Entonces pegamos la clave en el programa pulsando la tecla Enter en la ventana de diálogo anterior, que nos lleva a esta otra: Observatorio CCD en el colegio 23 Aquí marcamos la opción Paste Key from Clipboard y después la tecla OK, tras lo cual podremos utilizar el programa otras pocas semanas. Cuando acabamos de registrarnos, veremos la ventana principal del programa (¡recuerden conectar la webcam de antemano!): Antes de iniciar las observaciones, debemos determinar las principales opciones del programa, eligiendo Settings en el menú de Options. En el cuadro de diálogo: 24 Observatorio CCD en el colegio Debemos disponer el Frame rate a 5.00 fps, también podemos cambiar el directorio, donde se guardarán las imágenes y cambiarle el nombre a los archivos en los que se guardarán (File name). Un botón muy importante para nosotros es el de Video button, que abre el cuadro de diálogo: Aquí podemos establecer la resolución de las imágenes obtenidas, siendo la resolución recomendada de 640x480 píxeles. Las demás pestañas del menú Settings (Seq. Observatorio CCD en el colegio 25 Processing, Camera y Guiding) no son de nuestro interés por ahora porque los valores por defecto deberían ser los adecuados. Si utilizamos una cámara adaptada a tiempos de exposición largos, debemos asegurar que en la pestaña Camera está elegida la opción SC Long Exposure. Ahora debemos establecer los parámetros de trabajo de la webcam. Para hacerlo, debemos seleccionar la opción Video Source en el menú de Video Capture o en botón XXXX. Con un click sobre ella, aparecerá una ventana de diálogo y su formato depende de la cámara que estemos utilizando. Para las cámaras Vesta de Philips es la siguiente: 26 mientras que en las webcam ToUcam de Philips es así: Observatorio CCD en el colegio Observatorio CCD en el colegio 27 Es también muy importante fijar el número de los fotogramas por segundo de grabación (Frame rate) en 5 y deseleccionar todas las casillas blancas. Los reguladores de Brightness, Contrast, Gamma y Saturation pueden dejarse como están. Una vez hecho esto, debemos ir a la pestaña de Camera controls, que es así: - para una cámara Vesta de Philips: - para una cámara ToUcam de Philips: 28 Observatorio CCD en el colegio Estas ventanas de diálogo son muy importantes para nosotros pues aquí es donde ajustaremos los parámetros de trabajo de la webcam para el objeto que queremos fotografiar. Para empezar, debemos desconectar los valores por defecto deshabilitando las casillas de Auto en Exposure y White balance (para las cámaras ToUcam). Debemos elegir una de las opciones de White balance, aunque ninguna sea la mejor para astrofotografía. Parece que los colores estarán menos afectados con la opción FL, pero es bueno experimentar con otras opciones. También elegiremos la opción de Off en la casilla de Flickerless. Nos quedan dos de los reguladores más importantes: Shutter speed y Gain. El primero se emplea cuando no utilizamos tiempos de exposición largos, por ejemplo para fotografiar la Luna. Desplazando el regulador cambiamos el tiempo durante el cual la webcam recibe la luz que le llega, en otras palabras, ampliamos o disminuimos la cantidad de luz que se registra. Cuanto más rápido sea el obturador (regulador hacia Fast), más oscura sale la fotografía. Debemos tener cuidado porque si desplazamos el regulador demasiado a la derecha tendremos este resultado, no veremos nada, sólo un fotograma negro. La posición de este regulador no importa cuando sacamos fotografías con una webcam adaptada, con tiempos de exposición largos. Lo mejor es desplazarla al extremo izquierdo. El otro regulador (Gain) establece la amplificación del sistema electrónico que convierte la luz en señal eléctrica. A mayor amplificación (regulador a la derecha), la Observatorio CCD en el colegio 29 webcam será más sensible y la imagen más brillante, pero al mismo tiempo se aumenta el ruido. La posición óptima de este regulador depende del objeto que queramos fotografiar. Si queremos fotografiar objetos brillantes (la Luna, estrellas, racimos de estrellas), intentaremos trabajar con una amplificación no muy grande (el regulador entre las posiciones de 0 y medio recorrido) porque disminuirá la cantidad de ruido, al mismo tiempo que se mantiene el brillo de la fotografía en un nivel suficiente. Si, sin embargo, tomamos fotografías de objetos poco contrastados (galaxias, nebulosas), si entonces disminuimos la amplificación puede pasar que no se registren los objetos. En este caso, debemos aumentar la amplificación, teniendo en cuenta que será necesario sacar muchos más fotogramas para compensar por el aumento de ruido. Cuando hayamos establecido los parámetros deseados, podemos cerrar la ventana de diálogo y volver a la ventana principal del programa K3CCDTools. Ahora debemos colocar el enfoque. Si no podemos ver la imagen de la webcam en nuestra pantalla, pulsaremos el botón preview XXXXXX. Si se pulsa y todavía no visualizamos ninguna imagen, intentaremos encender una cerilla directamente en la lente del telescopio o de la cámara – ¡puede que no veamos nada porque la imagen es muy oscura! Es muy difícil enfocar sobre la base de imágenes del cielo, porque las fotografías son oscuras y si el foco no es perfecto (¡y su primer día lo es!), no tenemos ninguna posibilidad de ver ningún objeto celeste (aparte de la Luna). Esta es una de las razones de fallo más frecuente en los primeros intentos de fotografiar el cielo con una webcam. Debemos adoptar la regla de empezar enfocando a un foco de luz brillante que esté alejado de nosotros (al menos 100 metros, cuanto más alejado mejor). Aunque para las observaciones intentamos encontrar un punto apartado de las farolas, un foco de luz alejado nos facilitará enfocar más fácilmente. Mientras hacemos esto, no empleamos exposiciones prolongadas para establecer el brillo correcto de las fotografías, usamos el regulador Shutter speed. Hay que recordar que la fotografía no puede ser muy brillante – saturada –porque la configuración será inadecuada. Únicamente cuando la imagen del foco de luz esté perfilada, podemos desplazar la cámara hacia un objeto brillante en el cielo – la Luna, un planeta, una estrella brillante y ubicar el enfoque en su valor definitivo. Es importante utilizar un objeto brillante para este propósito porque tampoco utilizamos exposiciones prolongadas, y gracias a ello, podemos ver el efecto de cambios del enfoque inmediatamente, y no después de un segundo. Normalmente, sin embargo, después de cambiar el enfoque, debemos dejar el control focal y esperar un momento hasta que la montura deja de vibrar y la imagen se estabilice. Cuando la imagen es nítida, podemos empezar a sacar fotografías. Hay cuatro maneras de registrar fotografías: 30 Observatorio CCD en el colegio Captura de un fotograma Cuando pulsamos XXXX la ventana de diálogo, aparece Donde cada vez que pulsamos Capture registramos un único fotograma. Cuando pulsamos Close, se guarda en el disco duro la película con las imágenes capturadas. También podemos conectar el modo automático marcando la casilla de Enabled, escribiendo el intervalo de tiempo en que se van a sacar los fotogramas (Period). 1. Capturar una secuencia de video (registrando una película a su velocidad real) Cuando se pulsa XXXX, el programa empezará a registrar una película a una velocidad (por ejemplo 5 fotogramas por segundo) la cual se puede regular con anterioridad en la pestaña de Image controls de la ventana de Video source. Para detener la grabación debemos pulsar el botón derecho del ratón. 2. Temporizador de una secuencia de video / capture timer (grabación de películas con un intervalo de tiempo predeterminado). Cuando se pulsa XXXX aparecerá una ventana, dónde podemos establecer la duración de una única película (Duration), que debería ser el intervalo de tiempo entre la grabación de las películas subsiguientes (Period), y posiblemente cuántas películas deben grabarse (Repeat Count, tras habilitar la casilla). Si no se selecciona Repeat Count, las películas se grabarán hasta que se pulse Stop o Close. Los videos se graban a la velocidad definida anteriormante en la pestaña de Video controls en la ventana de Video Source. 3. Exposición prolongada Observatorio CCD en el colegio 31 Cuando pulsa XXXX, aparecerá una ventana, desde dónde puede controlar el trabajo de la webcam cuando se utilizan exposiciones prolongadas: Aquí también podemos establecer el tiempo de exposición, empezando con 0.5 s con una cadencia de 0,5 s, o podemos indicar al programa que queremos sacar el número de fotografías establecido en la casilla Repeat Count (de otro modo las fotografías se tomarán una tras otra). El botón Preview XXX muestra una previsualización de las imágenes grabadas, el botón Record XXX inicia la grabación de la película, y se pueden capturar fotogramas individuales cuando se pulsa el botón XXX Single Exposure. Emplearemos esta ventana con frecuencia cuando queramos fotografiar estrellas u objetos nebulosos. Sólo tenemos que recordar la necesidad de conectar el cable extra al puerto de la impresora del ordenador, y en las cámaras Vesta de Philips – colocar el interruptor situado en el cuerpo de la cámara en la posición correcta. Finalmente, la tarea más importante: encontrar el objeto y situarlo en el centro del campo de visión de la webcam. Si la webcam está acoplada a un telescopio, podemos usar el buscador para este propósito (que debemos colocar adecuadamente con anterioridad). Si estamos utilizando una webcam con una lente de cámara en un trípode fotográfico, entonces, desafortunadamente, no tenemos un buscador a nuestra disposición y debemos apuntar la webcam para que se coloque en las cercanías del objeto que buscamos, mirando a lo largo de la lente de la cámara e intentando guiar la prolongación del eje de la lente al objetivo. Es una buena idea practicar este método durante el día o la noche, apuntando a las farolas. Para asegurarnos que el objeto está a la vista de la webcam, debemos comparar las fotografías con un mapa celeste, posiblemente informatizado. Si estamos fotografiando un objeto nebuloso, es una buena idea disponer el mayor aumento en el momento en el que orientamos el telescopio (el regulador de Gain), gracias al cual veremos los objetos menos contrastados en una única exposición. Cuando se enfoca la lente, disponemos el aumento a su menor nivel para reducir el ruido. 32 Observatorio CCD en el colegio Cuando registramos imágenes, siempre guardamos un gran número de fotogramas, sin importar si empleamos exposiciones cortas o largas. Esta es una regla básica cuando trabajamos con una webcam porque al añadirse muchos fotograma se reduce significativamente el ruido en la imagen final, y además nos permite obtener fotografías de objetos tan débiles que en un simple fotograma serían prácticamente invisibles. Antes o después de grabar una película del objeto que deseamos, es una buena idea preparar un fotograma oscuro – grabar la imagen vista en la cámara cuando no le llega ninguna luz – con la lente tapada. Esta imagen debe guardarse con todas las opciones exactamente iguales a las de la propia imagen. También guardamos una gran cantidad de fotogramas oscuros (el número depende del tiempo de exposición de un fotograma sencillo, así que toda la operación no conlleva tanto tiempo). Extraer la imagen media de estos fotogramas desde la película original nos permitirá eliminar parte del ruido causado principalmente por la comparativamente elevada temperatura de una webcam sin sistema de refrigeración. En una fotografía sin esta corrección, el ruido es visible en forma de píxeles calientes – puntos brillantes que no son estrellas. Cuando hayamos guardado las fotografías del cielo y los fotogramas oscuros, tenemos mucho trabajo todavía – añadir imágenes individuales, promediar las imágenes oscuras, restarlas de las demás fotografías, y otras muchas operaciones que intentan sacar la mayor cantidad de información posible de los datos que hemos reunido. Afortunadamente, podemos desarrollar este trabajo estando cómodamente sentados en nuestro escritorio. 8. Iris - proceso de datos Después de tomar una serie de buenas fotografías, estas se deberían procesar digitalmente. Gracias a este procedimiento, la imagen resultante puede ser incomparablemente mejor que la original. Hay muchos programas que reducen el ruido, suman los fotogramas y corrigen el color. En nuestro caso, para procesar las imágenes grabadas, utilizaremos el programa Iris. A continuación, se puede ver la ventana principal del programa: Observatorio CCD en el colegio 33 Podemos guardar el archivo tanto como imágenes individuales o secuencias de video completas en formato AVI. Por ejemplo, supongamos los datos procesados empleando el programa Iris. Para aprender más de cómo y por qué el procesado de la imagen puede aportar calidad a nuestras imágenes, recomendamos un excelente artículo de Grzegorz Wrochna “Técnicas de de enlace de imágenes CCD para dispositivos de alto sonido. (“http://ccd.astromet.pl/en/papers/ccd. tech.pdf). Lo primero que debemos hacer es convertir el archivo en AVI. Así es cómo lo hacemos: Insertamos el path del directorio de trabajo de en el menú File, sección de Settings, y elegimos el File Type = FIT, si no está seleccionado previamente. Para convertir el archivo tenemos que seleccionar la conversión AVI en el menú File y darle el nombre del archivo AVI a convertir: nombre.avi; en la misma ventana de diálogo seleccionar el tipo de imágenes exportadas (Exported images type) como color o blanco y negro. En el primer caso debes prever nombres de archivos genéricos para las bandas roja, verde y azul (en el caso de Júpiter, podrían ser, por ejemplo, jr, jb, y jg). Para las imágenes en blanco y negro se necesita dar el nombre de la banda de salida panchro, por ejemplo: i; desfase entre visualizaciones: 0.00 segundos, y por último, la opción “eliminar imágenes duplicadas” debe estar activada. Ahora pulsa Convert. Una ventana de salida aparecerá, donde después de la conversión le daremos el número de fotogramas válidos, por ejemplo 99. En el directorio de trabajo habrá 99 archivos con nombres del tipo i1.fit …i99.fit. 34 Observatorio CCD en el colegio 8.1. Preparando un marco oscuro Registrar una secuencia de unos 100 fotogramas con las lentes tapadas y guardarla como un archivo con el nombre dark.avi. Convertirla en formato FIT (como se ha descrito anteriormente). En la ventana de Command escribir: smedian 2 i 99; save dark. El comando smedian añade hasta 99 fotogramas, conformando su media. La media descarta los valores extremos, eliminando así los efectos, por ejemplo, de la radiación cósmica y similares. El comando save guarda el resultado en el directorio de trabajo en formato FIT, por ejemplo como en dark.fit. 8.2 Preprocesado Guarde una secuencia de por ejemplo 100 fotogramas con un objeto interesante como archivo Stars.avi. Convertirla a formato FIT (como se ha descrito anteriormente). En la ventana de Command escribir: sub2 and dark s 0 99. El comando sub2 sustraerá el dark.fit de cada fotograma de la imagen y guardará el resultado como s*.fit. Después, el último fotograma se quedará en pantalla – s99.fit. Añadirlo al primer fotograma s1.fit con el comando add s1. Si hemos fotografiado con una lente estática (o no hemos ajustado el eje de la montura correctamente), las imágenes de las estrellas de la primera y última imagen no se solaparán. Elija una estrella brillante y haga un rectángulo que contenga ambas imágenes. Escriba entonces: register s r 99. El comando register desplaza los fotogramas s*, para que la imagen de la estrella esté Observatorio CCD en el colegio 35 en el mismo lugar en todos los fotogramas r* resultantes. Añadimos los fotogramas resultantes: add_norm r 99 y guardamos el resultado en el disco como estrellas.fit: save Stars. También merece la pena cortar los bordes que no estén uniformemente expuestos debido al hecho que los fotogramas deben desplazarse antes de añadirse: window 5 10 590 470 save stars2. Los números son las coordenadas x1, y1, x2, y2 de la esquina inferior izquierda y de la esquina superior derecha. 8.3 Procesado gráfico Emplear los cursores en la ventana Threshold para ajustar el umbral inferior para eliminar la mayor parte del ruido, y el umbral superior para lograr el contraste deseado. Puede intentar utilizar los filtros de los menus View y Processing. Guarde el resultado como un mapa de puntos Stars.bmp: savebmp Stars. Si el resultado no le satisface, puede utilizar la función “unsharp masking of a sequence” que mejora la calidad de la imagen. 36 Observatorio CCD en el colegio Si quiere mejorar la calidad de la imagen, también puede utilizar los filtros que están en la barra de herramientas. Se recomienda emplear algunos de ellos (por ejemplo, Gaussian filter) y comparar los resultados. Wavelet es una función muy útil que extrae Observatorio CCD en el colegio 37 de la imagen la información de los detalles de una escala preestablecida en la imagen. Cuando se han utilizado todas las posibilidades de mejorar la calidad de la imagen, podemos fundir los diferentes canales tras añadir todos los fotogramas de cada canal. Para fundirlos, escribir: trichro (red) (green) (blue) 9. Ejemplos de los resultados Júpiter Saturno Imagen de Júpiter tomada el 16.04.2003 hacia las 21:00 horas. Imagen de Saturno tomada el mismo día hacia las 21:30 horas. Alcor y Mizar 38 Observatorio CCD en el colegio Alcor y Mizar fotografiados hacia las 22:00 horas Coma Berenices La calidad de las fotografías todavía puede mejorarse usando programas gráficos. Dos programas útiles son PaintShop Pro, disponibles en Internet en: http://www.jasc.com/ y Gimp en http://www.gimp.org/ La fotografía presentada de Júpiter, preparada sobre la base de la misma película que las fotografías de las páginas anteriores, muestra cuanto se puede hacer con una imagen. Lo que se puede hacer sólo depende de nosotros y de nuestro sentido artístico. Aquellos que hayáis comenzado la aventura con webcams fotografiando los objetos más atractivos no deben detenerse después de sacar unas docenas de imágenes impresionantes. Los investigadores más avanzados pueden empezar a seguir planetoides. A aquellos que quieran participar en una investigación científica real, se Observatorio CCD en el colegio 39 les recomienda familiarizarse con programas que monitoricen las estrellas variables. Las observaciones de las curvas de luz de incluso estrellas muy conocidas son valiosas para los astrónomos profesionales. No podemos descartar la posibilidad de encontrar una nueva nova brillante o el halo que rodea un destello gamma. ¡Hay un despliegue sorprendente de fenómenos fascinantes al alcance de webcams! 10. Empresas/compañías en Internet *Astrokrak – anillos adaptadores de webcams http://www.astrokrak.pl/ *Delta Optical – instrumentos ópticos, telescopios, accesorios http://www.astronomia.net.pl/ 11. Software útil *K3CCD TOOLS http://www.Pk3.org/Astro/software.htm *AstroVideo http://www.ip.pt/soaa/astrovideo.htm *Iris http://www.astrosurf.com/buil/us/iris/iris.htm *Astro Snap http://astrosnap.free.fr *Cartes du Ciel http://www.stargazing.net/astropc/ *Starry Night http://www.starrynight.com/ *Sky Map http://www.skymap.com/ *Otro software astronómico – por ejemplo AstroCD http://astrocd.astronomia.pl/ 12. Bibliografía y direcciones útiles http://sus.univ.szczecin.pl/~ecliptic/vesta3.htm una dirección muy útil que describe las mediciones de estrellas variables con una webcam Vesta http://ccd.astronet.pl/ una descripción detallada de la instalación de una cámara y cómo hacer un buen uso de ella http://www.astronomia.net.pl/ 40 Observatorio CCD en el colegio ¿Cómo hacer astronomía en el colegio? http://www.cft.edu.pl/astro/ APÉNDICE: IRIS (v3.81) – comandos seleccionados Explicaciones current image = la imagen visualizada en el momento T_-tri-colour comando que ordena el trabajo simultáneamente en juegos de tres archivos: R.fit G.fit B.fit que contienen los componentes rojo, verde y azul. Los nombres propios (por ejemplo saturn.fit) deben sustituirse por nombres en itálica (por ejemplo archivo.fit) Leyendo del disco y guardando LOAD [file] – abre el archivo y muestra la imagen del archivo archivo.fit SAVE [file] – guarda la imagen actual en un archivo archivo.fit SAVEBMP [file] – guarda la imagen actual como archivo.bmp T_COPY [in_R] [in_G] [in_B] [out_R] [out_G] [out_B] [N] – copias [N] número de archivos tipo in_R(i).fit en out_R(i).fit y sucesivamente Displaying STAT – información estadística de la imagen actual VISU [t2] [t1] - muestra la imagen actual, ajustando los umbrales en t1 y t2 TRICHRO [R] [G] [B] – muestra una imagen en color de los componentes R.fit G.fit B.fit BLINK [file1] [file2] [ms] – muestra el archivo1.fit y el archivo2.fit con una diferencia de un milisegundo BLINK [file1] [file2] [file3] [ms] – igual que el anterior, pero para tres archivos BLINKOFF – desactiva el parpadeo Suma de imágenes ADD [file] – añade el archivo.fit a la imagen actual ADD_NORM [file] [N] – añade un número N de archivos(i) y los escala, eliminando la sobresaturación SMEDIAN2 [file] [N] – calcula la media de los N archivos archivo(i).fit COMPOSIT [file] [sigma] [iter] [satur] [N] – añade N archivos archivo(i).fit, descartando los valores diferentes respecto de las tolerancias sigma estándar; iter – el número de iteraciones, satur = 1 elimina la saturación T_ADD [R] [G] [B] [N], T_ADD [R] [G] [B] [N], T_SMEDIAN [R] [G] [B] [N], T_COMPOSIT [R] [G] [B] [sigma] [iter] [satur] [N] – son las versiones tricolor de los comandos anteriores Resta y multiplicación MULT [c] – multiplica la imagen actual por el número real c Observatorio CCD en el colegio 41 MULT2 [file] [N] – multiplica n archivos archivo(i).fit por el número real c T_MULT [cR] [cG] [cB] [N] – para i=1 …N, r(i).fit=r(i).fit* cr, etc SUB [file] [c] – substrae archive.fit de la imagen actual y añadir el número real c SUB2 [in] [file] [out] [c] [N] – para i=1…N, out(i).fit=in(i).fit – archivo.fit + c T_SUB [R] [G] [B] [N] – para i=1…N r(i).fit = r(i).fit – R.fit, etc Añadir capas REGISTER [in] [out] [N] – desplaza la imagen in(i).fit según la estrella interior al rectángulo dibujado por el ratón; el resultado es out(i).fit PREREGISTER [in] [out] [N] – una versión basta/en bruto de REGISTER RREGISTER [in] [out] [N] – desplaza y gira las imágenes de acuerdo con las dos estrellas elegidas en el menú Analysis/Select objects COREGISTER2 [in] [out] [N] – desplaza. Gira y escala las imágenes COREGISTER [in1] [in2] – desplaza, gira y escala in2.fit para incorporarlo a in1.fit PREGISTER [in] [out] [box] [N] – una versión “planetaria” de REGISTER, trabaja en un cuadrado con lado = 128, 256 o 512, elegimos el centro dibujando un pequeño rectángulo con el ratón PREGISTER2 [in] [out] [box] [N] – como el comando anterior, pero adapta la imagen i+1 a I, en vez de a la primera CREGISTER [in] [out] [threshold] [N] – desplaza y ajusta el círculo al contorno con el valor del umbral. Selecciónelo en el menú View/ Slice y dibuje un segmento que contenga el diámetro FILE_TRANS [in] [out] [threshold] [N] – se desplaza de acuerdo con el archivo SHIFT.LST, creado por los comandos anteriores (se puede modificar manualmente) T_REGISTER [N], T_PREREGISTER [N], T_PREGISTER [N], T_CREGISTER [threshold] [N] – versión tricolor de los comandos anteriores, trabaja con los archivos r(i).fit y demás Eligiendo las imágenes BESTOF [file] [N] – crea un listado SELECT.LST y número de fotografías de la más nítida SELECT [in] [out] – reescribe archivos in(i).fit como out(i).fit según el orden de SELECT.LST T_SELECT – versión tricolor del comando SELECT, trabaja con archivos r(i).fit y demás Cortando un fragmento WIN . corta un rectángulo con las esquinas indicadas con un ratón WINDOW [X1] [X2] [Y1] [Y2] – corta un fragmento de la imagen actual WINDOW2 [in] [out] [X1] [X2] [Y1] [Y2] – corta fragmentos de la imágenes in(i).fit 42 Observatorio CCD en el colegio WINDOW· [box] – corta un cuadrado de lado = 128, 256 o 512, elegimos el centro dibujando un pequeño rectángulo con el ratón WINDOW4 [in] [out] [X1] [X2] [Y1] [Y2] – igual que el comando anterior para la serie de imágenes in(i).fit Comandos complejos COMPUTE_TRICHRO1 [MASTER] [R] [G] [B] [box] [M] [N] – una composición de PREGISTER, BESTOF (de acuerdo a MASTER, es conveniente suponer MASTER = G), SELECT (M de N imágenes) y TRICHRO. El resultado @r.fit, @g.fit, @b.fit COMPUTE_TRICHRO1 [MASTER] [R] [G] [B] [threshold] [M] [N] –como el commando anterior CREGISTER