ExoPhotoCurve: software per creazione e analisi curve di luce di pianeti extrasolari

Catturare transiti di pianeti extrasolari con strumentazione amatoriale

La strumentazione amatoriale che usiamo per scattare foto attraverso il telescopio ha un grande potenziale: ci permette di poter analizzare la luce delle stelle in funzione del tempo e riuscire a "vedere" il passaggio di un pianeta extrasolare di fronte al disco della sua stella. Questo evento è chiamato transito.

I transiti dei pianeti extrasolari producono una diminuzione tipica della luce delle stelle tra pochi millesimi e pochi punti percentuali: impossibile da notare a occhio, persino guardando una sequenza di immagini, ma possiamo vederlo costruendo una curv di luce in fotometria differenziale. In pratica, data una sequenza di immagini, si analizza la variazione della luce della stella considerata confrontandola con la luce di altre stelle nel campo (che non siano variabili!).

Poter catturare l'impronta del passaggio di un pianeta extrasolare è una delle attività più emozionanti che possiamo fare con la nostra strumentazione, oltre alle foto spettacolari.

Catturare la giusta sequenza

Se già facciamo foto al cielo con un telescopio e una fotocamera astronomica raffreddata, allora abbiamo già tutto quello che ci serve per catturare i transiti di pianeti extrasolari. Le fasi di acquisizione infatti sono piuttosto simili a quelle di una normale foto estetica. Ecco i passaggi salienti:

• Scegliere il target. Sono ormai migliaia i pianeti extrasolari conosciuti attraverso il metodo dei transiti e in rete si trovano diversi siti per prevedere i transiti. Pianificare l'osservazione, dunque è piuttosto semplice, basta scegliere una stella con un pianeta che transita nel momento giusto e nella serata giusta, alta sull'orizzonte, con una profondità del transito di almeno 1 millesimo di magnitudine e una magnitudine compresa tra la 9 e la 12. Potete iniziare dal sito Exoplanet Transit Database (https://var.astro.cz/en/Exoplanets/TransitsPredictions) oppure iscrivervi al sito ExoClock (https://www.exoclock.space/) per trovare la lista dei pianeti extrasolari in transito per una certa data, visibili dal vostro cielo
• Una volta scelto l'evento, almeno un'ora e mezzo prima del transito puntiamo il telescopio sul nostro obiettivo e facciamo delle prove. I tempi di esposizione delle singole immagini variano da circa 120 fino a un massimo di 300 secondi (come per le immagini del profondo cielo). La sequenza deve essere autoguidata e possibilmente senza dithering. L'obiettivo è semplice: con il tempo di esposizione che abbiamo scelto, la luminosità di picco della stella deve essere compresa tra 20 mila e 30-35 mila ADU. Questo significa che non dobbiamo mai saturare la stella nei singoli scatti. Come si ottiene questo? Se necessario, sfocando leggermente l'immagine. Qui c'è la differenza più grande con le riprese estetiche. Non cerchiamo di ottenere un'immagine bella, puntiforme e perfettamente a fuoco. L'unico obiettivo è quello di ottenere un'immagine della stella della luminosità corretta, con più segnale possibile. Spesso questo significa sfocare leggermente affinché la luce della stella si espanda su diversi pixel (FWHM compresa tra 5 e 7 pixel in generale). Le immagini dei transiti sono quindi spesso brutte esteticamente ma straordinarie dal punto di vista dell'informazione contenuta.
• Dopo aver trovato la giusta combinazione di tempo di esposizione e sfocatura, facciamo partire la sequenza di scatti che coprano almeno un'ora prima e un'ora dopo il transito previsto, attivando l'autoguida.
• Frame di calibrazione: Bias, dark e flat field sono fondamentali, ma se facciamo imaging estetico questo già lo sappiamo.

La fase di acquisizione non ha bisogno di altri requisiti. La nostra sequenza catturerà il transito senza particolari problemi. Il bello viene dopo, in fase di "elaborazione". Come estraiamo l'informazione contenuta?

Qui le cose sono diverse rispetto alle immagini estetiche e in qualche modo anche più semplici.

Riduzione, non elaborazione

Le nostre immagini fotometriche non devono venire elaborate. Non dobbiamo creare un'immagine grezza da passare poi a programmi che estrapolano il segnale o a Photoshop. In termini scientifici, dobbiamo solo fare una riduzione dei nostri dati. Cosa significa? Semplice: calibrazione degli scatti con i frame di calibrazione (bias, dark, flat) e allineamento. Nient'altro!

Una volta che abbiamo la nostra sequenza calibrata e allineata, ovvero ridotta, dobbiamo passare all'analisi fotometrica che si basa su un principio molto semplice: misureremo come varia la luminosità della nostra stella a confronto con quella di altre stelle di luminosità simili presenti nel campo inquadrato e che consideriamo costanti. Questa tecnica si chiama fotometria d'apertura differenziale e ci permetterà di costruire la cosiddetta curva di luce, un grafico che mostra la luminosità relativa della nostra stella in funzione del tempo, per ogni scatto della nostra sequenza ridotta.

Il problema dei software di riduzione e analisi

Riprendere una sequenza fotometrica per catturare un transito di un pianeta extrasolare è semplice. Anche la fase di riduzione e analisi è molto più semplice e veloce dell'elaborazione di qualsiasi sequenza di immagini estetiche. Il problema è trovare il programma giusto che ci permetta di fare i semplici passi richiesti per estrarre l'informazione fotometrica dalla nostra sequenza di scatti grezzi. Software come PixInsight possono fare la fase di riduzione e allineamento, ma spesso sono ottimizzati per estrapolare l'informazione estetica, non per preservare l'informazione fotometrica. Ho testato diverse volte PixInsight per la fase di riduzione e i risultati, sebbene accettabili, non permettono di estrarre nel miglior modo possibile l'informazione che davvero ci serve.

Per la costruzione della curva di luce a partire dagli scatti ridotti, poi, le cose si complicano, perchè PixInsight e altri software (Deep Sky Stacker, Sharpcap...) non fanno fotometria d'apertura nella maniera che serve a noi. Ed è qui che mi è venuta un'idea semplice: creare un programma ottimizzato per la fase di riduzione, creazione e analisi delle curve di luce dei transiti dei pianeti extrasolari. Un programma senza fronzoli, ottimizzato per estrarre al meglio l'informazione fotometrica.

ExoPhotoCurve: un software di analisi completo

ExoPhotoCurve è un programma scritto in Python, disponibile gratuitamente come file sorgenti e come installer per sistemi Windows a 64 bit che non richiede la conoscenza di Python e nemmeno di averlo installato sul proprio computer.

ExoPhotoCurve si occupa di tutte le fasi richieste dopo la ripresa della sequenza:

• Calibrazione e allineamento (riduzione)
• Costruzione della curva di luce
• Ottimizzazione, analisi e modellazione della curva di luce

ExoPhotoCurve non fa elaborazione estetica: è ottimizzato solo per estrarre nel miglior modo possibile le minuscole differenze di luminosità causate dal passaggio della sagoma oscura di un pianeta di fronte al disco della propria stella.

La sua grafica è essenziale e il suo funzionamento piuttosto semplice:

1) Calibrare con dark, flat e bias e allineare le immagini della nostra sequenza. Per la fotometria questa fase è fondamentale

2) Costruire la curva di luce. Una volta che abbiamo la nostra sequenza di immagini calibrate e allineate, dobbiamo analizzare come cambia la luce della stella in funzione del tempo. Dobbiamo scegliere la nostra stella per la quale, in teoria, abbiamo catturato il transito di un pianeta conosciuto e altre stelle nel campo da usare come riferimento, che devono avere la giusta luminosità e determinate caratteristiche per essere considerate idonee. ExoPhotoCurve si occupa automaticamente dalla prima selezione delle stelle di confronto e genera la curva di luce grezza in pochi secondi.

3) Analizzare la curva di luce grezza. Qui ci possiamo divertire. In pratica, è un po' come la fase di elaborazione di un'immagine grezza estetica, con ovvie variazioni sul tema. Dalla curva di luce grezza dobbiamo estrarre il migliore segnale a disposizione. Questo di solito significa fare una seconda e più accurata scelta delle stelle di confronto dal campione iniziale, applicare delle correzioni per ridurre l'effetto della nostra atmosfera o il flip del meridiano della montatura (detrend), magari eliminare qualche punto visibilmente peggiore degli altri e poi fare il fit. Il fit è un'operazione che costruisce la curva del transito migliore a partire dai nostri dati. Questo fit viene poi confrontato con il modello teorico che ci aspettiamo dal transito e, se tutto è andato bene, queste due curve dovrebbero essere molto vicine tra di loro.

Scaricate il programma, la sequenza di esempio e il tutorial

ExoPhotoCurve è gratuito!

Se volete provare in anteprima questo programma, che è disponibile in versione auto-installante per sistemi Windows, scaricatelo, installatelo e poi scaricate la sequenza di esempio (Kelt-10b) già calibrata.

ExoPhotoCurve è in inglese ma i concetti da apprendere sono piuttosto semplici.

Qui di seguito vi traduco il tutorial per produrre la vostra prima curva di luce con i miei dati messi a disposizione.

I dati

La sequenza di esempio che scaricate qui è stata acquisita lo scorso 12 giugno 2026 con il mio telescopio newtoniano da 200 mm di diametro (Skywatcher 200PDS) su montatura EQ6 dal deserto di Atacama. Ho utilizzato una camera a colori ASI 2600MC e il software NINA per l'acquisizione. Ho puntato la stella che ospita il pianeta Kelt-10b, impostato l'esposizione degli scatti singoli a 300 secondi, attivato l'autoguida e trovato il giusto punto di sfocatura per avere nei singoli scatti una luminosità massima della stella attorno a 25 mila ADU. Ho iniziato le riprese un'ora prima del transito previsto e le ho terminate un'ora dopo. Niente dithering, autoguida sempre attiva.

Ho anche acquisito i flat field (fondamentali!) i dark frame e i bias frame.

La sequenza è già stata ridotta con ExoPhotoCurve. Il programma ha calibrato i singoli scatti e poi, visto che si tratta di riprese a colori, ha automaticamente estratto le informazioni del canale verde (G) senza fare il Debayer. Gli scatti sono stati poi automaticamente allineati dal programma. Il risultato è una sequenza di 69 immagini ridotte, allineate e appartenenti solo al canale verde della fotocamera.

Fotometria con ExoPhotoCurve

Con ExoPhotocurve partiamo dalla costruzione della curva di luce grezza, ovvero dalla fotometria d'apertura.

1. Costruire la curva di luce grezza:

• Decomprimi la sequenza ridotta
• Apri ExoPhotoCurve e clicca su "Build LC"
• Seleziona la cartella della sequenza, conferma e clicca su "Load sequence"
• Lascia le aperture con la dimensione predefinita, muovi il mouse sul grafico per vedere l’anello dell’apertura
• Fai zoom al centro con la rotella del mouse o con lo scroll touch del touchpad e posiziona l’apertura sulla stella brillante al centro, che è la target, facendo click con il mouse. Nella cartella della sequenza troverai una mappa che ti aiuterà a identificare la target, chiamata T1
• Clicca su "Auto find comps": ExoPhotoCurve troverà automaticamente le migliori 15 stelle di confronto. Puoi verificare che siano buone perché le aperture saranno tutte verdi; in caso contrario sarebbero gialle per stelle troppo deboli, oppure rosse per stelle vicine alla saturazione o sature
• Vai a "3. Run Photometry" e clicca su "Set path" per impostare il percorso e il nome della curva di luce grezza. Ti consiglio di inserire il nome del pianeta, così ExoPhotoCurve lo riconoscerà automaticamente durante l’analisi. Ad esempio: "Kelt-10b_lightcurve"
• Clicca su "Run + load in main": ExoPhotoCurve eseguirà la fotometria differenziale, chiuderà la finestra e caricherà automaticamente il file della curva di luce nel pannello principale

2. Rifinire e analizzare la curva di luce grezza:

• Nel pannello principale, clicca ora su "Plot / Update" per vedere la prima curva di luce grezza. Congratulazioni!
• Ora dobbiamo controllare le stelle di confronto nel pannello "Comp stars". Puoi guardare ogni singola stella di confronto, oppure provare a deselezionarne alcune per vedere come cambia la curva di luce del transito. Se ti fidi di me, deseleziona le stelle C4 e C16 e lascia selezionate tutte le altre: per me questa è la migliore combinazione di stelle di confronto e produce una curva di luce netta e simmetrica.
• Nel grafico si nota un punto abbastanza lontano dal trend principale, sulla destra, fuori dal transito. Possiamo andare nel pannello "Cleaning", attivare l’opzione "Click-edit plot" e cliccare su quel punto per escluderlo dalla curva di luce.
• Ora è il momento del primo fit. Vai nel pannello "Transit modeling", assicurati che il pianeta sia riconosciuto nella sezione "Planet"; in caso contrario selezionalo manualmente. Poi clicca semplicemente sul pulsante "Run transit model" in basso. Questo è il tuo primo fit, una base solida da cui partire per migliorare i risultati.
• Durante l’acquisizione di questa sequenza, la montatura del telescopio ha dovuto eseguire il meridian flip. Di solito questo produce un piccolo salto nella curva di luce. Non si vede direttamente ma è presente, ed è la ragione principale per cui il fit non si sovrappone perfettamente al modello atteso. Andiamo quindi nel pannello "Detrend" e attiviamo l’opzione "Meridian flip". In "time frac" devi inserire la frazione del JD in cui è avvenuto il meridian flip. Se ti fidi di me, inserisci: .770. Clicca sul pulsante "Plot / update" per mostrare la linea verticale corrispondente al momento del meridian flip.
• Attiva "Consider fit model" e in "Model-aware mod" seleziona "Iterate to convergence". ExoPhotoCurve userà questo fit preliminare come base per correggere iterativamente il piccolo salto dovuto al meridian flip. Clicca su "Run detrending" e osserva il risultato. Ora il fit è migliorato molto ed è molto simile al modello atteso!
• La curva di luce finale è pronta. Se vuoi sperimentare ancora, puoi tornare nella sezione "Cleaning" e applicare un sigma clipping automatico per eliminare i punti anomali. Imposta "Sigma" a 2.5, un valore molto aggressivo solo per provare, e clicca su "Apply sigma clipping". Ricorda di rifare il fit se qualche punto viene eliminato, cliccando su "Run transit model".

Il risultato finale dovrebbe apparire molto simile, si spera identico, a questo:

Buona fotometria!