Fundamentos de Fotometría Astronómica
David Galadí-Enríquez
La fotometría astronómica tiene como objetivo la medida del brillo y el color de los astros. La tecnología moderna ofrece unos recursos potentísimos: telescopios prodigiosos, cámaras digitales, programas de tratamiento de datos, sistemas de información y comunicación... Ya son muchísimas las personas interesadas por la astronomía práctica que disponen de todos esos recursos, au...
La fotometría astronómica tiene como objetivo la medida del brillo y el color de los astros. La tecnología moderna ofrece unos recursos potentísimos: telescopios prodigiosos, cámaras digitales, programas de tratamiento de datos, sistemas de información y comunicación... Ya son muchísimas las personas interesadas por la astronomía práctica que disponen de todos esos recursos, aunque quizá los utilicen solo para tomar imágenes atractivas y compartirlas. ¿Por qué no aplicar las mismas herramientas, además, para obtener datos de brillo y color de los astros con fines científicos, educativos o divulgativos? Si tenemos los instrumentos y el interés, solo nos falta la guía atenta, detallada, progresiva, práctica y amable que nos propone este libro. Fundamentos de fotometría astronómica proporciona el orden y los excipientes necesarios para asimilar los conceptos y las técnicas clave. Con atención a las realidades del colectivo astronómico no profesional, este libro dosifica las imprescindibles matemáticas para que las digiera bien cualquier persona con formación al nivel de la enseñanza secundaria, unifica la notación y la terminología, destruye conceptos erróneos, aporta información rigurosa y administra todo ello en una secuencia legible, interesante y no exenta de sentido del humor. Una obra idónea para iniciarse en la fotometría astronómica partiendo de cero, orientada a la práctica de la obtención de datos, y que incorpora elementos didácticos y divulgativos que la harán atractiva como recurso en la enseñanza de la física y las matemáticas. David Galadí-Enríquez (Córdoba, España, 1969) inició su andadura astronómica en la asociación local de su ciudad natal, y completó su formación especializada cursando estudios de física en las universidades de Granada y Barcelona. En esta última elaboró su tesis doctoral sobre astrometría y fotometría de cúmulos estelares y trabajó algunos años como profesor asociado. Luego fue investigador en el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) y en el Instituto de Astrofísica de Andalucía. Actualmente es astrónomo residente en el Centro Astronómico Hispano Alemán, más conocido como Observatorio de Calar Alto. Muy activo en divulgación científica, es autor o coautor de casi una decena de libros entre los que se encuentran obras de carácter técnico, educativo y de ciencia popular.
Reseña del Editor
Introducción IX
1. El brillo de las estrellas 1
1.1. Las estrellas emiten luz ..................1
1.2. Recibimos luz de las estrellas ....... 3
1.2.1. Luz del Sol sobre la Tierra ...........3
1.2.2. Luz estelar sobre la Tierra ..........4
1.2.3. Cantando bajo la lluvia de fotones .......................................5
1.3. Espectros ............................................ 8
1.3.1. Cuerpos negros de todos los colores .......................................8
1.3.2. Por ahí vienen unos tipos muy espectrales .........................10
1.4. Filtros ................................................. 13
1.4.1. La curva de trasmisión .............. 14
1.4.2. Por el centro y por las bandas .........................15
1.4.3. Tipos de filtros .............................16
1.4.4. El problema fundamental de la fotometría astronómica .. 16
2. La medida del brillo en astronomía 19
2.1. Dos mil años mirando al cielo .....19
2.2. La magnitud se hace cuantitativa ....................................... 20
2.2.1. Lo puso Pogson .......................... 21
2.2.2. Logaritmos por aquí, logaritmos por allá... ..................22
2.2.3. La ecuación fundamental .........24
2.2.4. Baile al compás de 5/2 ..............29
2.2.5. Compañía extravagante: de la acústica a la química ....... 32
2.3. La sensibilidad espectral del ojo humano y el filtro V .........33
2.4. Un mundo de color ......................35
3. Luz y color en el espacio 39
3.1. Luz y distancia: magnitudes absolutas y módulos de distancia .....................................39
3.1.1. Dilución de magnitudes ............39
3.1.2. La unidad astronómica y el pársec .....................................40
3.1.3. La magnitud absoluta y el módulo de distancia ..........42
3.1.4. Ejemplos ........................................44
3.1.5. Fotometría en tiempos de luz ............................................. 47
3.1.6. El Sistema Solar en absoluto ..................................48
3.2. Absorción: la extinción interestelar ...................................... 49
3.2.1. La edad dorada ...........................49
3.2.2. Medio interestelar y fotometría ..................................50
3.2.3. Encuentros con Balmer en la escalera: emisión y absorción en líneas .................54
3.3. Desplazamientos al rojo y al azul .............................................58
3.3.1. El efecto Doppler ........................59
3.3.2. Desplazamiento al rojo cosmológico .................................60
3.3.3. Tu atracción me ruboriza ......... 61
4. Luz y color en la atmósfera 63
4.1. La atmósfera terrestre y la luz estelar: refracción ........... 64
4.2. La atmósfera terrestre y la luz estelar: extinción .............66
4.2.1. Extinción en una atmósfera plano-paralela: masa de aire ..67
4.2.2. Duelo de titanes: exponenciales frente a logaritmos ................................. 69
4.3. Turbulencia: centelleo y borrosidad ....................................73
4.3.1. Centelleo .......................................73
4.3.2. Borrosidad o seeing .................... 74
4.4. Un buen lugar de observación .............................. 77
5. Los detectores 79
5.1. Cámaras CCD: principios básicos ...........................80
5.1.1. Efecto fotoeléctrico .................... 81
5.1.2. La imagen latente y su lectura ...................................83
5.1.3. Capacidad del píxel y linealidad ...................................84
5.1.4. Conversión analógica a digital: ganancia y ruido de lectura ......................................85
5.1.5. ¿De cuántos bits es tu cámara?: el rango dinámico ......................85
5.1.6. Polarización electrónica o bias .............................................. 86
5.1.7. Astronomía en un campo de olivos: la corriente de oscuridad ...................................... 87
5.1.8. ¡Anda, los dónuts!: uniformidad del detector .........88
5.1.9. Stranger things: rayos, píxeles malvados y obturadores ..........89
5.2. Tratamiento básico de las imágenes ............................91
5.2.1. Sustracción de la polarización electrónica .................................... 91
5.2.2. Sustracción de la corriente de oscuridad ................................ 93
5.2.3. Aplanamiento del campo .........94
5.2.4. Corrección de las imágenes científicas ......................................97
5.3. La medida instrumental y la relación señal-ruido .............. 98
5.3.1. Midiendo bajo la lluvia: estadística de Poisson ..............99
5.3.2. Ruidos no poissonianos .........101
5.3.3. La paradoja de la medida perfecta ....................................... 101
5.3.4. Relación señal-ruido ................102
5.3.5. Ponte a régimen (de fotones) ................................105
5.4. La escala de la imagen y el tamaño del píxel: muestreo espacial ......................107
6. Fotometría básica 111
6.1. La medida elemental ................. 111
6.1.1. ¿Dónde está la estrella? ..........112
6.1.2. Cuadratura de círculos ........... 113
6.1.3. Una corona para tener buen fondo ................................ 116
6.1.4. La incertidumbre de la medida instrumental ............... 118
6.2. Fotometría diferencial con CCD .........................................120
6.2.1. La fotometría diferencial ........ 120
6.2.2. Consideraciones sobre la abertura sintética .................124
6.2.3. Hasta el infinito y más allá ....................................132
6.2.4. Manos a la obra: costumbres y consejos ...........134
6.2.5. El catálogo y la medida: incertidumbres internas y externas ................................... 139
6.3. Ejemplos prácticos .....................140
6.3.1. Curvas de luz de estrellas variables ......................................140
6.3.2. Novas y supernovas ................. 145
6.3.3. Rotación de asteroides ...........150
6.3.4. Fotometría a la deriva: ocultación de estrellas por asteroides ...........................152
6.3.5. Precisión diferencial extrema: tránsitos de exoplanetas ........154
7. Fotometría avanzada 157
7.1. Sistemas fotométricos ..............157
7.1.1. Los filtros del sistema fotométrico ................................157
7.1.2. El catálogo fotométrico ........... 159
7.1.3. El punto cero .............................160
7.2. Tres sistemas fotométricos .....161
7.2.1. El sistema UBVRI de Johnson-Cousins ................. 161
7.2.2. El sistema ugriz de Sloan ........ 166
7.2.3. El sistema uvby de Strömgren ............................ 169
7.2.4. Catálogos para estos tres sistemas ..............................170
7.3. Fotometría absoluta .................. 172
7.3.1. Fotometría absoluta elemental .................................... 173
7.3.2. Modelos completos para fotometría absoluta de banda ancha ........................ 176
7.3.3. Posibles refinamientos adicionales .................................181
7.3.4. Modelos para fotometría de banda intermedia y estrecha ...................................183
7.3.5. Manos a la obra: costumbres y consejos ...........184
7.4. Fotometría de objetos extensos ....................................... 187
7.4.1. Magnitudes por segundo de arco cuadrado .....................187
7.4.2. Medidas superficiales en la práctica .............................189
7.4.3. Medidas de contaminación lumínica ....................................... 191
7.5. Un par de ejemplos prácticos ....................................... 193
7.5.1. Modelo elemental: brillo del cielo en la banda V ...................................194
7.5.2. Modelo completo en banda ancha: diagrama color-magnitud de un cúmulo galáctico ......... 196
Bibliografía 199
Índice alfabético 203
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