Il rumore nell'astrofotografia

Il rumore nell'astrofotografia? Questo articolo ne illustra i retroscena

Il rumore è una delle sfide più grandi per gli astrofotografi. Nonostante le tecniche più moderne e persino l’intelligenza artificiale, rimane un fattore di disturbo persistente che compromette la qualità dell’immagine. Ma cosa si nasconde dietro questo fenomeno? Perché si verifica e quali forme assume? In questo articolo analizziamo i tipi e le cause del rumore e vi forniamo consigli pratici su come ottimizzare le vostre foto astronomiche.

Che cos’è il rumore?

Il rumore si riferisce alle variazioni casuali presenti nel segnale che non contengono informazioni utili e che compromettono la qualità dell'immagine. Si manifesta come fluttuazioni apparentemente casuali di luminosità o colore che non fanno parte del soggetto fotografato. Il rapporto segnale-rumore (SNR) è determinante per la qualità dell'immagine e viene calcolato come segue:

SNR = A_signal / σ_noise

Dove A_signal rappresenta l’ampiezza del segnale rilevato dal sensore, ovvero una media del segnale, mentre σ_noise indica il tanto temuto rumore. Un SNR pari a 1 significa che il segnale non è distinguibile dal rumore; un valore di SNR pari o superiore a 10 è considerato “buono”. Questa informazione è particolarmente utile nella selezione delle stelle guida. I moderni software calcolano automaticamente le stelle «migliori» nel campo in base all’FWHM (larghezza a metà altezza del profilo stellare) e all’SNR.

Tipi di rumore

Nell'astrofotografia sono rilevanti principalmente tre tipi di rumore:

Rumore oscuro (Dark Noise)

Il rumore di fondo è un segnale di disturbo causato dalle fluttuazioni termiche nel sensore. Queste fluttuazioni “attivano” il sensore e generano un rumore indesiderato che non può essere controllato. Quando si scatta una foto, è necessario tenere conto del tempo di esposizione, poiché più lunga è l’esposizione, maggiore è il numero di fluttuazioni termiche registrate dal sensore. Il rumore di fondo dipende fortemente dalla temperatura; per questo motivo oggi esistono sensori raffreddati altamente sofisticati in grado di ridurre al minimo questo rumore .

Inoltre, il rumore di fondo può essere ulteriormente ridotto grazie alla creazione dei cosiddetti “dark frame”. Questi dark frame devono essere acquisiti nelle stesse condizioni dei light frame veri e propri, ovvero con lo stesso tempo di esposizione, lo stesso guadagno/ISO e la stessa temperatura.

Rumore elettronico

Il rumore elettronico è causato da errori di lettura casuali del sensore e varia notevolmente da sistema a sistema. Nei sensori CCD, a ogni pixel viene assegnata una deviazione standard quadratica, denominata “rumore di lettura”. Il rumore elettronico diventa particolarmente rilevante quando si fotografano oggetti molto deboli, poiché può sovrapporsi ai segnali di questi oggetti e comprometterne la qualità.

Rumore di sparo o rumore quantistico

Il rumore di scatto, noto anche come rumore quantistico, è forse il più critico dei tre tipi di rumore. Deriva dalla natura discreta della luce, costituita da fotoni. Il numero di fotoni rilevati durante un tempo di integrazione "t" segue una distribuzione statistica del conteggio dei fotoni.

Per illustrare questo concetto, immaginate una giornata molto piovosa in cui, in un grande giardino, disponiamo mille secchi della stessa dimensione per raccogliere l’acqua piovana. Questi secchi sono disposti uno accanto all’altro, proprio come i pixel su un sensore astronomico. Contiamo quante gocce di pioggia cadono in ogni secchio per un determinato periodo di tempo. Il numero di gocce in ogni secchio varierà; in un secchio potrebbero essercene 100, in un altro 90 o forse 110.

Più a lungo i secchi rimangono all’aperto, più acqua raccolgono (a condizione che non trabocchino!). Lo stesso vale per la luce: i fotoni non colpiscono in modo uniforme ogni pixel del sensore e il conteggio dei fotoni segue una distribuzione statistica. Per la luce monocromatica (come quella di un laser), si tratta tipicamente di una distribuzione di Poisson.

In base alla natura quantistica del segnale, il numero di conteggi è pari a:

Conteggi = flusso di fotoni × QE × t

dove "QE" è l'efficienza quantica del sensore, ovvero la percentuale di luce convertita in segnale, e "t" è il tempo di integrazione. Da ciò si ricava il rapporto segnale/rumore:

SNR ∝ √t

Questa formula dimostra che più lungo è il tempo di integrazione, maggiore è il rapporto segnale-rumore e minore è il rumore. Sebbene si tratti di una semplificazione (poiché i segnali astrofisici possono presentare distribuzioni più complesse), il concetto fondamentale rimane lo stesso: volete ridurre il rumore nella vostra foto? Allora allungate il tempo di integrazione.

La realizzazione di centinaia di dark frame o immagini di bias può ridurre il rumore solo in misura limitata, poiché il rumore percepito deriva principalmente dalla natura quantistica della luce. Per ottenere una foto del cielo profondo con poco rumore, è consigliabile prolungare il più possibile il tempo di integrazione, a seconda delle proprie esigenze. Ad esempio, se avete integrato un oggetto per 2 ore, altri 10 minuti o persino un’ora di integrazione aggiuntiva non apporteranno miglioramenti significativi. In prima approssimazione, è necessario raddoppiare almeno il tempo di integrazione per ottenere miglioramenti significativi. Ciò significa che, con un’integrazione iniziale di 2 ore, dovreste estenderla ad almeno 4 ore per ottenere un aumento tangibile della qualità.

Con tempi di integrazione pari o superiori a 20 ore, la situazione può diventare critica, ma grazie alle moderne tecnologie esistono delle alternative. I telescopi “veloci”, come ad esempio l’Omegon, estremamente veloce, dimezzano il tempo di integrazione necessario.

L'apertura di f/2,8 consente tempi di esposizione più brevi (anche se ciò non significa che venga raccolta più luce: questo dipende dall'apertura). È quindi come se piovesse più forte “per magia” quando si cambiano i secchi.

Sintesi

Esistono diverse fonti di rumore, essenzialmente tre tipi principali: rumore di fondo, rumore elettronico e rumore quantistico. Il rumore quantistico si riduce all’aumentare del tempo di integrazione e, a differenza degli altri due, non dipende da fattori intrinseci dello strumento. La regola generale è quindi: maggiore integrazione = foto più belle.

Notti serene e in bocca al lupo con l'astrofotografia!

Emanuele è un astrofotografo e studia fisica all'Università di Palermo.

Emanuele è appassionato di astronomia fin dall’infanzia. Oggi è un talentuoso astrofotografo, le sue foto sono apprezzate e pubblicate sia in Internet che su riviste specializzate. Il suo percorso di studi e la sua passione garantiscono la migliore consulenza per i prodotti specializzati nell'astronomia amatoriale.

Lingue: italiano, inglese