Como detectar exoplanetas con una DSLR

[asoler]

Buenas, les dejo este articulo interesante de como detectar exoplanetas con una DSLR

http://lensvid.com/gear/diy-exoplanet-detector-using-dslr/

Saludos

[jwackito]

Si! Yo también lo vi y la verdad está excelente.

[Hal9000]

No entendi muy bien que software usa, para la medicion de la estrella y posterior comparacion.

Alguien sabe cuales son ?.

Saludos.

[Cisco]

Es una lástima que el articulo no diga absolutamente nada, mas allá de intentar explicar cómo armar una plataforma ecuatorial.

Por eso, buscando un poco encontré el articulo original: http://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/diy-exoplanet-detector, que explica mucho más detalladamente todo el proceso.

Este articulo esta basado en este enlace, de un aficionado que dice confirmar un exoplaneta con sólo su DSLR. http://www.cloudynights.com/topic/462161-detect-known-exoplanet-with-dslrtelephote-lens/#entry6010854

Después de leer el articulo de Schneider, y ver sus gráficos, me cuesta aceptar así nomás que el tipo realmente confirmó el exoplaneta. Me suena más a ganas que a otra cosa.

Sería piola que esto lo analizara gente entendida como Carlos Colazo, para ver si esto tiene validez científica o no pasa de ser más que buenos deseos.

A probar se ha dicho!

Saludos!

[Hal9000]

A la DSLR no le tengo dudas.

Al diámetro del objetivo que usa, ya si.

Me imagino que hacen falta 200mm o mas para intentar algo de este tipo.... quiza mas..

Saludos.

[Fgomezm]

Esto es una tontería. La incertidumbre asociada al equipo utilizado es varias veces mayor que la variación de brillo que se quiere determinar.

Es como intentar medir el espesor de un cabello con un metro de sastre.

Hay aficionados que hacen mediciones de tránsito de exoplanetas , pero no con una DSLR Canon, un lente Nikor de 300 mm en f/5.7 y una montura de charnela.

Fernando

[jwackito]

Hola Gente. No me parece que esto sea una pavada, sobre todo por que el que escribe tampoco es cualquiera. Que es difícil de hacer, no me cabe la menor duda. Lo he hecho por mis propios medios? no todavía. Es viable? yo creo que si.

El artículo de Des Loughney (el cual puede descargarse de los enlaces) afirma que es posible obtener mediciones para estrellas por arriba de 10mag con precisión de 0.02mag, es decir un decaimiento en el brillo de 2%, solamente con cámaras DSLR utilizando teleobjetivos y sin monturas con seguimiento.

Según la página de Wikipedia de Barn Door Traker, las monturas de chanela que menciona Fernando pueden proporcionar seguimiento por 5 a 10 minutos (o más de 20 para las monturas tipo isoceles o curved rod mount) antes de notar errores utilizando un lente de 50mm. Cuando el objetivo es más grande, el campo se reduce y la tolerancia de la montura es menor.

Creo que esto está bien por dentro de los parámetros del trabajo de David, quién midió un decaimiento de brillo de 2.8% en una estrella de magnitud 7.67, utilizando un tiempo de exposición de 50 segundos utilizando un teleobjetivo de 300mm.

Den L: Variable Star Photometry using DSLR cameras

Wiki: Barn Door Traker

[Fgomezm]

Juaquito

Daré una respuesta rápida, porque el tema da para mucho.

Asumamos como premisa que para hacer astrometría se necesita, al menos, una imagen bien resuelta. Esto es asi porque si la imagen de la estrella que vamos a medir no tiene una buena resolución entonces los datos serán ruidosos y se afectará la reducción fotométrica.

La resolución de la imagen depende de 3 factores,

a) la respuesta del sistema óptico

b) el seeing atmosférico

c) el seguimiento

Estos factores no están correlacionados entre sí y la resolución final será la raiz cuadrada de la suma de los cuadrados de estos 3 factores.

Descartemos el seguimiento en la hipótesis que las tomas son de corta duración y las focales no muy largas , entonces la resolución de la imagen dependerá de la respuesta del sistema óptico y del seeing atmosférico.

Los sistemas ópticos tienen una respuesta al impulso denominada PSF (Point Spread Function) o dicho de una manera más sencilla la imagen focal de un punto no es exactamente un punto sino un disco. El disco contiene el 84% de la luz de la estrella y el 16% se difunde entre los anillos de difracción. De este disco la mitad de la luz se encuentra en una región que se le denomina Full Width HAlf Maximum o FWHM.

Este parámetro FWHM es el que nos interesa para determinar la calidad de la imagen.

Sigo, bajo condiciones de seeing perfecto el valor FWHM se expresa como FWHM = 1.02 * longitud de onda* Relación focal

este es el denominado límite de Rayleigh de una óptica perfecta.

Un teleobjetivo de 300mm esta muy lejo de ser un óptica perfecta pero asumamos que también es así. Para la longitud central del espectro visible (550nm-verde) con el lente trabajando a f/5.6 el FWHM de una estrella sería

FWHM= 1.02x550x5.6= 3.14 micras

Pero como no estamos en la órbita del Hubble ni en el desierto de Chajnantor el término del seeing debe ser tenido en cuenta

El tamaño de una estrella considerando el seeing se puede aproximar a

Tamaño de estrella= Seeing * distancia focal/206.3

Asumamos una noche de buen seeing y dejémoslo en 2 arc seg.

Aplicando la fórmula con una distancia focal de 300 mm el tamaño de la estrella considerando el seeing será 2*300/206.3=2.9 micras

El tamaño de la estrella aplicando ambos factores será raiz cuadrada (3.1^2 + 2.9^2)=4.24 micras

Bueno ahora ya tenemos la estrella en el plano focal de nuestro instrumento óptico y entonces allí ponemos una cámara electrónica para transformar la imagen en una señal eléctrica.

Para ello vamos a tener que muestrear la señal captada por los pixeles de la cámara y la teoría de señales indica que la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la señal que va a ser muestreada (Teorema de Nyquist).

Lo de dos veces se aplica al muestreo de señales sinusoidales , pero en realidad nosotros tenemos que muestrear la imagen de la estrella que se modela por la función PSF.

En el caso que la mejor aproximación para la PSF sea una gaussiana entonces este factor multiplicativo pasa de 2 a 3.3

Ya estamos llegando al final del razonamiento

Si nuestra estrella tenía un tamaño de 4.2 micras y el factor de muestreo es 3.3 entonces el tamaño del pixel de la cámara debe ser

4.2/3.3= 1,27 micras

Pero el tamaño del pixel de las Canon son 5.6 micras , casi 4,5 veces mayor.

Conclusión la estrella indefectiblemente quedará submuestreada y la resolución fotométrica sera de escasísima calidad y el ruido enmascarará todo.

Una pequeñisima variación en el brillo de la estrella original debido al pasaje del exoplaneta será irresoluble en la señal obtenida .

Es por eso que dije que se asemeja a tratar de medir el espesor de un cabello con un metro de sastre.

Para rematar.

Es fundamental , cualquiera sea la aplicación en que estemos pensando, que el sensor de nuestra cámara (CCD o DSLR) esté matcheado con la resolución de nuestra óptica.

Si el sensor es más grande que la resolución requerida entonces estaremos submuestreando y no obtendremos la información fidedigna. Si el tamaño del pixel coincide con la resolución requerida estamos en la condición ideal, y si el tamaño del pixel es más pequeño que lo requerido entonces estaríamos sobremuestreando. No estaríamos obteniendo más información por esto pero más vale que (zo)..sobre y no que falte .

Tengan en cuenta que utilicé en todos los casos las hipótesis más favorables, cosa que no sucederá en la realidad, y aún así es claro que esta configuración de un lente teleobjetivo y una cámara DSLR no es adecuada para hacer determinaciones astrométricas.

La del estribo. Las camaras DSLR no son lineales en su respuesta por lo que aún cuando nuestro sistema óptico estuviese perfectamente matcheado las DSLR no se pueden usar para reducciones fotométricas. Ese terreno está reservado para los CCD

Me quedó largo, pero espero no demasiado oscuro.

Fernando

[jwackito]

Si. El tema da para mucho y esta para discutirlo a fondo. A ver si los que hacen fotometría o astrometría meten la cuchara por que de muchas de estas cosas hablo sin saber. Me quedan algunas dudas de lo que planeteas Fernando. Las pongo entre lineas.

Juaquito

Daré una respuesta rápida, porque el tema da para mucho.

Asumamos como premisa que para hacer astrometría se necesita, al menos, una imagen bien resuelta. Esto es asi porque si la imagen de la estrella que vamos a medir no tiene una buena resolución entonces los datos serán ruidosos y se afectará la reducción fotométrica.

En el paper que adjunté se habla de una relación señal ruido (SNR) de 100 para que las medidas sean eficaces. Esto se puede lograr con una exposición única si el sistema óptico y la calidad del cielo son buenas, pero también se pueden integrar varias tomas, restar darks y más para obtener una mejora en la SNR, no?

Si nuestra estrella tenía un tamaño de 4.2 micras y el factor de muestreo es 3.3 entonces el tamaño del pixel de la cámara debe ser

4.2/3.3= 1,27 micras

Pero el tamaño del pixel de las Canon son 5.6 micras , casi 4,5 veces mayor.

Conclusión la estrella indefectiblemente quedará submuestreada y la resolución fotométrica sera de escasísima calidad y el ruido enmascarará todo.

Si este razonamiento fuera correcto, no deberíamos ver las estrellas como pixels cuadrados en lugar de como se ve en las fotos donde toda la señal de la estrella cae al rededor de una campana? Me parece que las fotos que muestra David no están submuestreadas y en mi experiencia utilizando un lente 18-55mm tampoco quedan submuestreadas. Lo único que hay que tener en cuenta es que la estrella no se sature por que si no ahí si no podemos medir nada.

La del estribo. Las camaras DSLR no son lineales en su respuesta por lo que aún cuando nuestro sistema óptico estuviese perfectamente matcheado las DSLR no se pueden usar para reducciones fotométricas. Ese terreno está reservado para los CCD

La respuesta ningún sensor es lineal y varía a lo largo de las longitudes de onda, incluso en los CCDs. Se puede ver esto en los gráficos de respuesta de cada sensor a las diferentes longitudes de onda. Sin embargo, la diferencia entre variaciones si es lineal y el método utilizado por David para medir las variaciones es justamente ese. La fotometría diferencial usa un conjunto de estrellas patrón (las cuales se suponen no varían en mag y generalmente están catalogadas por la AAVSO) y lo que se mide es la diferencia de magnitud entre la estrella observada y las estrellas patrón. Tal vez no se pueda averiguar la magnitud de una estrella en una determinada longitud de onda a partir de esta información (salvo que se conozca la magnitud de las estrellas patrón, tal vez), pero si se puede saber en cuanto varía el brillo de la estrella objetivo respecto a las estrellas patrón.

Por favor no se queden con lo que digo y si me equivoqué en algo no duden en corregirme.

NOTA: Alguien usó el IRIS alguna vez? Yo traté con el astrométrica pero fracasé horriblemente.

[Fgomezm]

Si. El tema da para mucho y esta para discutirlo a fondo. A ver si los que hacen fotometría o astrometría meten la cuchara por que de muchas de estas cosas hablo sin saber. Me quedan algunas dudas de lo que planeteas Fernando. Las pongo entre lineas.

Juaquito, solamente soy un aficionado por lo que puedo decir y opinar es totalmente discutible. Intentaré toda vez que pueda justificar mis intervenciones.

Juaquito

Daré una respuesta rápida, porque el tema da para mucho.

Asumamos como premisa que para hacer astrometría se necesita, al menos, una imagen bien resuelta. Esto es asi porque si la imagen de la estrella que vamos a medir no tiene una buena resolución entonces los datos serán ruidosos y se afectará la reducción fotométrica.

En el paper que adjunté se habla de una relación señal ruido (SNR) de 100 para que las medidas sean eficaces. Esto se puede lograr con una exposición única si el sistema óptico y la calidad del cielo son buenas, pero también se pueden integrar varias tomas, restar darks y más para obtener una mejora en la SNR, no?

Es cierto que si se promedian varias muestras la relación SNR decrecerá como la raiz cuadrada de la cantidad de muestras, pero se supone que estámos intentando determinar un tránsito. Entre toma y toma transcurrirá un cierto tiempo y en ese tiempo el exoplaneta se habrá movido de posición. El integrar entonces varias tomas no sé hasta que punto es válido porque estamos afectando el resultado de la medición. Es algo así como intentar lograr una buena imagen de la Gran Mancha de Júpiter promediando tomas individuales distanciadas en el tiempo (x ej cada 30 min). Es que el blanco se está moviendo.

La forma típica de detectar el tránsito del exoplaneta es graficar el brillo de la estrella vs el tiempo. Creo que esos punto de la curva de luz son tomas individuales y no promedio de tomas pero habrá que investigarlo.

Si nuestra estrella tenía un tamaño de 4.2 micras y el factor de muestreo es 3.3 entonces el tamaño del pixel de la cámara debe ser

4.2/3.3= 1,27 micras

Pero el tamaño del pixel de las Canon son 5.6 micras , casi 4,5 veces mayor.

Conclusión la estrella indefectiblemente quedará submuestreada y la resolución fotométrica sera de escasísima calidad y el ruido enmascarará todo.

Si este razonamiento fuera correcto, no deberíamos ver las estrellas como pixels cuadrados en lugar de como se ve en las fotos donde toda la señal de la estrella cae al rededor de una campana? Me parece que las fotos que muestra David no están submuestreadas y en mi experiencia utilizando un lente 18-55mm tampoco quedan submuestreadas. Lo único que hay que tener en cuenta es que la estrella no se sature por que si no ahí si no podemos medir nada.

Después intentaré contestar esto con algún dibujo explicativo

La del estribo. Las camaras DSLR no son lineales en su respuesta por lo que aún cuando nuestro sistema óptico estuviese perfectamente matcheado las DSLR no se pueden usar para reducciones fotométricas. Ese terreno está reservado para los CCD

La respuesta ningún sensor es lineal y varía a lo largo de las longitudes de onda, incluso en los CCDs. Se puede ver esto en los gráficos de respuesta de cada sensor a las diferentes longitudes de onda. Sin embargo, la diferencia entre variaciones si es lineal y el método utilizado por David para medir las variaciones es justamente ese. La fotometría diferencial usa un conjunto de estrellas patrón (las cuales se suponen no varían en mag y generalmente están catalogadas por la AAVSO) y lo que se mide es la diferencia de magnitud entre la estrella observada y las estrellas patrón. Tal vez no se pueda averiguar la magnitud de una estrella en una determinada longitud de onda a partir de esta información (salvo que se conozca la magnitud de las estrellas patrón, tal vez), pero si se puede saber en cuanto varía el brillo de la estrella objetivo respecto a las estrellas patrón.

Un par de aclaraciones aquí

Cuando hablé de la no linealidad de las DSLR me refería al conversor analógico digital y no a la respuesta en frecuencia del sensor.

1-En un CCD la señal de salida es proporcional a la cuenta de fotones en el sensor, pero en las DSLR la curva de respuesta no es una recta. En los tonos medios la respuesta es casi lineal, pero en las sombras las DSLR tiene una ganancia un poco mayor y en las altas luces la ganancia es menor. Esto es así para tener en cuenta la dinámica de las imágenes que habitualmente se fotografían con las DSLR. Estas cámaras están pensadas para fotografías diurnas y las aplicaciones en astrofotografía son una rareza.

El que estas cámaras no tengan una respuesta lineal limitan mucho la reducción astrométrica.

NOTA- Es por esta falta de linealidad que no se pueden escalar los dark frames con las DSLR tal como se hace con las CCD

2- La respuesta del sistema óptico+filtros+sensor en el dominio de la frecuencia (espectro) es otra historia y es por eso que se utilizan filtros normalizados para las reducciones fotométricas. La reducción en color se expresa como (B-V) y (V-R)

2- Si bien la técnica que estamos discutiendo es similar a la de la detección de variables no es el mismo caso. En esta entrada del foro estamos discutiendo tránsitos de exoplanetas.

La detección de variables no es tan demandante (siempre que la variación de amplitud sea significativa). La fotometría diferencial funciona bien con variables y los cuidados a tener son menores. Como bien dice juaquito, teniendo en el campo fotografiado una estrella patrón se pueden determinar las diferencias sin mayores errores. Hay un programa llámado Fotodif de descarga libre que hace muy bien las cosas.

Por favor no se queden con lo que digo y si me equivoqué en algo no duden en corregirme.

NOTA: Alguien usó el IRIS alguna vez? Yo traté con el astrométrica pero fracasé horriblemente.

La curva de aprendizaje del IRIS es muy ardua pero es un programa muy potente. Yo solamente utilizo algunas funciones específicas del mismo y luego vuelvo a mi condición de confort que está con el Photoshop , el Pixinsight y el MaximDL.

[Carlos Colazo]

Hola Gente. jwackito me comentó sobre este hilo y me invitó a leerlo.

Lo primero: estoy gratamente sorprendido por las inquietudes de ustedes y el debate, aunque debo confesales que hice sólo una lectura rápida.

En realidad es poco lo que yo pueda aportar y veo que conocen mucho del marco teórico.

Creo que el artículo que encontró Cisco (http://spectrum.ieee.org/geek-life/hand ... t-detector) es totalmente posible y confío en que lo puesto allí es totalmente verídico. Aún cuando el autor es demasiado optimista con la exactitud de la amplitud de la curva, creo que lo interesante es que el hombre pudo verificar de manera contundente que con ese equipo puede detectar un tránsito, y eso es lo realmente importante. No miren los valores ni analicen si son los correctos, vean la detección de la variación de magnitudes. Que los resultados sean útiles para hacer un aporte científico: eso es otra cosa, pero piensen en el potencial que tiene un trabajo como ese: Un astrónomo aficionado bien podría ponerse a vigilar una lista de estrellas para detectarle posibles tránsitos y así descubrir candidatos a exoplanetas. El paso siguiente será el de vigilarlo con equipos más grandes, utilizando CCDs y confirmar o dejar en suspenso esa posibilidad.

Claro que con una cámara CCD muy buena y de elevadadísimo costo, pero estoy ayudando a un estudiante norteamericano se pasa muchísimas noches operando un equipo instalado en Bosque Alegre (lo maneja de manera remota), con una lente de sólo 50 mm de diámetro -también de alta calidad óptica- que otorga un campo de unos 7º. Consiguió una beca para un doctorado en astronomía y está buscando variabilidades en estrellas de tres o cuatro regiones del hemisferio Sur: quiere descubrir exoplanetas, pero se va conformando con detectar estrella variables nuevas. Es un proyecto similar al del grupo uruguayo del VST. No sugiero que hagan eso, pero... quien no tiene acceso a un 200mm con seguimiento?. La probabilidad de detectar variabilidades disminuye muchísimo por el pequeño FOV, pero tendrán menor dispersión y chances de explorar magnitudes más débiles, pero haciendo seguimientos individuales en lugar de evaluar muchas estrellas en simultáneo.

Pongan la cámara que quieren probar en algún telescopio... Yo soy un aficionado pragmático -como la gran mayoría de los aficionados observacionales- y creo que luego de una interesante discusión como ésta, de nada servirá si alguno de ustedes con algún equipo como el que sugiero no intenta observar un tránsito de los que propone la Sociedad Astronómica Checa, por ejemplo. Busquen algún tránsito con amplitud no menor a 20 mmag y obtengan una curva. Con la tabla de fotometría (usen fotodif, que es re-fácil de usar), ajusten la curva siguiendo los pasos de servicio on-line del ETD (la pagina está caída por estos días por una mudanza), sin llegar al quinto paso (el de envío del reporte). Eso les permitirá ver la dispersión que obtienen y si con ella es posible discernir si el tránsito se detectó o no. Creo que se van a sorprender con los resultados. Tampoco esperen ver la gran curva, pero si no se ponen contentos con ver evidencias del evento -como lo hizo el aficionado del artículo-, utilizando un equipo pequeño, eso querrá decir que todavía no descubrieron el encanto de disfrutar de estas aventuras astronómicas.

Espero que tengan éxito. Si descubren una candidata a tener un exo, me comprometo a seguirla desde Bosque Alegre y a no robarles el descubrimiento (pero me ponen como segundo autor, ja!). Algo así haremos con el estudiante norteamericano. Yo no me puse todavía a hacer lo que les propongo, porque estoy muy atareado con mucho trabajo que me demanda en una experiencia laboral que estoy haciendo en Bosque Alegre durante todas las noches despejadas, pero créanme que lo voy a hacer apenas vuelva a trabajar con mi observatorio en Tanti. Obviamente: no esperen encontrar variabilidades en las primeras noches de observación, y menos si no conocen el rango de magnitudes en los que se produzca un sigma de dispersión que ronde las 20 mmag o mejor: un poquito menos.

Saludos.

[Fgomezm]

Gracias profe por el aporte.

Me quedo con tus palabras " no espere ver la gran curva .... pero.se pondrán contentos con ver evidencias del evento"

O sea podría a llegarse a ver evidencias del tránsito de un exoplaneta con un equipo muy simple pero la astrometría en serio es otra cosa.

Buceando en mi biblioteca encontré un buen libro de Bruce L. Gary "Exoplanets observings for amateurs" ( tiene copyright pero creo se puede descargar por Internet).

Textualmente dice a este respecto

"There’s a cheaper option if you’ll be satisfied with observing only the brightest few transiting

exoplanets, those brighter than 10th magnitude, for example (of which there are 9 known, as of this

writing). For them you may use a digital single-lens reflex (DSLR) camera with a telephoto lens

mounted piggy-back to any equatorially-mounted telescope with a sidereal drive. For example,

Gregor Srdoc, of Croatia, produced a transit light curve of 10.7 V-magnitude XO-4 using a 64-mm

(2.5-inch) aperture telephoto lens and a 12-bit DSLR camera. Most amateur astronomers already have

hardware similar to this, so why not give this set-up a try?"

Unas palabras finales para el proyecto VCT de la Asociación de Aficionados a la Astronomía. A mi me quedan muchas dudas si realmente han detectado las variables que declaran con ese equipo. Al principio del proyecto comenzaron a cotejar sus determinaciones con una base de datos de curvas de luz de un telescopio que estaba instalado en La Silla (Chile) y creo que fue luego buceando en esas curvas de luz que reportaron las variables a la AAVSO.

Saludos

Fernando

[Carlos Colazo]

Hola Fernando.

Sí, deberíamos ser optimistas en cuanto a detectar eventos y sólo de los tránsitos profundos. Coincido en que una fotometría útil para obtener datos significativos deben hacerse con CCD calibrando y conociendo la técnica, tal como ya se dijo acá. Insisto en que no es una cosa menor el detectar evidencias de eventos. Deberíamos darle mayor valor a esa capacidad que tenemos con los equipos que tenemos los aficionados, en general.

Les comento que un equipo chino instalado en el polo Sur está detectando variabilidades que se están estudiando, pero no saben de que estrellas se trata porque su resolución es tal que en un solo pixel pueden entrar dos o tres estrellas. A ellos no les preocupa saber cual produce la variación. Saben que allí hay algo que varía y entonces es trabajo de otros telescopios detectar cual es la estrella responsable y de que se trata. Vi detalles que me mostró un astrónomo argentino radicado en EEUU que trabaja con ellos y tienen una lista de candidatos enorme. Alli deben tener muchos exoplanetas. Les comento esto como para que vean que se puede hacer mucho sin preocuparse por lograr la curva bonita.

Sobre lo de la gente que descubrió las variables en Uruguay, no puedo opinar porque sólo conozco alguna información muy general sobre el proyecto. Yo rescataba sólo la idea y la posibilidad de detectar variabilidades con pequeños equipos.

Saludos. Suerte con las observaciones.

[jwackito]

Buenísimo Carlos!. Muchas gracias por el aporte.

[Néstor Ortega]

Muy interesantes, claros y motivantes tus explicaciones. Muchas gracias, Carlos.

Saludos