Astro-Fotografie

Vermutlich bin ich nicht der Einzige, der in einer sternklaren Nacht beim Blick nach oben schon einmal überlegt hat, welches Equipment wohl notwendig ist, um zumindest einigermaßen ansprechende Astro-Fotografien anfertigen zu können. Wer sich ein wenig im Internet umschaut, wird feststellen, dass schon eine handelsübliche Kamera ausreicht, um sehr schöne Eindrücke einzufangen. Insbesondere die Milchstraße ist in einer klaren Nacht aus einer dunklen Umgebung immer wieder ein lohnenswertes Motiv, egal ob als Lichtspuren mit langer Belichtungszeit oder mit klar definierten Sternen durch eine höhere ISO-Einstellung.

Wie auch mit reinem Foto-Equipment ein erster Schritt in die Astro-Fotografie gewagt werden kann, habe ich auf eine separate Seite ausgelagert: Astro-Fotografie zum Ausprobieren.

Für etwas anspruchsvollere Aufnahmen ist ein wenig mehr Wissen notwendig. Beispielsweise würde eine Aufnahme der Milchstraße mit einer Aufnahmezeit von vier Minuten und einer Brennweite von 16mm, ohne den Einsatz einer nachgeführten parallaktischen Montierung eher so aussehen:

Spätestens an diesem Punkt möchte ich eine kurze Warnung aussprechen, denn wer einmal auf den Geschmack bei der Astro-Fotografie gekommen ist und die ersten, selbst erstellten Ergebnisse sieht, wird das vermutlich nicht so schnell wieder los und dann kann es relativ schnell teuer und zeitaufwendig werden.

Auch hat Astro-Fotografie nur noch wenig mit klassischer Fotografie zu tun und tendiert eher in Richtung Datenverarbeitung mit sowohl einem sehr speziellen Workflow, als auch sehr speziellen Werkzeugen. Zu diesen Themen finden sich reichlich sehr gute Tutorials und Informationen im Internet, daher werde ich hier nicht auf Details eingehen. Allerdings habe ich einige Begriffe zusammen mit vielen weiterführenden Links in einem kleinen Astro-Glossar zusammengestellt.

Astro-Fotografie wird insbesondere dann kompliziert, wenn mit einer längeren Brennweite etwas genauer hingeschaut werden soll, wie z.B. auf die Plejaden. Hier aufgenommen mit der D750 durch ein korrigiertes Teleskop mit 580mm Brennweite und Nachführung:

Bevor wir ein Stück weiter in die Materie eintauchen, ist es unverzichtbar Teilgebiete der Astro-Fotografie zu unterscheiden.

  • Großflächige Aufnahmen z.B. der Milchstraße
    Solche Aufnahmen sind mit üblichen Kameras in durchaus sehr guter Qualität realisierbar, nicht einmal eine Nachführung ist notwendig. Für eine saubere Abbildung der Sterne sind dann allerdings kurze Belichtungszeiten mit entsprechend erhöhter ISO Einstellung notwendig. Um das Rauschen zu reduzieren, werden in der Regel viele Aufnahmen angefertigt, welche anschließend in sogenannten Stacker-Anwendungen zu einem Gesamtbild zusammengefügt werden. In diesem Schritt wird nicht nur das Bildrauschen reduziert, sondern auch die Einzel-Aufnahmen werden sauber übereinander gelegt.
  • Objekte unseres Sonnen-Systems
    Dazu gehören die Planeten und natürlich der Mond. Auch wenn diese ziemlich hell am Himmel erscheinen, sind sie alles andere als einfach zu fotografieren. Das ist einmal in der Luft-Unruhe begründet, also der Licht-Brechung durch unterschiedlich dichte Schichten der Atmosphäre, auch "Seeing" genannt, aber auch durch die verhältnismäßig geringe Größe. Während sich der Mond mit rund 750mm effektiver Brennweite schon gut einfangen lässt, sind bei den Planeten Brennweiten jenseits von 1500mm notwendig, wenn zumindest die markanteren Details abgebildet werden sollen. Derartige Brennweiten erfordern wiederum gute Montierungen und auch eine Nachführung, denn ansonsten ist das Objekt innerhalb von Sekunden aus dem Bild gewandert. Für gute Ergebnisse werden häufig einige hundert Aufnahmen angefertigt (gerne als RAW-Video), von welchen am Ende in der Stacking-Software (z.B. AutoStakkert) vielleicht nur die besten 10% verwendet werden.
  • Objekte in unserer Milchstraße
    Obwohl weiter entfernt, lassen sich Objekte innerhalb der Milchstraße mit relativ einfachen Mitteln ablichten, teilweise auch ohne Nachführung (sprich viele Bilder mit kurzen Belichtungszeiten) und gerne auch ohne Teleskop mit effektiven Brennweiten um 200-600mm. Zu diesen Objekten gehören insbesondere die sogenannten Nebel, welche in unterschiedlichsten Formen auftreten. Manche leuchten selber, manche werden von einem Stern beleuchtet, wieder andere bestehen aus Staub und verdunkeln die dahinter liegenden Sterne. In jedem Fall sind diese, im Vergleich zu den Sternen, grundsätzlich sehr viel lichtschwächer und erfordern naturgemäß sehr lange Belichtungszeiten (wir sprechen hier über Stunden), die sich auf mehrere Einzelaufnahmen verteilen, die dann am Ende wieder zusammengebaut werden müssen.
  • Objekte außerhalb unserer Milchstraße
    Immer wieder spektakulär sind natürlich Objekte außerhalb der Milchstraße, also außerhalb unserer Galaxie, wobei dies letztendlich die zwei vorherigen Punkte vereint. Sie sind in der Regel lichtschwach und sehr klein, und benötigen entsprechend gutes Equipment. Natürlich gibt es auch Ausnahmen, wie unsere Nachbar-Galaxie Andromeda. Mit einer Entfernung von schlappen 2.5Mio Lichtjahren ist sie groß und hell genug, dass man sie bequem mit einem Feldstecher beobachten und einem ordentlichen Tele-Objektiv fotografieren kann. Wie das dann aussieht, sehen wir gleich.
  • Die Sonne.
    Sonnenbeobachtung ist eine gänzlich eigene Disziplin und kommt nicht ohne deutliche Warnung aus, wer dies einmal mit einem normalen Objektiv oder gar Teleskop auszuprobieren, riskiert eine permanente Beeinträchtigung der Sehfähigkeit. Nur mit speziellen Sonnenfiltern darf ein Versuch gewagt werden, aber dann kann das Beobachten der Sonnenflecken über einige Tage hinweg durchaus interessant sein.

Wer also nur einmal ein wenig in Astro-Fotografie reinschnuppern möchte, der schnappt sich seine Kamera und richtet sie auf eines dieser größeren Objekte, macht mit kurzer Belichtungszeit (wenige Sekunden) eine Reihe Aufnahmen (mehr als 100) und höherer ISO-Einstellung  (mit sehr hoher ISO-Einstellung sieht man eventuell schon etwas auf dem Kamera-Display) und fügt diese im Anschluss mit einem Stacker-Programm zusammen. Welche Werkzeuge ich verwende, steht weiter unten.

Welche Objekte an Ihrem Standort sichtbar sind, hängt von vielen Faktoren ab. Webseiten wie Telescopius.com geben aber einen schnellen Überblick und mit Anwendungen wie Stellarium sollten sich diese dann auch am Nachthimmel finden lassen. Selbstverständlich gibt es auch Apps für mobile Geräte, welche über die Lage-Sensoren das Auffinden von Objekten am Himmel sogar noch vereinfachen.

Und bitte nicht aufgeben, wenn das aufgenommene Einzelbild vom Großen Orion Nebel in der Kamera zunächst so aussieht (Einzelbild D750, ISO1600, 120sek., 580mm):

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 das Rauschen schnell abnimmt. 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.

Doch gehen wir noch einmal ein Stück zurück in der Zeit und betrachten uns einmal in Ruhe meine erste Aufnahme von Andromeda aus dem Jahr 2006.

Die Bilder wurden aufgenommen mit der D70, auf einer einfachen Nachführ-Montierung, unter klarem Himmel, auf 1500m Höhe in den Schweizer Alpen. Schon damals wusste ich, dass ich auf der Montierung nicht länger als 30 Sekunden belichten darf und fertigte mit effektiven 300mm Brennweite (70-200 f/2.8) entsprechend 25 Einzelaufnahmen mit ISO 1250 an, welche im Anschluss gestackt wurden. Das sah dann genau so aus:

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):

Wie so oft in der Fotografie ist also auch hier wieder die richtige Optik Voraussetzung für ansprechende Bilder. Ebenfalls benötigt wird noch eine stabile Montierung und idealerweise ein Guiding-System um mechanische Fehler zu korrigieren, die es in regulären Montierungen eigentlich immer gibt.

Wer über eine Neuanschaffung nachdenkt, sollte sich zuallererst darüber klar werden, welche Objekte fotografiert werden sollen. Für größere Objekte bevorzuge ich persönlich Refraktoren (Linsen-Teleskope) mit einer Brennweite von 350-500mm. Wer sich eher für Planeten oder ferne Galaxien interessiert, wird sowohl mehr Brennweite, als auch eine stabilere Montierung benötigen. Das läuft dann vermutlich eher auf eine der Spiegelteleskop-Varianten hinaus. Wer portabel ausgerüstet bleiben möchte, achtet dagegen vielleicht eher auf das Gewicht der Montierung und leitet darüber die mögliche Brennweite ab.

Doch an diesem Punkt ist das Ende noch nicht erreicht, denn ein Setup mit nachgeführtem Teleskop bietet noch einiges Potential zur Verbesserung.

In meinem Fall war das Ziel, ein autonom arbeitendes Setup zu bekommen, welches idealerweise ohne Laptop und nervige Verkabelung auskommt. Die Lösung steht heutzutage in Form kleinerer Rechner zur Verfügung, welche, mit geeigneter Software bestückt, die komplette Steuerung übernehmen. Durch die kompakte Größe werden sie direkt in der Nähe des Teleskops montiert und über eine drahtlose Netzwerk-Verbindung gesteuert. Während also draußen in kühler Luft der Aufbau die Fotoreihe belichtet, kann ich mich anderen Dingen zuwenden.

Zum anderen wollte ich das Setup durch eine dedizierte Astro-Kamera abrunden, welche gegenüber der Spiegelreflex einige Vorteile aufweist. Einmal gibt es keine bewegten Teile, welche insbesondere in der kalten Jahreszeit besonders belastet werden. Auch erlaubt die Anbindung der Kamera an den Steuerrechner das automatische Nach-Fokussieren, welches z.B. nach Temperaturänderungen notwendig sein kann. Darüber hinaus ist solch eine Astro-Kamera auch gekühlt, wodurch das Sensorrauschen effektiv reduziert wird und durch eine modernere Sensortechnik wird in der gleichen Zeit auch noch mehr Licht gesammelt. Unterm Strich erhält man eine ähnliche Bildqualität bei deutlich reduzierter Aufnahmezeit. Oder bei gleicher Aufnahmezeit deutlich bessere Ergebnisse.

Für eine erste Testaufnahme mit der Astro-Kamera nahm ich den Pelikan-Nebel (IC5070) ins Visier. Mit einer Belichtungszeit von insgesamt 90 Minuten (31x 180 Sekunden) entstand dieses Bild:

Mein aktuelles Setup besteht aus:

  • Teleskop: TS-Optics TSQ-100ED 580mm Brennweite f/5.8, apochromatischer Refraktor
  • Montierung: Skywatcher HEQ-5 Pro
  • Polsucher: ALCCD QHY PoleMaster
  • Guiding-Kamera: ZWO ASI120mm Mini
  • Haupt-Kamera: ZWO ASI2600MC Pro (26MPixel, APS-C)
  • Fokuser: ZWO EAF Motorfokus
  • Steuerung: ZWO ASIair Plus
  • Stromversorgung: Jackery Explorer 500
  • Stacking-Software: AstroPixelProcessor
  • Nachbearbeitung: Photoshop CC, 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.

Zum Abschluss noch eine Aufnahme aus dem Sternbild Schwan mit dem Stern Sadr in der rechten unteren Ecke, dem Mondsichel-Nebel (NGC6888) auf der linken Seite, dem Kühlturmhaufen (M29) rechts am oberen Bildrand umgeben von sehr viel Milchstraße. Aufgenommen mit der D750 bei ISO640 zusammengesetzt aus insgesamt 70 Einzelaufnahmen mit jeweils 118 Sekunden, also etwas mehr als zwei Stunden Belichtungszeit: