Il preprocessing: 1- il Master Sky-Flat

Uno degli aspetti più delicati e in un certo senso misteriosi per il principiante che si avvicina all'astronomia digitale è la costruzione del MASTER FLAT FIELD. In un precedente post abbiamo visto che esistono essenzialmente due tipi di FLAT FIELD: il Dome-Flat, ricavato da una sorgente di luce artificiale posta nelle vicinanze del telescopio, e lo Sky-Flat, ricavato dall'illuminazione del fondo cielo durante le ore dell'alba o del crepuscolo. Quest'ultimo tipo di FLAT FIELD ha il vantaggio di non richiedere attrezzature particolari per la ripresa ma richiede una certa destrezza e velocità di ripresa dei frame durante il breve intervallo di tempo a disposizione e qualche attenzione in più nell'elaborazione dei frame per creare correttamente il MASTER SKY FLAT.

Vediamo quali sono i passi principali da seguire.

Prima di iniziare la sequenza di ripresa dei flat frame, ricordate sempre di:

1) utilizzare la stessa identica configurazione ottica usata per la ripresa delle immagini "GREZZE": stesso fuoco e stesso filtro.
2) verificate che la temperatura della camera CCD si sia stabilizzata e/o fissa nel punto impostato nel caso di controllo termoelettronico della temperatura del CCD.
3) per evitare gradienti sul flat frame puntate il telescopio allo zenit e tenete spento l'inseguimento

Per prima cosa occorre poi fare delle prove per determinare il corretto tempo d'esposizione in base alla luminosità del cielo: l'obbiettivo è quello di riprendere quanti più flat frame possibili nel breve intervallo di tempo che precede la completa oscurità del cielo (se si sta lavorando durante il tramonto) e possibilmente con un segnale sufficientemente grande: se utilizziamo una camera CCD a 16 bit possiamo imporci, ad esempio, un valore medio del flat frame maggiore almeno di metà del range di linearità della camera CCD. Nel nostro caso, avendo determinato il limite di linearità a 60000 ADU, sarà sufficiente che i flat frame siano compresi tra i 30000 e i 60000 ADU. Se ci pensate bene non è una cosa semplicissima: occorrono prove e un po' di esperienza per sfruttare al meglio il tempo a disposizione (generalmente solo qualche decina di minuti). Ovviamente, mano a mano che il cielo si oscura il segnale medio diminuisce e può essere necessario aumentare il tempo d'esposizione: in tal caso occorre prenderne nota e ricordarsi di riprendere una serie di dark frame anche per il tempo d'esposizione più lungo.

Avremo finalmente una serie di sky-flat frame come quello qui sotto illustrato:

Ecco come si presenta un tipico sky-flat frame: sono presenti le strisciate di alcune stelle e persino il passaggio di un debole satellite. Si noti nella status bar in basso il valore medio del backgroud (B = 31456) in ADU.

Come si vede non è necessario tenere acceso l'inseguimento del telescopio: al contrario, tenendolo spento ci assicuriamo che non ci saranno sovrapposizioni di stelle tra un frame e l'altro e potremo così applicare con efficacia la combinazione mediana dei frame.

Nota: ancora oggi non è raro leggere che le serie di flat frame o dark frame devono essere composte da un numero dispari di immagini per poter essere combinate in modalità mediana. Si tratta in realtà di un retaggio del passato quando i primi software di elaborazione delle immagini astronomiche implementavono algoritmi limitati ed incompleti. L'algoritmo completo implementato nei moderni software come Astroart, contempla anche il caso di un numero pari di frame. In particolare si stabilisce che, per calcolare la mediana di n dati:
1. si ordinano gli n di dati in ordine crescente o decrescente;
2. se il numero di dati è dispari la mediana corrisponde al valore centrale, ovvero al valore che occupa la posizione (n + 1) / 2.
3. se il numero n di dati è pari, la mediana è stimata utilizzando i due valori che occupano le posizione (n / 2) e (n / 2 + 1) (generalmente si sceglie la loro media aritmetica).

La combinazione mediana è essenziale per la buona riuscita del MASTER SKY FLAT: è l'unica combinazione che permette di eliminare le strisciate delle stelle o i passaggi di satelliti o altri "difetti" presenti in modo casuale e differente su ogni sky-flat frame. Per funzionare però necessita di un requisito fondamentale: tutti i frame devono avere all'incirca lo stesso valore medio; si dice che devono essere "normalizzati".
Se avessimo ripreso i flat frame sotto una sorgente di luce costante (come nel caso dei Dome-Flat) questo requisito sarebbe stato senz'altro raggiunto senza ulteriori passaggi e avremmo potuto ottenere il MASTER FLAT FIELD immediatamente utilizzando le opportune opzioni riportate nelle finestre di Pretrattamento di Astroart. Purtroppo, nel nostro caso, la luminosità del fondo cielo cambia rapidamente durante i minuti del crepuscolo e la conseguenza è che tutti gli sky-flat frame hanno un valore medio differente l'uno dall'altro: occorre dunque normalizzarli ad uno stesso valor medio di riferimento.

Per procedere con la normalizzazione dobbiamo eseguire due ulteriori passaggi.
Come prima cosa sottraiamo ad ogni sky-flat frame il MASTER DARK FRAME corrispondente e salviamo singolarmente gli sky-flat frame così corretti.

La prima pagina "File" della finestra di Pretrattamento di Astroart assumerà un aspetto simile al seguente:

Nel nostro esempio abbiamo 10 sky-flat frame (ripresi con il filtro rosso) e 10 dark frames. Si noti che, per poter salvare i singoli sky-flat frame, questi vanno inseriti nella casella "Immagini" anzichè in quella dei "Flat Field".

Mentre la seconda pagina "Opzioni" occorre configurarla nel modo seguente:

Facendo click sul pulsante "OK" otterremo nella nostra cartella di lavoro 10 nuovi file con lo stesso nome dei file degli sky-flat frame più un suffisso "_P" ad indicare che sono file "processati": il programma avrà automaticamente calcolato il MASTER DARK FRAME, lo avrà sottratto ai singoli sky-flat frame e salvato i file risultanti sul disco rigido apponendo il suffisso indicato.

Possiamo ora normalizzare questi 10 file processati. Occorre creare una macro ed applicarla (come indicato nelle finestre qui sotto) al gruppo di file con il suffisso "_P".

Utilizzate l'Help in linea per creare ed applicare le macro di Astroart.

La funzione "Normalizza background" utilizzata nella macro richiede come argomento un frame di riferimento dal quale ricavare la costante di normalizzazione: è sufficiente, prima di lanciare la macro, aprire uno degli sky-flat frame processati sul desktop di Astroart e selezionarlo quando richiesto durante il lancio della macro.

Sempre seguendo l'impostazione del nostro esempio, avremo ora nella cartella di lavoro 10 nuovi file con nome "NormFlatRxxx" dove xxx è un numero progressivo. Sono finalmente i nostri sky-flat normalizzati che potremo inserire nella casella "Flat Fields" della finestra di Pretrattamento di Astroart (ricordando sempre di selezionare l'opzione "mediana" del Flat Field nella pagina "Opzioni" della stessa finestra):



Il risultato finale: il MASTER SKY-FLAT perfettamente corretto senza alcun residuo di stelle: