Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Astronomía

NGC 6302, Nebulosa planetaria del Insecto

Taller de proyectos: "Observaciones Astronómicas con el telescopio Goto”. Profesor: Simón Casassus Grupo Tp04:

Carla Nova A. Mauricio Valdés O. Natalia Vicencio O.

INTRODUCCION

Nebulosa planetaria, término astronómico que comúnmente induce a error, ya que no se trata ni de una nebulosa ni de un planeta. Una nebulosa planetaria es en realidad una estrella que ha llegado al fin de su propia existencia, que lanza hacia afuera las capas periféricas de su atmósfera, las cuales adquieren una característica configuración de anillo. Una de las tantas nebulosas planetarias conocidas es la NGC 6302, también llamada Nebulosa del Insecto o Nebulosa Mariposa, está se encuentra a una distancia de 3400 años luz de la tierra. Su espectro muestra que su estrella central es uno de los objetos más calientes del universo, con una temperatura superior a 200.000 K. No ha podido ser observada al estar rodeada de un denso disco ecuatorial compuesto de polvo y gas, que la oculta en todas las longitudes de onda. Este disco denso puede ser el responsable de que los flujos de la estrella formen una estructura bipolar.

Objetivos son: • Por medio del telescopio GOTO, el cual se encuentra en el Observatorio Nacional del Cerro Calan se tomaron imágenes a la nebulosa planetaria NGC 6302: nuestro primer objetivo es lograr la calibración (refinado de la imagen cruda, quitando factores externos al objeto en estudio, como errores en la lente, luz extra, etc.) de estas imágenes para todos los filtros utilizados en el proceso de toma de imágenes. • Lograr obtener las imágenes resampleadas de cada filtro. • Obtener una imagen a color a través del programa rgb.pl.

MARCO TEORICO El objeto estelar a estudiar en el presente informe corresponde a una nebulosa planetaria, específicamente a la nebulosa NGC6302 o “Nebulosa del insecto o mariposa”. Las nebulosas corresponden a un objeto gaseoso, creado a partir de la expulsión de las capas externas –la estrella pasa por periodos de inestabilidad y arroja cantidades apreciables de masas a aproximadamente 20 kilómetros por segundo- de una estrella de masa baja o intermedia (entre 0.8 y 8 veces la masa del sol), que ha agotado su reserva inicial de hidrógeno (combustible que mantiene brillando a las estrellas la mayor parte de sus vidas). Producto de la expulsión de las capas, el núcleo de este tipo de estrellas termina por convertirse en una estrella enana blanca1. El destino de estas estrellas, dentro de las que se incluye el Sol, es enfriarse hasta perder su energía térmica residual. Las nebulosas planetarias se cuentan entre los objetos más "fotogénicos" de la astronomía; como se pueden apreciar en las imágenes 1 y 2. Esto se debe a que por un lado, la mayor parte de la nube de gas se compone de hidrógeno, mientras que la estrella central, usualmente una enana blanca, emite radiación ultravioleta. Esto hace que los átomos de hidrógeno se ionicen (esto es, que expulsen los electrones), para luego recombinarse. En el proceso de recombinación, los electrones saltan desde los niveles de energía superiores al estado fundamental en cascada, emitiendo fotones visuales en el camino. Imagen1: NGC 6543 o “Nebulosa ojo de gato”

Imagen NGC 7293 o “Nebulosa hélix o hélice” comúnmente llamada “el ojo de Dios”

1

Una enana blanca es un cuerpo estelar, más bien una estrella compacta que se genera cuando una estrella de masa menor a 9-10 masas solares ha agotado su combustible nuclear.

La Nebulosa del insecto es una nebulosa planetaria bipolar, una nebulosa bipolar es aquella que se caracteriza por su simetría axial y por su aspecto con dos lóbulos. Aunque no todas, muchas de las nebulosas planetarias muestran una estructura bipolar. Puede ser que los dos tipos de nebulosas (bipolares y no-bipolares) estén directamente relacionadas, un tipo precediendo o siguiendo al otro en el proceso evolutivo de la nebulosa. El primer estudio conocido de NGC 6302, perteneciente a la constelación de Scorpius, data de 1907 y fue llevado a cabo por Edward Emerson Barnard, quien dibujó y describió esta nebulosa. A una distancia de 3400 años luz de la Tierra, la Nebulosa mariposa, es una de las nebulosas planetarias más complejas que se conocen. Su estudio muestra que su estrella central es uno de los objetos más calientes del universo, con una temperatura superior a 200.000 K. No ha podido ser observada al estar rodeada de un denso disco ecuatorial compuesto de polvo y gas, que brilla principalmente en ultravioleta, que la oculta en todas las longitudes de onda. Este disco denso puede ser el responsable de que los flujos de la estrella formen una estructura bipolar. La compleja morfología de la nebulosa puede aproximarse como bipolar con dos lóbulos principales, si bien hay evidencia de un segundo par de lóbulos que pueden provenir de un episodio previo de pérdida de masa. El lóbulo prominente, orientado en sentido norte-oeste, puede haberse formado hace unos 1900 años. A 1,71 minutos de arco2 del centro, la velocidad de expansión de este lóbulo es de 263 km/s, pero en la periferia del mismo la velocidad supera los 600 km/s. El borde oeste del lóbulo muestra características que sugieren una colisión con glóbulos de gas preexistentes que modificaron el flujo en esa región. Este objeto estelar destaca, además por su composición química. Observaciones previas del Infrared Space Observatory (ISO)3, de la Agencia Europea Espacial, han mostrado que el polvoriento anillo contiene hidrocarburos, carbonatos (calcita4), así como hierro y hielo de agua. La presencia de carbonatos es muy interesante: en el Sistema Solar se toma como evidencia de agua líquida en el pasado porque los carbonatos se forman cuando el dióxido de carbono se disuelve en agua líquida y produce sedimentos. Pero su detección en una nebulosa, donde no existe agua líquida, sugiere algún proceso de formación alternativo. Pocos objetos presentan una mezcla semejante de minerales y hielo cristalino: granizos congelados sobre pequeños granos de polvo. El oscuro "toro" (rosquilla) de polvo en torno a la estrella central contiene el grueso de la masa de polvo medida y supone un enigma para los astrónomos, que creen que la nebulosa fue expelida hace 10.000 años pero no pueden comprender cómo ni cuánto tiempo puede sobrevivir a la evaporación por la estrella central supercaliente.

2

Un minuto de arco, es una unidad del ángulo plano, utilizado en astronomía y otras disciplinas, equivalente a 1/60 de un grado sexagesimal. Un grado se define como 1/360 de un círculo, de manera que un arcmin es 1/21600 del arco de un círculo o (π/10800) radianes.

3

El Observatorio Espacial Infrarrojo (en inglés: Infrared Space Observatory, ISO) es un telescopio espacial diseñado para observar en el infrarrojo. Su funcionamiento fue hasta el 16 e mayo de 1988. 4 La calcita es un mineral del grupo V/B

•

Proceso de calibración de una imagen:

Se debe calibrar una imagen para obtener una de mejor calidad visual, para esto se deben hacer observaciones, en este caso se utilizó el telescopio Goto ubicado en el cerro Calán. Cuando se calibra la imagen se necesita una estrella estándar y es a través de esta que se hacen una serie de procedimientos para la calibración final, el procedimiento es el siguiente: Primero se debe escoger una imagen del objeto de estudio, en este caso de la Nebulosa NGC 6302, esta imagen fue obtenida de los datos del telescopio Goto y fue la siguiente: IMAGEN De esta imagen, usando PERL, se obtiene el Qij que es el cuociente entre la imagen cruda del objeto en estudio y el tiempo de exposición de esta:

Qij =

Pij

τ exp

(1)

A mayor tiempo de exposición, mayor luz incide en los sensores del telescopio, y mayor electrones se acumulan en cada pixel. Para continuar con el proceso de calibración de una imagen, se debe hacer la siguiente manipulación de la estrella estándar escogida: Primero se debe tener en cuenta las magnitudes estelares, a mayor magnitud, menor flujo, menor cantidad de luz. Una magnitud igual a 1 es el resultado de una estrella más brillante. Las magnitudes estelares dependen de cada filtro en que se esté analizando. La magnitud estelar esta dado por:

 Fλ *  mλ = −2.5 log10  vega   Fλ  Donde: Fλ* es el flujo de la estrella estándar escogida Fλvega es el flujo de una estrella llamada Vega Donde ambos flujos dependen del filtro que se esté analizando, los datos que se utilizaron para calibrar la imagen están en la siguiente tabla:

(2)

Tabla 1: Flujo estrella vega (erg cm-2s-1Å-1)

Filtro

-9

V B

3.75x10 6.40x10-9

mλ estrella estándar 7.88 6.72

Tabla1: Flujos de Vega según filtro y mλ de estrella estándar en cada filtro.

La incógnita aquí es Fλ*, pues el flujo de la estrella vega y la magnitud estelar de la estrella estándar se pueden obtener a través del servicio SIMBAD en su pagina Web. Despejando la ecuación:

vega

Fλ

Fλ = 0.4 mλ 10

*

(3)

El flujo de la estrella estándar, que esta dado por cada filtro, corresponde a la sumatoria de los Iij , que representa la intensidad específica de radiación:

Fλ = ∑ I ij *

(4)

De la estrella estándar se desea obtener la transmisión atmosférica (T), que esta dado por:

Qij

∑R

* *

= Τ∑ I ij

*

(5)

ij

Donde: Qij* corresponde al cuociente entre la imagen cruda de la estrella estándar (Pij*) y el tiempo de exposición de ésta (τ*):

*

Qij =

Pij

*

τ exp *

(6)

Rij* corresponde a la imagen del FlatFild (campo plano), donde se ilumina la pantalla con una lámpara de Tupston.

De aquí se obtiene la transmisión atmosférica (T). Finalmente la ecuación que arroja la imagen calibrada es:

I ij = Τ −1

Qij Rij

Donde: Iij corresponde a la imagen ya calibrada. T-1 es la matriz inversa que se obtuvo de la ecuación (5). Qij es el obtenido en la ecuación (1). Rij es el flat.

(7 )

METODOS EXPERIMENTALES

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Proceso de calibración de las imágenes:

Especificaciones de los instrumentos utilizados para la toma de imágenes: http://www.das.uchile.cl/PageResena_Goto.htm a) Telescopio Goto Tabla 2: Componentes

Descripción

Espejo Primario

Apertura efectiva: 450 mm (superficie parabólica). Distancia focal: 1,800 mm (F/4). Aluminizado y recubierto con una capa de monóxido de silicio.

Espejo Secundario

Apertura efectiva: 150 mm (superficie hiperbólica). Distancia focal total del sistema Cassegrain: 5.400 mm (F/12). Aluminizado y recubierto con una capa de monóxido de silicio.

Buscador

Apertura efectiva: 100 mm. Distancia focal: 400 mm (F/4). Lente objetivo acromático.

Oculares

K 60 mm, Er. 28, XL 40, XL 14, XL 5.2

Montura

Ecuatorial tipo alemana

Peso

aprox. 1.400kgs

Tabla 2: Especificaciones del telescopio Goto. b) Cámara CCD (modelo ST8 de Santa Bárbara Instrument Group.) Tabla 3: Componentes

Descripción

CCD para imágenes

1530x1020 pixeles

CCD para guiado automáticos

656x495 pixeles

Filtros

U,B,V,I,G,G,B, H-alfa

Tabla 3: Especificaciones de la camara CCD modelo ST8 de Santa Bárbara Instrument Group.

Las imágenes con las cuales se trabajó fueron tomadas el 11 de septiembre del 2007, se utilizaron os filtros B, I, G y R. Para la calibración si utilizo el sistema de lenguaje computacional PDL en la confección de los programas, se muestra a continuación el código de uno de ellos (Para el filtro B):

use PDL; use PDL::NiceSlice; use Vtools;

$pij = rfits ('/canopus/goto/110907/NGC6302_G_5s_dark.fit'); $a = $pij->gethdr; $pij = float($pij); $tau_expa = $$a{'EXPTIME'}; $qij = $pij/$tau_expa;

$f = rfits ('/canopus/goto/110907/FLAT_2s_G_dark.fit'); $f = float($f); $q_f = $qij/$f; $pes = rfits ('/canopus/goto/110907/25Sco_G_0.2s_dark.fit'); $pes = float($pes); $ques = $pes/$f; $subques = $ques(1026:1060,553:587); $sumaques = sum($subques); $Fvega = 3.75*10**(-9); $m = 6.72; $Fes=$Fvega*10**(-1*$m/2.5); $T_1=$Fes/$sumaques; $Iij = $T_1*$q_f; Vtools::view($Iij);

Este código sigue paso a paso la teoría para calibrar una imagen descrita en el marco teórico.

RESULTADOS Resultados y análisis A continuación se presentan los resultados obtenidos al trabajar nuestras imágenes calibradas en distintos filtros con el programa resamp.pl. •

Filtro B

Imagen 1:

Imagen 1: Imagen resampleada obtenida usando el filtro B. •

Filtro I Imagen 2:

Imagen 2: Imagen resampleada obtenida usando el filtro I.

•

Filtro R Imagen 3:

Imagen 3: Imagen resampleada obtenida usando el filtro R. •

Filtro V Imagen 4:

Imagen 4: Imagen resampleada obtenida usando el filtro V.

La imagen obtenida a través del programa rgb.pl trabajada con los filtros I,R, y V es la siguiente: Imagen 5:

Imagen 5: Imagen obtenida al ejecutar el programa rgb.pl usando las imágenes resampleadas de los filtros I, R y V.

A continuación se muestra la imagen de la nebulosa planetaria NGC 6302 obtenida desde archivos contenidos en Sky View5. Imagen 6:

5

http://skyview.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/titlepage.pl

Imagen 6: Imagen de la nebulosa planetaria NGC 6302 obtenida desde los archivos de la Nasa.

Análisis 1. La imagen 1 es claramente distienda de las demás imágenes, esto nos indica que hubo un error en la exactitud de las coordenadas ingresadas en el programa resam.pl para esta imagen, este error pudo haber sido al obtener estas de Google Sky6 o de la imagen calibrada B. El no cambiar las coordenadas de Google Sky para obtener las demás imágenes nos lleva a decir que el error está al obtenerlas desde la imagen calibrada. 2. Las imágenes 2, 3 y 4 obtenidas a través de resamp.pl concuerdan con la imagen vista en Sky View por lo que creemos son acordes a la realidad. 3. La imagen 5, la cual fue obtenida a través del programa rgb.pl debería ser a color. Se ve claramente que no lo es, la razón de ello fue la incapacidad de obtener las intensidades máximas y mínimas de cada imagen resampleada, ya que se desconocían los comandos para ejecutar dicha función a través del programa view.pl.

Conclusiones Dos de tres objetivos fueron cumplidos, por lo tanto creemos haber hecho un buen trabajo y análisis de imágenes. El no haber obtenido la imagen a color se debe exclusivamente a la incapacidad de obtener datos desde las imágenes con las que se trabajaría para ella, a pesar de esto sabemos los pasos que debimos haber seguido si este error no hubiese existido.

Referencias 1. 2. 3. 4.

6

http://www.google.com/intl/es_es/sky/ http://skyview.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/titlepage.pl http://es.geocities.com/olichris26/filtros.htm http://es.wikipedia.org/

http://www.google.com/intl/es_es/sky/