Astrofotografie

Den erlebten Moment festhalten um ihn jederzeit auf dem Bild sozusagen ´wiedererleben´ zu können - das macht den Reiz der Fotografie ganz allgemein aus. Vor hundert Jahren hantierte man noch mit klobigen Kästen, schwarzem Tuch und Glasplatte mit Filmemulsion. Nach einem chemischen Bad konnte man dann - naja, sagen wir mal erkennen, was da fotografiert worden ist. Die gleiche Technik wurde bis in die 90-er Jahre immer weiter verfeinert und schließlich durch ein völlig anderes, digitales Funktionsprinzip abgelöst.

In ganz besonderem Maße gilt dieses ´Konservieren´ des Erlebten am Okular für die Astrofotografie - die wohl extremste Form der Fotografie überhaupt, sind damit doch Bilder möglich, wie sie nicht einmal eine Eule durch das Okular eines Teleskops sehen würde. Nicht einmal annähernd!

Moderne Digitalkameras nehmen ihren Besitzern bis auf die Motivwahl und dem Druck auf den Auslöser so ziemlich jede lästige ´Nebentätigkeit´ wie Belichtungszeit, Blende und Fokussierung dank ausgefeilter elektronischer Helferlein ab. Und damit wird das Fotografieren heller irdischer Motive zum Kinderspiel.


Völlig anders ist die Situation in der Astrofotografie. Der Versuch, mal schnell mit der ultramodernen ´Digiknipse´ die Galaxie NGC 3115 (am besten noch mit Blitzlicht ;=}) durch das Teleskop abzulichten, wird beim Betrachten des Resultats eine derbe Enttäuschung nach sich ziehen.

Um eine Aufnahme dieser Galaxie in der links gezeigten Abbildungsqualität zu erreichen, bedarf es in erster Linie viel Wissen und Erfahrung und einer Belichtungszeit in der Größenordnung von etwa einer Stunde. Trotz der heute verfügbaren, hochempfindlichen Kamerachips.

Fotografiert wurde übrigens mit absolut einfachen Mitteln, also ohne eine Profi-Ausrüstung im Wert eines Mittelklassewagens.



Mit der etwas ernüchternden Ermahnung im letzten Absatz möchten wir unsere Leser jedoch keineswegs völlig desillusioniert im Kamerarauschen stehen lassen, sondern - ganz im Gegenteil - Schritt für Schritt den Weg weisen, wie man am Ende zu beeindruckenden Astrofotografien kommt, ohne vorher ein Vermögen für die Ausrüstung ausgegeben zu haben.

Übersicht über die verschiedenen ´Disziplinen´ und Schwierigkeitsgrade in der Astrofotografie:

Nur ein kurzer Überblick und einige wenige Bemerkungen dazu. Zu den ausführlichen Beschreibungen in der harten Astropraxis gelangt man über die Links jeweils zu Beginn eines jeden der folgenden Abschnitte.



Astrofotografie ohne Teleskop


Fangen wir einfach mal ganz klein an - Astrofotografie ohne Teleskop, Nachführung und weiteres Ungemach. Einfach nur die Kamera auf´s Stativ und den Sternhimmel fotografieren. Die hellen Sternbilder ´kommen´ da schon nach einer halben Minute Belichtungszeit recht eindrucksvoll. Schnell kommt da der Wunsch nach mehr Belichtungszeit auf, doch nun fangen die Sterne an zu wandern und bilden kleine Kreisbögen um den Polarstern herum. Und sie dreht sich doch, unsere Erde...

Für längere Belichtungszeiten muß man die Kamera ´huckepack´ auf das Teleskop befestigen und mit diesem nachführen lassen. Schon kann man die Belichtungszeit um ein Vielfaches erhöhen und beispielsweise die eindrucksvolle Sommermilchstraße (Bild links) bereits deutlich besser darstellen, als man sie mit dem freien Auge sieht.



Bisher war alles noch ganz einfach und gelingt bereits nach kurzer ´Einarbeitung´.



Mond und Planeten mit der Digitalkamera oder Webcam fotografieren


Nun gehen wir einen Schritt weiter und ersetzen das Kameraobjektiv durch ein ganz spezielles Objektiv - das Teleskop. Durch die größere Brennweite bekommt man naturgemäß auch deutlich mehr Vergrößerung und damit mehr Detail bei Mond und Planeten. Die links gezeigte Aufnahme entstand mit einer Webcam durch einen uralten, kleinen Refraktor bei 750mm Brennweite. Sowas geht noch ganz entspannt.



Nun wird es etwas anspruchsvoller. Saturn mit großer Brennweite, ebenfalls mit der Webcam. Teleskop war ein Schmidt-Cassegrain (SCT) mit 254mm Öffnung und 2.500mm Brennweite, welche mittels Barlowlinse auf effektiv 7,5m verlängert wurde.




Muß ich meinen kleinen Refraktor nun in Rente schicken? Keineswegs - mit nur 60mm Öffnung und 2m Brennweite (Barlow-Linse) ist am Jupiter durchaus eine Abbildungsqualität drin, wie links gezeigt. Siehe Jupiter-Oppositionsaufnahme mit 60mm



Bis dahin haben wir es noch mit hellen Gestirnen zu tun, so daß hier eine hochgenaue Nachführung noch nicht zwingend erforderlich ist, denn die Belichtungszeiten bewegen sich im Bereich von Sekundenbruchteilen.



Astrofotografie mit der Spiegelreflexkamera


Nun wird es ein wenig schwieriger. Wir nehmen eine moderne, digitale Spiegelreflexkamera (DSLR) mit Wechselobjektivsystem und ersetzen das Objektiv wieder durch das Teleskop. Der Clou bei diesem Kameratyp ist der, daß sie einen sehr großen Chip hat, und damit viel Himmel abbilden kann. Nebenbei läßt sich eine solche Kamera auch zum Ablichten irdischer Motive ´mißbrauchen´.

Bei Galaxien und Gasnebeln müssen wir die Belichtungszeiten erheblich steigern, sie liegen bereits in der Größenordnung von einigen Minuten pro Einzelaufnahme. Klar, daß während solch langer Belichtungszeiten punktgenau nachgeführt werden muß, die Nachführmotoren einfach laufen lassen, reicht nicht mehr aus. Das ´Guiden´ und der Leitstern als ´Referenzpunktlichtquelle´ kommen nun ins Spiel.

Links sehen wir unsere berühmte Nachbargalaxie, den Andromedanebel. Dieser wurde mit einer Spiegelreflexkamera an einem kleinen Refraktor mit 7cm Öffnung fotografiert.





Astrofotografie mit der Astrokamera


Speziell für die Astrofotografie konstruierte Kameras stellen sozusagen die ´Königsklasse´ dar, denn sie sind bezüglich Empfindlichkeit und geringstem Eigenrauschen unschlagbar. In den letzten Jahren hat es auch bei diesem Kameratyp einen deutlichen Preisverfall gegeben, so daß viele dieser gekühlten, hochempfindlichen Kameras bereits zu erschwinglichen Preisen zu haben sind.
Der Aufwand für eine gute Astrofotografie steigt jedoch beträchtlich an, denn viele dieser Kameras sind aus guten Gründen mit einem Schwarz/Weiß-Chip ausgestattet, was die Möglichkeit bietet, auch mit Schmalbandfiltern zu ´arbeiten´, aber gerade diese Technik macht Dinge sichtbar, die sich weit jenseits der Grenzen einer Spiegelreflexkamera befinden.

Die Aufnahme links wurde mit Hilfe von Schmalbandfiltern mit der kleinen Astrokamera Atik 16IC-HS an einem 10" SCT aufgenommen und zeigt den Medusanebel Abell 21.

Bei vielen Sternfreunden regt sich nach kurzer Zeit der Wunsch, das Gesehene im Bild festzuhalten. Um erst mal ein Gefühl dafür zu bekommen, welche Anforderungen die Astrofotografie an die Kamera stellt, sollte man erst mal ganz klein anfangen. Es wird am Anfang überraschen, wie wenig Licht - natürlich im Vergleich zu einer Aufnahme bei Tageslicht - von unserem Sternhimmel bei uns ankommt. Die Belichtungszeiten werden sich am Anfang im Bereich von 30s bewegen. Bei Strichspuraufnahmen auch deutlich darüber.

Was wird benötigt?


Eine normale, am besten digitale, Spiegelreflexkamera, die beliebige Belichtungszeiten erlaubt. Zusätzlich braucht man noch einen Fernauslöser um ein Verwackeln durch den Druck auf den Auslöser zu vermeiden. Diese gibt es für die verschiedensten Kameramodelle und sind manchmal sogar im Kamerazubehör bereits vorhanden.

Besonders empfehlenswerte Kameras sind die der EOS-Reihe von Canon, die auch für die Astrofotografie am Teleskop bestens geeignet sind.

Ein gutes, stabiles Stativ, so wie rechts gezeigt, ist bei den erforderlichen Belichtungszeiten unbedingte Voraussetzung, denn niemand ist in der Lage, eine Kamera 30s lang völlig ruhig in der Hand zu halten.

Der Rest ist ganz einfach. Kamera auf das Stativ befestigen, einschalten, Belichtungszeit auf ca. 30s einstellen (oder manuell), Entfernung auf unendlich, Blende auf Maximum, Empfindlichkeit auf ca. 400 ISO, Sternbild suchen, auslösen, und nach ca. 15s sieht man das Ergebnis auf dem kleinen Monitor auf der Rückseite der Kamera.



Soweit, so gut, aber warum nicht einfach länger belichten?
Leider dreht sich die Kamera genauso schnell wie unsere Erde: In 24 Stunden um 360°, das macht pro Stunde 15°, pro Minute 15´, (Bogenminuten) und in 15s sind das immer noch 3,75´, was aber meist gerade noch akzeptabel ist.


Jupiter (unten) und Venus am Abendhimmel

Helle Planeten gehen ohne Probleme ohne Nachführung. Sie können kurz belichtet werden, so daß sich die Erdrotation noch nicht bemerkbar macht.

Detailaufnahmen von der Mondoberfläche und die saubere Darstellung der Planeten Venus bis Saturn verlangen nach einer deutlich längeren Brennweite. Merkur, Uranus und Neptun sind deutlich schwieriger zu fotografieren, also lassen wir sie vorläufig auf der Innen- und Außenbahn an uns vorbeiziehen. Handelsübliche Kameraobjektive können auf Grund ihrer geringen Brennweiten die detaillierte Darstellung kleiner Himmelsobjekte nicht mehr leisten, also muß jetzt das Teleskop ´ran.


Aber keine Angst, der erste Schritt ist noch ganz einfach: Man fotografiert einfach durch das Okular. Das geht mit einer einfachen ´Digiknipse´ mit ihrem winzigen Objektiv sogar noch einfacher als mit einer Kamera mit riesiger Objektivöffnung, denn das Strahlenbündel, das das Okular verläßt, ist nur so um 1-6mm groß - je nach Okularbrennweite.

Sehr angenehm in der Handhabung sind (nicht nur) in diesem Zusammenhang Okulare mit langem Augenabstand, sogenannte LV-Okulare (Abbildung links). Bei diesen Okularen muß die Kamera nicht so extrem nah an die Augenlinse herangebracht werden, was die Gefahr in sich birgt, sowohl Augenlinse als auch Kameraobjektiv zu verkratzen.





Was wird benötigt?


Ein ausreichend vergrößerndes Teleskop auf einer stabilen Montierung, das kann ruhig ein kleiner Refraktor sein. Dazu eine ganz einfache Digitalkamera und eine ruhige Hand.

Die Kameraeinstellungen:
Den optischen Zoom auf Maximum einstellen, das steigert die Gesamtvergrößerung und vermeidet eine allzu starke Randabdunklung. Sollte die Vergrößerung zu hoch werden, sollte besser ein Okular mit längerer Brennweite verwendet werden. Normalerweise sollte die Entfernungseinstellung auf manuell / unendlich gestellt werden, jedoch hat sich bei einigen Kameras die Autofokuseinrichtung als erstaunlich präzise erwiesen. Hier also ausprobieren, was besser geht.

Vorteil der Fotografie durch das Okular:
Selbst die ganz kleinen Digitalkameras sind heute mit recht großen Chips und einer sehr üppigen Auflösung im Megapixelbereich ausgestattet. Mit diesen Kameras bekommt man den Mond normalerweise komplett auf das Bild und löst selbst kleinere Krater noch erstaunlich gut auf.

Ein weiterer Vorteil ist die in weiten Grenzen variable Vergrößerung (oder genauer: Effektive Brennweite), so daß sich diese leicht an das Objekt der Begierde anpassen läßt. Und ganz nebenbei - eine kleine ´Digiknipse´ ist in den meisten Haushalten bereits vorhanden oder kann vom Nachbarn ausgeliehen werden.

Tipp:
Am Anfang wird man über ein seltsames Phänomen stolpern: Die erste Aufnahme ist irgendwie verschwommen, die nächste auch, die dritte knackscharf, die vierte wieder etwas verschwommen... Und das bei identischen Kameraeinstellungen. Schuld daran ist die Luftunruhe, in Fachkreisen auch ganz neudeutsch ´Seeing´ genannt. Diese wird durch die allgemein sehr kurze Belichtungszeit sozusagen ´eingefroren´, also ist es mal scharf und mal eben nicht. Daher lohnt es sich immer, möglichst viele Aufnahmen zu machen um dann hinterher die Besten davon herauspicken zu können. Ohne stabile Fixierung der Kamera an das Okular kann das zur nervtötenden Geduldsprobe werden. Eine sehr elegante Lösung wäre eine sogenannte Digiklemme (Bild links), die, einmal korrekt eingestellt, Kamera und Okular im idealen Abstand zueinander ausrichtet und fixiert.

1. Sind die Planeten sehr klein, nur maximal 1´ (Venus un unterer Konjunktion) sind ´drin´. Mit dem großen Chip der Digitalkamera schießt man daher mit Kanonen auf Spatzen.
2. Wird möglichst viel Brennweite benötigt, am besten was Teleskop oder Luftunruhe hergeben.
3. Kommt es auf eine bestmögliche Darstellung feinster Strukturen an. Hierzu sollten sehr viele Bilder gemacht und die Besten davon zur weiteren Qualitätssteigerung aufaddiert (´gestackt´) werden.

Gute digitale Spiegelreflexkameras (DSLR), bei denen sich die Objektive auswechseln lassen, kann man ganz hervorragend als ´Astrokamera´ einsetzen. Und mit dem Teleskop als Objektiv fotografieren, das ist die sogenannte fokale Projektion. DSLR haben in der Regel große Chips, üppige Auflösungen um 8-10 Megapixel und bieten dadurch ein großes reales Bildfeld. Durch die Massenfertigung sind die Preise hierfür in den letzten Jahren stark gefallen und befinden sich heute in einem durchaus erschwinglichen Bereich,


Unter den zahlreichen DSLR hat sich die Kamerareihe EOS der Firma Canon durch ihre besonders hohe Qualität und Preis-Leistungsverhältnis einen besonderen Ruf erworben. Diese Kameras sind auch in der ´Astroversion´ mit speziell für die Astrofotografie ausgelegten Sperrfiltern erhältlich. Ein besonders günstiges Beispiel ist die Canon EOS 1200D Astro Version (Abbildung links) mit 10 Megapixel Auflösung.

Hauptvorteil ist die Unabhängigkeit von einem Rechner, denn die Kamera speichert die Bilder direkt auf ihrem Speicherchip und kann dann später in der warmen Stube bequem in den Rechner zwecks Weiterverarbeitung geladen werden. Aber es gibt auch Nachteile...




Naturgemäß sind handelsübliche Kameras für die Ablichtung irdischer Motive ausgelegt. Sie zeigen also beim Fotografieren ´außerirdischer´ Motive einige typische Schwächen. Da wäre einmal der in ihnen verbaute Sperrfilter zu nennen. Dieser sollte nur das sichtbare Licht passieren lassen. Am "roten" Rand fangen diese Filter viel zu früh an zu sperren (siehe rote Kurve), so daß dieser Filterung ausgerechnet die astronomisch so wichtige Spektrallinie des angeregten Wasserstoffs (Hα, 656,28 nm), wie wir sie in vielen Emissionsnebeln finden, zum Opfer fällt.

Diesen Hauptnachteil kann man dadurch beseitigen, in dem der in diesen Kameras verbaute Sperrfilter durch einen geeigneten Filter ersetzt wird, der diese Spektrallinie ungehindert durchläßt (blaue Kurve). Die Durchlässigkeit oberhalb von 1.100 nm ist für den Kamerachip uninteressant, da dieser dort nicht mehr empfindlich ist. Hierzu gibt es unseren Umbau-Service für EOS-Kameras als Komplettpaket. Die Funktion der Kamera für die ´irdische´ Fotografie wird durch den Umbau nicht beeinträchtigt. Ganz im Gegenteil - durch die bessere Lichtdurchlässigkeit im Roten rauscht die Kamera dort beträchtlich weniger.

• Diese Kameras sind nicht in einer Schwarz / Weiß-Version erhältlich. Dadurch sind Aufnahmen mit schmalbandigen Linienfiltern nur sehr eingeschränkt möglich.
• Die Abstufung der Helligkeitswerte in maximal 256 Stufen (8 Bit) ist für die ´normale´ Fotografie völlig ausreichend. Bei der Fotografie von Galaxien und Gasnebel ist diese Abstufung einfach zu grob und führt in den dunklen Bildanteilen zu unschönen Artefakten, die durch die Speicherung im verlustbehafteten JPG-Format noch verstärkt werden. Einige Modelle haben jedoch die Möglichkeit, die Bilder zusätzlich im sogenannten ´Raw-Format´ abzuspeichern, darunter selbstverständlich auch die Kameras der EOS-Reihe. Doch dazu später mehr.

1. Läßt sich die Kamera damit ´einnorden´. Die Aufnahme behält die natürliche Orientierung Norden oben, Osten links.
2. Es läßt sich zur Reduzierung des Streulichts unseres aufgehellten Nachthimmels ein geeigneter 2"-UHC-S-Filter einbauen.

Mit speziell für die Astrofotografie konstruierten Kameras, den sogenannten Astrokameras, lassen sich Aufnahmen in der bestmöglichen Qualität anfertigen. Sie sind zur Zeit (Stand 2015) mit hochempfindlichen CCD-Chips ausgerüstet, deren Empfindlichkeit 30.000 ISO und höher entsprechen. Praktisch alle Geräte sind gekühlt und lösen das Bild mit 65.536 Helligkeitsstufen auf. Das entspricht dem derzeitigen Stand der Technik - mehr geht nicht. Es gibt diese Kameras mit sehr unterschiedlichen Chipgrößen, was auch letztlich auf den Preis niederschlägt. Von der Bildqualität her sind die Kameras untereinander jedoch ebenbürtig.

Das Bild wird sofort per USB zum Rechner übertragen und dort als 16-Bit FITS-Datei gespeichert. Die Dateigröße kann je nach Auflösung recht stattlich werden. Hier wäre eine USB3-Schnittstelle optimal, meist wird es aber eine USB2 sein, die immerhin auch noch 480 Mbit/s übertragen kann. Der empfangene Rechner sollte über eine schnelle Platte verfügen, idealerweise eine SSD.

Die Abbildung links zeigt die sehr empfehlenswerte Astrokamera Atik 4000 M mit quadratischem Chip, welcher das verfügbare Bildfeld der gängigen, preiswerten 1,25"-Filter gerade voll ausnutzt.




Baader Kupplung

Wie bringt man die Astrokamera ans Teleskop?
Die meisten Astrokameras sind bereits standardmäßig mit einem T-2 Innengewinde ausgestattet, dadurch lassen sie sich an die meisten Filterräder / Off-Axis-Guider einfach aufschrauben. Sehr praktisch ist das TS-Rotationssystem oder eine einfache Kupplung von Baader. Damit läßt sich die Kamera leicht vom Teleskop trennen, aber auch ´einnorden´ damit die natürliche Orientierung am Himmel - Norden oben, Osten links - schnell eingestellt werden kann.



Was darf man erwarten?

NGC3628 im Löwen visuell:
Für unsere Augen sind bei geringer Lichtstärke nur die Stäbchen zuständig, die etwa 95% der Gesamtfläche unserer Netzhaut ausmachen und damit praktisch alle Hell-Dunkel-Informationen liefern. Die restlichen 5% bilden die sogenannten Zäpfchen, diese liefern die Farbinformation, allerdings mit nur geringer Auflösung und Empfindlichkeit. Dieser Umstand wird beim weiter unten beschriebenen LRGB-Verfahren ausgenutzt. Der Wirkungsgrad unserer Stäbchen ist im Vergleich zu einem CCD-Chip mit ca. 30% eher bescheiden, hinzu kommt die kurze Integrationszeit von einigen 1/10s. Und deshalb wird man beim Blick durch das Okular an einem 10-Zoll-Teleskop nur Sterne ab ca. 14. Magnitude überhaupt wahrnehmen. Bei flächigen Objekten sorgt ein ausgeklügelter Algorithmus in unserem Gehirn dafür, daß wir diese deutlich besser wahrnehmen können. Aus den genannten Gründen sehen wir praktisch alle Himmelsobjekte nicht in Farbe.




NGC3628 im Löwen fotografisch:
Der etwas bessere Wirkungsgrad (=Quanteneffizienz) moderner CCD-Chips zusammen mit Integrationszeiten von bis zu einigen Stunden läßt eine Abbildungsqualität zu, wie sie mit unseren Augen nicht einmal ansatzweise möglich ist. Lichtschwache Sterne, Nebel und Galaxien können damit bis zu 1.600-mal (8 Magnituden) heller dargestellt werden. Sterne bis zur 22. Magnitude können mit dem gleichen Teleskop dargestellt werden wo das Auge gerade mal 14 Magnituden "schafft".

Beide Aufnahmen zeigen die Galaxie NGC 3628 im Löwen. Visuell ist nur der Galaxienkernbereich als schwaches Nebelchen wahrnehmbar, während fotografisch eine prächtige, strukturreiche Galaxie zum Vorschein kommt.



Fotografieren
Und schon kann´s losgehen. Kamera einschalten, und nach wenigen Sekunden zeigt sich auf dem Bildschirm das erste ´Livebild´. Das wird freilich noch kein APOD sein, denn es müssen noch ein paar Dinge beachtet werden.

Scharf stellen (Fokussieren)
Das geht Dank ´Livebild´ am Monitor noch recht einfach. Meist kann man um einen hellen Stern mit der Maus ein kleines Quadrat aufziehen und ein ´ROI´ eingeschaltet werden. Die Belichtungszeit sollte nur ca. 0,1 - 1s betragen. So werden die Bilder in sehr schneller Folge zum Rechner übertragen, und man kann nun in aller Ruhe perfekt scharf stellen. Doch nun kommt der schwierige Teil!

Belichtungszeit einstellen
Die ideale Belichtungszeit hängt bei hellen ´Motiven´ prinzipiell von der Helligkeit der hellsten Bildanteile ab. Das ´Paradeobjekt´, der Andromedanebel M31 besitzt einen sehr hellen Kern, der bereits nach relativ kurzer Belichtungszeit die beteiligten Pixel sättigt. Bei diesem hellen Objekt ist die Belichtungszeit also soweit zu verringern, bis diese häßlichen Sättigungsartefakte (´Ausbrennen´) ausbleiben. Soweit ist das alles noch ganz einfach, auch wenn wir bei M31 trotzdem nicht ganz um das ´Stacken´ herumkommen. Doch wie belichten, wenn man lichtschwächere Himmelsobjekte ablichten möchte? Das ist dann nicht mehr so trivial, und deshalb müssen wir hier ein wenig ausholen:

? Rauscheigenschaften gekühlter Astrokameras
Das Bildrauschen guter Astrokameras kann man grob in zwei Komponenten einteilen: Das Ausleserauschen und das Chiprauschen. Letzteres wird aber durch die Kühlung des Chips um 20-30° unter die Umgebungstemperatur fast vollständig unterdrückt, so daß als bestimmende Komponente nur noch das Ausleserauschen übrig bleibt. Und dieses Rauschen ist praktisch völlig unabhängig von der Belichtungszeit! Dadurch ist man versucht, die Belichtungszeit in schwindelerregende Höhen zu treiben um extrem lichtschwache Gestirne noch darstellen zu können. Doch das ist äußerst ungut, wie wir im folgenden sehen werden.

? Photonenrauschen
Moderne Astrokameras sind derart empfindlich, daß der nicht dunkle Nachthimmel nun zum Problem wird. Der gesamte Bildhintergrund wird bereits nach 1 Minute Belichtungszeit (@ Blende 4) deutlich aufgehellt. Durch den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts verteilen sich dessen Photonen leider nicht gleichmäßig auf die Chipfläche, sondern statistisch. Und das äußert sich als Rauschen - das Photonenrauschen. Je nach verwendeter Blende (reziprokes Öffnungsverhältnis) und der ´Nachthimmelsqualität´ dominiert das Photonenrauschen bereits nach 30s - 5 Minuten, so daß eine weitere Steigerung der Belichtungszeit nicht sinnvoll ist. Eine ausführliche Abhandlung dieser Zusammenhänge läßt sich auf der Seite ´Belichtung mit der Astrokamera´ nachlesen.

? Belichtungszeit aufteilen
30s Belichtungszeit für DeepSky - das ist doch viel zu wenig! Stimmt! Lichtschwache DSO verlangen nach Belichtungszeiten, die in die Größenordnung von einigen Stunden kommen können. Man liest es ja immer wieder. Doch kein erfahrener Astrofotograf wird die erforderliche Belichtungszeit ´am Stück´ belichten, denn dann wird der aufgehellte Nachthimmel jedes Kamerapixel sättigen. Um auf die nötige Belichtungszeit zu kommen, müssen entsprechend viele dieser verhältnismäßig kurz belichteten Aufnahmen gemacht werden. Diese werden dann hinterher am Rechner addiert (´gestackt´). Diese Methode hat auch noch weitere Vorteile:
1. Durch Windböen oder kurzzeitig starkes Seeing verunstaltete Bilder können vor dem Addieren aussortiert werden.
2. Der Dynamikumfang der Aufnahme steigt linear mit der Anzahl der Additionen an.
Ergebnis dieser Aufnahmeserie ist ein sogenanntes Summenbild mit einer unglaublichen Tiefe und Detailreichtum. Nebenbei wird das überwiegend aus Photonenrauschen bestehende Gesamtrauschen sehr wirkungsvoll abgeschwächt.



Farbkamera oder Schwarz-Weiß-Kamera?

Nicht selten wird über das Für oder Wider farbiger oder monochromer Kameras diskutiert. Die einen möchten schnell ein ´Pretty Picture´ sehen und sprechen sich daher für eine Farbkamera aus. Gewiß - der Aufwand für ein Farbbild mit einer Schwarz/Weiß-Kamera ist ungleich höher, denn man muß mit 3 (RGB) oder sogar 4 (LRGB) Filtern hantieren und für jeden Filter eine eigene Aufnahmeserie machen. Das schreckt viele Einsteiger ab. Die Befürworter monochromer Kameras weisen darauf hin, daß man mit monochromen Kameras eine weit bessere Auflösung und außerdem eine 3-mal höhere Empfindlichkeit zur Verfügung hat. Die ´Profis´ möchten auch gerne mit Schmalbandfiltern (Abbildung links: Hα-Filter, Baader) ´arbeiten´, was nur mit monochromen Kameras sinnvoll ist. Solche Filter blenden das irdische Streulicht nahezu vollständig aus und lassen nur das Licht einzelner Spektrallinien angeregter Gase durch, wie sie für Emissionsnebel und Planetarische Nebel typisch sind. Dadurch läßt sich die Belichtungszeit einer einzelnen Aufnahme gewaltig - um das bis zu 40-fache - steigern.



Die Nachführung / Guiding
Wenn wir, sagen wir mal, 1 Minute belichten, dann muß man sich über eins im klaren sein: Während dieser Zeit muß das Teleskop hochgenau der scheinbaren Bewegung der Gestirne am Himmel folgen. Was bedeutet hochgenau? Nehmen wir mal nur eine moderate Brennweite von ca. 1.000mm an (viel mehr ist bei unserem Seeing meist ohnehin nicht sinnvoll) und betrachten den Abbildungsmaßstab eines einzelnen Pixels. Dieser wird dann üblicherweise bei ca. 1,5"/Pixel landen. Und das heißt, daß die Abweichung in der Nachführung eine Minute lang den Wert von 1,5" nicht einmal erreichen darf, denn sonst kommt es zu Bewegungsunschärfen (´Verwackeln´), die sich sofort als ´längliche Sternchen´ äußern. Das Thema Guiding ist allerdings so komplex, daß man es nicht mal schnell in einem Absatz abhandeln kann. Der interessierte Leser möge sich auf der Seite ´Das hochgenaue Nachführen´ über die Einzelheiten näher informieren.

Farbbilder mit der monochromen Kamera (LRGB-Verfahren)
Ein recht aufwendiges Verfahren, aus mehreren monochromen Bildern ein Farbbild anzufertigen, ist das sogenannte LRGB-Verfahren. Es ist aber gleichzeitig das mit Abstand leistungsfähigste Verfahren und wird daher von allen ernsthaften Astrofotografen angewendet, denn es liefert am Ende die bestmöglichste Abbildungsqualität.

Was bedeutet LRGB?
Es ist ein Komposit aus einer Luminanzaufnahme (durch ein ´normalen´ UV/IR-Sperrfilter) über den gesamten sichtbaren Spektralbereich und den Farbinformationen, die jeweils mit vorgeschaltetem Rot- Grün- und Blaufilter gewonnen werden. Da die Farbbilder nur die reinen Farbinformationen tragen, müssen sie nicht hochauflösend dargestellt werden, sie können also gebinnt aufgenommen werden. Informationsträger für Helligkeit und scharfe Details liefert die Luminanzaufnahme, die selbstverständlich ungebinnt aufgenommen werden sollte. Die Summenbilder aller 4 Aufnahmeserien lassen sich durch geeignete Bildbearbeitungssoftware am Rechner zu einem Farbbild zusammenfügen.

Tipp:
Als sehr praktisch hat sich bei der Aufnahme solcher LRGB´s ein solches motorisiertes Filterrad (Abbildung links) erwiesen. Einmal sind solche Filterräder völlig lichtdicht, so daß kein Streulicht in die Kamera geraten kann. Das kann besonders auf Balkonsternwarten mit beleuchtungsfreudiger Nachbarschaft ein großer Vorteil sein, wenn länger belichtet werden soll. Und zum anderen lassen sich die einzelnen Filter damit praktisch vibrationsfrei wechseln. Dadurch wird ein eventuell eingesetzter Autoguider bei seiner ´Arbeit´ nicht gestört, und der Leitstern bleibt immer schön auf dem Fadenkreuz und muß nicht jedesmal neu eingestellt werden. Aufpassen bei Teleskopen mit wenig Backfokus, z.B. Newtons oder Refraktoren, bei diesen Geräten kommt man durch die Verlagerung der Kamera nach hinten (ca. 20mm) unter Umständen nicht mehr in den Fokus.

Das Guiding - neudeutscher Ausdruck für Nachführkontrolle und -korrektur hat die Aufgabe, der scheinbaren Sternbewegung am Himmel möglichst präzise zu folgen. Dabei sind Abweichungen von weniger als +/- 1" während einer Belichtungszeit von 0,5 - 10 Minuten anzustreben. Keine ganz leichte Aufgabe!


Vorüberlegungen:
Wenn das Fotografieren lichtschwacher DSO beabsichtigt ist, kommt man schnell zu Belichtungszeiten, die in den Bereich von einigen Stunden kommen können. Denn die Informationsträger, die wir von lichtschwachen DSO bekommen, die Photonen, müssen regelrecht ´gesammelt´ werden. Und daran kann auch eine noch so empfindliche Kamera nichts ändern, sie kann nur möglichst viele Photonen in Ladungsträger verwandeln. Und das tun die meisten auch.

Sicherlich wird man nicht bestrebt sein, die erforderliche Belichtungszeit ´am Stück´ zu belichten, das wäre auch im Hinblick auf das durch irdisches Streulicht verursachte Photonenrauschen nicht sehr sinnvoll. In der Praxis wird man die erforderliche Gesamtbelichtungszeit in sinnvoll große ´Häppchen´ aufteilen. Doch selbst diese können je nach Kameratyp, Öffnung, Brennweite, Himmelsqualität und Abbildungsmaßstab immer noch grob zwischen 30s und 10 min variieren. Hier wird also schon klar, daß das Teleskop während dieser Zeit hochgenau und völlig ohne Ruckeln auf das zu fotografierende Objekt ´zielen´ muß, da es sonst zu Bewegungsunschärfen kommt, wie wir es auch bei der ganz ´normalen´ irdischen Fotografie kennen, wenn wir die Kamera beim Belichten nicht ruhig genug halten.


Methoden:
Grundsätzlich werden zwei optische Wege benötigt, einer für das ´Vollbild´, das aufgenommen werden soll und einer für ein ´Referenzobjekt´, das als Orientierung dient und auf das exakt nachgeführt wird. Dieses Referenzobjekt nennt man Leitstern, also ein möglichst heller Stern in der Nähe des zu fotografierenden DSO.


Doppelbefestigung für Leitrohr / Leitrohr:
Ein zweites, kleineres Fernrohr wird parallel zur Primäroptik montiert. Eine mögliche Variante ist die links gezeigte Doppelbefestigung. So ein Leitrohr ist also kein bestimmter Teleskoptyp, sondern eine möglichst leichte, langbrennweitige Optik. Das kann (und wird in den meisten Fällen) auch ein ´alt-ehrwürdiges´ Einsteigerfernrohr aus den spannenden Tagen nach dem Einstieg in die Amateurastronomie sein. Ideal wäre ein langbrennweitiger Refraktor vom Typ Fraunhofer oder ein kompakter Maksutov.

Warum langbrennweitig?

Dadurch ist die Vergrößerung des Leitsterns bei gegebener Okularbrennweite bzw. Pixelabstand auf dem Chip der Sekundärkamera größer, und die Abweichung des Leitsterns von seiner Sollposition kann dadurch besser gesehen bzw. gemessen werden.


Vorteile eines Leitrohrs:
Generell hat man mit einem Leitrohr eine deutlich größere Auswahl an guten Leitsternen.

Nachteil:
Die Anforderungen an die Stabilität der Leitrohrmontage ist ziemlich extrem. Kleinste Abweichungen während der Belichtungszeit verderben die Aufnahme. Bei Belichtungszeiten oberhalb von 30-60 Minuten (bei Schmalbandaufnahmen häufig) kommt man dann meist an die Systemgrenze. Gleiches gilt für hohe Aufnahmebrennweiten.



Off-Axis-Guider (OAG):
Einen ganz anderen Weg geht diese Methode. Dem Randbereich des Strahlengangs wird mittels Prisma ein kleiner Teil entnommen und seitlich herausgelenkt. Da dieses Licht ohnehin nicht nicht auf den Chip der Aufnahmekamera fallen würde, kann man dieses auf diese elegante Weise nutzen. Meist wird man das Prisma um 360° drehen können, so daß für die Leitsternsuche ein ringförmiger Bereich mit Radien von ganz grob 20´ - 30´ von der Bildfeldmitte in Frage kommt. Ein gutes, bewährtes Beispiel ist der links abgebildete Radial-Guider von Celestron mit ca. 27_mm optischer Weglänge und verkippbarem Ablenkprisma.



Für Teleskope mit ausreichendem Backfokus vom Typ Schmidt-Cassegrain, Maksutov und Ritchie-Crétien ist ein solcher stabiler OAG ideal, da sehr komfortabel in der Handhabung.


Off-Axis-Guider, extrem kurzbauend
Für Teleskope mit geringem Backfokus gibt es extrem kurzbauende Off-Axis-Guider mit nur 9_mm optischem Weg. Besonders die lichtstarken Newtons profitieren hiervon, da hier der knappe Backfokus oft schon durch Filterräder, Korrektoren, Rotationssysteme etc. "vorbelastet" ist. Das Prisma dieses OAG läßt sich in seiner Tiefe verstellen, was den verfügbaren Bereich zur Leitsternsuche deutlich erhöht.



Vorteil OAG:
Es wird stets durch die Primäroptik nachgeführt, dadurch kann es zu keinerlei geometrischen Abweichungen kommen. Ein Leitrohr kann entfallen.

Nachteile OAG:
Der Bereich zur Leitsternsuche ist eingeschränkt. Der seitlich abgelenkte Strahlengang ist sehr dünn (je nach Bauart so um 5-8mm), was meist zu einer starken Vignettierung führt. Das kostet ´Leitsternlicht´, besonders dann, wenn der Leitstern nicht in der Mitte des ausgeleuchteten Bildfelds positioniert werden kann. Dies wird aber meist durch die größere Öffnung der Aufnahmeoptik ausgeglichen.

Tipp:
Beim Nachführen sollte eine Achse des Fadenkreuzes genau parallel zur Verstellung in Rektaszension orientiert sein. Dazu mit der Handsteuerbox mit mittlerer Geschwindigkeit die Sterne in Rektaszension hin- und her bewegen. Das Fadenkreuz dann so lange in der Halterung verdrehen, bis die Sterne parallel zu einem der beiden Doppelfäden laufen. Dadurch erkennt man beim Nachführen sofort, ob in der Rektaszension oder Deklination korrigiert werden muß.

Kurz - diese Methode erleichtert den Druck auf die richtigen Knöpfe ungemein. Auch beim weiter unten beschriebenen Autoguiden ist das Ausrichten sehr vorteilhaft.