¿Podrían usarse ocultaciones estelares para inspeccionar objetos del cinturón de Kuiper?

La primera pista que tuvimos sobre la forma de Ultima Thule fue a través de un estudio de ocultación utilizando una serie de pequeños telescopios. ¿Alguien ha investigado la viabilidad y eficacia de realizar una campaña de encuestas utilizando la misma técnica?

Dado que esto se manejó para un objeto seleccionado arbitrariamente en una ventana de algunos años, parecería que, si solo quisiera hacer lo mismo para tantos objetos del cinturón de Kuiper como pueda administrar, debería poder obtener similar datos para un número significativo de objetos al año a un costo relativamente bajo.

Editar: el tipo de proyecto sobre el que me pregunto estaría dirigido a obtener una forma detallada (por ejemplo, ¿qué fracción de KBO son binarios de contacto?) Y datos de tamaño. Por ejemplo, una línea de unos pocos cientos de instrumentos de clase de 0,5 m con una separación de 100 m a km.

Edición 2: Supongo que en realidad no dije cuál sería el objetivo de la encuesta. Para aclarar, el objetivo sería recopilar detalles finos sobre la forma de los KBO . Por ejemplo, ¿qué tan comunes son los contactos binarios?

Respuestas (1)

Sí, esto es posible y ha sido probado por el grupo TAOS (Transneptunian Automated Occultation Survey), entre otros. Ese grupo está en proceso de construir el proyecto TAOS-II , que utilizará varios telescopios y cámaras CMOS de lectura rápida (ya que las ocultaciones solo duran unos segundos) para buscar ocultaciones causadas por objetos desconocidos del cinturón de Kuiper. Los telescopios múltiples son muy útiles para generar confianza de que se trata de un evento real y no de fluctuaciones atmosféricas u otros efectos instrumentales. En una sección de Roques et al., se proporciona un trabajo detallado y cálculos de cuántos objetos vería, qué se necesita para detectarlos y resolver la difracción de Fresnel y otros problemas. en el libro Solar System Beyond Neptune y que está disponible aquí.

En general, para levantamientos como ocultaciones por KBO desconocidos, lo que importa es etendue (producto del área de recolección del telescopio y la cantidad de cielo cubierto en una sola exposición) (pero a menudo es más complicado ya que la profundidad del levantamiento no solo escala con el área del telescopio ) en que mayor valor etendue es igual a "mejor" encuesta. Entonces, para la(s) cámara(s) en una encuesta, es el área del sensoreso importa, que es un producto del tamaño de píxel y no. de píxeles (y la cantidad de sensores y el tamaño de los espacios entre ellos si los está agrupando). El área/diámetro del telescopio tiende a establecerse según el brillo de los objetivos de su estudio y los aspectos prácticos, como el costo y la capacidad de fabricación, tienden a influir en la relación f y, por lo tanto, en la distancia focal y la escala de píxeles en su detector. La rareza de sus objetivos y la cantidad que desea encontrar determina la cantidad de área que necesita cubrir. (El área del telescopio también influye en esto ya que, en general, obtienes más objetivos por área si usas un telescopio más grande y lo haces más débil). Por lo tanto, termina intercambiando todas estas cosas para obtener su mejor encuesta para su ciencia particular y tipo de objetivos, normalmente limitado por el presupuesto disponible o potencial.

En el caso de tratar de resolver en el tiempo las ocultaciones de los KBO, el tiempo de exposición lo establece la escala de tiempo del evento que depende de la velocidad del KBO a lo largo de la línea de visión y el diámetro del KBO. Para velocidades típicas de KBO de 20 km/s, esto significa que una ocultación de Plutón (aproximadamente 2000 km de diámetro) dura 2000 k metro / 20 k metro s − 1 = 100 s . Si quería encontrar pequeños KBO de 20 km similares a 2014 MU69/Ultima Thule, entonces los eventos son 20 k metro / 20 k metro s − 1 = 1 s de largo (ambos cálculos asumen que la ocultación cubre la mayor parte del KBO y no está rozando).

Dado que necesitará varios puntos durante la ocultación, tanto para convencerse de que es real como para medir diámetros, etc., necesitará al menos 5 puntos en todo el evento. Para los eventos KBOs/1s de 20 km, esto significa al menos 5 fotogramas por segundo, idealmente más. Esto significa que necesita obtener suficiente relación señal-ruido en sus estrellas objetivo en una exposición de 0,2 o 0,1 s.

Como se discutió en los comentarios de respuesta al autor de la pregunta, los sensores CMOS científicos como Andor Marana (una coincidencia cercana disponible comercialmente con los detectores personalizados utilizados por TAOS-II con un precio de ~ $ 31k; enero de 2019) serán mejores tanto en el ' "señal" (debido a una mayor eficiencia cuántica) y "ruido" (píxeles más grandes y menos ruidosos, enfriamiento y estabilización de temperatura) que un sensor DSLR de consumo. Mirando un estudio de corriente oscura DSLRpor Photonics.com, la corriente oscura es de ~50 conteos/píxel/segundo (la cifra de Photonics.com es para exposiciones de 30 segundos y asumiendo 1500DN) aumentando a ~100 conteos/píxel/segundo (con un promedio de ~3000DN para 3 de los píxeles) después de 100 fotogramas a medida que el sensor se calienta. Para el Marana, la cifra es de 0,26 conteos/píxel/segundo (tomando el valor de la hoja de datos de 0,2 electrones/píxel/s y asumiendo una ganancia de 1,3 para igualar la capacidad total del pozo de 85k electrones al ADC de 16 bits (65536 niveles)), un valor casi 400 veces menor. (El rango de datos del ADC es otra área de diferencia; Marana puede hacer digitalización de 16 bits, mientras que las DSLR suelen ser de 12 o 14 bits, dando solo 4096 o 16 384 niveles para registrar todos los niveles de señal en la imagen)

El otro uso de las ocultaciones es monitorear las ocultaciones previstas por asteroides conocidos y objetos del cinturón de Kuiper. Esto se puede usar para tener una mejor idea del tamaño y la forma del objeto (como notó para Ultima Thule/2014 MU69), buscar satélites adicionales o anillos alrededor del objeto (como se ha hecho para KBO Haumea (Nat Geo artículo ) y el Centauro Chariklo ( artículo de Space.com )) y buscar y monitorear cambios en la atmósfera (como se ha hecho para Plutón desde la primera ocultación en 1988).

Interesante. TAOS-II parece similar, pero usa menos entierros más grandes. Estaba pensando más en la línea de unos pocos cientos de entierros de clase de 0,5 m con un espacio de 100 m a km.
Varios cientos de telescopios con cámaras que funcionan a 20 cuadros por segundo serían un proyecto muy costoso y un proyecto de procesamiento de datos muy grande...
@astrosnapper: Sospecho que un dispositivo de clase Raspberry Pi en cada instrumento podría extraer los datos de estrellas individuales en tiempo real, lo que reduciría la velocidad de datos a ~1-10kBps por cámara. Mantenga un día de video en bucle y solo descargue ventanas que muestren algo interesante. En cuanto a los instrumentos; $1-3k/por? Veces 1000 y necesitas un presupuesto de unos pocos millones. No es barato, pero no fuera de la vista.
@BCS Le pedí a Andor una cotización para una de sus cámaras científicas CMOS de Marana : $31,000. Y estos son un poco más pequeños que los chips e2v personalizados que usa TAOS-II. También 2048 x 2048 píxeles x 20 Hz x 16 bits es 160 MB/s; No creo que lo consigas en un Pi y mucho menos puedas procesarlo en algo que se acerque a un tiempo lo suficientemente corto. Creo que necesitarías un FPGA y la programación de esos no es barato.
@astrosnapper: ¿Cuánta diferencia hay entre ese CMOS y el sensor de una DSLR de rango medio (que puede obtener, incluida la carcasa, por 10 veces menos)? -- Y mis números de ancho de banda son tasas de red, suponiendo que enmascare cada cuadro a un solo valor de 8-10 bits por estrella, lo cual está bien dentro de lo que puede hacer con un núcleo ARM como el que se usa en los teléfonos inteligentes (es posible que necesite una placa personalizada, pero para una construcción de unidad de 1k+ eso es viable). Todavía adivinaré $ 1-3k / per.
Las diferencias más grandes van a ser el tamaño de píxel (Marana tiene 11 micon píxeles, al menos el doble que una SLR) y, por lo tanto, el área del chip (muy importante si estuviera haciendo una encuesta tipo TAOS; menos importante en el caso de mirar objetos conocidos ) y menor ruido, mayor eficiencia cuántica y menor ruido de lectura y corriente oscura. Sí, para el tablero de "ventanas de interés", algo como un ARM (¿Cortex?) o FPGA podría hacer el trabajo, pero el diseño personalizado requiere pagarle a una persona para que lo haga y las personas se vuelven costosas rápidamente cuando se incluyen el salario, los beneficios y los gastos generales.
¿Es el tamaño del chip o el número de píxeles lo que importa? Espero el segundo. (IIRC, dada una apertura, un tamaño de sensor y un tamaño de píxel, puede calcular la distancia focal para que su poder de resolución coincida con el tamaño de píxel). -- Alta eficiencia, bajo nivel de ruido estaría bien, pero si está buscando una oclusión total de estrellas moderadamente brillantes, ¿qué tan buenas realmente necesitas? ¿Qué te atrae más: más estrellas utilizables o una línea más larga de cámaras? -- En cuanto a la integración COTS personalizada; cederlo a alguna universidad?
@BCS Modifiqué mi respuesta para agregar capturar algunos de los comentarios anteriores (y lo que estaba a punto de agregar sobre el área del sensor): vea lo que piensa
Básicamente: la ventaja de los píxeles del sensor de mayor calidad es que hay más estrellas utilizables por encima del ruido de fondo. La ventaja de un buen ADC es una resolución más alta alrededor del borde de la oclusión. Los límites prácticos en la distancia focal hacen que el tamaño limite el FOV. Entonces, lo que propongo es una compensación: una larga línea de instrumentos espaciales cercanos que obtienen menos estrellas cada uno y que solo ven la totalidad. Haría un mal trabajo al recopilar algunos tipos de datos, pero daría buenos resultados para la forma del cuerpo , que es lo que sugiero buscar. [Agregué eso último a la pregunta.]
Un artículo en Nature Astronomy hoy (2018/1/29) tiene el primer evento de ocultación candidato de un KBO de aproximadamente 1 km detectado con cámaras CMOS comerciales. Esto usó dos sistemas, con sede en Japón, y que consisten en un astrógrafo Celestron f2.2 de 11 ", cámaras ZWO ASI1600 CMOS (no estoy familiarizado con ellas) y un reductor focal Matabones. El costo por sistema se cotiza en 16k US $. Observa ~ 2k estrellas hasta V~13 en un campo de 2,3 x 1,8 grados a 15,4 Hz. 60 horas de ejecución de datos = 50 TB de datos
¡Limpio! Eso está en el estadio de béisbol del tipo de sistema en el que estoy pensando. 16 millones de dólares por 1k estaciones, mientras que más de lo que pensaba, es probablemente más fácil de conseguir que acceder a un tramo de 100 km con buena visibilidad para colocarlas. Y luego me pregunto qué harían los "descuentos por volumen" con ese precio. -- Diablos, el precio de lista de esos bits es <5k USD, me pregunto a dónde fueron a parar los otros 10k. (No puedo leer el artículo).
El "recinto portátil en forma de cúpula" se muestra y se menciona en la leyenda de la Figura complementaria, pero solo para 1 telescopio "debido a la falta de recursos financieros". Otros costos podrían ser computadoras, almacenamiento, alquiler del sitio, servicios públicos y costos de personal (siempre costosos), pero no se brindan más detalles (los artículos de Nature son siempre breves). @BCS, creo que estamos violentamente de acuerdo en que esto es posible, solo ideas diferentes (pero convergentes ;-) sobre los costos del mundo real...
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