NASA Curiosity: perché il MAHLI guarda il cielo?

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Curiosity sol 653 MAHLI 0653MH0003000000203834C00_DXXX__
"Courtesy NASA/JPL-Caltech" processing 2di7 & titanio44

Il Mars Hand Lens Imager (MAHLI) è la fotocamera montata sul braccio robotico di Curiosity che ha lo scopo primario di acquisire immagini ravvicinate della superficie e delle rocce di Marte.

A volte regala piacevoli vedute, generalmente scattate quando la torretta è chiusa, stivata nella parte anteriore sinistra così da offrire una visuale molto simile a quella che avrebbe un conducente di un'automobile. In questo caso il paesaggio risulta capolto ed inclinato perché il ccd del MAHLI è ruotato di 210° rispetto al ponte del rover.

Dalla fine del 2013, il MAHLI viene periodicamente utilizzato per monitorare lo stato delle ruote di Curiosity che, dal mese di ottobre, hanno iniziato a presentare veri e propri fori.

Ma ciò che lo ha reso davvero famoso, sono sicuramente i selfie, i simpatici autoritratti che il rover si è scattato nelle tappe più memorabili del tragitto. L'ultimo risale al sol 613, durante il soggiorno a Kimberley.

Di rado, però, il MAHLI ha fotografato anche il cielo.
In tutto, è successo solo in quattro volte da inizio missione: sol 86, 322, 516 e 653.

Per la verità non ho mai dato troppo peso a questi scatti e, dopo aver verificato ed escluso la possibilità che ci fossero particolari eventi astronomici in corso, in quel momento, passavo oltre.

Senonché con le ultime immagini del sol 653, alcuni mi hanno chiesto quale fosse lo scopo di quelle riprese se non c'era niente da guardare. In effetti, mi è sembrata un'ottima domanda e un ottimo punto di partenza per approfondire l'argomento.

Ipotizzando che Curiosity non stava facendo scienza, abbiamo ritenuto probabile che fossero immagini di servizio ma non sapevamo esattamente quale fosse l'obiettivo.
Ad ogni modo, Marco (titanio44) ed io abbiamo scaricato l'intera sequenza e confrontato gli scatti.

Due set da 5 immagini ciascuno dove, tra uno scatto e l'altro varia la messa fuoco, ripetuta però, con le stesse impostazioni, nella serie successiva.

Curiosity MAHLI sol 653
"Courtesy NASA/JPL-Caltech" processing 2di7 & titanio44

Anche se queste foto non hanno i dati exif fin quando non vengono archiviate, per esempio nell'Analyst's Notebook, la descrizione che le accompagna può essere di aiuto.
Qui generalmente viene indcato un numero, chiamato "focus motor count", che indica la posizione della lente interna del MAHLI al momento dello scatto.
Tale valore, ci dice anche se il coperchio del MAHLI è chiuso o aperto e, nelle immagini ravvicinate, può essere usato per stimare la distanza tra la lente del MAHLI e il target.

Screenshot: http://mars.jpl.nasa.gov/msl/multimedia/raw/?rawid=0653MH0003000000203829C00_DXXX&s=653

In questo caso la messa a fuoco varia da molto vicino, meno di 5 centrimentri, all'infinito.
Impostazione, che si nota anche a livello visivo, osservando come varia la macchia scura in basso a sinistra, probabilmente un granello di polvere sul vetro esterno.

Processando le immagini, in un paio di esse e in una in particolare, abbiamo anche notato una sorta di doppio arco, un riflesso del gruppo ottico interno (in apertura).

Devo dire che questa breve indagine preliminare mi ha fatto venir voglia di saperne di più.
Così, alla mia mail di domande, ha dettagliatamente risposto Ken Edgett, del Malin Space Science Systems, ricercatore principale per il MAHLI, che ringrazio infinitamente per il tempo dedicato. Ed un grazie speciale anche a Guy Webster che ha fatto sì che i miei quesiti arivassero a destinazione.

Edgett ha spiegato che queste sequenze vengono chiamate "sky flats", ossia sono immagini scattate per calibrare e monitorare le variazioni di un campo uniforme (flat field) nel corso della missione. Per far questo si dovrebbe usare uno sfondo omogeneo che, in questo caso, è il cielo.
Il team fa questa verifica una volta ogni sei mesi.

Il co-ricercatore, Ken Herkenhoff accennerà brevemente i risultati sullo sky flats in occasione della 8° International Conference on Mars.

Nell'abstract, Herkenhoff spiega che queste immagini vengono prese a coppia esattamente nella stessa posizione ma ruotanto la torretta e il MAHLI di 180 gradi per due scatti corrispondenti, puntando la fotocamera dal lato opposto al Sole, a circa 40° sopra l'orizzonte, perché le variazioni di luminosità dovrebbero essere minime in quella direzione ma non nulle. Per questo motivo vengono riprese due foto completari, in modo da poter fare una media e sottrarre più efficacemente il gradiente di luminosità del cielo.

Le immagini in questione, ad esempio, sono state riprese in direzione est-nord-est, alle 14:38 marziane circa.

Credit: Stellarium / Elisabetta Bonora

Quindi, ecco svelato il mistero: le fotografie scattate al cielo dal MAHLI non sono altro che parte del complesso processo di calibrazione di questa fotocamera, di cui avevamo già parlato. Ma già che ci siamo, approfondiamo ancora qualche dettaglio tecnico.

I frame del sol 653 sono 1632 x 1200 pixel e, non ruotati, presentano una sottile fascia nera superiore e una più larga a sinistra ma, sfogliando il catalogo di missione, noterete che gli scatti del MAHLI non sono tutti uguali.

MAHLI sol 6753 0653MH0003000000203829C00_DXXX

MastCam e MAHLI si basano su un sensore Kodak KAI-2020C con RGB Bayer.
Il sensore dispone, in tutto, di 1640 x 1214 pixel da 7,4 x 7,4 micron.

L'area attiva, cioè i pixel fotosensibili, è di 1600 x 1200, racchiusa tra:

- 4 colonne e 4 righe di buffer, composte sempre da pixel fotoattivi

- 16 colonne "dark" a sinistra e a destra, più 2 in alto a 4 in basso, che contengono il cosiddetto rumore termico o corrente di buio, cioè, in pratica, raccolgono gli elettroni indesiderati, insiti nella tecnologia CCD, il cui valore deve essere sottratto per ottenere gli elettroni "netti" dell'immagine.
Quando un fotone colpisce un pixel, infatti, viene rilasciato un elettrone che opportunamente calcolato, va a comporre l'immagine. Ma a volte vengono rilasciati più elettroni o possono esserci elettroni anche in assenza di fotoni, un comportamento dovuto alla temperatura del pixel. A livello microscopico, infatti, la temperatura agita le molecole dalle quali può scappare qualche elettrone debolmente legato.

- pixel "dummy", ossia pixel vuoti che non contengono elettroni

Fonte: www.stargazing.net/david/QSI/KAI-2020LongSpec.pdf

Ora, mi chiedevo come venissero gestite queste colonne extra per il MAHLI. 

Edgett mi ha spiegato che il CCD del MAHLI misura, in effetti, 1640 x 1214 ma la dimensione massima dell'immagine che si può ottenere è 1648 x 1200, creando 8 colonne aggiuntive sul lato destro.

Su Marte la maggior parte dei full frame del MAHLI sono 1632 x 1200 anche se nei primi sol di missione è stata spesso utilizzata la formula completa, come per il primo autoritratto di Curiosity del sol 32, così come per la maggior parte delle immagini nei test pre-lancio.

Questo vale, tranne che per le immagini in serie dello stesso target, utilizzate poi per creare uno stack, che possono essere riprese al massimo 1600 x 1200 ma, generalemente la combinazione più usata è 1584 x 1184.

Tuttavia, impostando la larghezza dell'immagine a 1632, la maggior parte delle colonne non utilizzate restano sul lato destro del CCD, mentre spesso viene comandato a Curiosity di inviare a Terra anche 23 delle colonne sul lato sinistro, tra buffer, dark e dummy, perché possono fornire informazioni rudimentali aggiuntive tramite le correnti di buio.