Il lampione ha cambiato colore: i filtri antinquinamento sul telefono

La confezione promette il cielo di montagna dal balcone di casa. Dentro c’è un vetro tondo montato su una clip di plastica, si aggancia sopra la fotocamera del telefono, e la scritta dice che la luce della città resta fuori. Quella promessa ha avuto una fisica seria alle spalle per trent’anni. Poi sono cambiate due cose: le lampade in strada e lo strumento su cui montate il filtro. Le due cose sono indipendenti, e ciascuna basterebbe da sola a mandare all’aria l’acquisto.

Il filtro è nato contro due righe

Le lampade che hanno illuminato le città fino a ieri non emettevano luce bianca: emettevano righe. Il sodio a bassa pressione concentra quasi tutta la sua emissione nel doppietto a 589,0 e 589,6 nanometri, quello che nei libri di spettroscopia si chiama doppietto D. Il vapore di mercurio aggiunge un pugno di righe brillanti, la blu a 435,8, la verde a 546,1, la coppia gialla intorno a 577 e 579. Le lunghezze d’onda stanno nei database atomici del NIST da decenni e non si spostano di un nanometro.

Un filtro interferenziale a quel punto ha un compito quasi banale. Si progetta una serie di strati sottili che riflettono via quelle righe e lasciano passare tutto il resto, si mette il vetro davanti alla camera, e il fondo cielo crolla mentre le stelle restano dov’erano. Il segnale che interessa a un astrofotografo per fortuna cade quasi sempre altrove: l’idrogeno alfa a 656,3 nanometri, l’ossigeno ionizzato due volte a 495,9 e 500,7, la luce delle stelle spalmata su tutto il visibile. Sottrarre stretto e tenere largo: era aritmetica, e funzionava.

Poi il lampione è diventato bianco

Un LED bianco si fabbrica in un modo che con le righe non ha niente a che vedere. Si prende un emettitore blu, gli si mette sopra un fosforo che riemette su una banda larghissima, e il risultato è uno spettro continuo che copre il visibile da un capo all’altro. Nello spettro di quel lampione non c’è più niente di stretto da tagliare.

DarkSky International riassume la conseguenza in modo brutale: a parità di luce emessa, un LED bianco ricco di blu inquina il cielo circa due volte e mezzo più di una lampada al sodio ad alta pressione, e l’atlante mondiale della luminosità artificiale del cielo avvertiva che una conversione fatta senza limitare l’emissione blu può più che raddoppiare la luminosità del cielo notturno. Le misure sul campo confermano. Nel 2023 Kyba e colleghi hanno pubblicato su Science l’analisi di oltre cinquantamila osservazioni a occhio nudo raccolte fra 2011 e 2022 dal progetto Globe at Night: la perdita di stelle visibili riportata dai partecipanti equivale a una crescita della luminosità del cielo del 9,6 per cento l’anno.

Un fondo cielo continuo occupa esattamente le stesse lunghezze d’onda del vostro bersaglio. Qualunque banda il filtro decida di bloccare, blocca la stessa frazione di galassia, di ammasso e di Via Lattea. Il vetro continua a fare il suo mestiere con precisione: il mestiere è diventato inutile.

Davanti a un grandangolo quel vetro lavora storto

C’è un secondo guaio, e riguarda il telefono in modo specifico. La banda passante di un filtro interferenziale dipende dall’angolo con cui la luce lo attraversa. La regola la scrivono tutti i produttori di ottica, Edmund Optics compresa, nella stessa forma: la lunghezza d’onda si sposta come la radice di uno meno il quadrato del seno dell’angolo diviso l’indice efficace degli strati, e quell’indice sta tipicamente fra 1,5 e 2,5. Fuori asse la banda scivola sempre verso il blu.

Su un telescopio il conto lo fate sul cono di luce, e già lì morde: Astronomik dichiara il proprio CLS-CCD adatto a rapporti focali di f/3 e più chiusi, cioè coni abbastanza gentili. La fotocamera principale di un telefono sta intorno a f/1,8. Il problema vero però è un altro, e nasce dal fatto che la clip sta davanti all’obiettivo invece che dietro: quel vetro non vede il cono di un punto solo, vede tutto il campo inquadrato. Un obiettivo da 24 millimetri equivalenti copre circa 74 gradi in orizzontale, quindi ai bordi la luce arriva sul filtro a 37 gradi dall’asse e agli angoli supera i 40. L’ultragrandangolo del vostro telefono, che di gradi ne copre più di cento, sta parecchio peggio.

Il conto è veloce, e vale la pena farlo. Con indice efficace 2, una banda centrata sull’idrogeno alfa a 656 nanometri al centro del fotogramma ne misura circa 626 sul bordo: trenta nanometri di scivolamento, quando i filtri a banda stretta si vendono con larghezze da sei o dodici. Il bordo del fotogramma riceve un filtro diverso da quello che avete comprato. Su un filtro a banda larga tipo CLS, la cui transizione sta intorno ai 590 nanometri, quella soglia sul bordo si sposta sotto i 565 e comincia a mangiare verde. La scheda tecnica del filtro descrive il centro dell’inquadratura, e basta.

Il risultato lo vedete prima di ogni altra cosa: una dominante che cambia dal centro ai bordi, quindi una fotografia in cui il bilanciamento del bianco non ha una soluzione unica, perché nessun colore corregge tutto il fotogramma insieme. Sommare cento scatti non risolve niente: il gradiente è identico in tutti e cento, quindi sopravvive intatto alla media.

Il conto dei fotoni si chiude in perdita

Resta l’argomento più semplice, quello che si fa con due frazioni. Chiamiamo s la quota di segnale che il filtro lascia passare e b la quota di fondo cielo. Il rapporto segnale rumore, quando comanda il rumore fotonico del fondo, si muove come s diviso la radice di b.

Con le vecchie lampade la faccenda era generosa. Un filtro che tagliasse due terzi di un fondo concentrato in poche righe lasciando passare nove decimi del segnale porterebbe il rapporto a una volta e mezzo quello di partenza, che è più di mezzo stop guadagnato senza toccare niente. Con un fondo continuo s e b si somigliano, il rapporto si riduce alla radice di s, e qualunque cosa il filtro tolga voi la pagate. Tagliare metà della luce per tenere fuori metà della città vi lascia col 70 per cento del rapporto segnale rumore di prima, a parità di scatti. Recuperarlo significa raddoppiare il numero di pose, e una batteria al freddo non ha voglia di discuterne.

Dove un vetro serve ancora, e non è questo

Il filtro sbagliato non è un filtro cattivo: è uno strumento progettato per un’altra ottica. A banda stretta su idrogeno alfa e ossigeno, montato dietro un obiettivo lento e su una montatura che insegue, resta il modo migliore di fotografare nebulose a emissione da dentro una città, perché lì il bersaglio emette davvero su righe e il fondo continuo si può massacrare senza pietà. All’oculare, un UHC o un OIII su una nebulosa planetaria fanno ancora un lavoro che sembra magia.

E poi c’è l’unico filtro che sul telefono è obbligatorio invece che opzionale, quello solare certificato, che serve a tenere in vita il sensore e i vostri occhi. Quello si compra, si controlla prima di ogni uso e non si sostituisce con niente.

Quello che al posto del vetro funziona davvero

Contro un cielo illuminato a spettro continuo restano quattro mosse, tutte più efficaci di un accessorio. La distanza per prima: mezz’ora di auto verso un cielo di una classe più scura vale più di qualsiasi vetro, e la scala di Bortle vi dice quanto state guadagnando prima ancora di partire. Poi l’altezza: puntare alto e voltare le spalle alla cupola luminosa della città vi fa attraversare meno aria illuminata, e a trenta gradi sull’orizzonte ne attraversate il doppio che allo zenit.

Terzo, il numero di pose. Il rumore del fondo cala con la radice del numero di scatti sommati, e trecento pose da otto secondi affrontano lo skyglow meglio di qualunque filtro, con il vantaggio che non tolgono un solo fotone al bersaglio. Quarto, il gradiente si toglie dopo, in elaborazione, dove un modello di fondo cielo sottratto bene ripulisce quello che il vetro avrebbe soltanto colorato in modo diverso.

Rimane una cosa fisica che conviene costruirsi: uno schermo. Quando il lampione sta fuori inquadratura ma la sua luce arriva lo stesso sul vetro dell’obiettivo, un cartoncino nero piegato a paraluce toglie riflessi e aloni che nessun filtro può togliere, perché quella luce è la stessa che dalle stelle il filtro deve lasciar passare.

Il vetro giusto contro il lampione moderno esiste, si vende ovunque e costa poco: si chiama chilometro.