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CCD

Die CCD Astronomie

Mit speziell für die Astrofotografie konstruierten Kameras, den sogenannten Astrokameras, lassen sich Aufnahmen in der bestmöglichen Qualität anfertigen. Sie sind zur Zeit (Stand 2010) mit hochempfindlichen CCD-Chips ausgerüstet, deren Empfindlichkeit 20.000 ISO und höher entsprechen. Praktisch alle Geräte sind gekühlt und lösen das Bild mit 65.536 Helligkeitsstufen auf. Das entspricht dem derzeitigen Stand der Technik - mehr geht nicht. Es gibt diese Kameras mit sehr unterschiedlichen Chipgrößen, was auch letztlich auf den Preis neiderschlägt. Von der Bildqualität her sind die Kameras untereinander jedoch ebenbürtig.



Das Bild wird sofort per USB zum Rechner übertragen und dort als 16-Bit FITS-Datei gespeichert. Die Dateigröße kann je nach Auflösung recht stattlich werden.



Die Abbildung oben zeigt die sehr empfehlenswerte Astrokamera Atik 4000 M mit quadratischem Chip, welcher das verfügbare Bildfeld der gängigen, preiswerten 1,25"-Filter gerade voll ausnutzt.

Baader KupplungWie bringt man die Astrokamera ans Teleskop?
Die meisten Astrokameras sind bereits standardmäßig mit einem T-2 Innengewinde ausgestattet, dadurch lassen sie sich an die meisten Filterräder / Off-Axis-Guider einfach aufschrauben. Sehr praktisch ist das TS-Rotationssystem oder eine einfache Kupplung von Baader. Damit läßt sich die Kamera leicht vom Teleskop trennen, aber auch ´einnorden´ damit die natürliche Orientierung am Himmel - Norden oben, Osten links - schnell eingestellt werden kann.



Was darf man erwarten?
NGC 3521 visuell: Für unsere Augen sind bei geringer Lichtstärke nur die Stäbchen zuständig, die etwa 95% der Gesamtfläche unserer Netzhaut ausmachen und damit praktisch alle Hell-Dunkel-Informationen liefern. Die restlichen 5% bilden die sogenannten Zäpfchen, diese liefern die Farbinformation, allerdings mit nur geringer Auflösung und Empfindlichkeit. Dieser Umstand wird beim weiter unten beschriebenen LRGB-Verfahren ausgenutzt. Der Wirkungsgrad unserer Stäbchen ist im Vergleich zu einem CCD-Chip mit ca. 30% eher bescheiden,  hinzu kommt die kurze Integrationszeit von einigen 1/10s. Und deshalb wird man beim Blick durch das Okular an einem 10-Zoll-Teleskop nur Sterne ab ca. 14. Magnitude überhaupt wahrnehmen. Bei flächigen Objekten sorgt ein ausgeklügelter Algorithmus in unserem Gehirn dafür, daß wir diese deutlich besser wahrnehmen können.

NGC 3521 fotografischFotografisch: Der etwas bessere Wirkungsgrad (=Quanteneffizienz) moderner CCD-Chips zusammen mit Integrationszeiten von bis zu einigen Stunden läßt eine Abbildungsqualität zu, wie sie mit unseren Augen nicht einmal ansatzweise möglich ist. Lichtschwache Sterne, Nebel und Galaxien können damit bis über 1.000-mal heller dargestellt werden. Sterne bis zur 22. Magnitude können mit dem gleichen Teleskop dargestellt werden.

      

Beide Aufnahmen zeigen die Galaxie NGC 3521 im Löwen. Visuell sind nur der Galaxienkern und die helleren, inneren Bereiche der Spiralarme wahrnehmbar, während fotografisch eine prächtige, sfrukturreiche Galaxie zum Vorschein kommt.

Fotografieren
Und schon kann´s losgehen. Kamera einschalten, und nach wenigen Sekunden zeigt sich auf dem Bildschirm das erste ´Livebild´. Das wird freilich noch kein APOD sein, denn es müssen noch ein paar Dinge beachtet werden.

Scharf stellen (Fokussieren)
Das geht Dank ´Livebild´ am Monitor noch recht einfach. Meist kann man um einen hellen Stern mit der Maus ein kleines Quadrat aufziehen und ein ´ROI´ eingeschaltet werden. Die Belichtungszeit sollte nur ca. 0,1 - 1s betragen. So werden die Bilder in sehr schneller Folge zum Rechner übertragen, und man kann nun in aller Ruhe perfekt scharf stellen. Doch nun kommt der schwierige Teil!


Belichtungszeit einstellen
Die ideale Belichtungszeit hängt bei hellen ´Motiven´ prinzipiell von der Helligkeit der hellsten Bildanteile ab. Das ´Paradeobjekt´, der Andromedanebel M31 besitzt einen sehr hellen Kern, der bereits nach relativ kurzer Belichtungszeit die beteiligten Pixel sättigt. Bei diesem hellen Objekt ist die Belichtungszeit also soweit zu verringern, bis diese häßlichen Sättigungsartefakte (´Ausbrennen´) ausbleiben. Soweit ist das alles noch ganz einfach, auch wenn wir bei M31 trotzdem  nicht ganz um das ´Stacken´ herumkommen. Doch wie belichten, wenn man lichtschwächere Himmelsobjekte ablichten möchte? Das ist dann nicht mehr so trivial, und deshalb müssen wir hier ein wenig ausholen:

• Rauscheigenschaften gekühlter Astrokameras
Das Bildrauschen guter Astrokameras kann man grob in zwei Komponenten einteilen: Das Ausleserauschen und das Chiprauschen. Letzteres wird aber durch die Kühlung des Chips um 20-30° unter die Umgebungstemperatur fast vollständig unterdrückt, so daß als bestimmende Komponente nur noch das Ausleserauschen übrig bleibt. Und dieses Rauschen ist praktisch völlig unabhängig von der Belichtungszeit! Dadurch ist man versucht, die Belichtungszeit in schwindelerregende Höhen zu treiben um extrem lichtschwache Gestirne noch darstellen zu können. Doch das ist äußerst ungut, wie wir im folgenden sehen werden.

• Photonenrauschen
Moderne Astrokameras sind derart empfindlich, daß der nicht dunkle Nachthimmel nun zum Problem wird. Der gesamte Bildhintergrund wird bereits nach 1 Minute Belichtungszeit (@ Blende 4) deutlich aufgehellt. Durch den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts verteilen sich dessen Photonen leider nicht gleichmäßig auf die Chipfläche, sondern statistisch. Und das äußert sich als Rauschen - das Photonenrauschen. Je nach verwendeter Blende (reziprokes Öffnungsverhältnis) und der ´Nachthimmelsqualität´ dominiert das Photonenrauschen bereits nach 30s - 5 Minuten, so daß eine weitere Steigerung der Belichtungszeit nicht sinnvoll ist. Eine ausführliche Abhandlung dieser Zusammenhänge läßt sich auf der Seite ´Belichtung mit der Astrokamera´ nachlesen.

• Belichtungszeit aufteilen
30s Belichtungszeit für DeepSky - das ist doch viel zu wenig! Stimmt! Lichtschwache DSO verlangen nach Belichtungszeiten, die in die Größenordnung von einigen Stunden kommen können. Man liest es ja immer wieder. Doch kein erfahrener Astrofotograf wird die erforderliche Belichtungszeit ´am Stück´ belichten, denn dann wird der aufgehellte Nachthimmel jedes Kamerapixel sättigen. Um auf die nötige Belichtungszeit zu kommen, müssen entsprechend viele dieser verhältnismäßig kurz belichteten Aufnahmen gemacht werden. Diese werden dann hinterher am Rechner addiert (´gestackt´). Diese Methode hat auch noch weitere Vorteile:
1. Durch Windböen oder kurzzeitig starkes Seeing verunstaltete Bilder können vor dem Addieren aussortiert werden.
2. Der Dynamikumfang der Aufnahme steigt linear mit der Anzahl der Additionen an.
Ergebnis dieser Aufnahmeserie ist ein sogenanntes Summenbild mit einer unglaublichen Tiefe und Detailreichtum. Nebenbei wird das überwiegend aus Photonenrauschen bestehende Gesamtrauschen sehr wirkungsvoll abgeschwächt.


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