Estamos entrando na primeira campanha de observação com telescópios robóticos da rede LCO em 2023, e se você está participando pela primeira vez, certamente não faltam dúvidas. A boa notícia é que estamos aqui para saná-las e garantir que todo mundo possa aprender (e se divertir muito) fazendo imagens de objetos de céu profundo com instrumentos de alto desempenho localizados em alguns dos melhores sítios para observação astronômica do mundo!
Vou precisar instalar algum aplicativo?
Janela do DS9 com imagem da galáxia M101 capturada com telescópios do LCO.
Sim. Para visualizar e processar nossas imagens, usaremos o software SAO Image DS9, um programa gratuito e de código aberto usado extensivamente na astronomia profissional e que permite não apenas visualizar os dados, mas também realizar uma série de tarefas científicas em nossas imagens. Comece procurando a versão adequada para seu sistema operacional no site https://ds9.si.edu e instale, tomando o cuidado de não realizar a instalação em nenhum caminho que inclua pastas com espaços ou caracteres especiais ou acentuados em seu nome!
Devo instalar mais alguma coisa?
Janela do Stellarium com dados do aglomerado aberto M6.
É interessante ter o planetário virtual Stellarium funcionando também. Ele também é disponibilizado para todos os sistemas operacionais mais populares e também é gratuito e de código aberto. Baixe em https://stellarium.org
No Stellarium você vai poder visualizar os objetos visíveis no período da campanha e pode inclusive ter ideia das dimensões e brilho desses objetos! É uma boa ferramenta para o planejamento.
E agora, o que tenho que fazer?
Você receberá alguns emails da organização do projeto e da coordenação internacional do IASC com instruções para criar sua conta de acesso e depois terá 1h de tempo de observação alocado a essa conta.
Quando você tiver seus dados de login, pode acessar o portal do IASC/LCO
Portal IASC/LCO
Você encontrará vários links úteis e tutoriais no site, mas aqui no ceuprofundo.com e nas lives de treinamento nos canais do Céu Profundo e do Observatório Nacional no Youtube vamos detalhar todos os passos e tirar todas as dúvidas. Você também receberá o link para entrar num grupo do whatsapp em seu email cadastrado.
E por onde começo a entender o que são objetos de céu profundo?
O vídeo abaixo é uma introdução aos objetos de céu profundo. É um excelente primeiro passo:
Nebulosa M57, na constelação de Lira. (Hubble/STScI/PID=12309. Processamento: Wandeclayt Melo)
É impossível conter a admiração frente a uma imagem exuberante e colorida como esta da nebulosa planetária M57. A imagem é resultado de observações realizadas pelo Telescópio Espacial Hubble utilizando canal UVIS da câmera WFC3, a mais moderna a bordo do telescópio, instalada em 2009 em sua última missão de manutenção.
Criamos esta imagem utilizando os arquivos originais do telescópio Hubble, combinando dados obtidos através de filtros que selecionam que faixas de comprimentos de onda são transmitidos ao sensor da câmera. Os filtros são necessários porque as câmeras de alto desempenho utilizadas para o registro de imagens astronômicas profissionais geram apenas imagens em tons de cinza, registrando a intensidade, mas não a cor, da luz incidente em cada pixel. As imagens coloridas são na verdade uma combinação de várias imagens individuais em tons de cinza que foram colorizadas posteriormente. Apesar de não registrar cores, estes arquivos podem carregar muito mais informações: coordenadas celestes da região imageada, características do telescópio e do sensor – incluindo parâmetros de eficiência quântica do sensor, que permitem estimar com precisão a quantidade de fótons que foi efetivamente contada por cada pixel – e camadas adicionais de dados como tabelas e arquivos de calibração. Como os formatos tradicionais de imagem não possuem provisão para transportar todos estes dados, a comunidade astronômica desenvolveu seu próprio padrão de arquivo, capaz de lidar com todas essas camadas de informação e de armazenar uma vasta gama de valores por pixel, necessária para compreender as diferenças de luminosidade que muitas vezes precisam ser registradas em uma única imagem sem perda de informação.
Um Formato de Arquivo Dedicado para a Astronomia
O formato de arquivo criado e adotado pela comunidade como padrão para dados e imagens astronômicas é o FITS – Flexible Image Transport System (documentação em https://fits.gsfc.nasa.gov/) e requer ferramentas e aplicativos especiais para sua visualização e análise.
Câmera CCD astronômica SBIG STT-8300. Este é um modelo de câmera disponível comercialmente e utilizada em telescópios de menor porte. Grandes telescópios não utilizam instrumentos comerciais e costumam integrar câmeras e outros detectores projetados especificamente para eles . [Crédito: Diffraction Limited]
Os dados no formato FITS dos telescópios espaciais e observatórios profissionais em solo são disponibilizados em repositórios públicos abertos para a comunidade científica e para a ciência cidadã. Isso significa que você pode acessar, por exemplo, o arquivo de imagens dos telescópios que integram a rede Las Cumbres Observatory (https://lco.archive.org) e localizar, baixar e processar dados reais de observação. Para isso você precisará de um aplicativo com suporte ao formato FITS e se você ainda não usa nenhum dos apresentados nesta lista https://fits.gsfc.nasa.gov/fits_viewer.html podemos sugerir algumas opções.
FITS Liberator
Uma das opções mais simples para visualizar e converter arquivos FITS para formatos de imagem tradicionais (JPEG, PNG, TIFF…) é o FITS Liberator.
Interface do FITS Liberator versão 3.0 (ESA, ESO, NASA).
O FITS Liberator é talvez a opção mais simples se a ideia é apenas visualizar e exportar os arquivos FITS para um editor de imagem tradicional. Ele permite também visualizar o cabeçalho (FITS Header) que traz informações importantes sobre o arquivo (filtros utilizados, tempo de exposição, coordenadas da imagem e do observatório, telescópio e câmera que originaram o arquivo…). O download da versão mais recente pode ser feito em https://noirlab.edu/public/products/fitsliberator/ A versão 3.0, anterior à atual, possui alguns recursos úteis que foram suprimidos na versão 4.0. Isso simplificou a interface, mas a ausência da função ‘auto scaling’ que fazia um ajuste automático dos níveis de preto e branco na imagem dificulta a vida dos iniciantes. Mas a versão 3.0 continua disponível em: https://noirlab.edu/public/products/fitsliberator/download-past-versions/
Interface do FITS Liberator 4.0 (NOIRLab/IPAC/ESA/STScI/CfA).
SAO Image DS9
O SAO Image DS9 é uma ferramenta usadas por profissionais e por isso engloba funções avançadas de análise de imagens. É possível determinar coordenadas (astrometria) e medir magnitudes (fotometria) , traçar contornos, criar animações… mas tudo isso dentro de uma interface enxuta que não confunde os marinheiros (ou astrônomos) de primeira viagem. Profissionais e usuários experientes usam o DS9 principalmente através da linha de comando, integrado aos ambientes IRAF ou PyRAF.
Para iniciantes, a mais importante adição é a capacidade de combinar arquivos em camadas associadas às cores vermelha, verde e azul, criando assim imagens RGB coloridas. Recurso que pode ser muito útil para atividades educacionais com dados reais de telescópios.
SAO Image DS9 (Smithsonian Astrophysical Observatory, Center for Astrophysics, Harvard University)
O SAO Image DS9 é o nosso visualizador preferido e é o que utilizamos em nossas oficinas. Ele vem de uma longa linhagem que teve origem com o SAO Image em 1990. Uma segunda geração do software foi batizada de SAO TNG (numa referência ao seriado de ficção científica Star Trek – The Next Generation). A geração seguinte aproveitou o embalo e também pegou emprestado o nome de uma série derivada de Jornada nas Estrelas: Star Trek – Deep Space 9, chegando assim ao nome do nosso querido SAO Image DS9.
Apesar da capacidade de criação de imagens coloridas, tenha em mente que o DS9 não é um programa de edição avançada de imagens, ele é uma ferramenta de visualização e análise científica e se você deseja recursos estéticos mais avançados ou se quer combinar muitos frames para melhorar a relação sinal ruído de sua imagem deverá buscar outras alternativas.
A adição de novas funções sempre acrescenta uma maior complexidade de operação, por isso, no DS9 e em todas as ferramentas apresentadas a seguir acostume-se a ler a documentação e a aprender com usuários mais experientes em fóruns especializados.
O Salsa J é não é uma ferramenta profissional, mas incorpora funções de análise que podem ser utilizadas para tarefas mais avançadas em educação e em ciência cidadã.
Interface do Salsa J durante criação de imagem RGB a partir de arquivos FITS (EU-HOU).
É possível criar imagens RGB, medir magnitudes, tamanhos aparentes e analisar espectros. Sua interface é amigável e o programa roda bem mesmo em máquinas mais modestas.
Se você que um aplicativo leve, amigável e versátil e não faz questão de conhecer as ferramentas astronômicas utilizadas por profissionais, o Salsa J provavelmente vai fazer você muito feliz. Há muitos tutoriais e exemplos mostrando seu uso em sala de aula na educação básica.
Aladin é um verdadeiro canivete suiço com mais funções do que o usuário médio jamais será capaz de sequer explorar. Ele é apresentado como um atlas celeste interativo que permite a visualização de imagens digitalizadas do céu de diversos levantamentos e sobrepor dados de catálogos e outros arquivos astronômicos, inclusive arquivos locais, além de acessas interativamente serviços de informações de objetos astronômicos como Simbad, VizieR e outras bases de dados para todos os objetos no campo.
Interface do Aladin 11 (Université de Strasbourg/CNRS)
O Aladin é o mais intimidador dos programas aqui apresentados e requer uma boa disposição para a consulta de sua documentação. Se seu objetivo é algo modesto como apenas criar uma imagem RGB a partir de arquivos FITS, optar pelo Aladin é algo como usar um canhão pra matar uma formiga. Ele certamente vai fazer o serviço, mas há opções mais econômicas para isso (e com curvas de aprendizado menos íngremes). Amamos o Aladin, mas achamos bem pouco adequado começar a usá-lo antes de dominar algumas conceitos que podem ser explorados em programas com interface mais limpa.
O fantástico mundo dos dados astronômicos reais está disponível para todos. Brincar, aprender e descobrir está ao alcance de qualquer pessoa com com um computador com acesso à internet e com conhecimento suficiente para operá-lo (você precisa ser capaz de instalar os programas e resolver pequenos problemas, comuns a esse tipo de tarefa, ou ter à disposição alguém que vá resolvê-los pra você) . Muitas vezes, as principais dúvidas apresentadas durante nossas oficinas se relacionam a tarefas do sistema operacional do usuário e uma vez sanadas, as tarefas de processamento dos dados segue sem tropeços. A partir desse ponto o aprendizado vem com a experiência, mas a leitura de manuais é indispensável. A documentação destes softwares é bem completa e costuma cobrir a maior parte das dúvidas que você terá a começar a trabalhar com eles. Mergulhe sem medo nos manuais, eles serão seus companheiros se você pretender se tornar íntimo destes divertidos brinquedos que acabamos de apresentar!
Os pilares da Criação. Uma região de formação estelar a cerca de 7000 anos luz, na Nebulosa da Águia (M16) em imagem composta a partir de dados de observações do telescópio Hubble.
Uma das imagens mais marcantes produzidas pelo telescópio espacial Hubble é o registro dos Pilares da Criação, uma vasta região de formação estelar na Nebulosa da Águia (M16). Sua imagem mais famosa é composta por dados de observações realizadas pelo Hubble através de filtros que deixam passar apenas a luz nas frequências das emissões dos gases enxofre, hidrogênio e oxigênio ionizado.
Os detalhes visíveis nas colunas de hidrogênio molecular e o esplendor das cores na imagem processada são impressionantes e cativam a atenção de qualquer observador. Mas hoje queremos mergulhar no interior dos Pilares e enxergar através do gás frio. Para isso, a solução é observar através de filtros que deixam passar apenas os comprimentos de onda mais longos da luz, na faixa dos raios infravermelhos, para os quais o telescópio Hubble também é sensível. O resultado é um belo complemento ao que temos na luz visível e revela o que se esconde sob o gás!
Mosaico dos Pilares da Criação, região de formação estelar na Nebulosa da Águia (M16) composto com dados de observações do telescópio Hubble na faixa infravermelha do espectro eletromagnético. [Dados: NASA/ESA/Hubble/STScI. Processamento: Wandeclayt M./Céu Profundo]Gráficos de desempenho dos filtros opticos do telescópio Hubble no infravermelho. A observação da imagem anterior foi realizada pelo canal IR da câmera WFC3 (Wide Field Camera 3) do telescópio Hubble, utilizando o filtro F110W, um filtro optico que deixa passar apenas a radiação infravermelha na faixa entre 0.9 e 1.4 µm. [crédito: Space Telescope Science Institute (STScI)]
Para compor a imagem usamos o software gratuito SAO Image DS9. Disponível para os sistemas operacionais Linux, Mac OS X e Windows (download aqui).
Vamos agora ver como chegamos no resultado acima a partir das observações individuais. O campo do sensor infravermelho na câmera WFC3 do Hubble registra uma área do céu de menos de 3 minutos de arco (isso é 10 vezes menor que o diâmetro aparente da Lua vista da Terra). Por isso, para enxergarmos toda a área dos pilares (que na verdade medem aproximadamente 5 anos-luz) precisamos reunir várias peças em um quebra cabeças. A tarefa é razoavelmente simples, porque as imagens registram também as informações das coordenadas celestes da região observada e essa informação pode ser utilizada pelo DS9 para alinhar e unir corretamente as imagens em um mosaico.
Interface de busca da base de dados do Telescópio Hubble. Parâmetros: Target Name = M16, Radius (arcmin) = 10, Imagers = WFC3, Proposal ID = 13926, Filter/Gratings = F110W.
Buscaremos na interface de pesquisa (https://archive.stsci.edu/hst/search.php) arquivos de dados de imagem da nebulosa M16 (Target Name) num raio de 10 minutos de arco (Radius (arcmin)) , capturados com a câmera WFC3, através do filtro infravermelho de banda larga F110W (Filter/Gratings), dentro da proposta de observação 13926 (Proposal ID). Sugerimos a seleção, na janela seguinte, da extensão ‘drz‘, requisitando assim apenas arquivos calibrados e com geometria corrigida. Os arquivos serão disponibilizados em uma pasta num servidor ftp no link enviado para o email fornecido. O conjunto de imagens que requisitamos é composto pelas quatro imagens abaixo.
Observações da nebulosa M16 em infravermelho próximo, na faixa entre 0.9 e 1.4 µm [créditos: NASA/ESA/Hubble STScI]
O sistema de coordenadas embutido nos dados é o que chamamos de WCS (World Coordinate System). É graças a ele que é possível identificar a posição de estrelas e outros objetos apenas movendo o cursor sobre a imagem no DS9.
Iniciaremos criando um frame em branco no DS9 (clique nos botões [frame] e [new] na barra de botões) e adicionaremos os arquivos FITS que formarão as peças de nosso quebra cabeças através do menu “File > Open as > WCS Mosaic Segment“.
Após selecionar cada arquivo a ser adicionado ao mosaico, selecione a opção WCS na nova janela de diálogo (figura abaixo) e clique em ok. Repita a operação para todas as imagens individuais.
Após carregar todas as imagens, clique no botão [scale] e na opção [log]. Em seguida, usando o menu superior, acesse “Scale > Scale Parameters…” e ajuste os parâmetros Low e High para os valores 10 e 3000, respectivamente. Você deverá chegar no resultado abaixo. É uma bela imagem, mas podemos melhorar a visualização mudando a escala de cores de ‘grey’ para ‘bb’, utilizando a barra de botões: [color] e [bb].
Por fim, chegamos em nossa versão da mais famosa nuvem molecular do universo! Os Pilares da Criação, agora em infravermelho! Você pode experimentar outras escalas e outros valores de parâmetros, comparando os resultados. Aqui não existem escolhas certas ou erradas, é apenas uma questão de evidenciar os aspectos que mais interessem na imagem. E por vezes o aspecto mais importante é a beleza do imagem final!
Visualização final no DS9, com opção de cor “bb”. A escala selecionada é “log”, com parâmetros Low = 10 e High = 3000. [Dados: Nasa/ESA/Hubble/STScI. Processamento: Wandeclayt M.]
