Información Astrofísica II

Astronomía Observacional: Información Astrofísica II
G.L. Baume - 2014
Información Astrofísica II
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Astronomía Observacional: Información Astrofísica II
G.L. Baume - 2014
Información Astrofísica II
Obtención y Análisis
1. Conceptos Básicos
2. Técnicas Observacionales
Bibliografía
Observational Astrophysics (Chapter 1)
P. Léna, D. Rouan, F. Lebrun, F. Mignard & D. Pelat
Electronic Imaging in Astronomy (Chapter 1)
I.S. McLean
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1. Conceptos Básicos
Esquema del tratamiento de la Información:
Optimización de
la observación
Señal
Sistema de
Observación
Revisión
Rápida
Datos crudos
(“raw data”)
Reducción +
Calibración
Teoría
Base de Datos
Análisis
Publicación
Propuesta de
observación
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1. Conceptos Básicos
Si bien “todos” los portadores son importantes, la Astrofísica se basa principalmente
en la información obtenida de los fotones
A.1. Sistema de Observación
B.1. Cobertura Espectral
A.2. Cubo de Datos
B.2. Nivel de sensibilidad
C.1. Resolución angular
C.2. Resolución temporal
C.3. Resolución espectral
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1. Conceptos Básicos
A.1. Sistema de Observación:
Definición
Se denomina asi a un dispositivo
que permite:
recolectar,
seleccionar,
traducir
la informacion de un portador
determinado en una “señal” que
puede ser analizada y almacenada
Constituyentes
Un “sistema de observación”
consta, en general, de los
elementos indicados en la figura
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1. Conceptos Básicos
A.2. Cubo de Datos:
Definición
Es una forma de interpretar como se distribuye la energía recibida
en función de las siguientes variables:
• Las coordenadas de posición (pe: x-y o α-δ)
• La coordenada espectral (λ o ν).
Cada punto del cubo de datos
indica un valor vinculado con la
energía recibida para una dada
posición y longitud de onda
The concept of a data cube.
Credit: Stephen Todd (ROE)
Douglas Pierce-Price (JAC)
http://ifs.wikidot.com/what-is-ifs
and
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1. Conceptos Básicos
A.2. Cubo de Datos:
Existen dos variables adicionales que son:
• El tiempo (t)
• La polarización de la señal (parámetros de Stokes: I,Q, U,V)
t
I
Q
U
V
Nota: En realidad no se observan los
parámetros de Stokes en forma independiente,
sino que siempre se observan intensidades
moduladas por un polarizador a partir de las
cuales se deducen los valores de Q, U y V
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1. Conceptos Básicos
A.2. Cubo de Datos:
Existen dos variables adicionales que son:
• El tiempo (t)
• La polarización de la señal (parámetros de Stokes: I,Q, U,V)
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1. Conceptos Básicos
B.1. Cobertura espectral
Definición
Se denomina de esta forma al rango
de longitudes de onda en la que es
util un determinado sistema de
observación
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1. Conceptos Básicos
B.1. Cobertura espectral
La atmósfera terrestre fue decisiva en el desarrollo de las distintas bandas
Actualmente, todas las bandas son accesibles desde el espacio con el sistema de
observación correspondientes
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1. Conceptos Básicos
B.1. Cobertura espectral
Distintas bandas permiten
resaltar distintas características de un mismo objeto
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1. Conceptos Básicos
B.1. Cobertura espectral
Para comparar las distintas bandas
de la mejor manera, se necesita
tener valores semejantes en:
• el nivel de sensibilidad
• la resolución angular
• la resolución temporal
• la resolución espectral
Galaxia Centauri A
Óptico: el centro de la galaxia se halla oculto por el polvo
IR: se puede obtener información a través del polvo
Rayos X – radio: se manifiesta la presencia de jets de gas
caliente perpendiculares al plano de la galaxia
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1. Conceptos Básicos
B.1. Cobertura espectral
Nebulosa del Cangrejo
Radio
Radiación sincrotrón y
radiación
bremstrahlung
Óptico – IR
Radiación debida a
líneas atómicas
Rayos X
Radiación sincrotrón
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1. Conceptos Básicos
B.2. Nivel de sensibilidad
Sistema con bajo
nivel de sensibilidad
Definición 1
Es la capacidad de un “sistema de
observación” para detectar fuentes débiles
(por encima del ruido)
Definición 2
Es la “máxima relación señal a ruido
(SNR)” que permite obtener un dado “sistema
de observación”.
Nota importante:
Las dos imágenes poseen el
mismo tiempo de exposición,
solo varia el sistema de
observación
Sistema con alto
nivel de sensibilidad
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1. Conceptos Básicos
B.2. Nivel de sensibilidad
Depende fundamentalmente de:
a) El Area colectora
b) El Detector
c) El Tiempo de integración
Entonces:
• El “tamaño” de la apertura
• La “eficiencia” del detector y
• El “máximo” tiempo de integración
determinan la sensibilidad del sistema de
observación
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1. Conceptos Básicos
B.2. Nivel de sensibilidad
a) Area colectora
El tamaño se ve limitado por
problemas térmicos y/o
mecánicos
A pesar de ello se han
incrementado de una forma
exponencial con el paso del
tiempo
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1. Conceptos Básicos
B.2. Nivel de sensibilidad
a) Area colectora
Debido
a
limitaciones
tecnológicas, el tamaño del
“área colectora” depende de
“la cobertura espectral” del
“sistema de observación”
Ley empírica: D α λ1/3
(para E < 1 MeV)
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1. Conceptos Básicos
B.2. Nivel de sensibilidad
b) Detector
La “eficiencia” del detector
depende de::
• la tecnología disponible
• las limitaciones físicas
Herschel-S
Herschel-I
La figura indica el ”nivel de
sensibilidad” de diferentes
“sistemas de observación”
Se ha considerado:
el máximo tiempo de integración
los flujos medidos (líneas llenas)
o estimados (líneas a trazos) de
algunas fuentes típicas
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1. Conceptos Básicos
C.1. Resolución Angular:
Definición
Es la capacidad que tiene un “sistema de observación”
para discriminar la información que proviene de
diferentes direcciones
NGC 3521
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1. Conceptos Básicos
C.1. Resolución Angular:
El estudio de un mismo objeto con diferentes
coberturas espectrales es más adecuado cuando las
resoluciones angulares son comparables
Rayos X
Optico
Microondas
(1.6 GHz)
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1. Conceptos Básicos
C.1. Resolución Angular:
Límite Teórico
La resolución angular de un sistema de
observación se halla determinada por el límite
de difracción impuesto por:
• El “tamaño de la apertura”
• La “longitud de onda” de funcionamiento
θ = 1.22
λ
D
Límite Práctico
En la práctica, la resolución angular se
ve limitada por:
• La “calidad” del “sistema de
observación”
• La “turbulencia” de la atmósfera
terrestre
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1. Conceptos Básicos
de
lo
de
de
Resolución
angular teórica
Peor
resolución
La figura indica la evolución
“la resolución angular” a
largo del tiempo a traves
diferentes
sistemas
observación
Mejor
resolución
C.1. Resolución Angular:
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1. Conceptos Básicos
C.1. Resolución Angular:
La figura representa evolución de “la
resolución angular” para diferentes
“coberturas espectrales”
• Gris oscuro: hasta 1960
• Gris claro: hasta 1990
• Línea a trazos: hasta 2000
Hay baja resolución en altas energias
(rayos X y rayos γ)
La mejor resolución es en radio
(limitada por el tamaño de la Tierra;
interferómetros)
Ley empírica:
D α λ1/3
“Calidad” del
“Sistema de
Observación”
θ = 1.22
λ
D
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1. Conceptos Básicos
C.1. Resolución Angular: Optico
En esta banda el límite lo provee:
• el “procesamiento de imágenes”
• la “óptica adaptiva” para eliminar
la
turbulencia
atmosférica
(principalmente utilizada en el IR).
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1. Conceptos Básicos
C.1. Resolución Angular:
En el espacio:
Teóricamente el límite viene dado por la difracción
En la práctica el límite lo impone la precisión de la óptica (y guiado) del
telescopio / instrumento
http://web.njit.edu/~gary/202/Lecture6.html
Desde tierra
HST (pre 1994)
HST procesada
HST (post 1994)
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1. Conceptos Básicos
C.1. Resolución Angular: Ondas de Radio
Imagen
procesada
También en radio se puede
combinar la alta resolución
angular con el procesamiento
de imágenes
El
límite
final
impuesto por
vendría
Imagen
original
las inhomogeneidades en el
medio interestelar
Ellas producirían distorsiones
de fase (similares a las
producidas por la ionósfera
terrestre)
SNR 1987A – 12mm
Australia Compact Array 26
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1. Conceptos Básicos
C.2. Resolución Temporal:
Definición
Es la capacidad que tiene un
“sistema de observación” para
discriminar la información que
proviene en dos instantes de
tiempo diferentes
SN 1987A
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1. Conceptos Básicos
C.2. Resolución Temporal:
Se torna importante en fenómenos variables cuando se intenta discriminar
entre diferentes eventos separados en el tiempo
Fenómeno
lento
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1. Conceptos Básicos
C.2. Resolución Temporal:
La facilidad de mejorar la resolución temporal
esta directamente relacionada con “el nivel
de
sensibilidad”
del
“sistema
de
observación” utilizado
Fenómenos
rápidos
Pulsar de la
Nebulosa del
Cangrejo
(~30
pulsos
por segundo)
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1. Conceptos Básicos
C.2. Resolución Temporal:
La resolución temporal depende de
también de “la cobertura espectral” y
de las posibilidades tecnológicas
≥ 10-3 s
≥ 10-3 s
≥ 10-4 – 10 s
≥ 10-3 s
10-3 – 10 s
10-6 – 10-3 s
10 s – 3 yr
1 m – 10 d
1m–3m
1 d – 300 yr
≥ 10 d
Evolución de la resolución temporal
Gris muy oscuro: hasta 1940
Gris oscuro: hasta 1960
Gris: hasta 1980
Gris claro: hasta 1990
Línea a trazos: hasta 2000
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1. Conceptos Básicos
C.3. Resolución Espectral:
Definición
Es la capacidad que tiene un
“sistema de observación” para
discriminar entre la información
correspondiente
a
diferentes
longitudes de onda
La “resolución
depende:
espectral”
Atmósfera de Titán
(Rλ)
•Del “sistema de observación”
utilizado.
Por ejemplo:
- “nivel de sensibilidad”
- el “espectrografo”
•De la cantidad del fotones
disponibles, o sea de la
intensidad de la fuente
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1. Conceptos Básicos
C.3. Resolución Espectral:
La
“resolución
espectral”
alcanzada actualmente es
aceptable en gran parte del
espectro, salvo para altas
energias.
2005
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1. Conceptos Básicos
D. Relación entre los diferentes conceptos
La
Información
(energía)
recibida es limitada y se
relaciona directamente con la
cantidad de fotones recidos.
En general, se puede expresar
como una función de varios
parámetros:
Nivel de sensibilidad
relación DIRECTA con el número de fotones
Resolución angular
relación INVERSA con el número de fotones
Resolución temporal
relación INVERSA con el número de fotones
Resolución espectral
relación INVERSA con el número de fotones
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Obtención y Análisis
1. Conceptos Básicos
2. Técnicas Observacionales
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2. Técnicas Observacionales
En astronomía se pueden distinguir las siguientes técnicas:
2.1. Análisis de la Posición
2.2. Análisis del Flujo
2.3. Análisis Espectal
2.4. Análisis Polarimétrico
2.5. Técnicas particulares
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2. Técnicas Observacionales
2.1. Análisis de la Posición
Se refiere a localización de un
cuerpo celeste respecto a un
determinado
sistema
de
coordenadas
Normalmente
Astrometría
se
denomina
Existen varias
Astrofísica
aplicaciones
en
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2. Técnicas Observacionales
2.1. Análisis de la Posición
Ejemplo: Miembros de un cúmulo estelar
DSS
El cambio de posición de los objetos
propios)
permiten
(moviemientos
discriminar estrellas miembros (cúmulo) y
estrellas no miembros (campo) en la
dirección de un determinado cúmulo
estelar
El método es aplicable cuando los errores
en los movimientos propios son muy
bajos.
Cúmulo
Campo
Discriminación de miembros en NGC 6397 a
partir de los movimientos propios a partir de
datos del HST en 1994 y 1997 (King et al. 1998).
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2. Técnicas Observacionales
Fotometría de imagen
2.2. Análisis del Flujo
Se refiere a la medida del número de
fotones por unidad de tiempo
En el óptico se denomina Fotometría
Es la técnica
astronomía
más
antigua
de
la
Generalmente, ésta es la clase de
información que se obtiene de los objetos
más débiles
Es la técnica que permite
llegar a mayores distancias
con un dado “sistema de
observación”
Fotometría de objeto
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2. Técnicas Observacionales
2.2. Análisis del Flujo
Es la técnica que permite llegar a
mayores distancias con un dado
“sistema de observación”
Ejemplo 1:
CL J1449+0856:
Este es el cúmulo de galaxias
más distante (z = 2.07).
Localizado a aproximadamente
3000 millones de años luego
del Big Bang.
(Diciembe 2010)
Instrumento: VIMOS y FORS2 del VLT – ESO
http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1011/1011.1837v2.pdf
http://noticiasdelaciencia.com/not/610/el_cumulo_de_gala
xias_maduro_mas_distante/
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2. Técnicas Observacionales
2.2. Análisis del Flujo
Ejemplo 2:
UDFj-39546284
Este es el objeto más
distante detectado. Se
trata de una galaxia
compacta de estrellas
azules
presente
480
millones de años luego
del Big Bang
(Enero de 2011)
Distancia: 13.2 millones de años luz
http://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/farthest-galaxy.html
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2. Técnicas Observacionales
2.3. Análisis Espectral
Se refiere a la separación de los fotones con
diferente longitud de onda
Usualmente se denomina Espectroscopía
De acuerdo a los objetos que se estudian en
cada observacion se tiene:
• Espectroscopía mono-objeto
• Espectroscopía multi-objeto
• Espectroscopía de ranura
• Espectroscopía de campo
De acuerdo a la dispersión utilizada se tiene:
• Espectroscopía de baja dispersión
• Espectroscopía de alta dispersión
La astrofísica esta basada casi totalmente en
los logros de la espectroscopía
• Composición química
• Campos de velocidad
• Turbulencias
• Temperatura, presión, gravedad
• Campos magnéticos
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2. Técnicas Observacionales
2.4. Análisis Polarimétrico
Medida del porcentaje de polarización
de la radiación recibida y del ángulo de
la misma
Usualmente se denomina Polarimetría
• Polarimetría de objeto
• Polarimetría de imagen o de ranura
La polarización provee información
acerca:
• De regiones de emisión
particulares
• Del camino recorrido por la luz
• Campos magnéticos
• Scattering
• Estructuras de granos de polvo, etc
La polarización presenta problemas de
detección en el caso de muy bajas o en
altas energias
Polarimetría de
imagen de
V838 Mon
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2. Técnicas Observacionales
2.4. Análisis Polarimétrico
Tr 27
Polarimetría de
objeto en cúmulos
abiertos
NGC 6231
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2. Técnicas Observacionales
2.4. Análisis Polarimétrico
Ejemplo:
Resultado del estudio polarimétrico en microondas de la
radiación cósmica de fondo
(Marzo 2014)
http://nextbigfuture.com/2014/03/big-bang-gravity-waves-may-have-been.html
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2. Técnicas Observacionales
2.5. Técnicas particulares
Fotometría Rápida: Obtención de sucesivas “imágenes” o medidas de intensidad a
intervalos de tiempo muy cortos (p.e.: variables rápidas; “speckle imaging”)
Espectroscopía Rápida: Obtención de sucesivos espectros a intervalos de tiempo
muy cortos (p.e.: flares solares, variables eruptivas, fenómenos de acreción, fuentes
de rayos X)
Espectroscopía e Imagen: Obtención de imágenes simultaneas en diferentes
longitudes de onda (p.e.:electroheliogramas de actividad solar, mapeo de la corona
solar en diferentes líneas de emisión en rayos X, mapeo de la velocidad de HI en la
Galaxia)
Espectrofotometría: Obtención del comportamiento absoluto de la intensidad en
función de la longitud de onda
Espectropolarimetría: Obtención tanto del comportamiento relativo de la intensidad
como de la polarización en función de la longitud de onda
Interferometría: Obtención y combinación de la radiación electromagntética
proveniente de una dada fuente por diferentes caminos para mejorar las mediciones
(usualmente la posición o la resolución angular)
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Obtención y Análisis
1. Conceptos Básicos
Sistema de Observación
Cubo de Datos
Cobertura Espectral
Nivel de Sensibilidad
Resoluciones espacial, temporal y espectral
2. Técnicas Observacionales
Análisis de Posición
Análisis de Flujo
Análisis Espectral
Análisis Polarimétrico
Técnicas Particulares
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