Inquinamento luminoso: la Nemesi di qualunque astrofilo urbano e suburbano.

Che siate astrofili visualisti o fotografi, uno di maggiori impedimenti per la vostra passione, è senza dubbio il dilagante fenomeno dell'inquinamento luminoso.

Non ne sono affette solo le grandi città, ma anche i centri urbani minori, tanto che si può affermare senza tema di smentita che, in Italia, non esiste più un cielo incontaminato.

Se poi vivete, come nel mio caso, in Pianura Padana, allora la situazione diventa disperata: vivo in Lombardia, ad una manciata di km dal centro di Brescia, sotto un cielo perennemente illuminato.

Per questa ragione i maggiori produttori di filtri per l'astronomia propongono, ormai da alcuni anni, diversi modelli di filtri per il contrasto dell'inquinamento luminoso: l'ultimo nato in quest'ambito è il filtro L-eNhance di Optolong.

Grazie alla nuova collaborazione con Astrottica di Legnago, ho potuto finalmente mettere le mani su uno di questo filtri per metterlo alla prova sotto il brillante cielo di Lombardia.

Principio di funzionamento

Prima di passare alla recensione vera e propria, è bene spendere due parole per descrivere il principio di funzionamento di questo innovativo filtro.

La maggior parte dei filtri per inquinamento luminoso vengono creati in modo da bloccare (o ridurre) determinate lunghezze d'onda (tipiche dell'illuminazione stradale) e di lasciar passare il resto dello spettro luminoso.

La filosofia di base di questi filtri è togliere solo ciò che è dannoso lasciando inalterato tutto il resto, si tratta quindi di filtri "a banda larga".

Il vantaggio di questo approccio è che il filtro lascia passare molta luce da buona parte delle sorgenti astronomiche alterandone poco il bilanciamento cromatico.

Purtroppo negli ultimi anni si sta sempre più diffondendo l'illuminazione stradale basata sull'utilizzo della tecnologia LED; i LED hanno uno spettro di emissione sostanzialmente continuo, quindi i classici filtri anti inquinamento luminoso stanno perdendo di efficacia perchè "troppo permissivi".

Il filtro L-eNhance affronta il problema dal lato opposto: così come i filtri a banda stretta utilizzati comunemente coi sensori monocromatici, il filtro blocca tutto tranne le righe di emissione tipiche degli oggetti astronomici.

I meccanismi di emissione in astrofisica infatti sono principalmente 2:

L'emissione di corpo nero da parte delle stelle: è un'emissione continua che segue una curva ben precisa che dipende dalla temperatura della stella.

L'emissione da gas ionizzato: è un'emissione discreta che dipende solo dal tipo e dallo stato di ionizzazione del gas.

È proprio a questo tipo di emissione che si rivolge il filtro L-eNhance.

Ad onor del vero, secondo me, questo filtro non è un semplice filtro anti inquinamento luminoso, è molto di più: un vero filtro multi banda stretta pensato per sensori a colori (anche se potrebbe avere qualche utilizzo anche coi sensori monocromatici)..

Come si può vedere dallo spettro dichiarato dal produttore, il filtro lascia passare una stretta bande in corrispondenza della riga di emissione Hα a 656 nm e una banda leggermente più ampia in che comprende sia il doppietto di righe dell'ossigeno due volte ionizzato (OIII) che la riga Hβ dell'idrogeno ionizzato.

Tali righe costituiscono la larghissima maggioranza delle emissioni di interesse astrofotografico.

Il filtro quindi è assimilabile ai filtri a banda stretta e, come vedremo, ne condivide pregi e difetti.

Viste le premesse è evidente che con questo filtro è possibile riprendere con efficacia solo una ben determinata classe di oggetti astronomici, le nebulose ad emissione:

• Regioni HII
• Nebulose planetarie
• Resti di supernova

Risulta invece totalmente inefficace su oggetti che hanno componenti com emissione continua:

• Galassie
• Ammassi stellari
• Nebulose a riflessione

Su questi oggetti il filtro non darà alcun vantaggio, anzi, sarà dannoso in quanto andrà ad alterarne sostanzialmente il bilanciamento cromatico.

 

Descrizione del filtro

Il filtro in prova è il modello da 2" montato in cella; ad una prima analisi il filtro si presenta ben realizzato, protetto da una scatolina facile da aprire e con uno spesso strato di schiuma a protezione del filtro.

Ad occhio nudo il filtro appare con la superficie a specchio tipica dei filtri a banda stretta, in trasparenza di un colore verde azzurrognolo che ricorda il colore di un filtro OIII visuale.

 

 

 Purtroppo non possiedo nè uno spettroscopio nè uno spettrofotometro e non ho potuto verificare l'effettiva forma della banda passante, ma con un semplice prisma e un provvidenziale raggio di Sole ho potuto verificare,come si può vedere nelle immagini seguenti, la doppia banda passante.

 

Il semplice prisma utilizzato per analizzare il filtro
Lo spettro solare ottenuco col prisma	Lo spettro ottenuto interponendo il filtro

 

Ovviamente questo test è assolutamente qualitativo e non permette di stimare l'effettiva largezza di banda del filtro.

I dati del test

Ho voluto realizzare il test in condizioni realistiche da cielo cittadino.

Data della prova 20 settembre 2019.

Ho fatto la prova letteralmente dal cortile di casa mia a Castenedolo, a pochi km da Brescia.

Al momento della ripresa il cielo aveva una brillanza di circa 18,5 Mag/arcsec².

La camera utilizzata è una CANON 350D modificata Baader

Il telescopio un William Optics 110 FLT con riduttore/spianatore Type IV che lo porta a F/5,8

Montatura 10Micron GM1000 HPS.

Gli scatti sono stati acquisiti grazie ad Astrophotograpy Tools, processati ed elaborati con PixInsight 1.8.

Le pose in senza filtro sono state fatte per prime, quelle con il filtro sono state realizzate dopo, nel frattempo è sorta la Luna all'ultimo quarto che ha reso la prova ancor più critica.

L'oggetto scelto per il test è la nebulosa Pacman NGC 281, scelta perché ha un'abbondante emissione sia in HII che in OIII.

Tutte le immagini sono state scattate a 800 ISO (vicino allo unity gain per la 350D) con un tempo di posa da 120", il tempo di posa è stato scelto sulla base dell'immagine in luce integrale per evitare di sovraesporre eccessivamente il fondo cielo.

I set di dati sono costituiti da 

6 scatti senza filtro da utilizzare come riferimento

32 scatti con filtro per verificare quantitativamente il miglioramento della qualità dell'immagine e per fare un'elaborazione di prova.

I file RAW sono stati calibrati con 20 DARK, 20 FLAT e 20 DARK dei flat.
per evitare l'introduzione di dominanti cromatiche dovute al colore della flatbox, ho preventivamente neutralizzato le singole componenti RGB del master flat.

In questo modo l'immagine calibrata avrà esattamente la stessa composizione cromatica dell'immagine originale.

 

La prima impressione

Una primissima impressione qualitativa ma significativa, è venuta già dall'analisi degli scatti singoli: le immagini che seguono sono due scatti, uno col filtro e l'altro senza, ottenuti semplicemente sviluppando i file RAW con le impostazioni standard della camera come si farebbe con qualsiasi immagine diurna: non è stato applicato nessun tipo di elaborazione aggiuntiva.

 

Scatto singolo 120" luce integrale Fare click per la versione ingrandita Valore mediano normalizzato del fondo cielo sull'immagine calibrata: 0,0073623*	Scatto singolo 120" con filtro L-eNhance Fare click per la versione ingrandita Valore mediano normalizzato del fondo cielo sull'immagine calibrata: 0,0004850*
*PixInsight rappresenta i valori di intensità normalizzandoli a 1. ciò significa che il nero assoluto è pari a 0 e il bianco assoluto è pari a 1. essendo la dinamica dell'immagine a 16 bit, e quindi con un massimo a 65535, 0,0073623 equivale a 482 ADU.

 

Già questo primo esempio dimostra l'efficacia del filtro nell'abbattere l'inquinamento luminoso su questo tipo di oggetti: è evidente che il fondo cielo nell'immagine non filtrata, a parità di tempo di esposizione e telescopio, è circa 15 volte più luminoso rispetto all'immagine filtrata.

Ciò corrisponde ad un notevole abbattimento dell'inquinamento luminoso.

Se, come promette il filtro, l'intensità della nebulosità rimanesse inalterata, questo si tradurrebbe in un notevole aumento del rapporto segnale rumore come cercherò di verificare con l'analisi quantitativa.

I dettagli dell'analisi

Al di la di ogni opinione soggettiva sull'aspetto delle immagini, è importante definire un metodo oggettivo per capire se e quanto migliora la qualità dell'immagine mediante l'utilizzo del filtro.

La regola di base che ogni astrofotografo dovrebbe SEMPRE seguire è: Il rapporto Segnale/Rumore ha sempre ragione.

L'obiettivo dell'analisi quantitativa quindi è stato quello di cercare di dare una valutazione oggettiva di S/N.

Come accennato sopra l'analisi dei dati è stata eseguita con PixInsight 1.8 utilizzando il Process Statistics su alcune preview opportunamente scelte sull'immagine.

Per stimare il rapporto S/N è necessario misurare il segnale netto della nebulosa e confrontarlo con il "rumore" nella stessa area.

Una buona stima del segnale è dato dalla funzione "media" calcolata all'interno di un'area dell'immagine; ciò che interessa è il segnale netto della nebulosa ripulito dal contributo del fondo cielo.

Il rumore può invece essere stimato grazie alla deviazione standard nella medesima area dell'immagine.

Per far questo, in PixInsight, si creano sull'immagine due piccole preview: una sul fondo cielo, l'altra sulla nebulosa.

La cosa importante è scegliere le due preview in modo che non contengano stelle che andrebbero a falsare sia il valore della media che, soprattutto, quello della deviazione standard.

Grazie a Statistics è possibile andare a misurare media e deviazione standard nelle preview.

la stima del rapporto Segnale/Rumore è data dalla formula

S/N = (media(Nebulosa)-media(Cielo))/DevStandard(Nebulosa)

Maggiore è S/N e migliore è la qualità dell'immagine.

L'elaborazione è stata applicata all'integrazione di 6 frames

Ecco il risultato dell'analisi condotta sulla somma di 6 frames rispettivamente senza filtro e con il filtro.

Le misure sono state effettuate sulla parte più luminosa, in prossimità del centro.

Ancora una volta le misure si riferiscono al valore normalizzato a 1

	SENZA FILTRO				CON FILTRO
	R	G	B		R	G	B
Fondocielo	9.29E-02	1.03E-01	5.65E-02		3.01E-03	7.55E-03	7.21E-03
Nebulosa+Fondo	9.97E-02	1.08E-01	5.97E-02		6.50E-03	9.57E-03	8.84E-03
Solo nebulosa	6.77E-03	4.44E-03	3.23E-03		3.50E-03	2.02E-03	1.63E-03
Deviazione standard	1.87E-03	1.43E-03	1.55E-03		6.00E-04	5.34E-04	5.86E-04
S/N	3.63	3.11	2.08		5.82	3.78	2.78

 

Come si può vedere, l'incremento nel rapporto Segnale/Rumore, tra le due immagini è sensibile (soprattutto nel rosso dove la nebulosa ha la maggior parte dell'emissione) vi è quindi un evidente incremento nella qualità dell'immagine.

In realtà però, mi sarei aspettato qualche cosa in più, vista la riduzione di 15 volte del valore di fondo cielo.

La cosa che più mi lascia perplesso è il valore dell'intensità della nebulosa tra l'immagine con filtro e qulla senza filtro: vista la forma dichiarata della banda passante del filtro, mi sarei aspettato che l'intensità netta della nebulosa variasse di poco (il filtro dovrebbe essere sostanzialmente trasparente alla lunghezza d'onda dell'Hα, dell'Hβ e dell'OIII), invece, nel rosso passa da 6,77x10-3  senza filtro a 3,50x10-3 con il filtro, una riduzione di circa il 48% dell'immagine filtrata rispetto a quella non filtrata.

Con i pochi dati a mia disposizione però non mi avventuro in possibili spiegazioni di questo comportamento che, però, merita ulteriori indagini.

Invece è interessante il confronto diretto tra l'immagine filtrata (a destra) e quella non filtrata (a sinistra) visibile nell'immagine seguente.

 

Come si può vedere, il filtro, grazie alla stretta banda passante, aumenta notevolmente il contrasto tra stelle e nebulosa, permettendo di staccarla dal fondocielo.

Inoltre riduce sensibilmente il gradiente da inquinamento luminoso rendendo decisamente più semplice la fase di elaborazione, da questo punto di vista il filtro fa esattamente ciò che promette.

 

Prova di elaborazione

Come ultima prova ho elaborato la somma di 38 scatti da 120 secondi per un totale di circa un ora e un quarto di posa.

L'elaborazione effettuata è stata in realtà piuttosto semplice:

Bilanciamento del bianco manuale, trasformazione di istogramma, regolazione curve e denoise.

Il risultato ottenuto è decisamente interessante considerato il luogo di ripresa e la camera (la Canon 350D) vecchia ormai di quasi 15 anni.

 Conclusioni

Il Filtro L-eNhance si è dimostrato decisamente efficace nell'abbattere l'inquinamento luminoso, anche se forse è rimasto un po' sotto alle mie aspettative.

L'analisi quantitativa, infatti ha evidenziato un netto miglioramento del rapporto S/N a parità di altre condizioni, si è però evidenziata anche una chiara diminuzione di luminosità della nebulosa, cosa che, visto il design del filtro, non dovrebbe accadere.

Prima di azzardare interpretazioni di questo fenomeno mi riservo di fare altre prove.

Il vantaggio di questo filtro è senza dubbio quello di aumentare sensibilmente il contrasto tra stelle e nebulosità rendendo più facile l'estrazione di dettagli.

Lo svantaggio principale consiste invece nel deciso cambiamento di colore delle stelle che risulta difficile da gestire, ma tale comportamento è del tutto previsto dal design del filtro e quindi non lo definirei un vero e proprio "difetto".

Altro punto negativo, legato a design del filtro è la severa limitazione sul tipo di oggetti che è possibile riprendere, essendo limitato alle nebulose ad emissione.

Tale fatto è solo accennato in maniera implicita sulla scheda tecnica presente sul sito del produttore: sarebbe stato bello invece trovare una menzione esplicita del tipo di oggetti per cui il filtro è consigliato.

Infatti, pur essendo chiaro, osservando la forma della banda passante, non tutti gli astrofotografi hanno le conoscenze di astrofisica necessarie a trarre queste conclusioni.

PRO	CONTRO
Riduce efficacemente l'inquinamento luminoso Aumenta il rapporto S/N delle nebulose ad emissione a parità di altri fattori. Mantiene un corretto bilanciamento cromatico degli oggetti nebulari.	Altera notevolmente il bilanciamento cromatico della componente stellare Il tipo di oggetti fotografabili è limitato alle nebulose ad emissione: questa informazione è scritta solo in maniera implicita sul sito del produttore. La componente SII è esclusa dalla banda passante del filtro. tale emissione però solitamente è molto debole.

 

Stay tuned, in futuro altre prove su questo interessante prodotto.