Astro-Fotografie

Sowohl die Aufnahme vom Großen Orion Nebel, als auch die der Plejaden entstanden unter mäßigen Bedingungen auf meiner Terrasse im Stadtgebiet (Bortle 5, Light Pollution Map Karben) samt Lichtverschmutzung und einer winterlichen Dunstglocke. Die Aufnahmen waren niemals zur Veröffentlichung gedacht. Ich wollte lediglich die Fokusleistung eines neuen Teleskops sowie die Nachführungsqualität der überarbeiteten Montierung prüfen.

Doch diese Aufnahme eignet sich ganz gut zur Veranschaulichung, worum es bei der Astro-Fotografie eigentlich geht. Denn, egal mit welcher Technik die Bilder letztendlich aufgenommen werden, für die bekannten, farbenfrohen und intensiven Bilder ist immer ein massiver Eingriff in die Gradationskurve notwendig. Erst damit können die feinen Nuancen der Färbung und Struktur herausgearbeitet werden. Das eben gezeigte Bild sieht mit einer schnellen "Astro"-Gradationskurve z.B. folgendermaßen aus:

Mehr als die im Bild gezeigte, ziemlich extreme Gradationskurve wurde tatsächlich nicht verändert, die Farben und auch der Kontrast treten damit schon sehr deutlich hervor. Die Gradationskurve beginnt hier mit der Lichtverschmutzung, wodurch bei dieser Belichtung über 50% der Graustufen bereits verworfen werden. Dann verteilt diese steile Gradationskurve vielleicht 10% auf den gesamten Helligkeitsbereich; entsprechend wird dieser Vorgang "Strecken" (bzw. stretching) genannt.

Jeder, der bereits mit Gradationskurven gearbeitet hat, weiß, dass dadurch Artefakte wie Sensor-Rauschen ebenfalls massiv verstärkt werden. Zur Verdeutlichung habe ich rechts noch einmal einen vergrößerten Ausschnitt vom Zentrum eingesetzt.

Nur über die Belichtungszeit lässt sich das Rauschen nicht in den Griff bekommen. Eine längere Belichtungszeit hätte hier zunächst eine Erhöhung der Grundhelligkeit durch die Lichtverschmutzung zur Folge. Zugleich wird der ohnehin schon zu helle Kernbereich noch weiter überbelichtet. Am Ende wird der nutzbare Gradationsbereich kleiner und die Bildqualität tatsächlich eher schlechter. Auf der anderen Seite würde bei einer verkürzten Belichtungszeit das Sensor-Rauschen eher dominieren.

Der für Astro-Fotografie in diesem Zusammenhang wichtigste Parameter ist der sogenannte Signal-to-Noise-Ratio (SNR), also der Abstand zwischen Nutzsignal und Grundrauschen, und den gilt es zu maximieren. Bei einer einzelnen Aufnahme wird dies, durch die starke Streckung der Gradationskurve, primär durch die Bit-Auflösung des Sensors bestimmt (Quantisierungsrauschen), also wie viele Helligkeitsstufen pro Pixel unterschieden werden können. Bei JPG sind dies 8 Bit, folglich nur 256 Helligkeitswerte. Bei Roh-Formaten können mindestens 4096 (12 Bit), oft 16384 (14 Bit) oder gar 65536 (16 Bit) Helligkeitsstufen unterschieden werden; entsprechend rauschärmer wird das Bild nach einem solchen Gradationseingriff sein. Das gezeigte Beispiel wurde allerdings bereits aus einer 14-Bit RAW Datei der D750 erzeugt (auch spezialisierte Astro-Kameras haben nicht zwingend eine höhere Bittiefe) und sieht im Detail noch immer einigermaßen unschön aus.

Nun beginnt die Datenverarbeitung und die Notwendigkeit, vom gleichen Objekt mehrere Bilder aufzunehmen. Die einzelnen Pixel der Bildserie werden miteinander verrechnet und die Helligkeitswerte gemittelt ("integriert"). Da das Rauschen eher willkürlich auftritt, tritt es immer weiter in den Hintergrund, je mehr Aufnahmen verwendet werden. Auf diese Weise lässt sich nicht nur eine geringere Bit-Auflösung des Sensors kompensieren, sondern auch andere Störungen, wie Lichtspuren von Satelliten oder Flugzeugen.

Aus 28 solcher Einzelbilder entstand nach dem Normalisieren mit sogenannten Flats und Darks, dem Stacken und ein wenig Bildbearbeitung, am Ende dies (D750, 580mm Brennweite, f/5.8, ISO1600, 28x 120sek):

Aus mathematischer Sicht erreicht man mit einer Verdopplung der Datenbasis im Idealfall eine Halbierung des Rauschanteils. Die kleine Bildserie unten aus der Region des Pferdekopfnebels zeigt dies schon ganz gut.

Als Experiment bei Vollmond in den Lichtkegel von Frankfurt hinein entstanden insgesamt vier Einzelbilder mit jeweils 300s Belichtungszeit (ZWO ASI2600MC Pro). Die Reihe zeigt das in Photoshop gestreckte Ergebnis von einem, zwei, drei bzw. vier Einzelbildern. Sehr deutlich zu erkennen ist, wie nicht nur das Rauschen schnell abnimmt, sondern auch die Konturen definierter werden. Für eine weitere Halbierung wären dann schon acht Bilder notwendig, darüber hinaus entsprechend 16, 32, 64 und so weiter. 60 Einzelaufnahmen bedeuten dann folglich rund 5 Stunden Belichtungszeit. So entstehen dann die langen Belichtungszeiten in der Astro-Fotografie.

Ehrlich gesagt, war ich seinerzeit zwar einigermaßen begeistert, dass es mir überhaupt gelungen war, diese ferne Galaxie in einem eigenen Foto verewigen zu können. Doch das Ergebnis war weit von dem entfernt, was ich mir unter Astro-Fotografie vorgestellt hatte und so verlor ich dieses spannende Thema leider aus dem Fokus.

Heute, also mehr als 15 Jahre später, löst dieses Bild vermutlich weiterhin eher Mitleid aus, denn schaut man sich im Internet um, so finden sich zahlreiche, deutlich bessere Aufnahmen, welche häufig unter schlechteren Bedingungen entstanden sind. Ermöglicht wird das unter anderem durch moderne Werkzeuge (Software), die speziell für die Astro-Fotografie entwickelt wurden. Diese erledigen neben dem Normalisieren und Stacken auch weitere Spezialaufgaben wie die Entfernung von Lichtverschmutzung oder Korrektur der Sternfarben.

Ich zeige das alte Bild hier aber ganz bewusst, um zu verdeutlichen, dass es mit der Aufnahme alleine nicht getan ist. Die eigentliche Bildqualität kommt erst in der Nachbearbeitung. Also habe ich die Aufnahmen von 2006 noch einmal mit heutigen Werkzeugen bearbeitet, und dies kam dabei heraus (identisches Framing):

Natürlich ist diese Aufnahme noch weit von "sensationell" entfernt, zeigt aber, was selbst aus alten  Aufnahmen heute herausgeholt werden kann, auch wenn sie nur als JPEG und ohne Korrektur-Aufnahmen vorliegen.

Das machte mich dann neugierig. Also kramte ich eines meiner Teleskope hervor, ein eher günstiges 6" Reflektor-Teleskop mit 750mm Brennweite und einer Lichtstärke von f/5. Ich wollte wissen, ob ich wohl aus Karben heraus dieses Hobby wieder aufleben lassen könnte. Die absolute Voraussetzung für mich war, dass mir dies auch unter hiesigen Lichtbedingungen gelingt, denn ich habe nicht die Zeit, jedesmal zu einer passenderen Location zu wechseln. Entsprechend fertigte ich zunächst einige Testaufnahmen an, mit welchen lediglich die Sichtbedingungen bewertet werden sollten.

Die entstandene Aufnahme ist definitiv nicht zum Vorzeigen gedacht, macht allerdings sehr schnell deutlich, was man von einem einfachen Teleskop, welches visuell durchaus viel Spaß macht, besser nicht erwarten sollte, nämlich gute Ergebnisse in der Astro-Fotografie (D750, 28x 120sek., ISO3200):

Zwar sieht das so auf den ersten Blick, abgesehen vom Dreck auf den Spiegeln, vielversprechend aus, doch schnell werden die Fokusprobleme klar, die sich bei diesem Teleskop aus zwei Gründen ergeben. Zum Einen ist der Okular-Auszug nicht stabil genug und verkippt, sobald die schwere Kamera befestigt wird. In der Folge bekommt man einen Fokusgradienten quer durch das Bild.

Viel schlimmer ist allerdings der radiale Fokusfehler, welcher sich durch den Teleskopaufbau ergibt. Einfach gesprochen, wird das Bild mit einer sphärischen Fokuslage am Okular zur Verfügung gestellt, was für visuelle Beobachtungen genau das ist, was man haben möchte. Allerdings sind Kamerasensoren plan, sodass man einen ringförmigen Fokusverlauf erhält. Das ist in jedem Fall unschön und später nicht zu korrigieren.

In den Griff bekommt man dies durch korrigierte Teleskope. Je nach Bauart werden unterschiedliche Korrekturmaßnahmen durchgeführt. In der Regel sind das mehr oder weniger komplexe Linsensysteme, und die sind nicht ganz preiswert. Wer über eine Teleskopanschaffung für Astro-Fotografie nachdenkt und an dieser Stelle sparen möchte, der wird mit genau solchen Bildern bestraft.

Nach vielen Abwägungen hinsichtlich Brennweite, optischer Qualität und Geldbeutel, ist es am Ende ein sogenannter Apochromatischer Refraktor mit einer Brennweite von 580mm und einer Lichtstärke von f/5.8 (also 100mm Öffnung) geworden. Die damit entstandene Aufnahme spielt dann schon in einer ganz anderen Liga und ist insbesondere bis in die Ecken scharf. Hier ist nochmals Andromeda, aufgenommen von der gleichen Stelle wie das vorherige Bild (D750, 32x 120sek, ISO640):

Spezialisierte Astro Kameras gibt es in zwei Varianten, nämlich farbig und monochrom. Eine etwas ausführliche Betrachtung der Unterschiede sowie Vor- und Nachteile habe ich auf eine separate Seite ausgelagert: Monochrom oder Farbe?

Mit zwei Jahren Erfahrung, einem anderen Teleskop und einer monochromen Kamera fotografierte ich diese Gegend im Spätsommer 2023 erneut, das Ergebnis gibt es hier: Pelikan-Nebel und Umgebung

Mein aktuelles Setup besteht aus:

• Teleskop: TS-Optics TSQ-100ED 580mm Brennweite f/5.8, apochromatischer Refraktor
• Teleskop: Sharpstar 13028HNT "Hypergraph 130", 364mm Brennweite f/2.8, hyperbolischer Newton
• Montierung: Skywatcher HEQ-5 Pro
• Polsucher: ALCCD QHY PoleMaster
• Guiding-Kamera: ZWO ASI120mm Mini
• Haupt-Kamera: ZWO ASI2600MM Pro (26MPixel, APS-C) mit ZWO Filterrad
• Filter: LRGB: Antlia Pro, Schmalband: ZWO 7nm
• Alternativ-Kamera: ZWO ASI2600MC Pro (26MPixel, APS-C)
• Fokuser: ZWO EAF Motorfokus
• Steuerung: ZWO ASIair Plus
• Stromversorgung: Jackery Explorer 500
• Stacking-Software: AstroPixelProcessor
• Nachbearbeitung: PixInsight, Photoshop CC, Noise/Blur/StarXTerminator, Topaz AI

Die Dominanz von ZWO-Komponenten ist dem eingesetzten Steuerrechner geschuldet, welcher keine Fremdgeräte unterstützt (abgesehen von der Montierung). Es gibt aber durchaus herstellerunabhängige Systeme, wie z.B. die kostenlose Open-Source Steuersoftware N.I.N.A..

Mit einem solchen Setup bekommt man viele mittelgroße Deep Sky Objekte (DSO) gut auf den Sensor, aber durch effektiv 870mm Brennweite mit dem APS-C-Sensor passen größere Objekte wie Andromeda nicht mehr in das Bild, das wäre dann wieder ein Einsatz für die Vollformat DSLR. Auf der anderen Seite ist die Brennweite für Planeten oder entfernte Galaxien noch immer zu kurz.

Für die Bestimmung der persönlichen Wunschbrennweite gibt es sowohl bei Telescopius.com als auch in Stellarium die Möglichkeit, Teleskopbrennweite sowie Sensorgröße einzugeben und dann in die dargestellten Sternbilder einen Rahmen mit dem resultierenden Sichtfeld einzublenden.