Deep-Sky CCD-Astrofotografie

Transkript

1 Deep-Sky CCD-Astrofotografie Teil I Gerd Neumann Einleitung Die Einführung und Verbreitung der CCD - Kameras in der Astronomie hat uns Amateuren eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnet, von denen noch vor 15 Jahren niemand zu träumen gewagt hätte: Ob Sie sich für Astrometrie, Photometrie, Spektroskopie oder einfach nur für schöne Bilder interessieren: mit einer CCD Kamera sind Sie mit einem typischen Amateurteleskop von 10cm bis 30cm Durchmesser in der Lage, Ergebnisse zu produzieren, die noch vor einigen Jahren nur von Profis erreicht wurden. Der folgende Artikel soll Ihnen einen Überblick geben, wie Sie mit einer CCD - Kamera schöne, womöglich sogar farbige, Bilder von Deep-Sky Objekten erhalten können. 23 Zur Funktionsweise von CCDs Die Abkürzung CCD steht für Charge coupled device. In einer CCD - Kamera befindet sich kein Filmstreifen wie in Ihrer klassischen Kleinbildkamera, sondern ein - meist recht kleiner - Chip aus Silizium mit einem lichtempfindlichen Bereich, in dem das Bild registriert wird. Ein CCD - Sensor ist genau so ein elektronisches Bauteil, wie die ICs oder Transistoren in Ihrem Computer, Handy oder Organizer. Allerdings ist das Herstellungsverfahren aufwändiger, weshalb CCDs auch vergleichsweise teuer sind. Stark vereinfacht können Sie sich einen CCD - Sensor als ein Feld voller regelmäßig aufgestellter Wassereimer vorstellen: Wenn ein Regenschauer über dem Feld nieder geht, enthält jeder Eimer eine bestimmte Menge Wasser. Über ein System von Transportketten wird nun jeder Eimer zu einer Messstation gebracht, an der die im Eimer enthaltene Menge Wasser gemessen wird. Zusammen mit den Koordinaten

2 Andromeda des Eimers erhält man zum Schluss eine Karte der Wasserverteilung auf dem Feld. Fällt die Strahlung eines Sternes, einer Galaxie oder eines Gasnebels auf das CCD, werden im Silizium Elektronen freigesetzt. Diese Elektronen werden in den Eimern, den so genannten Pixeln (von engl.: Picture Element) gespeichert. Die Anzahl der Elektronen im Pixel ist proportional zur Energie, also abhängig von Wellenlänge und Intensität der Strahlung. Nach Ende der Belichtung wird die Menge der Elektronen im jedem Pixel gemessen und zusammen mit den Koordinaten gespeichert - wir haben alle Informationen für ein Bild. Natürlich ist ein echter CCD - Sensor sehr viel komplizierter aufgebaut, und es werden auch nicht die einzelnen Pixel zum Ausleseverstärker gebracht: Die gespeicherten Ladungen werden über Elektroden und elektrische Signale über den Chip verschoben, so dass am Ausleseverstärker die Ladungen der Pixel nacheinander gemessen werden. Bei einem besonders schwachen oder kurzen Regenschauer muss vielleicht das Wasser aus vier (2x2) oder neun (3x3) benachbarten Eimern zusammen gekippt werden, bis man eine messbare Menge Wasser erhält. Bei CCDs geht das auch: man nennt das Zusammenfassen benachbarter Pixel Binning. Mittels Binning kann die Empfindlichkeit einer CCD - Kamera erhöht oder die Auflösung des Chips an die Brennweite des verwendeten Teleskopes angepasst werden. Instrumente Haben Sie ein Teleskop und eine Montierung und möchten Sie eine passende CCD - Kamera dazu erwerben? Oder haben Sie eine bestimmte CCD - Kamera im Auge und suchen das passende Teleskop mit Montierung? Egal aus welcher Richtung Sie kommen, das passend wird die Qualität Ihrer Ergebnisse entscheidend bestimmen. Wenn Sie den Einstieg in die CCD - Astronomie planen, verschaffen Sie sich einen ungefähren Überblick über den zur Verfügung stehenden Etat: Es lohnt sich nicht, ein besonders großes oder teures Teleskop oder eine sehr teure CCD - Kamera zu kaufen, wenn Sie dafür an anderer Stelle, zum Beispiel bei der Montierung, zu sehr sparen müssen. Schöne Bilder sind dann machbar, wenn alle Zubehörteile gut aufeinander abgestimmt sind und miteinander funktionieren. Die Montierung Die Montierung soll Ihr Teleskop mit der CCD - Kamera und allen Zubehörteilen wie Okularauszug, Filterrad, Sucher, Taukappe etc. der Drehung des Himmels nachführen. Wenn Sie schöne Aufnahmen mit runden Sternen erreichen möchten, brauchen Sie dazu eine Montierung mit einer wirklich 24

3 guten Mechanik. Der Autor studierte Maschinenbau und hat insofern eine besondere Vorliebe für gute Mechanik, denn eine wackelige Montierung mit einem schlechten Schneckenrad wird auch Ihnen bald die Freude verderben: in Deutschland gibt es einfach zu wenig klare Nächte, als dass man sich über eiförmige Sterne auf einer Aufnahme nicht ärgern würde. Lassen Sie bei der Wahl einer Montierung für die CCD - Astrofotografie die Finger von den Billigprodukten aus Fernost: Das Lagerspiel wird durch die Verwendung von zähem Fett kaschiert. Die mangelhafte Ausführung von Schneckenrad und Schnecke mag für die visuelle Beobachtung nicht stören, bei CCD - Aufnahmen dafür um so mehr. Schneckenrad und Schnecke sind 25 die wichtigsten Komponenten einer Montierung: In modernen Montierungen dreht ein Schrittmotor über ein kleines Getriebe die Schnecke, die in das Schneckenrad eingreift und so die Montierung dreht. Die Schnecke ist als mechanisches Bauteil nicht beliebig genau zu fertigen, sondern wird immer einen mehr oder weniger großen Schlag, den so genannten Pendelfehler haben. Sehr hochwertige, geschliffene Schneckengetriebe haben einen Pendelfehler von 2 (Bogensekunden), in Billigmontierungen sind Pendelfehler von 40 bis 60 keine Seltenheit. Mit letzteren kann man vielleicht noch halbwegs brauchbare Weitwinkelaufnahmen mit einem Fotoobjektiv erstellen, aber ein Teleskop mit einer CCD - Kamera im Fokus hat auf einer solchen Montierung nichts zu suchen. Der sinusförmige Pendelfehler wird häufig noch von kleinen schnellen Sprüngen überlagert, welche Schmutz im Getriebe oder eine raue Oberfläche von Schnecke und Schneckenrad anzeigen. Einen Pendelfehler mit einem glatten Verlauf können sie mit dem Auge oder einem Autoguider noch gut korrigieren; viele kleine schnelle Sprünge würden Sie jedoch wahnsinnig machen, weil Sie nicht zu beherrschen sind. Die Wahl der Montierung hängt natürlich auch davon ab, wie Sie CCD - Fotografie betreiben: Müssen Sie vor jeder Beobachtung das Auto beladen und zum Beobachtungsplatz fahren? Haben

4 Andromeda Sie eine kleine Säule im Garten stehen, oder verfügen Sie gar über eine eigene Sternwarte mit fest montiertem Instrument? Müssen Sie Ihre Ausrüstung für jede Beobachtung neu aufbauen, ist das Gewicht ein limitierende Punkt: Sie sollten den Aufbau auch müde noch gut bewältigen können. Können Sie Ihre Montierung hingegen fest aufstellen, setzt eigentlich nur Ihr Geldbeutel die Grenzen. Weiter sollten Sie überlegen, ob Sie Ihr Instrument manuell auf jedes Objekt ausrichten wollen, oder ob Sie sich eine Montierung mit GoTo, also mit der Möglichkeit, Objekte automatisch anfahren zu können, wünschen. GoTo ist modern, so dass gute, ältere Montierungen, die sich nicht umbauen lassen, preiswert zu bekommen sind. Entscheiden Sie sich für eine Montierung mit GoTo, sollte die Elektronik eine Schnittstelle zur Kommunikation mit Ihrem Computer haben, denn der Komfort, ein Objekt per Mausklick ansteuern zu können, ist enorm. Gute GoTo-Lösungen gibt es für alle Montierungsgrößen. Die Fernrohrsteuerung FS-2 der Firma Astroelektronik (www. astroelektronik.com) kann nachträglich an fast alle Montierungen angebaut werden und lässt kaum Wünsche offen. Für den transportablen Einsatz kann ich aus eigener Erfahrung die GP-DX Montierung von Vixen empfehlen. Auch die kleinen Montierungen von Takahashi sind eine gute Wahl. Wenn es etwas größer sein darf, schauen Sie nach Montierungen von Alt, Astro- Physics, Losmandy oder Takahashi. Ich selbst benutze eine Vixen GP-DX und eine Takahashi NJP und bin mit beiden sehr zufrieden. Versuchen Sie mit dem Händler/Verkäufer zu vereinbaren, dass Sie die Montierung ein paar Nächte unter den Sternen testen dürfen, damit Sie bei mangelhafter Qualität den Kauf ohne Probleme rückgängig machen können. Das Teleskop Das Teleskop sammelt das Licht und fokussiert es auf den CCD - Sensor. Dabei sollte es möglichst scharf und kontrastreich abbilden und wenig Abbildungsfehler aufweisen. Ein Teleskop für die visuelle Beobachtung wählt man im allgemeinen so groß wie möglich, denn je größer die Optik, desto mehr Objekte kann man sehen. Für die CCD - Astrofotografie spielt die Öffnung keine große Rolle: Schon mit einem Instrument mit 20cm Öffnung können Sie bis zur 21. Größenklasse vordringen. Die Reichweite von CCD - Aufnahmen ist eigentlich nur eine Frage der Belichtungszeit. Das entscheidende Kriterium für die CCD - Fotografie ist die Brennweite: Je länger sie ist, desto größer werden die Objekte im Fokus abgebildet, aber desto kleiner ist bei gleicher Chipgröße 26

5 das Gesichtsfeld. Zudem nehmen mit steigender Brennweite die Auswirkungen von Nachführfehlern, Windböen und Luftunruhe stark zu. Man kann Teleskope in grob vier Brennweitenbereiche einteilen: Brennweiten bis 400mm: Fotoobjektive und kleine, lichtstarke Refraktoren sind in diesem Bereich die am häufigsten eingesetzten Instrumente, da man auch mit Kameras mit kleinen Chips große Gesichtsfelder erhält. Weitwinkelaufnahmen von großflächigen Nebeln sind immer beeindruckend. Durch die kurze Brennweite spielt das Seeing und die Qualität der Nachführung nahezu keine Rolle, allerdings benötigt man für diese Art der CCD - Fotografie einen sehr dunklen Himmel ohne störendes Streulicht und Hintergrundaufhellungen. Die Anzahl der Objekte ist zwar relativ begrenzt, aber ein H-Alpha Filter schafft viele neue Möglichkeiten: man kann sowohl in der Großstadt als auch bei Vollmond lang belichtete Aufnahmen von sehr schwachen Objekten machen. Brennweiten von 400mm bis 1000mm Mit Instrumenten mit Brennweiten zwischen 400mm und ca. 1000mm kann man viel Spaß haben: Sie sind ein schöner Kompromiss zwischen Bildfeldgröße und Detailauflösung. Die Anzahl der interessanten Objekte ist groß. Die Objekte des Messierkataloges sind die ersten Ziele. Dieser Bereich ist ideal für Einsteiger in die CCD - Technik, denn die Anforderungen an die Nachführung und ans Seeing sind moderat. Nehmen Sie einen kleinen, leichten Newton mit 15cm Öffnung und 750mm Brennweite, oder den noch lichtstärkeren 20cm f/4 Newton wie den RS200-SS von Vixen, oder auch den 15cm f/6 MK69 Photo- Mak von Intes: Diese Instrumente sind noch so leicht, dass Sie kein Vermögen für die Montierung ausgeben müssen. Wegen der relativ kurzen Brennweite liefern auch preiswerte Kameras mit kleinem Chip ein großes Gesichtsfeld. Sie werden schnell schöne, vorzeigbare Aufnahmen erstellen. Brennweiten von 1000mm bis 2000mm Sobald die Brennweite Ihres Aufnahmeinstrumentes mehr als 1000mm beträgt, wird die CCD-Fotografie eine anspruchsvolle Angelegenheit: Sie benötigen eine Kamera mit einem großen CCD-Chip, weil viele Objekte sonst das Bildfeld sprengen. Die Montierung sollte auch gehobenen Ansprüchen genügen, da Ihnen sonst jeder Windstoß die Aufnahme ruiniert. Entscheiden Sie sich für ein lichtstarkes Instrument mit 27

6 Andromeda 20cm bis 30cm Öffnung, wird die Auflösung Ihrer Aufnahmen im Großteil der Nächte durch die Luftunruhe stark reduziert. Bei der Nachführung geht der Ärger mit der Suche nach einem geeigneten Leitstern teilweise schon vor der Aufnahme los. Planetariumsprogramme wie Guide, bei denen ein Rahmen mit dem Bildfeld Ihrer Kamera und des Nachführchips oder des Fadenkreuzokulars eingeblendet werden kann, helfen weiter. Wer die technischen Anforderungen bewältigt, wird mit detaillierten Portraits von Galaxien, Nebeln und Kugelsternhaufen belohnt, die noch vor einigen Jahren nur Profis vorbehalten waren. Brennweiten von mehr als 2000mm Brennweiten über 2000mm sind nur etwas für fortgeschrittene Astrofotografen. Bevor man sich an so lange Brennweiten wagt, um kleine Deep- Sky Objekte in Ihrem vollen Detailreichtum auf den Chip zu bannen, sollte man bereits viele Erfahrungen mit kürzeren Brennweiten gesammelt haben. Die Anzahl der Objekte ist nahezu unbegrenzt: Planetarische Nebel, wechselwirkende Galaxien und ferne Galaxienhaufen bieten ein weites Betätigungsfeld. Allerdings ist die Luft in Mitteleuropa selten so gut, dass eine so lange Brennweite wirklich sinnvoll eingesetzt werden kann: Im Großteil der Nächte wird das Seeing so schlecht sein, dass der Deckel vor der Öffnung bleibt und ein Instrument mit kürzerer Brennweite zum Einsatz kommt. Bis alle Einzelaufnahmen für eine gute Farbaufnahme eines Objektes fertig gestellt sind, können teilweise einige Jahre vergehen! Teleskoptypen Grundsätzlich sind alle Teleskoptypen für die CCD - Astrofotografie verwendbar. Da CCDs in einem großen Wellenlängenbereich empfindlich sind, spielt die Farbkorrektur der verwendeten Optik eine große Rolle: Werden Instrumente benutzt, die zur Abbildung nur Spiegel verwenden, wird das Licht aller Wellenlängen in einem gemeinsamen Brennpunkt vereinigt. Sobald Linsen im Strahlengang sind, fangen die Probleme an: Bei normalen Achromaten wird blaues und rotes Licht in verschiedenen Brennebenen gebündelt, was von der visuellen Beobachtung als farbiger Saum um helle Objekte bekannt ist. Bei Aufnahmen ohne Filter bleiben Sternabbildungen immer etwas schwammig und diffus. Dieses Problem tritt nicht nur bei Refraktoren auf, denn auch ein Reducer hinter einem Schmidt- Cassegrain führt Farbfehler ein, die nur noch mit Filtern zu beheben sind. Vor allem infrarotes Licht (IR) stellt ein großes Problem für den CCD-Fotografen dar: CCDs sind im IR sehr empfindlich, das Auge hingegen nicht. Keiner der bekannten Refraktoren oder Reducer ist für eine perfekte Abbildung 28

7 im IR korrigiert. Ohne Verwendung eines entsprechenden Sperrfilters, ist auf den Aufnahmen jeder Stern von einem unscharfen Hof umgeben, der vom nicht fokussierten IR erzeugt wird. Gerade bei kurzen Brennweiten sind jedoch hochwertige apochromatische Refraktoren hervorragende Instrumente, um CCD - Aufnahmen großflächiger Objekte zu gewinnen. Die bekannten Schmidt-Cassegrain Teleskope sind für die CCD - Astronomie nur bedingt zu empfehlen: Es wurden zwar schöne Aufnahmen mit solchen Teleskopen gewonnen, aber man hat aufgrund der mangelhaften Mechanik mit erheblichen Schwierigkeiten zu kämpfen: Während das Spiegel-Shifting bei der visuellen Beobachtung nur störend ist, macht es jede CCD - Aufnahme zunichte. Weiterhin erfordert das geringe Öffnungsverhältnis von typischerweise f/10 extrem lange Belichtungszeiten, und das stark gekrümmte Bildfeld verbietet die Benutzung von großen CCDs. Ein Newton Teleskop und ein CCD sind hingegen eine gute Kombination: Die Abbildungsqualität der meisten Newtons ist sehr gut, da sie nur aus wenigen optischen Elementen bestehen. Die Mechanik ist ebenfalls einfach aufgebaut und somit auch in guter Qualität bezahlbar. Die meisten Newtons sind mit f/4,5 bis f/6 recht lichtstark, was kürzere Belichtungszeiten ermöglicht. Das Problem bei Newtons ist allerdings der geringe Abstand zwischen Okularauszug und Brennebene, was dazu führen kann, dass Sie bei sehr lichtstarken Instrumenten mit Ihrer CCD - Kamera den Fokus nicht erreichen. Maksutov-Teleskope gibt es als Maksutov-Newtons und als Maksutov-Cassegrains. Sie werden gegenwärtig nur von der Firma Intes in nennenswertem Umfang gebaut, die Instrumente mit grundsolider Mechanik und einer ausgezeichneten Optik liefert. Maksutovs haben ein sehr großes Bildfeld mit sehr guter Abbildung und keinen Farbfehler, was Sie für die CCD - Astronomie sehr interessant macht! Instrumente wie Hypergraphen oder Ritchey-Chretien Teleskope sind für die CCD - Astronomie optimiert. Sie erfordern einen erheblichen finanziellen Aufwand und sind nur für sehr fortgeschrittene Amateure zu empfehlen. Über kurz oder lang werden Sie mehr als nur ein Teleskop für die CCD - Fotografie verwenden, um alle Objektklassen geeignet abbilden zu können. 29