(aangepaste versie)
Astrofotografie is het fotograferen van niet aardse objecten, zoals de zon, maan, planeten, sterren, kometen en nevels. Dit wordt meer en meer digitaal gedaan: met een webcam, een 'gewone' digitale camera of een speciale astrocamera. Voor fotografen die niet bijzonder in sterrenkunde zijn geïnteresseerd, zijn er niettemin boeiende plaatjes te schieten met de apparatuur die ze al hebben. Maar voor degenen die een stapje verder willen, valt er op het gebied van de astrofotografie heel wat te beleven. Arie Nagel, een verwoed astrofotograaf, licht e.e.a. toe in dit artikel.
Drie amateurs in actie op 1800 m in de Haut Alpes (Allos, Frankrijk), de auteur (met muts), Philippe Vercoutter en Karel Teuwen (achteraan). Opname: Philippe Vercoutter.
Het meest nabije melkwegstelsel, M31 oftwel de Andromeda-nevel. Opname met een kleine lenzenkijker met 80 mm opening en 388 mm brandpuntsafstand; een half uur in achtereenvolgens wit, rood, groen en blauw licht.
Waarom digitaal?
Digitale astrofotografie heeft een aantal voordelen boven de natte astrofotografie. We noemen er enkele. Ten eerste is de ‘quantum efficiency’ (percentage lichtdeeltjes dat bijdraagt tot de beeldvorming) bij de ccd-fotografie vele malen hoger dan bij de 'natte' fotografie. In onderstaande figuur zien we het resultaat van de onder astrofotografen gangbare ST-10 camera (zie http://www.sbig.com voor details).
Speciale astrocamera’s vangen veel meer lichtdeeltjes dan normale camera’s. Verder zijn ze gevoelig in het UV-, maar vooral in het IR-deel van het spectrum. Hier een voorbeeld van de SBIG ST-XME camera.
In het groene licht wordt bijna 90% van de lichtdeeltjes gebruikt. Bij de natte fotografie is dit slechts enkele procenten. Een verder nadeel van de natte fotografie betreft het zogenoemde Schwarzschild-effect. Dit is het effect dat bij toenemende belichtingstijd de gevoeligheid van de film terugloopt, tien maal één minuut belichten geeft geen tien keer meer beeld. Een ccd reageert wel lineair, althans totdat de pixel 'vol' is. Daarna gaat de pixel overlopen, een verschijnsel dat we aanduiding met het Engelse woord 'blooming'. Dit overlopen kan echter eenvoudig softwarematig worden weggewerkt. Zie onderstaande figuur voor een voorbeeld.
Bij een ‘overbelichte’ opname, gaan de pixels bij een ccd-chip overvloeien; de zogenoemde ‘blooming’. Dit is softwarematig eenvoudig te corrigeren met onder meer Wodaski's 'debloomer'.
De lineariteit van de ccd geeft een groot voordeel in lichtvervuilde omgeving t.o.v. de natte film. Stel dat de lichtvuiling de pixel via de achtergrondverlichting (zoals weerkaatsing van het stadslicht op de stofdeeltjes in de atmosfeer) na een minuut hopeloos laat overlopen, dan is het toch mogelijk en langere belichting te maken. We fotograferen dan bijvoorbeeld tien maal één minuut en hebben dan toch een opname van 10 minuten!
Een derde voordeel van de ccd is dat de onvermijdelijke ruis gemakkelijker te onderdrukken is. Vijf graden Celsius lager geeft een halvering van de ruis. Bij -30 gr. C is de ruis praktisch verdwenen, afhankelijk van het type ccd-camera. Zoals u weet, treffen we deze koeling niet standaard aan bij webcams en digitale camera's, maar wel bij de speciale astrocamera's. Deze speciale camera’s zijn echter duur; we moeten dan denken aan enkele duizenden euro’s en meer.
Tenslotte is het voordeel van de ccd-fotografie dat het beeld meteen op de computer te manipuleren is. Toegegeven, de film is ook te digitaliseren en daarna op de computer te bewerken, maar het is een stuk omslachtiger en - als je eenmaal de appartuur hebt - kostbaarder per opname en de omzetting van analoog naar digitaal geeft onvermijdelijk verlies van informatie.
Twee soorten objecten
Van de redenen om te fotograferen - boven visueel waarnemen - noemen we er twee. Van heldere objecten willen we vastleggen wat we visueel ook al kunnen waarnemen. Dit betreft dan voornamelijk de zon, de maan en heldere planeten zoals Mars, Jupiter en Saturnus. Soms kunnen we met een fotografische waarnemingen zelfs nog meer details ontdekken dan met het (met kijker gewapende) oog. Dat is op zich heel knap, want het oog heeft het vermogen om door de altijd onrustige lucht ‘heen te kijken’. Sommige amateurs zijn heel bedreven in het maken van opnamen met een hoog oplossend vermogen; hun foto's geven bijvoorbeeld evenveel details op de maan als destijds de Lunar Orbiter, die rond de maan cirkelde! En enkele jaren geleden verbijsterde een Amerikaans amateur de wereld door vrij gedetailleerde foto's van het ruimteveer te maken. Hierop was bijvoorbeeld te zien of de luiken al dan niet open stonden.
De tweede reden om te fotograferen is om zichtbaar te maken wat het - al dan niet gewapende oog - niet kan zien. We maken hier gebruik van het feit dat een camera het licht kan cumuleren; iets dat het oog maar in zeer beperkte mate kan. Of we kijken in een golflengte waar het oog niet of nauwelijks gevoelig voor is, zoals in het infrarood; ccd-camera’s zijn hier juist heel gevoelig!
We beginnen bij het begin
We zetten onze digitale camera op statief (of leggen deze op de grond met de lens naar boven) en maken een opname met volle lensopening van pakweg tien sec. bij 400 of meer ISO. Het maximale ISO-getal (tot hoever je kunt gaan voordat de ruis echt storend wordt) is afhankelijk van de camera. Een topcamera kan soms wel tot ISO 1600 gaan, terwijl bij een goedkope camera ISO 400 vaak de grens is. We gebruiken een brandpuntafstand van pakweg 15-50 mm. Als de lichtvervuiling niet te erg is, zullen er tientallen tot honderden sterren op het beeld verschijnen. Willen we meer sterren, dan proberen we langer te belichten en/of meerdere opnamen in de computer te stapelen in een grafisch programma. We zullen zien dat, naarmate de totale belichting toeneemt, de kleuren van de sterren duidelijker naar voren komen; veel duidelijker dan met het blote oog te zien is. Het is mogelijk dat de sterren niet echte puntjes zijn tengevolge van optische fouten van de lens. Een foutieve scherpstelling verergert dit. Oplossingen hiervoor zijn het diafragma een of twee stoppen terugdraaien en/of opnieuw scherpstellen. In feite is deze sterren-opname een heel goede test van de kwaliteit van de lens! Beeldfouten (met name coma en kleurfouten) zijn onmiddellijk te zien.
Ook kan het zijn dat we zo lang hebben belicht dat de sterren streepjes worden. Men kan dit proefondervindelijk bepalen of uitrekenen. We weten dat de aarde in bijna 24 uur om zijn as draait en dat een booggraad aan de hemel overeenkomt met het brandpunt van de lens gedeeld door 57,3 in mm. Dus bij een lens met een brandpunt van 57,3 mm komt één booggraad aan de hemel (=1/15 uur) overeen met een mm op de ccd. In vier minuten (= 1/15 uur) verschuift de ster dus een mm op de ccd. Dat zie je zeker als een streepje! Zelfs een minuut zal teveel zijn; de sterren zijn dan langgerekte puntjes. Misschien dat een halve minuut lukt, maar 10 sec. is zeker acceptabel. We zien ook dat we de belichting kunnen opvoeren, naarmate het brandpunt korter kiezen. Zo geeft een halve minuut bij een lens met een brandpunt van 20 mm mooie sterpuntjes. Let op: we rekenen hier steeds met de werkelijke brandpuntafstand. Het brandpunt blijft immers gelijk, welke beeldopnemer je er ook achter zet. Wat wel verandert, is de hoek van hetgeen de ccd overziet. Hoe kleiner de ccd, hoe kleiner die hoek. Daarom rekent men bij bijvoorbeeld de digitale reflexcamera’s zoals de Nikon 70 dat de werkelijke brandpunt groter is; maar dit is een misleidend. Een 180 mm lens wordt niet ‘ineens’ 270 mm..
Het kan echter ook zijn dat we juist streepjes willen zien; we gaan dan stersporen fotograferen. Dit is zo mogelijk nog eenvoudiger. Zet de camera op een donkere plek op statief en richt deze bij voorkeur naar het noorden (waar de sterren rond de pool cirkelen) en belicht bij voorkeur enkele uren. Zorg voor een 'dramatische' voorgrond: een mooie boom, bergen of iets dergelijks. Hier lopen we echter met de moderne camera's tegen een probleem aan. De batterij loopt bij deze lange belichtingen zeker leeg, dus we zullen een externe voeding voor deze camera moeten aanschaffen. Zie voor een fraai voorbeeld bijgaande opname.
Een schitterende opname door de Belgische astrofotograaf Philippe Vercoutter. In principe is een dergelijke opname heel eenvoudig: de Canon EOS-1D Mark II camera op statief en de lens gedurende vele uren open laten staan. Kunt u nagaan hoe lang? De gebruikte lens was een Canon EF 16-35 mm/ f/2,8 bij 28 mm. Hier heeft de lens een hele nacht open gestaan. We dienen wel eerst een externe voeding aan te sluiten, aangezien de interne batterij snel uitgeput is!
Nog mooier wordt het als we een zogenoemde 'time laps' opname gaan maken. Door vele verschillende foto's, die we op achtereenvolgende tijdstippen nemen, achter elkaar te zetten, ontstaat een film van de sterrenhemel. Op het net vinden we hiervan enkele fraaie voorbeelden.
We laten de camera meerijden
U heeft al begrepen dat we de camera met de sterren mee moeten laten draaien, tenminste als we ook bij langere belichtingstijden de sterren als puntjes willen afbeelden. Heeft u een heuse astro-montering, dan kan de camera met 'piggy back' meedraaien. U kunt dan veel langere belichtingstijden realiseren en behalve sterren ook de melkweg of een komeet in beeld brengen. Dit meedraaien kan met de hand, maar veel comfortabeler gebeurt dit met een motor. Meestal wordt zo’n motor elektrisch aangedreven, maar het kan ook mechanisch of hydraulisch gebeuren. Het is altijd zaak de apparatuur in de pas te laten lopen met de hemel, die u wilt fotograferen. De as, waaromheen alles draait, dient nauwkeurig op de pool te staan. De poolster staat dicht bij de noordelijke hemelpool en kan derhalve als richtpunt dienen. Deze ster vinden we door uit te gaan van het ‘steelpannetje’; ook wel aangeduid met de Grote Beer.
We zoeken de poolster. Deze ster staat vlak bij de noordelijke hemelpool en dient als referentie voor het richten van de poolas, waar letterlijk alles om draait. We gaan daarbij uit van het sterrenbeeld de Grote Beer. Een beer valt daar echter bij onze lichtvervuiling niet in te herkennen. Daarom wordt het ook wel aangeduid met het steelpannetje. Gaan we uit van de rechter twee sterren van dit steelpannetje, dan vinden we de poolster. Wees erop verdacht dat de sterren rond de pool draaien. De stand van het steelpannetje is dus steeds anders!
Ook is de snelheid van de draaiing belangrijk. Dit kan desgewenst worden gecontroleerd door naar de camera een klein volgkijkertje met een ster in het draadkruis van het oculair te zetten. Verloopt de ster, dan corrigeren we dit door de volgster weer terug te draaien tot het punt waar de draden elkaar kruisen.
Maar de meeste lezers zullen niet de beschikking hebben over een astro-montering. Voor de knutselaars onder u is er echter een eenvoudige en goedkope oplossing: het volgplankje. Zo’n plankje maakt u in een dag of een week, afhankelijk van het type. Met een dergelijk volgplankje zijn spectaculaire foto’s te maken. Het is immers mee te nemen naar duistere oorden, of ‘gewoon’ met vakantie naar Zuid-Frankrijk. In figuur 5 is een voorbeeld van een dergelijk volgplankje te zien, waarmee ik in 1981 opnamen maakte in Zwitserland, toen nog m.b.v. natte fotografie. Behalve de camera die op het plateau staat opgesteld, dat meedraait om de as die naar de pool is gericht, ziet u het volgkijkertje. Het is niet gemakkelijk in te zien hoe dit precies in z’n werk gaat als u naar de figuur kijkt, maar toch is het principe heel eenvoudig. Alles dat draait om de as die naar de pool is gericht, blijft gericht op het gekozen doel aan de hemel. In bijgaande figuur is dit principe afgebeeld.
Een eenvoudig platform dient als basis om sterren te maken. Hier de auteur met een Poncet-montering in actie in Zwitserland in 1981. Opname: Cocky Nagel.
Het principe van de Poncet-montering. De blauwe as is gericht naar de hemelpool. Alles dat daaromheen draait, volgt de sterren, dus ook het plateau voor instrumenten, dat bevestigd is aan deze as. Rechts onder dit plateau worden natuurlijk steunen aangebracht, waarop meegedraaid kan worden.
De as naar de pool is hier voor de duidelijkheid langer dan noodzakelijk afgebeeld en de wieltjes aan het rechter eind van het plateau zijn hier weggelaten. Ook de blokjes waarop deze wieltjes draaien, ontbreken in deze principe-tekening.
Een bouwtekening van een meer geavanceerd volgplankje (de zogenoemde Scotch mount) vindt u op de website van Jan van Gastel http://home.wanadoo.nl/jhm.vangastel/Astronomy/scotch/index.htm.
Met een dergelijk volgplankje kunt u in principe een opname maken van tien minuten tot wel twee uur of langer. Hoe langer, hoe beter, want hoewel u in enkele minuten al een leuk plaatje hebt, komt het de signaal-ruis verhouding zeer ten goede als u veel langer belicht. Dit wordt geïllustreerd door de opnamen in onderstaande figuur. Die opname is overigens gerealiseerd op een astro-montering.
Opname met de ST-10 camera en een 135 mm telelens. Na 7 seconden (links) is de zogenoemde Noord-Amerikanevel al goed te herkennen, maar de ruis is erg storend. Het middelste plaatje is 10 min belicht en het plaatje wordt al heel wat beter, maar echt een mooi contrast levert het rechter beeld, dat 130 min belicht is.
Aan de slag met de webcam
Met een goedkope webcam (en een kijker op een montering, ja ook dat ja) zijn verbluffende foto's te maken van zon, maan en planeten. Niet dat de webcam zo’n geavanceerde ccd heeft, maar je kunt hier een film van het object maken, deze film vervolgens uitsplitsen in honderden tot duizenden opnamen, deze opnamen in scherpte rangschikken en de meest scherpe optellen of middelen. Wat je hiermee bereikt is dat je de signaal-ruisverhouding drastisch verlaagt, zodat je daarna m.b.v. software die opname scherper kan maken, of althans scherper laat lijken. Gelukkig behoeven we het op volgorde zette niet met de hand te doen. Onze landgenoot Cor Berrevoets heeft hiertoe een werkelijk schitterend programma (Registax) gemaakt, dat als freeware te downloaden is op http://registax.astronomy.net/ Hier als voorbeeld een opname van Mars te zien, gemaakt met een webcam en bewerkt met Registax.
Een amateuropname van Mars met een webcam.
De speciale astrocamera
Hiermee maken we foto's van objecten, die normaal niet of nauwelijks te zien zijn met het blote oog of zelfs maar met een grote kijker. Deze camera’s fotograferen meestal niet in kleur maar in zwart-wit, omdat kleur een verlies in oplossend vermogen geeft. Zie de betreffende figuur.
Een kleuropname is vaak mooier dan een zwart-wit opname, maar dit gaat ten koste van het oplossend vermogen. Hier een van de laatste ccd’s voor consumenten-camera’s, 24 x 36 mm. We zien dat de pixels steeds 2 x 2 gegroepeerd staan; 2 x groen omdat ons oog daar het mest gevoelig voor is, een roo en een blauw. Bij een speciale astrocamera gebruikt men alle pixels en neemt dan vier opnamen: een in wit licht, een in rood licht, een in groen licht en een in blauw licht. Het belichten in zwart-wit is weliswaar omslachtiger, maar men gebruikt bij iedere opname alle pixels ten volle en behoudt meer flexibliteit om later de kleuren aan te passen.
We laten ze hier verder buiten beschouwing omdat dit buiten het blikveld valt van de beginnende astro-fotograaf. Maar we willen u enkele voorbeelden van topfoto’s die met een dergelijke camera zijn gemaakt, niet onthouden. Ze zijn gemaakt door Karel Teuwen, de beste astrofotograaf in de Benelux en zijn te zien op http://users.pandora.be/hambsch/karel/best_of_KT/.
De auteur in de vooravond in actie op 1800 m in de Haut Alpes (Allos, Frankrijk). Op de achtergrond de lichtjes van het dorp. De gebruikte montering is een zogenoemde Atlux en de kijker die er op dat moment op geplaatst is, is een 15 cm f/5 Schmidt-Newton. De camera is een SBIG ST-10XME met computergestuurd filterwiel. De doek die voor de opening van de kijker is geplaatst, doet dienst voor het nemen van de zogenoemde vlakveldopnamen.
Met een moderne digitale spiegelreflex kan men in het algemeen nog betere opnamen maken dan met de digitale compact-camera’s; dat behoeft geen betoog. Voor de astrofotograaf die zwakke objecten wil fotograferen, hebben de digitale camera’s echter een groot nadeel; ze bezitten een filter dat het infrarood tegenhoudt. Ze blokkeren daarmee een – juist voor zwakke objecten - belangrijk deel van het spectrum. Dat filter is weliswaar uit de camera te halen, maar dan is de camera niet meer geschikt voor de normale fotografie. Er is echter een ontwikkeling gaande om deze camera’s zo aan te passen dat ze zowel voor deze tak van de astrofotografie als voor de normale fotografie. Dit uiteraard voor een meerprijs. Peter Pulles is een van de eerste Nederlanders die experimenteert met een aangepaste Canon 350D, die hij in de VSA kocht. Zie zijn bevindingen op http://www.ecliptica.org/merchandise/3_0_canon350d.htm. Philippe Vercoutter behaalde sensationele resultaten in de Franse Alpen met een iets duurdere Canon, de 20DA; zie http://astrid.astrolab.be/jsp/zoek.jsp?arg=EOS-20DA+allos.
We hopen dat u een beetje enthousiast bent geraakt voor de astro-fotografie. Heeft u vragen of opmerkingen over en naar aanleiding van dit artikel, dan richt u zich tot de auteur via zijn website: http://www.astronomie.be/apn. Rest ons nog, last but not least, u attent te maken op de schat van informatie die te vinden is op http://www.astrolab.be/. Hier zijn in feite alle astrofoto’s die er toe doen samengebracht; met name uit de Benelux. In Nederland vindt u de astrofotografische werkgroep op http://www.vereniging-astrofotografie.nl/index.html. In Vlaanderen vindt u een vergelijkbare organisatie op http://www.astrofotografie.be/.
De figuren zijn opnamen door de auteur, tenzij anders vermeld.