Astrofotografie mit der Digitalkamera - Etwas Theorie

Erstellt 08.06.2014  Kategorien  Software,  Astronomie

Sternfeldaufnahme
Digitale Sternfeldaufnahme der Umgebung um die Leier, gerechnet aus 20 Einzelaufnahmen je 15 Sekunden.

Als Jugendlicher habe ich mich sehr für Astronomie interessiert. Ich hatte damals eine "geerbte" analoge Spiegelreflexkamera und habe eine ganze Reihe einfacher Sternfeldaufnahmen gemacht, in dem ich mit der nicht nachgeführten Kamera vom Stativ aus aufgenommen habe. Schon mit diesem vergleichsweise einfachen Setup ohne Teleskop kann man sehr beeindruckende Bilder schießen. Mit dem Studium und dem Umzug in eine lichtverschmutzte Stadt ist dieses Hobby eingeschlafen. Inzwischen habe ich eine digitale Spiegelreflexkamera und mal wieder Lust, die eine oder andere Aufnahme des Sternenhimmels zu machen - so wie früher. In diesem Artikel möchte ich ein paar hilfreiche Konzepte und Begriffe einführen. In späteren Artikeln sollen dann praktische Beispiel folgen.

Notwendige Ausrüstung und Standort

Zunächst benötigt man eine Kamera, in diesem Fall eine Digitalkamera. Dabei ist die Pixelanzahl eher Nebensache. Viel wichtiger ist, daß sie über einen manuellen Modus verfügt, bei dem man Empfindlichkeit, Belichtungszeit und Blende einstellen kann.

Die Objektive sind sehr wichtig. Bei Astroaufnahmen offenbart sich die wahre Qualität eines Objektivs. Objektive mit geringen Abbildungsfehlern und einer großen Blendenöffnung sind besonders geeignet, aber zumeist sehr teuer. Aber auch mit Objektiven, die den Consumer-Kameras beigegeben werden, lassen sich sehr stimmungsvolle Astroaufnahmen machen. Ohne Nachführung der Himmelsbewegung kann man bis in den unteren Telebereich (ca. 80 mm Brennweite Kleinbild-Äquivalent) gute Aufnahmen erzielen.

Unerläßlich ist ein stabiles Stativ, welches die Kamera in die gewünschte Orientierung bringen läßt und während der Aufnahme Verwacklungen verhindert.

Hilfreich kann auch ein Fernauslöser sein, damit Verwackelungen durch das Betätigen des Auslösers an der Kamera vermieden werden. Man kann sich aber auch so behelfen, daß man die Objektivöffnung bis nach dem Drücken des Auslösers bspw. mit einem Stück Pappe möglichst lichtdicht abdeckt und die Öffnung erst freigibt, wenn die Hand von der Kamera entfernt ist. Wenn das schnell geht, ist der Effekt auf die Belichtungszeit vernachlässigbar.

Üblicherweise bevorzugen Astronomen ja dunkle Beobachtungsorte - je dunkler, desto besser. Bei Sternfeldaufnahmen gilt das grundsätzlich auch. Allerdings kann die Bild-gestalterische Integration künstlicher Lichtquellen (Häuser, diffus beleuchtete Bäume oder Masten) in Sternfeldaufnahmen auch sehr reizvoll sein. Hier sollte man unbedingt experimentieren. Das folgende Beispiel zeigt eine Aufnahme des Kometen Hale-Bopp aus dem Jahre 1997, welches allerdings analog auf Diafilm aufgenommen wurde.

Komet Hale-Bopp, aufgenommen 1997 (gescanntes Dia)
Komet Hale-Bopp, aufgenommen 1997 (gescanntes Dia)

Sternstrichspuren

Bei Astroaufnahmen denken die meisten Menschen bestimmt unweigerlich an große Teleskope oder von Kameras mit extrem großbrennweitigen Objektiven. Sicherlich ermöglicht ein solches Equipment wunderschöne Astroaufnahmen, bspw. der Planeten oder von Deep Sky Objekten. Aber auch mit einfacherem Equipment und mit kleineren Brennweiten lassen sich beeindruckende Resultate erzielen. Kleine Brennweiten sind bei Aufnahmen größerer Himmelsareale (z.B. ganze Sternbilder), Aufnahmen von aktiven Kometen oder Satelliten-Strichspuren sehr gut geeignet. Große Brennweiten machen m.E. nur dann Sinn, wenn man die Himmelsbewegung während der Aufnahme bspw. mit einer astronomischen Teleskopmontierung nachführen kann. Zudem haben viele Objektive mit langer Brennweite eine kleine Blende, und man muß daher länger belichten. Große Brennweite und lange Belichtungszeit führen aber ohne Nachführung zu langen Sternstrichspuren durch die Bewegung des Himmels während der Aufnahmezeit. Das sieht m.E. nur in wenigen Fällen wirklich gut aus. Die Länge der Sternstrichspur l auf dem Sensor der Digitalkamera, für ein Beobachtungsobjekt am Himmelsäquator mit der Deklination 0°, bei einer Aufnahmezeit t ergibt sich aus einfachen geometrischen Überlegungen näherungsweise zu:

l = 2 f tan (180° t / T_sid)

Dabei ist f die Brennweite des Objektivs und T_sid die Dauer eines siderischen Tages (gut 86200 Sekunden).

Wenn man mit einer Digitalkamera fotografiert, ist immer dann die Bewegung der Himmelsobjekte als Strichspuren in der Aufnahme erkennbar, wenn l deutlich größer als die Pixelgröße ist. Die Pixel meiner Canon EOS D400 sind 5,7 µm groß. Mit 18 mm Brennweite und einer Aufnahmezeit von 15 Sekunden beträgt die Länge der Strichspuren etwa 19 µm, also ungefähr drei Pixellängen. In diesem Falle erscheinen die Sterne noch überwiegend punktförmig.

Das folgende Beispiel zeigt eine Sternstrichspuraufnahme, die gezielt über einen langen Zeitraum erstellt wurde. Hierbei wurden 612 Einzelaufnahmen von je 10 Sekunden Belichtungszeit zu einer Gesamtaufnahme zusammengestellt. Auf diesem Bild zeichnet sich die Sternbewegung über die rund 2 Stunden Aufnahmedauer deutlich ab.

Sternstrichspuren
Sternstrichspuraufnahme der Region um den Polarstern mit dem Sternbild Cassiopeia und Capella, zusammengerechnet aus 612 Einzelaufnahmen je 10 Sekunden.

Streulicht

In der Nähe urbaner Gebiete sind die Nächte niemals dunkel. Viel Licht von der Oberfläche wird an Staub oder Wolken gestreut. Dies führt bei Aufnahmen mit langen Belichtungszeiten zu unnatürlich hellen Himmelshintergründen. Das kann soweit gehen, daß man einen scheinbar gleißend hellen Himmel in der Aufnahme hat, der die Sterne komplett überstrahlt. Die folgende Abbildung demonstriert den Effekt des Streulichts für Aufnahmen mit verschieden langer Belichtungszeit für einen urbanen Beobachtungsstandort.

Lichtverschmutzung
Einfluß der urbanen Lichtverschmutzung in Abhängigkeit der Belichtungszeit

Die einfachste Methode zur Unterdrückung des Streulichts ist die Begrenzung der Belichtungszeit. Grundsätzlich sollte eine möglichst große Blendenöffnung (= kleine Blendenzahl) gewählt werden. Die Sterne bewegen sich während der Belichtung quasi über die Pixel des Kamerasensors hinweg. Eine große Blendenöffnung läßt maximal viele Photonen des Sternenlichst in den lichtempfindlichen Pixel fallen, solange sich der Stern "über" dem Pixel befindet. Die maximale Belichtungszeit läßt sich nur sehr schwer berechnen. Besser geeignet sind Erfahrungswerte. Bei Normalobjektiven mit einer Blende von 2,8 bis 3,5 und einem Film bzw. Sensor der Empfindlichkeit von ISO 400 beträgt die maximal sinnvolle Belichtungszeit etwa 15 bis 20 Sekunden. Alles darüber führt dazu, daß der Himmelshintergund zu hell wird. An sehr dunklen Standorten kann mn ggf. länger belichten, wenn man längere Sternstrichspuren in Kauf nimmt. Wie das Bilderbeispiel aus dem letzten Abschnitt zeigt, eröffnet die digitale Astrofotografie eine Möglichkeit, die Sternbewegung auch über längere Zeiten abzubilden und an dem störendem Streulicht vorbeizukommen. Die Details hierzu behalte ich aber einem späteren Artikel vor.

Artefakte des Detektors

Wer das erste Mal Astroaufnahmen mit einer Digitalkamera macht, dem werden bunte und weiße "Flecken" auf den Bildern auffallen, die auf zeitlich benachbarten Aufnahmen sehr ähnlich oder nahezu identisch sind. Dies sind Fehler einzelner Pixel des Detektors der Kamera, die erst dann auffallen, wenn man stark unterbelichtete Aufnahmen (Astroaufnahmen) macht. Glücklicherweise kann man den Umstand ausnutzen, daß diese Artefakte für zeitlich benachbarte Aufnahmen mit gleichen Kameraeinstellungen und gleicher Temperatur nahezu konstant sind. Von Zeit zu Zeit, auf jeden Fall bei Wechsel der Kameraeinstellungen oder Temperaturveränderungen sollte man die Objektivöffnung lichtdicht abdecken und etwa ein Dutzend sog. "Dunkelaufnahmen" machen. In diesen Dunkelaufnahmen sind nur die Pixelfehler zu sehen, die man anschließend von den eigentlichen Astroaufnahmen subtrahieren kann.

Hat man nun also einen Satz von Dunkelaufnahmen in einem Verzeichnis, so werden diese zunächst einmal gemittelt. Unter Linux (und anderen Betriebssystemen)kann man das mit dem kostenlosen Programm ImageMagick machen:

$ convert *.jpg -evaluate-sequence mean dark_master.jpg

Ergebnis ist ein "Dark Master". Dieses läßt sich nun von der eigentlichen Astroaufnahme abziehen - auch wieder mit ImageMagick:

$ composite -compose minus rohbild.jpg dark_master.jpg final.jpg

Es gibt noch eine Reihe weiterer Korrekturen, die man anfügen kann, darunter die Korrektur von Lichtempfindlichkeits-Inhomogenitäten des Systems Objektiv-Kamera. Die lasse ich hier zunächst weg, da sie aufwändig und meines Erachtens/meiner Erfahrung nach nicht so entscheidend sind, wie die obige Korrektur mit dem Dunkelbild. Wer hier tiefer einsteigen möchte, dem sei diese Seite empfohlen.

Zusammenfassung

Mit dem Equipment, das ein halbwegs ambitionierter Hobby-Fotograf zuhause hat, kann man sehr beeindruckende Sternfeldaufnahmen machen. Die künstliche Beleuchtung in urbanen Gebieten läßt sich gestalterisch in Aufnahmen einbeziehen. Geeignete Objekte am Himmel sind die helleren Sterne und prominenten Sternbilder, besondere Stellungen von Mond, Planeten und der hellsten Sterne, Satelliten und die ISS.

Tags  linux,  astrofotografie,  imagemagick