การวัดแสง (ดาราศาสตร์)

การวัดแสง หรือ โฟโตเมตรี (photometry) เป็นเทคนิคการสังเกตสำหรับวัดความสว่างของวัตถุทางดาราศาสตร์ การสังเกตการณ์มักทำผ่านปล่อยให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นเฉพาะผ่านได้ และยังอาจใช้แผ่นกรองแสงหลายตัวร่วมกันเพื่อให้ได้ข้อมูลเป็นดัชนีสี ควบคู่ไปกับข้อมูลค่าความส่องสว่าง และเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติทั่วไปของวัตถุท้องฟ้า การสังเกตในช่วงความยาวคลื่นหลากหลายช่วงช่วยให้เราสามารถประเมิน (SED) ได้ และเทคนิคการสังเกตการณ์ดังกล่าวเรียกอีกอย่างว่า

(SED) ในช่วงอินฟราเรดใกล้ของ GRB 050904 คุณลักษณะความไวต่อความยาวคลื่นของแต่ละตัวมีส่วนซ้อนทับกัน

คำว่า photometry มาจากคำภาษากรีก photos แปลว่า "แสง" และ metron แปลว่า "การวัด"

ความเป็นมา

ความสว่างเป็นปริมาณพื้นฐานที่สังเกตได้ของเทห์ฟากฟ้าและประวัติศาสตร์การวัดสามารถย้อนไปถึงฮิปปาร์โคสในยุคกรีกโบราณได้ ฮิปปาร์โคสได้แบ่งความสว่างของดาวฤกษ์ออกเป็น 6 ระดับ โดยดาวที่สว่างที่สุดที่มองเห็นได้ด้วย คือโชติมาตรที่ 1 และดาวที่มีแสงสลัวคือโชติมาตรที่ 6 ซึ่งเขานำมาใช้ในหนังสือ ของเขา ต่อมาในศตวรรษที่ 17 เมื่อเริ่มมีการใช้กล้องโทรทรรศน์ในทางดาราศาสตร์ ทำให้สามารถสังเกตการณ์ดาวฤกษ์ที่มีแสงค่อนข้างจางลงมาซึ่งไม่อาจเห็นด้วยตาเปล่าได้ และขยายขั้นออกไปเป็นโชติมาตร 7 และ 8

การวัดแสงในดาราศาสตร์สมัยใหม่เริ่มขึ้นใน ปี 1856 โดยได้นำคำจำกัดความเชิงปริมาณของโชติมาตรที่ถูกเสนอขึ้นโดยฮิปปาร์โคสมาใช้ เมื่อใช้หลักตามนี้แล้ว ความต่าง 1 โชติมาตรนั้นจะคงที่ตามลำดับความสว่าง โดยความแตกต่าง 5 โชติมาตรหมายถึง 100 เท่าของความแตกต่างของความสว่าง

วิธีการ

เครื่องวัดแสงของโยฮัน คาร์ล ฟรีดริช เซิลเนอร์ เป็นตัวอย่างของแบบภาพที่ใช้วัดแสงด้วยสายตา วัดความสว่างโดยเปรียบเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงมาตรฐานของอุปกรณ์

การกำหนดค่าพื้นฐานที่สุดสำหรับการสังเกตการณ์เพื่อวัดแสงคือการรวบรวมแสงด้วยกล้องโทรทรรศน์ ส่องผ่านที่ยอมให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นเฉพาะผ่านไปได้ แล้วจับภาพและบันทึกความเข้มของแสงด้วยเครื่องตรวจจับที่ไวต่อแสง เพื่อให้สามารถเปรียบเทียบค่าที่ได้จากการสังเกตการณ์ต่างอุปกรณ์กันได้อย่างถูกต้อง จึงได้มีการกำหนดชุดมาตรฐานของแถบความยาวคลื่นขึ้นมาเรียกว่า

ในสมัยก่อน การสังเกตการณ์เพื่อวัดแสงทำด้วยสายตาหรือด้วย แต่ตั้งแต่ทศวรรษ 1940 เป็นต้นมา เมื่อ อุปกรณ์วัดแสงแบบโฟโตอิเล็กทริกที่วัดความเข้มของแสงโดยการรับแสงด้วยองค์ประกอบที่ไวต่อแสงปรากฏขึ้น การวัดแสงในช่วงใกล้อินฟราเรดไปจนถึงใกล้อัลตราไวโอเลตด้วยอุปกรณ์วัดแสงแบบโฟโตอิเล็กตริกจึงได้กลายมาเป็นกระแสหลัก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการกำเนิดของเซนเซอร์รูปภาพโซลิดสเตต โดยเฉพาะอย่างยิ่ง CCD ซึ่งมีทั้งมุมมองของภาพถ่ายและความเที่ยงตรงของอุปกรณ์วัดแสงโฟโตอิเล็กทริก อุปกรณ์วัดแสงเหล่านี้ถูกแทนที่ด้วยกล้อง CCD ซึ่งสามารถสังเกตวัตถุท้องฟ้าจำนวนมากไปได้พร้อมกันและมีความเที่ยงตรงสูง นอกจากนี้อุปตรณ์วัดแสงแบบโฟโตอิเล็กทริกยังใช้ภายใต้เงื่อนไขพิเศษ เช่น การสังเกตการณ์ที่ต้องการความละเอียดของเวลาสูง

CCD วัดแสง

กล้อง CCD ติดกับกล้องโทรทรรศน์ทางดาราศาสตร์

โครงสร้างพื้นฐานของกล้อง CCD อาจกล่าวได้ว่าเป็นการจัดเรียงแบบตารางของโฟโตมิเตอร์ ซึ่งสามารถวัดและบันทึกจำนวนโฟตอนจากแหล่งกำเนิดแสงทั้งหมดที่เข้าสู่ระนาบภาพได้พร้อม ๆ กัน ภาพบน CCD สามารถใช้สำหรับการวัดแสงของวัตถุท้องฟ้าหลายรายการในภาพเดียว ดังนั้นข้อมูลที่บันทึกโดย CCD จึงสามารถใช้สำหรับการวัดแสงแบบต่าง ๆ ทั้งหมด เช่น การวัดแสงแบบสัมพัทธ์ แบบสัมบูรณ์ และการวัดส่วนต่างแสง ทั้งสองวิธีต้องใช้แสงไฟอ้างอิงที่มีความสว่างที่รู้จักเพียงพอเพื่อกำหนดโชติมาตรของวัตถุเป้าหมาย

โดยทั่วไปแล้ว สัญญาณจากวัตถุทางดาราศาสตร์ที่สังเกตการณ์ได้จะครอบคลุมหลายพิกเซล และถูกสร้างภาพตามฟังก์ชันกระจายจุด (PSF) ของอุปกรณ์ การแพร่กระจายภาพนี้ขึ้นอยู่กับทั้งระบบแสงและค่าความมองเห็น

รูรับแสง

เมื่อทำการวัดแหล่งกำเนิดแสงแบบจุด ความสว่างจะถูกวัดโดยการลบแสงที่ปล่อยออกมาจากท้องฟ้าออกจากผลรวมของแสงจากเทห์ฟากฟ้า วิธีที่ง่ายที่สุดคือการวัดค่ารูรับแสง ซึ่งจะครอบคลุมจำนวนพิกเซลภายในรูรับแสงที่มีศูนย์กลางอยู่ที่วัตถุท้องฟ้าและจำนวนเฉลี่ยรอบรูรับแสงคูณด้วยจำนวนพิกเซลในรูรับแสง ลบด้วยความสว่าง สิ่งที่ได้จากวิธีนี้คือค่าตัวเลขที่ระบุความสว่างดิบของวัตถุเป้าหมาย

การวัดแสง PSF

ตัวอย่างของฟังก์ชันกระจายจุดของดาวฤกษ์เป็นจานแอรี

เมื่อทำการวัดแสงในบริเวณที่กระจุกกันหนาแน่นมาก เช่น กระจุกดาวทรงกลม ภาพของดาวฤกษ์อาจทับซ้อนกันอย่างมาก และต้องใช้เทคนิคต่าง ๆ เพื่อแยกแยะออกจากกัน วิธีที่มักใช้คือการวัดแสง PSF ซึ่งประเมินความสว่างของดาวฤกษ์แต่ละดวงโดยปรับเค้าโครง PSF ให้เข้ากับภาพดาว

การวัดแสงพื้นผิว

สำหรับที่มีความกว้างมาก เช่น ดาราจักร การแจกแจงเชิงพื้นที่ของความสว่างภายในดาราจักรมักมีความสำคัญมากกว่าความสว่างทั้งหมดของดาราจักรทั้งหมด ความสว่างต่อหน่วย มุมตันของเทห์ฟากฟ้าที่ฉายลงบนทรงกลมท้องฟ้า เรียกว่า และวิธีการโฟโตเมตริกสำหรับการวัดความสว่างพื้นผิวเรียกว่า การวัดแสงพื้นผิว (surface photometry) แนวทางปฏิบัติทั่วไปในการสังเกตการณ์จริงคือการวัดการแจกแจงความสว่างของพื้นผิว ซึ่งแสดงความสว่างของพื้นผิวเป็นฟังก์ชันของระยะทางจากใจกลางดาราจักร ตารางอาร์ควินาทีมักใช้เป็นหน่วยของมุมตัน และความสว่างพื้นผิวมักแสดงเป็นองศาต่อตารางอาร์ควินาที

การสอบเทียบ

ความสว่างที่แปลงจากค่าที่วัดได้นั้นขึ้นอยู่กับเครื่องมือ และจำเป็นต้องมีการสอบเทียบเพื่อให้ได้ขนาดที่แท้จริง วิธีการสอบเทียบขึ้นอยู่กับวิธีการวัดแสงที่ใช้ การวัดด้วยแสงสัมพัทธ์เป็นวิธีการสังเกตวัตถุท้องฟ้าหลายดวงและกำหนดขนาดของวัตถุจากความสว่างสัมพัทธ์ การวัดแสงสัมบูรณ์เป็นวิธีการวัดความสว่างของวัตถุท้องฟ้าโดยตรงในหน่วยของพลังงาน การวัดแสงส่วนต่างเป็นเทคนิคที่วัดความแตกต่างของขนาดระหว่างวัตถุท้องฟ้าหลายดวง ไม่ใช่ขนาดของวัตถุท้องฟ้าเป้าหมายเดียว โดยทั่วไปแล้ว การวัดแสงส่วนต่างมีความเที่ยงตรงในการวัดดีที่สุด และการวัดแสงสัมบูรณ์เป็นสิ่งที่เพิ่มความเที่ยงตรงได้ยากที่สุด นอกจากนี้ ยิ่งความสว่างปรากฏของวัตถุท้องฟ้ามืดลงเท่าใด การวัดแสงที่ถูกต้องแม่นยำก็ยิ่งยากขึ้นเท่านั้น

การวัดแสงสัมบูรณ์

การวัดแสงสัมบูรณ์ (absolute photometry) โดยพื้นฐานแล้ววัดแสงจากวัตถุทางดาราศาสตร์เป้าหมายโดยตรงในหน่วยของพลังงาน โดยใช้แหล่งกำเนิดแสงในห้องปฏิบัติการ เช่น เตาวัตถุดำ เป็นแหล่งกำเนิดแสงอ้างอิง อย่างไรก็ตามการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์โดยใช้วิธีการดั้งเดิมนี้ไม่ได้ประสบความสำเร็จมากนัก

อีกทางหนึ่ง หากเราทราบค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพของระบบแสงของกล้องโทรทรรศน์หรือหอดูดาวทั้งหมด และ ปริมาณการลดทอนของแสง ในชั้นบรรยากาศของโลก เราสามารถคำนวณค่าสัมบูรณ์ของความสว่างของวัตถุเป้าหมายจากค่าที่วัดได้ ในกรณีนี้ เนื่องจากการลดทอนแสงในชั้นบรรยากาศมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาและไม่สามารถวัดได้ในทางปฏิบัติ จึงเป็นไปได้ที่จะสังเกตวัตถุเป้าหมายที่มีต่างกัน และสังเกตการลดทอนแสงในชั้นบรรยากาศจากการวัดเหล่านี้เพื่อประเมินความสว่าง การวัดแสงสัมบูรณ์มักใช้ในการสังเกตการณ์ยานอวกาศ ที่ไม่ได้รับผลกระทบจากชั้นบรรยากาศ

การวัดแสงสัมพัทธ์

การวัดแสงสัมพัทธ์ (relative photometry) จะหาความสว่างของวัตถุเป้าหมายโดยการเปรียบเทียบความสว่างกับดาวฤกษ์ที่ใช้เป็นมาตรฐานที่ใกล้ที่สุด ซึ่งทำหน้าที่เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับความสว่าง เนื่องจากจำนวนของดาวฤกษ์มาตรฐานในระบบการวัดแสงมาตรฐานมีจำกัด จึงมักสังเกตดาวเป้าหมายและดาวมาตรฐานสลับกัน เงื่อนไขต่าง ๆ ของสภาพการสังเกตการณ์ เช่น การมีอยู่ของเมฆและการทำงานของอากาศควรจะเหมือนกันมากที่สุดระหว่างวัตถุเป้าหมายและวัตถุมาตรฐาน หากไม่สามารถเลือกดาวฤกษ์มาตรฐานแบบนั้นได้ ให้สังเกตดาวฤกษ์มาตรฐานหลายดวงที่มีฟังก์ชันอากาศต่างกันเพื่อประเมินและปรับแก้การลดทอนแสงในชั้นบรรยากาศ

การวัดแสงส่วนต่าง

การวัดแสงส่วนต่าง (differential photometry) เป็นวิธีการเปรียบเทียบวัตถุเป้าหมายโดยตรงกับดาวเปรียบเทียบ (ดาวอ้างอิง) ในขอบเขตการมองเห็นเดียวกันและวัดความแตกต่างของขนาดของเครื่องมือ เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการสอบเทียบและมีประโยชน์สำหรับการสังเกตอย่างต่อเนื่อง ในกรณีของการวัดแสง CCD วัตถุเป้าหมายและดาวเปรียบเทียบจะถูกสังเกตในภาพเดียวกันภายใต้ระบบแสงเดียวกัน ดังนั้นประสิทธิภาพของเครื่องมือและการลดทอนบรรยากาศจึงถือว่าเหมือนกัน และลบปัจจัยข้อผิดพลาดเหล่านี้ส่วนใหญ่ไปได้ ความแตกต่างของขนาดของเครื่องมือเป็นเพียงความแตกต่างของขนาดระหว่างวัตถุเป้าหมายและดาวเปรียบเทียบ วิธีนี้มีประสิทธิภาพมากในการติดตามวัตถุเป้าหมายที่มีความสว่างเปลี่ยนแปลงตามเวลาและสร้างเส้นโค้งแสง

การประยุกต์ใช้

ตัวอย่างแผนภาพของแฮร์ตสปรอง–รัสเซล แผนภาพของกระจุกดาวทรงกลม M3

การรวมผลลัพธ์ของการสังเกตวัดแสงเข้ากับทำให้สามารถระบุความส่องสว่างของเทห์ฟากฟ้าได้หากรู้ระยะห่างจากเทห์ฟากฟ้า

คุณสมบัติทางกายภาพอื่น ๆ ของเทห์ฟากฟ้า เช่น อุณหภูมิ และองค์ประกอบทางเคมี อาจถูกกำหนดด้วย ตัวอย่างเช่น การสังเกตวัตถุหลายชิ้นผ่านตัวกรองสองตัวสามารถสร้างแผนภาพลำดับสีได้ เช่นแผนภาพของแฮร์ตสปรอง–รัสเซล ซึ่งแสดงลำดับความสว่างของดาวฤกษ์

การวัดด้วยแสงยังเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงความสว่างของวัตถุท้องฟ้า เช่น ดาวแปรแสง, ดาวเคราะห์น้อย และ นิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ และสำหรับการตรวจจับ การเคลื่อนผ่านหน้าของ ดาวเคราะห์นอกระบบ การสังเกตความแปรผันเหล่านี้สามารถใช้เพื่อกำหนดคาบการโคจร และ รัศมี ของ เพื่อหาคาบการหมุนรอบตัวเอง ของดาวเคราะห์น้อยและดาวฤกษ์ และประเมินพลังงานที่ปล่อยออกมาทั้งหมดของมหานวดารา

ซอฟต์แวร์

ซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์สำหรับการวัดแสงรูรับแสงและการวัดแสง PSF มีดังต่อไปนี้

APPHOT และ DAOPHOT คือแพ็กเกจวัดแสงของ ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์วิเคราะห์ข้อมูลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีประสิทธิภาพมากที่สุดในสาขาดาราศาสตร์ โดย APPHOT ใช้สำหรับการวัดค่ารูรับแสง ส่วน DAOPHOT ใช้สำหรับการวัดแสง PSF

นอกจากนี้ยังมี SExtractor, Aperture Photometry Tool และ Makali'i ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์ที่ใช้บ่อยสำหรับการวัดแสงรูรับแสง SExtractor คือตรวจจับวัตถุท้องฟ้าภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด และยังสามารถตรวจจับดาราจักรได้อีกด้วย สำหรับ Aperture Photometry Tool และ Makali'i นั้นยังมีส่วนต่อประสานกราฟิกกับผู้ใช้ (GUI) ให้ใช้งานได้สะดวกด้วย

องค์กร

ตัวอย่างของข้อมูลการวัดแสงที่จัดทำโดย เส้นโค้งแสงดาวบีเทลจุส

มีองค์กรตั้งแต่มืออาชีพไปจนถึงมือสมัครเล่นที่รวบรวม แบ่งปัน และทำให้ข้อมูลการวัดแสงซึ่งพร้อมใช้งานทางออนไลน์ บางส่วนทำหน้าที่เป็นแหล่งข้อมูลสำหรับนักวิจัยเป็นหลัก (เช่น ) และบางส่วนใช้สำหรับการวิจัยของตนเอง (เช่น Center for Backyard Astrophysics)

• สมาคมผู้สังเกตการณ์ดาวแปรแสงแห่งอเมริกา (AAVSO)
• ศูนย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์หลังบ้าน (CBA)
• หอดูดาว Digital-SF
• AstronomyOnline.org
• สมาพันธ์ผู้สังเกตการณ์ดาวแปรแสงแห่งประเทศญี่ปุ่น (VSOLJ)

อ้างอิง

1. 岡村定矩・家 正則・犬塚修一郎・小山勝二・千葉柾司・富阪幸治, บ.ก. (2012-07-20), 天文学辞典, シリーズ現代の天文学, vol. 別, 日本評論社, ISBN 
2. Casagrande, L.; VandenBerg, Don A., "Synthetic stellar photometry - I. General considerations and new transformations for broad-band systems", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 444 (1): 392–419, Bibcode:2014MNRAS.444..392C, doi:10.1093/mnras/stu1476
3. "Star Death Beacon at the Edge of the Universe". ESO. 2005-09-12. สืบค้นเมื่อ 2017-10-01.
4. Sterken, Christiaan; Manfroid, Jean (1992), Boyd, R. L. F. (บ.ก.), Astronomical Photometry: A Guide, Astrophysics and space science library, vol. 175, Kluwer Academic Publishers, pp. 1–6, ISBN 
5. Kitchin, Christopher R. (2003-08-01), "3 Photometry", Astrophysical Techniques (4 ed.), London: Institute of Physics Publishing, ISBN 
6. Bessell, Michael S., "Standard Photometric Systems", Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 43 (1): 293–336, Bibcode:2005ARA&A..43..293B, doi:10.1146/annurev.astro.41.082801.100251
7. Mighell, Kenneth J. (1999), "Algorithms for CCD Stellar Photometry", ASP Conference Series, 172: 317–328, Bibcode:1999ASPC..172..317M
8. Laher, Russ R., "Aperture Photometry Tool", Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 124 (917): 737–763, Bibcode:2012PASP..124..737L, doi:10.1086/666883
9. Stetson, Peter B., "DAOPHOT: A computer program for crowded-field stellar photometry", Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 99: 191–222, Bibcode:1987PASP...99..191S, doi:10.1086/131977
10. Landolt, Arlo U., (PDF), Journal of the , 40: 355–359, Bibcode:2012JAVSO..40..355L, คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2020-07-16, สืบค้นเมื่อ 2023-04-29
11. Taylor, Ronald C., "Physical Studies of Minor Planets (Proceedings of IAU Colloquium 12)", NASA SP, 267: 117–131, Bibcode:1971NASSP.267..117T
12. Cannon, R. D.; Penston, M. V.; Brett, Rosemary A. (1971), "Optical monitoring ofradio sources-II. The N-type and Seyfert galaxies", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 152: 79–96, Bibcode:1971MNRAS.152...79C, doi:10.1093/mnras/152.1.79
13. Borucki, William J.; Summers, Audrey L., "The photometric method of detecting other planetary systems", Icarus, 58: 121–134, Bibcode:1984Icar...58..121B, doi:10.1016/0019-1035(84)90102-7
14. Bertin, E.; Arnouts, S., "SExtractor: Software for source extraction", Supplement, 117: 393–404, Bibcode:1996A&AS..117..393B, doi:10.1051/aas:1996164
15. Searle, Travis, "The American Association of Variable Star Observers (AAVSO)", Bulletin of the , 38: 1126, Bibcode:2006AAS...20916204S
16. Patterson, Joseph (2000), "Amateur - Professional Partnerships in Astronomy", ASP Conference Proceedings, 222: 98, Bibcode:2000ASPC..220...98P