Lucky Imaging. Hochaufgelöste Deep-Sky-Aufnahmen mit EMCCD-Kameras

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1 Astronomie und Praxis: AstroFotografie Lucky Imaging Hochaufgelöste Deep-Sky-Aufnahmen mit EMCCD-Kameras Für die Fotografie von Sonne, Mond und Planeten ist das»lucky Imaging«eine fest etablierte Methode: Viele kurz belichtete Aufnahmen, aus denen unscharfe Bilder aussortiert wurden, ergeben ein hochaufgelöstes Summenbild. Eine für die Mikroskopie entwickelte CCD-Kamera mit Elektronenvervielfachung ermöglicht es, das Lucky Imaging auch auf die lichtschwächeren Deep-Sky-Objekte anzuwenden und damit der störenden Luftunruhe und Nachführfehlern ein Schnippchen zu schlagen. Von Carsten Dosche Vor einigen Jahren beobachtete ich einen blinkenden»sternenhimmel«jedoch nicht durch ein Teleskop, sondern auf dem Bildschirm des neuen Lasermikroskops in meinem Labor an der Universität Potsdam: Jedem der kurz aufleuchtenden Punkte entsprach ein einzelnes Molekül, das kurz durch den Fokus des Mikroskops schwamm, angeregt durch den Laser einige wenige Photonen abgab, um danach wieder in den nach molekularen Maßstäben unendlichen Weiten des im Mikroskop betrachteten Tropfens zu verschwinden. Ermöglicht wurde diese Beob achtung erst durch die damals neu entwickelten EMCCD-Kameras. EMCCD steht für»electron Multiplying Charge- Coupled Device«und sagt bereits das Wesentliche über die Funktionsweise einer solchen Kamera aus: die Vervielfältigung von Elektronen (englisch: electron multi p ly ing), die von den Photonen des auftreffenden Lichts im Halbleitermaterial eines CCD-Chips ausgelöst wurden. Die Möglichkeit, bereits aus wenigen Photonen eine verwertbare Bildinformation zu generieren, schien mir auch eine vielversprechende Option für die Astrofotografie zu sein. Insbesondere hoffte ich, die Lucky-Imaging-Technik, die in der Planetenfotografie schon zahllose erstklassige Ergebnisse hervorgebracht hatte, auch für die Deep-Sky-Fotografie nutzen zu können. Bei Recherchen stieß ich auch schnell auf entsprechende Anwendungsbeispiele, in denen EMCCD- Kameras oder ähnlich lichtempfindliche Kameras in beeindruckender Weise für Lucky Imaging im Deep-Sky-Bereich eingesetzt wurden. Als ich im Jahr 2009 das Angebot erhielt, eine gebrauchte EMCCD- Kamera zu einem erschwinglichen Preis zu erwerben, nutzte ich diese Gelegenheit zum Einstieg in die Astrofotografie. Was ist eine EMCCD-Kamera? In der Wissenschaft wird das Prinzip der Elektronenvervielfachung in so genannten Sekundärelektronenvervielfachern zur Konstruktion sehr empfindlicher Detektoren genutzt. In einem Sekundärelektronenvervielfacher setzen Photonen in einer lichtempfindlichen Schicht zunächst nur einzelne Elektronen frei, die dann durch ein elektrisches Feld so stark beschleunigt werden, dass sie aus den Elektroden des Sekundärelektronenvervielfachers weitere Elektronen, die so genannten Sekundärelektronen, heraus 82 März 2012 Sterne und Weltraum

2 Alle Bilder: Carsten Dosche Die beiden Graustufenbilder zeigen den mit der Kamera Luca S von Andor (ganz links) fotografierten Planetarischen Nebel Messier 27 im H-alpha-Licht. Jeweils 50 Einzelbelichtungen wurden mit Lucky Imaging ausgewertet. Bei ausgeschalteter Elektronenvervielfachung arbeitet die Kamera wie eine gewöhnliche CCD-Kamera, der Nebel ist nur andeutungsweise sichtbar (links). Bei eingeschalteter Verstärkung entfaltet die Kamera ihre volle Leistungsfähigkeit (Mitte). Das aus Aufnahmen im roten, grünen und blauen Bereich erzeugte Kompositbild gibt die Farbenpracht des Nebels wieder (rechts). für alle Lebenslagen schlagen können. Wird dieser Stoßprozess durch eine geeignete Anordnung der Elektroden mit den Sekundärelektronen mehrmals wiederholt, so steht schon nach wenigen Stößen eine gewaltige Anzahl von Sekundärelektronen als Ausgangssignal zur Verfügung. Auch in einer CCD-Kamera oder überhaupt jeder Digitalkamera setzt ein auf den CCD-Chip fallendes Photon wie beim Sekundärelektronenvervielfacher zunächst ein Elektron im Halbleitermaterial des CCD-Chips frei. Die auf diese Weise während der Belichtungszeit angesammelten Elektronen müssen dann zur Bilderzeugung aus dem CCD-Chip ausgelesen werden. Da einige hundert oder tausend Elektronen naturgemäß keine hohen Spannungen erzeugen, muss dieses schwache elektronische Primärsignal vor der Umwandlung in ein digitales Signal verstärkt werden. Der dazu notwendige Vorverstärker des Analog-Digital-Wandlers geht dabei allerdings nicht gerade zimperlich vor und überlagert dem Primärsignal einen zusätzlichen Rauschbeitrag, das so genannte Ausleserauschen. Daher sind, abhängig von der Qualität der Elektronik, mehrere Dutzend oder sogar einige hundert Elektronen pro Pixel notwendig, um ein ausreichendes Signal-Rauschverhältnis zu erzielen. Bei einer EMCCD-Kamera werden die Elektronen dagegen noch auf dem CCD- Chip mit Avalanche-Dioden, dem Halbleiteräquivalent des Sekundärelektronenvervielfachers, vervielfältigt und erst danach ausgelesen. Dadurch kommen beim Verstärker der Ausleseelektronik statt einzelner Elektronen einige hundert Elektronen pro registriertem Photon an, wodurch bereits ein einzelnes Photon ausreicht, um ein verwertbares Signal zu erzeugen. Der Einfluss dieser Verstärkung Eine EMCCD-Kamera vermag aus wenigen Photonen eine verwertbare Bildinformation zu generieren. auf die Abbildungsqualität zeigt sich sehr deutlich am Beispiel von Aufnahmen des Planetarischen Nebels Messier 27 (siehe Bilder oben): Bei abgeschalteter EM-Verstärkung lässt sich selbst durch Addieren einer größeren Anzahl von Bildern die durch das Ausleserauschen überlagerte Bildinformation nicht mehr rekonstruieren. Anders sieht es dagegen mit aktivierter Verstärkung aus, wobei nun auch sichtbar wird, wie viel Signal auf dem CCD-Chip wirklich vorhanden gewesen wäre. Der Unterschied liegt dabei im Wesentlichen im Ausleserauschen, das bei Einzelbelichtungen ohne EM-Verstärkung viel Bild information vernichtet. Lucky Imaging mit EMCCD-Kameras Die Idee des Lucky Imagings besteht darin, die notwendige Gesamtbelichtungszeit in sehr viele kurz belichtete Einzelaufnahmen zu unterteilen und dann in der weiteren Bildverarbeitung aufzuaddieren. Wesentlich ist dabei, dass Einzelaufnahmen, bei denen die Luftunruhe (englisch: seeing) oder Nachführfehler zu einer Unschärfe des Bildes geführt haben, bei der Bildverarbeitung einfach aussortiert werden. Außerdem sinkt bei abnehmender Belichtungszeit auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich während einer Einzelbelichtung eine einzelne Störung auf die Gesamtbildqualität auswirkt. Daher gilt im Allgemeinen, dass die Einzelbelichtungszeit so kurz wie möglich gehalten werden sollte. Bei den für Planeten- oder Mondaufnahmen üblichen Brennweiten ab 6000 Millimeter März

3 sind beim Lucky Imaging im eigentlichen Sinne Belichtungszeiten von wenigen Sekundenbruchteilen und Verwertungsraten um zehn Prozent erforderlich, um den Einfluss der Luftunruhe wirkungsvoll zu unterdrücken. Allerdings wird die Verringerung der Belichtungszeit in der Praxis durch zwei Faktoren begrenzt. Zum einen muss die Bildverarbeitungssoftware zum Ausrichten der Einzelbilder irgendeinen Fixpunkt bestimmen können, was üblicherweise durch einfache Mustererkennungsroutinen bewerkstelligt wird. Daher muss, sofern nicht wie beim klassischen Lucky Imaging eine sehr helle Fläche (Mond, Sonne oder Planet) zur Verfügung steht, die Belichtungszeit ausreichend lang gewählt werden, so dass mindestens zwei Sterne im Bildfeld zur Bestimmung der Bildorientierung vorhanden sind. Zum anderen muss die während der Belichtungszeit auf den Chip gefallene Lichtmenge groß genug sein, um ein ausreichendes Sig nal zu erzeugen. Daher beschränkt sich Lucky Imaging normalerweise auf sehr helle Objekte. Der Vorteil einer EMCCD-Kamera liegt aber gerade darin, dass bei ihr die Belichtungszeit selbst bei lichtschwächeren Objekten eine untergeordnete Rolle spielt. In erster Linie darf man bei der Nutzung einer EMCCD-Kamera eines nicht vergessen: Auch dieses Gerät erzeugt keine Photonen aus dem Nichts. Selbst wenn das Ausleserauschen keinen störenden Beitrag leistet, so wird das Photonenrauschen durch die Elektronenvervielfältigung genauso verstärkt, wie das thermische Rauschen des CCD-Chips. Dasselbe gilt für»warme«pixel, die bei Normalbedingungen unsichtbar wären, aber durch die Verstärkung zu störenden»heißen«pixeln werden. Während sich heiße Pixel und thermisches Rauschen durch Dunkelbildabzug und Kühlung des Chips gut unterdrücken lassen, bleibt In dieser Aufnahme des 4,1 mag hellen Sterns m Orionis führte das EM-Blooming des CCD-Chips der Kamera Luca S zu einer horizontal verschmierten Sternabbildung. Der graue Fleck rechts oberhalb der Bildmitte ist der Planetarische Nebel G (Abell 12) mit einem Winkeldurchmesser von 37 Bogensekunden. das Photonenrauschen voll erhalten. Die Rohbilder bei Aufnahmen mit einer EMCCD-Kamera sehen daher zunächst sehr verrauscht aus. Alles in allem wird man infolge des Photonenrauschens genauso viel Gesamtbelichtungszeit benötigen wie bei einer konventionellen CCD-Kamera, lediglich die Dauer der Einzelbelichtungen ist kürzer. Weiterhin zeigen EMCCD-Kameras eine besondere Variante des von konventionellen Digitalkameras bekannten Prob lems, dass Pixel bei der Belichtung heller Objekte überlaufen können. Überschreitet die Zahl der erzeugten Elektronen das Fassungsvermögen eines Pixels, so laufen sie in die benachbarten Pixel über. Dieser als Blooming bezeichnete Effekt kann bei EMCCD-Kameras auch innerhalb des EM-Verstärkers auftreten und verursacht ein charakteristisches Verschmieren von hellen Sternen zu einer Seite hin (siehe Bild oben). Abhilfe für dieses»em-blooming«bringt hier nur eine Verringerung der Belichtungszeit oder des Verstärkungsfaktors. Die EMCCD-Kamera am Teleskop Die von mir genutzte EMCCD-Kamera ist das Modell»Luca S«des nordirischen Herstellers Andor. Die Kamera ist für den Einsatz an Mikroskopen konzipiert und daher mit dem für Mikroskopkameras üblichen C-Mountgewinde ausgestattet. Mit Hilfe eines C-Mount-T2-Adapters ist jedoch der Anschluss an jedes beliebige Teleskop möglich. Für die Astrofotografie mit der EMCCD-Kamera nutze ich vorwiegend ein Schmidt-Cassegrain- Teleskop des Typs Celestron C 9.25 (siehe Kasten rechts). Da die Luca S eine Schwarz-Weiß- Kamera ist, musste ich Farbaufnahmen im Kompositverfahren herstellen: Dabei werden Bilder nacheinander durch verschiedene Farbfilter aufgenommen beispielsweise im roten (R), grünen (G) und blauen (B) Spektralbereich und im Computer mit einer zusätzlichen Graustufenaufnahme (Luminanz L) kombiniert, die nur die Hell-Dunkel-Information des Objekts enthält. Das Ergebnis ist ein LRGB- Farbkomposit. Das Ansteuern und Auslesen der Kame ra erfolgt über einen USB-2-Anschluss, allerdings verfügt die Kamera auch über einen separaten Videoausgang, über den mit Hilfe eines Framegrabbers prinzipiell sogar eine Korrektur der Nachführung möglich wäre. Als Steuerprogramm verwende ich die zugehörige Hersteller-Software Solis. Sie enthält ein relativ umfangreiches Programmpaket, unter anderem eine Zoomfunktion, die sehr nützlich zum Fokussieren ist, sowie Module zum automatischen Dunkelbildabzug und zur Wellenlängenkalibrierung bei spektroskopischer Anwendung. Entscheidend für die Anwendung der EMCCD-Kamera für das Lucky Imaging ist es, die Belichtungszeit soweit zu reduzieren, dass Seeingeffekte die Bildqualität nicht mehr merklich beeinflussen. Entsprechend der Öffnung des Celestron C 9.25 von 23,5 Zentimetern sollte sich theoretisch eine Auflösung von etwa einer halben Bogensekunde erreichen lassen, was prinzipiell auch die Zielgröße beim Fotografieren sein sollte. Wegen der relativ großen Pixel der Luca S wird allerdings erst bei Brennweiten ab 4000 Millimeter ein Abbildungsmaßstab von einer halben Bogensekunde pro Pixel erreicht. Bei Verwendung der originären Brennweite des C 9.25 von 2350 Millimetern beträgt der Abbildungsmaßstab eine Bogensekunde pro Pixel, bei Verwendung eines 0,63-fach-Focalreducers rund zwei Bogensekunden pro Pixel. Bei mittelmäßiger Luftunruhe fallen kurzzeitige Seeingeffekte dann kaum ins Gewicht, sofern Einzelbelichtungen mit zeitweilig sehr großer Luftunruhe bei der weiteren Verarbeitung konsequent aussortiert werden. Bei 2350 Millimeter beziehungsweise 1480 Millimeter Brennweite und fünf Sekunden Belichtungszeit eignen sich meistens 70 bis 80 Prozent der Rohbilder für die Weiterverarbeitung. Bei 4700 Millimeter Brennweite, die sich mit einem Zweifach-Telekonverter erreichen lassen, sind dagegen bereits selbst bei Belichtungszeiten von einer Sekunde und weniger nur noch 20 bis 30 Prozent, bei sehr gutem Seeing auch einmal bis zu 84 März 2012 Sterne und Weltraum

4 Überblick: Die EM-CCD-Kamera Luca S von Andor Die nordirische Firma Andor Technology produziert hochempfindliche Kameras für Forschungszwecke, die zumeist in Labors eingesetzt werden, beispielsweise in der Mikroskopie. Die Kamera Luca S mit Pixeln arbeitet bei ausgeschalteter Bildverstärkung wie eine herkömmliche CCD-Kamera. Bei eingeschalteter Bildverstärkung mittels Elektronenvervielfachung ist die Kamera derart lichtempfindlich, dass sie einzelne Photonen nachweisen kann. Bei der Aufnahme lichtschwacher Objekte, insbesondere bei den im vorliegenden Beitrag beschriebenen astrofotografischen Anwendungen, können hohe Bildraten von bis zu 37 Bildern pro Sekunde sinnvoll sein. Weitere Informationen: Technische Daten CCD-Chip Chipgröße Pixelzahl Pixelgröße Fullwell-Kapapzität Maximale Bildrate Auslesefrequenz Dunkelstrom Ausleserauschen Chiptemperatur TC247SPD Frame Transfer 6,58 3 4,96 Millimeter Pixel Mikrometer Elektronen 37 Bilder pro Sekunde 13,5 Megahertz 0,05 Elektronen pro Pixel pro Sekunde Rund 0,1 Elektronen pro Pixel (15 ohne EM-Verstärkung) 20 Grad Celsius Die Luca S am Celestron 9.25: Zwischen Kamera und Teleskop befindet sich ein Filterrad für Aufnahmen in den Filtern R, G, B und UHC, beziehungsweise OIII, SII, H-beta und H-alpha. Die Kamera Luca S wird über einen USB-2-Anschluss mit einem Computer verbunden und mit einer vom Hersteller gelieferten Software betrieben. Die Einzelbelichtungen lassen sich während der Aufnahme auf dem Bildschirm eines Laptops betrachten. 40 Prozent nutzbar. Speziell bei diesen großen Brennweiten ist eine sorgfältige Auswahl der Rohbilder entscheidend für die spätere Bildqualität. Erfreulich unkompliziert gestalten sich bei der Verwendung einer EMCCD- Kamera das Aufsuchen des Objekts, die Wahl des Bildausschnitts und das Fokussieren. Die meisten Objekte, die heller als 13 mag sind, werden bereits nach einer Belichtungszeit von zwei Sekunden direkt auf dem Bildschirm sichtbar. Zum Fokussieren zentriere ich einfach nur einen etwas helleren Stern im Gesichtsfeld der Kamera und wähle ihn mit der Zoomfunktion aus. Bei Belichtungszeiten um eine zehntel Sekunde lässt sich das Bild dann komfortabel mit direkter Kontrolle fokussieren. Die Aufnahme einer Bilderserie erfolgt einfach über die Serien bildfunktion. Dabei gewöhnte ich mir an, gleich während der Aufnahme einen automatischen Dunkelbildabzug zur Entfernung der Hotpixel durchführen zu lassen. Die einmal angelegte Dunkelbildbibliothek lässt sich über mehrere Jahre hinweg nutzen. Aufnahmen mit herkömmlichen CCD- Kameras korrigieren Astrofotografen mit Hilfe eines so genannten Flatfields. Ein Flatfield ist ein Bild von einer gleichmäßig beleuchteten Fläche, beispielsweise des wolkenlosen Himmels. Eine solche Aufnahme lässt Einflüsse der Vignettierung, von Staubpartikeln und von anderen Störungen erkennen, welche die Qualität einer Himmelsaufnahme beeinträchtigen. Sie lassen sich durch den Abzug des Flatfields von den Einzelbildern korrigieren. Bei der von mir genutzten Optik mit EMCCD-Kamera ist der Abzug eines Flatfields in der Regel nur bei sehr stark aufgehelltem Himmel notwendig. Wegen der geringen Chipgröße der Luca S zählen Weitfeldaufnahmen natürlich nicht zu den Stärken dieser Kamera. Sehr lohnende Ziele sind dagegen Galaxien und speziell Planetarische Nebel. März

5 Deep-Sky-Objekte mit Lucky Imaging Für die Astrofotografie mit Lucky Imaging eignen sich vorzugsweise Objekte mit hoher Flächenhelligkeit, denn ihr Licht liefert selbst auf kurz belichteten Einzelbildern noch ein starkes Signal, das deutlich über dem Ausleserauschen des Kamerasensors liegt. Deshalb widmeten sich die mit herkömmlichen CCDs arbeitenden Astrofotografen bislang vor allem dem Lucky Imaging von Mond und Planeten. Dank der hochempfindlichen Kamera Luca S konnte Carsten Dosche nun auch Objekte jenseits des Sonnensystems mit dieser Methode aufnehmen. Für das von ihm genutzte Schmidt- Cassegrain-Teleskop Celestron 9.25 ergab sich eine Aufnahmebrennweite von 2350 Millimetern, mit Focal Reducer waren es 1480, mit Zweifach-Telekonverter 4700 Millimeter. Bei derart langen Brennweiten kommen vor allem Planetarische Nebel als Zielobjekte in Betracht, für die der Sternfreund RGB-Farbkomposite erstellte. Darüber hinaus wagte er sich an Sternentstehungsregionen und Galaxien heran. Und der Erfolg gibt ihm Recht, denn das Lucky Imaging erweist sich auch bei diesen ausgedehnten Objekten mit geringerer Flächenhelligkeit als effizient. Planetarische Nebel NGC 1514 ist ein Planetarischer Nebel im Sternbild Stier mit einem Durchmesser von 2,2 Bogenminuten. Sein Zentralstern hat das Ende seiner Entwicklung erreicht und verliert nun Materie, indem er einen Sternwind an die Umgebung abgibt. Die Gasatome dieses Winds werden durch das Licht des Sterns zu dem hier sichtbaren bläulichen Leuchten angeregt. Brennweite: 2350 mm, LRGB-Komposit, L: s (UHC-Filter), RGB: s Der 11 mag helle Planetarische Nebel NGC 40 umgibt einen Stern mit einer Oberflächentemperatur von Grad Celsius. Er regt die von ihm ausgestoßene Materie zum Leuchten an. Im Inneren des Nebels entdeckten die Astronomen mit dem Röntgensatelliten Chandra sogar Wolken aus mehreren Millionen Grad Celsius heißem Gas. Brennweite: 2350 mm, LRGB-Komposit, L: s (UHC-Filter), RGB: s Der kugelförmige Planetarische Nebel Abell 39 im Sternbild Herkules lässt den Zentral stern in seinem Zentrum gut erkennen. Brennweite: 1480 mm, RGB-Komposit, s und s in OIII Der mehrere tausend Lichtjahre entfernte Planetarische Nebel NGC 6781 im Sternbild Adler hat einen Durchmesser von rund zwei Lichtjahren. Die farbenprächtige Gasschale umgibt den Zentralstern, der sie zum Leuchten anregt und der allmählich abkühlt. Brennweite: 2350 mm, RGB-Komposit, s Einer der wohl berühmtesten Planetarischen Nebel, Messier 57 im Sternbild Leier, offenbart in diesem Kompositbild seine Farben und den Zentralstern. Brennweite: 2350 mm, RGB-Komposit, s 86 März 2012 Sterne und Weltraum

6 Der 12 mag helle und mehr als 5000 Lichtjahre von der Erde entfernte Planetarische Nebel NGC 2022 im nordöstlichen Teil des Sternbilds Orion lässt auf diesem Kompositbild deutliche Einzelheiten mit unterschiedlichen Farben erkennen. Brennweite: 4700 mm, LRGB-Komposit, L: s (UHC), RGB: s NGC 7026 im Sternbild Schwan besticht durch sein außergewöhnliches Erscheinungsbild, das dem rund 6600 Lichtjahre entfernten und 10,9 mag hellen Planetarischen Nebel auch den Beinamen»Cheeseburger-Nebel«eintrug. Brennweite: 4700 mm, RGB-Komposit, s Trotz seiner kleinen Winkelausdehnung von nur sieben Bogensekunden und seiner geringen Helligkeit von 12,6 mag zählen einige Sternfreunde IC 2003 im Sternbild Perseus zu den schönsten Planetarischen Nebeln. Brennweite: 4700 mm, LRGB-Komposit, L: s (UHC), RGB: s Galaxien Die Spiralarme der»whirlpoolgalaxie«messier 51 leuchten überwiegend im bläulichen Licht heißer, massereicher Sterne. Einen schönen Farbkontrast hierzu bildet die Begleitgalaxie NGC 5195, deren orange-gelbes Licht auf ältere Sterne hindeutet. Brennweite: 1480 mm, LRGB-Komposit, L: s, RGB: s Bei manchen Galaxien erstaunt es, dass sie nicht im Messier-Katalog enthalten sind so auch im Fall der immerhin 9,5 mag hellen Galaxie NGC 7331 im Sternbild Pegasus. Das Sternsystem ist rund 46 Millionen Lichtjahre entfernt. Brennweite: 1480 mm, LRGB-Komposit, L: s, RGB: s März

7 Galaktische Nebel Der Adlernebel Messier 16 ist eine Sternentstehungsregion innerhalb unserer Galaxis. In dem hier fotografierten Gebiet heben sich dunkle Wolken aus kaltem Staub vom Gas der Umgebung ab, das von jungen Sternen zum Leuchten angeregt wird. Ihr energiereiches Licht zerstört die Staubwolken allmählich. Brennweite: 1480 mm, SII/Ha/OIII-Komposit, s NGC 2261 wird als»hubbles veränderlicher Nebel«bezeichnet, weil der US-amerikanische Astronom Edwin Hubble im Jahr 1916 erstmals Änderungen der Form und der Helligkeit des Nebels beobachtete. Der Nebel reflektiert das Licht des Sterns R Monocerotis, der sich in seinem Inneren befindet. Brennweite: 2350 mm, RGB-Komposit s Kugelsternhaufen In diesen Bildern ist das Sternengewimmel der Kugelsternhaufen Messier 3 (links) und Messier 92 bis in die Zentren hinein aufgelöst. Die beiden Sternhaufen sind unterschiedlich stark konzentriert. Zahlreiche Sterne leuchten in einem gelblich-orangefarbenen Licht, andere bläulich-weiß. M 3: Brennweite: 1480 mm, LRGB-Komposit, L: s, RGB: s M 92: Brennweite: 1480 mm, RGB-Komposit ,5 s 88 März 2012 Sterne und Weltraum

8 Letztere weisen oft einen relativ kleinen Winkeldurchmesser auf, sie haben dafür aber eine hohe Flächenhelligkeit und eignen sich somit besonders gut für Lucky Imaging. Als ideale Belichtungszeiten erwiesen sich je nach Planetarischem Nebel und Luftunruhe 0,5 bis fünf Sekunden. Da die meisten Planetarischen Nebel einen hellen Zentralstern enthalten, kann die Einzelbelichtungszeit auch sehr weit reduziert werden, solange sich die Einzelaufnahmen bei der späteren Bildverarbeitung auf den Zentralstern zentrieren lassen (siehe Bilder auf S. 86). Galaxien erfordern mit ihrer geringeren Flächenhelligkeit dagegen Belichtungszeiten von zwei bis zehn Sekunden, so dass ich hier hinsichtlich der Seeingbedingungen etwas wählerischer sein muss (siehe Bilder auf S. 87 unten). Die mit dieser Methode erreichbare Grenzgröße liegt zumindest bei Vorortbedingungen, bei denen ich die meisten der im vorliegenden Beitrag gezeigten Bilder aufnahm, bei knapp 20 mag. Tipps und Tricks zur Bildverarbeitung Da zum Erreichen eines für die Bildverarbeitung genügend hohen Signal-Rauschverhältnisses mit einer EMCCD-Kamera insgesamt genauso lange belichtet werden muss wie bei einer konventionellen CCD-Kamera, fällt wegen der kurzen Einzelbelichtungen eine erhebliche Menge an Rohbildern an. Bei Belichtungszeiten im Sekundenbereich sind das dann in der Regel 500 bis 1000 Einzelbilder. Falls bei lichtschwächeren Objekten das LRGB-Verfahren zur Herstellung von Farbkompositen verwendet wird, können für den Luminanzkanal mitunter auch 2000 Bilder oder mehr anfallen. Bei einer Digitalisierungstiefe der Luca S von 14 bit setzt das zu verarbeitende Datenvolumen eine entsprechende Rechnerkapazität, insbesondere einen ausreichend großen RAM-Speicher, voraus. Beim Additionsprozess müssen alle Rohbilder, bei denen die störende Luftunruhe verzerrte oder aufgeblasene Sternabbildungen erzeugt hat, sorgfältig aussortiert werden. Die üblichen für Planetenaufnahmen verwendeten Programme lieferten dabei allerdings mitunter nicht reproduzierbare Ergebnisse. Für die Bildaddition bewährte sich dagegen das im Internet frei verfügbare Bildverarbeitungsprogramm Deep-Sky- Stacker, das neben einer manuellen Kontrolle der Bildqualität auch einen zuverlässigen Algorithmus zur Bildausrichtung bietet. Als besonders vorteilhaft bei der Verarbeitung der vielen Rohbilder erwies sich die Funktion»Drizzle«des Deep-Sky-Stackers. Das Drizzle-Verfahren verteilt das Objekt zunächst nach einem speziellen Algorithmus auf eine größere Anzahl von Pixeln. Das nun verfeinerte Pixelraster ermöglicht unter anderem ein genaueres Zentrieren der Einzelbelichtungen auf einen gewählten Bezugspunkt, beispielsweise auf den Zentralstern eines Planetarischen Nebels. Die Zentrierung der Einzelbelichtungen erfolgt nun mit einer Genauigkeit von Bruchteilen der Originalpixel. Die nachzentrierten Bilder werden anschließend aufsummiert und ergeben dann ein Gesamtbild von höherer Qualität, als das einfache Aufsummieren und Vergrößern der Originalbilder ergeben hätte. Auf diese Weise lässt sich die geringe Chipgröße der Luca S zu einem gewissen Grad ausgleichen. Die Voraussetzung dafür ist allerdings, dass eine größere Anzahl von Rohbildern zur Verfügung steht, bei denen das Objekt in den verschiedenen Aufnahmen schon jeweils um einen Pixel bruchteil gegeneinander versetzt worden sein muss (englisch: dither). Dieses»Dithern«kann man entweder mühsam über die Nachführkontrolle bewerkstelligen oder man kann einfach ganz auf eine Korrektur der Nachführung verzichten. Die mechani sche Ungenauigkeit der Montierung sorgt dann für ein mehr oder weniger automatisches Dithern. Insofern bietet die Verwendung einer EMCCD-Kamera ideale Voraussetzungen für die Anwendung des Drizzle-Algorithmus. Eine zukunftsweisende Kameratechnik? Das Lucky Imaging von Deep-Sky-Objekten mit EMCCD-Kameras ist aufgrund der Möglichkeit, die Belichtungszeit in sehr viele kurze Intervalle zu unterteilen, eine vielversprechende Alternative zur etablierten Aufnahmetechnik. Die Methode liefert besonders bei Deep-Sky- Objekten mit kleiner Winkelausdehnung, die hohe Brennweiten erfordern und damit hohe Ansprüche an die Nachführgenauigkeit stellen, hervorragende Ergebnisse. Dabei eignet sich die lichtempfindliche EMCCD-Kamera Luca S neben Deep-Sky-Aufnahmen aufgrund ihrer hohen Ausleserate von bis zu 37 Bildern pro Sekunde auch ausgezeichnet für Mond- und Planetenaufnahmen und ist daher mit Einschränkungen eine echte Allround-Kamera. Zwei Nachteile bleiben allerdings: Dies ist zum einen die eingeschränkte Verfügbarkeit der EMCCD-Kameras. Neugeräte sind mit Preisen ab Euro zumindest für Amateurastronomen uner schwinglich teuer, und die wenigen Gebrauchtgeräte, die in Umlauf kommen, lassen sich an einer Hand abzählen. Zum anderen sind die EMCCD-Chips alle relativ klein, auch wenn sich das durch Drizzeln teilweise ausgleichen lässt. Dies ist auf die vorwiegend mikroskopische Anwendung der EMCCD-Kameras zurückzuführen, da das in der Mikroskoptechnik meist verwendete C-Mount-Gewinde nun einmal einen relativ kleinen Durchmesser aufweist. Die Entwicklung größerer Chips wäre daher unwirtschaftlich. Aber vielleicht hat die technische Entwicklung auch die EMCCD-Kameras schon überholt: Mit den neuen scmos-kameras gibt es seit dem Jahr 2011 Geräte auf dem Markt, die Auflösungen von sechs Millionen Pixeln und mehr bieten, die aber hinsichtlich ihres Ausleserauschens und ihrer Empfindlichkeit den EMCCD-Kameras kaum nachstehen. Insofern bleibt es eine spannende Frage, welche Kameras wir in zehn Jahren auf den Himmel richten werden. Carsten Dosche erforscht an der Universität Oldenburg die Photochemie organischer Farbstoffe auf molekularer Ebene. Er benutzt dazu seit mehr als zehn Jahren CCD-Kameras mit unterschiedlichen Bildverstärkungskonzepten. Literaturhinweis Anton, R.: Doppelsterne mit Lucky Imaging messen. In: Sterne und Weltraum 4/2011, S Weblinks zu den Methoden und Ergebnissen des Lucky Imaging finden Sie unter artikel/ März

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Der Einzug der digitalen Technik in der Amateurastronomie ermöglicht heute auch Hobby-Fotografen eine Aufnahmequalität, die bisher unerreichbar schien. Dieser neuartige tiefe Atlas macht erstmals davon Gebrauch und zeigt 69 Regionen der Mondoberfläche. Roland Störmer ASTROFOTOGRAFIE Blick zum Himmel mit der digitalen Kamera Edition Profifoto 2011, 249 S. m. zahlr. Farbabb., kart., mitp. Bestell-Nr ,95 (D), 41,10 (A) Himmelserscheinungen gekonnt mit der Kamera einfangen mit und ohne Teleskop Ob Mondkrater, Sonnenfinsternis, Satelliten, der gesamte Sternenhimmel oder ferne Galaxien, anhand inspirierender Beispielbilder und verständlicher Erklärungen lernen Sie, die unendlichen Weiten selbst in erstaunlichen Aufnahmen festzuhalten. Die erforderliche Ausrüstung wird genau beschrieben. Mit unzähligen Bildbearbeitungstipps. 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In den letzten vier Jahrhunderten wurden weder Mühen noch Aufwand gescheut, um von weit auseinander liegenden Punkten der Erdkugel dieses Ereignis zu beobachten und zu messen, da die gewonnenen Daten Aufschluss über die Entfernung zwischen Sonne und Erde boten. Gudrun Bucher erzählt von diesen Expeditionen, berichtet von erfolgreichen Messungen sowie tragischen Schicksalen und stellt sie in einen wissenschaftsgeschichtlichen Zusammenhang. Harald Lesch, Jörn Müller STERNSTUNDEN DES UNIVERSUMS Von tanzenden Planeten und kosmischen Rekorden 2011, 267 S. m. 60 farb. Abb, geb., C. Bertelsmann Bestell-Nr ,99 (D), 20,60 (A) Unglaubliche Vorgänge im Universum anschaulich und unterhaltsam erzählt! Lernen Sie Sterne kennen, die tausende Male leuchtkräftiger und heißer sind als unsere Sonne, begreifen Sie mit leichtem Gruseln, wie winzig die Zufallsspanne zwischen Sein und Nichtsein ist, lesen Sie die Wetterkarte anderer Planeten oder lassen Sie sich verführen, den Urknall für einen Augenblick links liegen zu lassen. Mit diesen ungewöhnlichen Sternstunden des Universums beweisen Harald Lesch und Jörn Müller einmal mehr, dass wissenschaftliche Denkabenteuer und Lesevergnügen bestens harmonieren können. Bequem direkt bei per telefonisch per Fax per Post bestellen: 90 März Postfach Sterne und Weltraum Stuttgart Für Bestellungen außerhalb Deutschlands und Österreichs berechnen wir 3,50 Versandkosten. Alle Preise inkl. Umsatzsteuer. Preise unter Vorbehalt. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbh

10 Jeffrey Bennett, Megan Donahue, Nicholas Schneider, Mark Voit ASTRONOMIE Die kosmische Perspektive 5. Aufl. 2010, 1162 S. m. zahlr. farb. Abb. u. Tab., geb., Pearson Bestell-Nr ,95 (D), 82,20 (A) Dieses Buch ist unser Dauerbrenner und das aus gutem Grund: Das für weiterführende Schulen in den USA konzipierte Lehrwerk führt didaktisch klug durch alle wesentlichen Teile der Astronomie und dies in aller Ausführlichkeit! Unterstützt wird der Text durch sehr viele aufwändig gestaltete Grafiken und aktuelle Aufnahmen aus der Wissen-schaft. Außerdem stehen dem Lernenden Zusatzma-terialien wie Übungen, eine Planetariumssoftware und ein englischsprachige Webseite zur Verfügung. Auch wenn es sich bei dem Titel um ein Schulbuch handelt, kann es jedem empfohlen werden, der eine umfassende und gründliche Einführung sucht. Eine Leseprobe finden Sie hier: Anil Ananthaswamy REISEN AN DIE GRENZEN DER PHYSIK Wie Kosmologen und Teilchenphysiker an extremen Orten die Geheimnisse des Universums entschlüsseln 2012, 407 S. m. 10 Abb., geb., Spektrum Akademischer Verlag Bestell-Nr ,95 (D), 30,80 (A) In diesem außerordentlich originellen Buch begibt sich der Autor auf eine Reise zu den größten Teleskopen und Detektoren, von denen wir uns Antworten erhoffen und die oft genug in den entlegenen, unwirtlichen Regionen der Erde stehen. Die Geschichten der Menschen, die dort arbeiten, vermitteln uns ein neues Bild des Universums und unseres unstillbaren Bedürfnisses, es zu verstehen. Ein persönlicher Bericht von der vordersten Front der Forschung, den Wissenschaftlern, die unter extremen Bedingungen arbeiten, und den Geräten, die sie einsetzen abenteuerlich und authentisch! Govert Schilling DAS KOSMOS BUCH DER ASTRONOMIE Die Wunder des Weltalls verstehen 2. Aufl. 2011, 256 S. m. zahlr. Abb. u. 12 Karten, geb., Kosmos Bestell-Nr ,95 (D), 25,70 (A) Von der Geschichte der Sternkunde bis zur Zukunft des Universums Basiswissen für Himmelsneugierige! Das Kosmos-Buch der Astronomie führt fundiert durch die Welt von Sonne, Mond und Sternen und gibt Tipps zur eigenen Himmelsbeobachtung. Anschaulich und verständlich beschreibt Govert Schilling die Phänomene des Weltalls. Mit tollen Weltraumfotos, vielen Illustrationen und praktischen Sternkarten. Ein ideales Wissensbuch für den Astroeinstieg! Katharina Al-Shamery (Hrsg.) Moleküle aus dem All? Thomas Bührke, Roland Wengenmayr (Hrsg.) Geheimn svoller Kosmos Astrophysik und Kosmologie im 21. Jahrhundert Bestellen Sie direkt: 2. Auflage mit neuen Beiträgen Katharina Al-Shamery (Hrsg.) MOLEKÜLE AUS DEM ALL? 2011, 316 S. m. Abb., geb., Wiley-VCH Bestell-Nr ,90 (D), 25,60 (A) Der Ursprung des Lebens fernab wilder Spekulationen und fragwürdiger Behauptungen: Faktengestützt und unterhaltsam legen die Autoren dar, wie es auf der anfangs ungemütlichen Erde zur Ausbreitung von Leben kommen konnte. Sie lassen uns verstehen, was kurz nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren los war, fischen in der Ursuppe des Lebens oder forschen nach außerirdischem Leben. Thomas Bührke, Roland Wengenmayr (Hrsg.) GEHEIMNISVOLLER KOSMOS Astrophysik und Kosmologie im 21. Jahrhundert 2. Aufl. 2011, ca. 200 S. m. 15 SW- u. 171 Farbabb., geb., Wiley-VCH Bestell-Nr ,90 (D), 30,80 (A) Wie beherrschen Dunkle Energie und Dunkle Materie das Universum? Was ist ihre Natur? Welche Rolle spielen Schwarze Löcher bei der Entwicklung von Galaxien? Solche aktuellen Fragen behandeln Astrophysiker in diesem Buch. Sachlich und kompetent führen sie die Leser zu den Rätseln des Kosmos. Sie beschreiben faszinierende Weltmodelle und konfrontieren die Leser mit offenen Fragen. Geheimnisvoller Kosmos ist ein Reiseführer zu den Grenzen der heutigen Erkenntnis. Viele farbige Bilder und aussage-kräftige Grafiken vereinfachen das Verstehen und machen das Lesen zum Genuss. Die Neuauflage wurde überarbeitet und um neue Beiträge erweitert info@science-shop.de Stefan Seip WAS SEHE ICH AM HIMMEL? Himmelsphänomene bei Tag und Nacht 2011, 159 S. m. 134 Farbfotos u. 19 Zeichnungen, kt., Kosmos Bestell-Nr ,95 (D), 13,40 (A) Dieser Naturführer zeigt und beschreibt die 100 schönsten Himmelsschauspiele. Manche wird man beim Spaziergang entdecken, einige vom Balkon aus und manchmal reicht ein Blick aus dem Fenster für ein neues»aha-erlebnis«. Dieser Führer für Sterne, Wolken und atmosphärische Phänomene ist als»immerdabei«-buch konzipiert: Er ist schmal und lang, so dass er gut in die Hosentasche passt, und ist mit einer wetterfesten Schutzhülle ausgestattet. Schnäppchen % Johannes V. Feitzinger GALAXIEN UND KOSMOLOGIE Aufbau und Entwicklung des Universums 2007, 223 S. m. zahlr. farb. Abb., geb., Kosmos Bestell-Nr Früher 29,90, jetzt nur 14,95 (D), 15,40 (A) Von den dynamischen Strukturen der Welteninseln zum Aufbau des Kosmos ein umfassender Einblick in die Evolution des Universums! Dunkle Materie und Dunkle Energie beherrschen den Kosmos und bestimmen sein Schicksal. Wie kamen die Astronomen zu diesem überraschenden Ergebnis und wie sieht unser heutiges Weltbild aus? Prof. Dr. Johannes V. Feitzinger von der Ruhr- Universität Bochum gewährt mit diesem Buch einen umfas senden Einblick in die Evolution des Universums und die sie antreibenden Kräfte. % Susanne Hoffmann, Axel Mellinger DER GROSSE KOSMOS HIMMELSATLAS 2008, 96 S. m. zahlr. farb. Abb. u. Sternkarten, geb., Kosmos Bestell-Nr Früher 39,90, jetzt nur 9,95 (D), 10,30 (A) Die Autoren haben aus 51 Sternfeldaufnahmen diesen umfassenden Atlas erstellt. Durch den Einsatz leistungsfähiger Computer und eigens für diese Aufgabe entwickelter Software konnten alle Einzelaufnahmen zu einem Gesamt-panorama vereint, entzerrt und schließlich in 30 Himmelsausschnitte unterteilt werden. Außerdem: ausführliche Beschreibungen der Sternbilder und über 140 Himmelsobjekte für Fernglas und Fernrohr. REDSHIFT 3D, CD-ROM Für Windows XP SP2, Vista, , United Soft Media (USM) Bestell-Nr ,90 (D), 19,90 (A) Astronomiesoftware mit beeindruckenden 3D-Darstellungen der Planeten, Monde und Deep-Sky-Objekte! CD-ROM Nutzen Sie Redshift 3D als einfaches und intuitiv zu bedienendes Planetariumsprogramm mit über 2,5 Millionen Sternen, Deep-Sky-Objekten und einem Himmelskalender zur Berechnung von Finsternissen und Konjunktionen für beliebige Standorte oder reisen Sie virtuell durch unser Sonnensystem und zu ausgewählten Deep-Sky- Objekten. INFO-Programm gem. 14 JuSchG. Weitere Informationen finden Sie unter: Bequem direkt bei per telefonisch per Fax per Post bestellen: info@science-shop.de Postfach März Stuttgart Für Bestellungen außerhalb Deutschlands und Österreichs berechnen wir 3,50 Versandkosten. Alle Preise inkl. Umsatzsteuer. Preise unter Vorbehalt. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbh