SUW 12/20 Poster: Hohe Auflösung bei großer Öffnung und langer Brennweite

DIE STORY: Das richtige Werkzeug ist entscheidend

Astronomie ist nicht wie im Kino – man kann kein Ticket lösen und abwarten, dass die Show von alleine abläuft. Dabei ist es egal, wie teuer die Ausrüstung ist: Man muss sich Zeit nehmen, um sie zu beherrschen. Optimale Bedingungen erleichtern das natürlich. Im Juli verbrachte ich daher eine Woche auf La Palma, um die Astrofotgrafie in den Grenzbereichen zu betreiben.

Easy-Going-Fotografie

Deep-Sky ist ja eine eigene Disziplin in der Astrofotografie. Unter "Easy-Going" fällt die Fotografie mit Brennweiten bis etwa 600 oder 800 mm und Kameras, die eine Auflösung um 2 Bogensekunden liefern, vielleicht auch etwas mehr. Damit kann bei Seeingwerten bis rund 4" beinahe jedes Einzelbild verwendet werden. Es beginnt die Schlacht um die Belichtungszeiten: 10 Stunden, 20 Stunden, 30 Stunden... ich finde es spannend, wie bei Bildern immer mit der Belichtungszeit geworben wird und die Lichtstärke des Teleskops unterschlagen wird – also, wie viele Photonen jetzt eigentlich eingefangen werden.

Einen effektiven Gewinn an SNR, also am Verhältnis von Signal zu zufälligem Rauschen, gibt es aber immer nur, wenn die Belichtungszeit verdoppelt wird – oder natürlich unter besseren Beobachtungsbedingungen wie besserer Transparenz oder Durchsicht (bei gleicher Hardware).

Die wirkliche Tiefe eines Bilds kann dabei nur anhand des Kanals mit der längsten Belichtungszeit und dem besten Signal bewertet werden. Alles andere dient nur der Farbgebung und Effekthascherei – wobei das bitte nicht mit negativen Gedanken in Verbindung gebracht werden soll. Oft hat man nur mehr wenige Stunden Beobachtungszeit zur Verfügung…

Mehr Photonen – also letztlich mehr Belichtungszeit – bringen mehr Tiefe. Für mehr Auflösung benötigt man mehr Öffnung und zwangsläufig mehr Brennweite. Das ist unweigerlich mit einem Öffnungsverhältnis von etwa f/7 bis f/11 verknüpft.

Die Herausforderung: Deep Sky mit mehr als 2500 mm Brennweite

Ich habe mir in den letzten Jahren vorgenommen, so oft wie möglich lange und noch längere Brennweiten zu verwenden. Doch dabei werden nun die Nachführung, Seeing und viele kleine Faktoren und Details enorm wichtig. Was bei "Easy going" Deep Sky nicht stört, fällt nun ins Auge – und wie!

Denn bei diesen Brennweiten macht sich das kleinste Problem gnadenlos bemerkbar. Ab jetzt ist es nichts mehr mit "Alles in einen Topf werfen – umrühren – fertig". Alternativ könnte man die Daten bei und nach dem Stacking "bis zur Bewusstlosigkeit" behandeln, sodass sie mit dem Summenbild nicht mehr viel zu tun haben.

Lange Brennweite verlangen also nach guten Daten. Diese liefert die Optik, wenn das Seeing passt. Sie werden dann von der Kamera übernommen und abgespeichert. Dabei hängt aber alles von der Montierung ab, die diesen Ablauf erst ermöglicht.

Und wenn die Technik passt, was liegt näher, als einen Ort mit möglichst perfekten Bedingungen und guter Infrastruktur zu suchen? Hier kommt La Palma ins Spiel, und das ATHOS Centro Astronomico.

La Palma und viel Programm: Planewave CDK12,5, D810A, QHY600M-EB, Andor Marana + 10Micron GM2000HPS

Viele Urlauber kennen La Palma als die "Sonnen-Insel" – oder auch als „La Isla Bonita“. Das besondere Highlight für Astronomen sind die richtig großen und rein professionellen Teleskope, die auf dem Gipfel des Roque de los Muchachos im Einsatz sind – und der gute Himmel wegen dem sie dort errichtet wurden.

Im Juli 2020, vom 19.7. zum 26.7., verbrachte ich mit zwei Astrofreunden der Firmen Baader und Planewave eine Woche auf La Palma. Im Reisegepäck war viel Hardware mit dabei, die in Tests zeigen sollte, was sie für Ergebnisse liefern könnte. Der Zeitplan war knapp kalkuliert: Es würden keine zehn Stunden Belichtungeszeit pro Bild zur Verfügung stehen. Aber die Ergebnisse sollten einen Anhaltspunkt darüber geben, was möglich ist.

Das Teleskop

Das PlaneWave CDK 12,5 f8 (318/2541mm) war natürlich zu groß für das Reisegepäck und wurde vorab nach La Palma geschickt. Die 12,5" Öffnung und f/8 sind bei dem heutigen Stand der Technik keine große Sache mehr. Das CDK 12,5 ist ein absolut edles Teleskop und für seine Größe sehr leicht, extrem stabil und bietet mit dem großen Backfokus viele Möglichkeiten. Es ist wirklich eine geniale und finale Optik, wenn jemand dem Reiz der Auflösung erliegen möchte. (Aber das kannte ich ja schon vom CDK 14)

Der Anschluss der Kameras erfolgte über das Baader M68 System, das individuell schnell für jede Kamera angepasst werden kann. Die Stabilität und Präzision des Systems ist über jede „gesteckte“ Verbindung erhaben – bei einer Schraubverbindung kann nichts verkippen.

Vor Ort musste das Teleskop erst einmal eingerichtet werden: Auf die Montierung war es schnell gesetzt, dazu kamen noch die Verkabelung und die Kamera-Adaptionen. Die Anreise war wohl sehr ruppig gewesen: Die großen Sechskantschrauben des Fokussierers waren alle lose! Dafür war die Kollimation nach der Reise noch überraschend gut. Dann alles vorbereiten für die Nacht.

Die Montierung

Auch wenn La Palma über eine gute Infrastruktur verfügt: Wir hatten unser eigenes Equipment mitgebracht und starteten somit bei Null – genau wie bei einer Beobachtungsnacht auf dem nächsten Acker zuhause. Die Montierung 10Micron GM 2000 HPS und das Teleskop mussten also erst einmal zusammengebaut, aufgestellt und mit allem Zubehör ausbalanciert werden. Am ersten Abend waren die Ausrichtung der Montierung und das Erstellen eines Pointing-Modells nötig. Sinnvoll fotografiert werden konnte dabei nicht: Wind und Luftunruhe wechselten rasch und oft, sodass die Daten nicht für schöne Bilder verwendet werden konnten. In der zweiten Nacht konnte ich dafür ein sehr gutes Pointing-Modell erstellen und endlich loslegen. Nun wurde jede Nacht von der Abend- bis zur Morgendämmerung durchgearbeitet. Das war schon hart – auch wenn es erfolgreich war und Astrofotografie so richtig Spaß macht.

Die Kameras

Als Kameras kamen eine Nikon D810A (36,3Mp 4,8mü Pixel), eine QHY 600M Pro-L (61,1Mp 3,76mü) und eine Andor Marana (4Mp 6,5mü) zum Einsatz. Das war zumindest der Plan...

Mit der Nikon D810A arbeite ich schon seit geraumer Zeit. Sie ist eine One-Shot-Camera (OSC) und ideal, wenn Zeit bei den Aufnahmen kritisch ist. Sie kam auch für diese Posterserie schon ein paar mal zum Einsatz.

Die QHY600M PRO-L EB (ehemals Early Bird) hat 61,1Mp Auflösung bei 3,76mü kleinen Pixel, im Bin2 Mode dann also 7,4mü Pixel bei etwas über 15Mp. Das ist eine interessante Kombination mit hoher Full-Well-Kapazizät und Empfindlichkeit. Bin1 ist ideal für kürzere Brennweiten und Bin2 für lange Brennweite. Die echten 16Bit Dynamik sind ein Meilenstein, der im Bereich der Amateur-Astronomie bislang noch nicht verfügbar war.

Die Kühlung auf -10°C bzw. -5°C ist absolut ausreichend. Die Qualität der Daten machte es möglich, dass auch schwaches Signale im Bild sichtbar wurden: Low noise wie im Bilderbuch

Die Andor Marana ist keine typische Amateur-Kamera und war auch für mich etwas ganz Neues – die Firma Andor mit Sitz in Belfast ist auf wissenschaftliche Kameras spezialisiert. Die Marana kann auf -25° heruntergekühlt werden, hat 6,5mü Pixel und bietet zwei Auslese Modi, welche die Kamera in der Anwendung klar auf einen Bereich zuweisen.

1. 12Bit Low Noise bei 180Mhz Taktung
   In diesem Modus ist die Kamera extrem empfindlich und liefert in kürzester Belichtungszeit ordentlich Signal ab. Bei einem Test auf M57 mit dem CDK 12,5 mit f8 war der Ringnebel komplett überbelichtet! Das muss erst einmal passieren und ist der „laute“ Hinweis, das die Kamera das Thema Luck Imaging wirklich beherrschen kann. Eine Sekunde Belichtungszeit für M57 ist phänomenal...

2. Der HDR Modus bei 310Mhz Taktung
   Hier liefert die Kamera eine hohe Dynamik mit 16Bit ab. Aber was bringt das in der Realität? Ich wählte den Kometen Neowise und konnte in 12 Sekunden Belichtung sowohl den Kern als auch den Schweif in einem Bild darstellen – und zwar im ganzen Feld, auch die Ausläufer. Leider stand der Komet schon tief, und so waren die besten Seeing-Werte bei 2541mm leider jenseits von 4". Auch gab es in dieser Nacht den stärksten Wind der ganzen Woche. Teilweise war er so stark, dass die 10Micron ihn als Wiederstand deutete und akustisch kommentierte. Daher testete ich die Kamera dann ganz klasssisch an IC1396 im Luminanz-Kanal. Durch die Umgebungsbedingungen dieser Nacht waren nur 180 Sekunden pro Bild möglich.

Die Beobachtungswoche

Wie jeder es kennt und mit sehr großer Sicherheit selbst schon erlebt hat, ist in der Astronomie nichts planbar. Aber das Programm für die Nächte stand: Geplant war der Einsatz der verschiedenen Kameras am Planewave CDK, mit steigendem Schwierigkeitsgrad.

Daher kam zuerst eine Farbkamera mit möglichst kurzer Belichtungszeit zum Einsatz. So sollte einerseits das Seeing gebändigt werden, und andererseits eine hohe Zahl von Einzelaufnahmen das Rauschen reduzieren. Schließlich sollte das finale Bildergebnis nicht durch das Bildrauschen verhindert werden. Also sollte zuerst die Nikon D810A zum Einsatz kommen, die von Werk aus bereits für Astrofotografie ausgelegt war.

LRGB-Aufnahmen sind aufwändiger. Die Summe der Aufnahmen im Luminanzkanal (Lum) muss mindestens so groß sein wie die RGB-Belichtungszeiten. Besser ist es, wenn die Belichtungszeit der Luminanz jeweils das doppelte der einzelnen R/G/B-Kanäle erreicht. Also wäre eine Stunde Lum mit mindestens 90 Minuten RGB zu vermischen, also 30 Minuten pro Farbkanal. Soweit die Theorie, am Ende der Woche waren dann noch unvollendete Daten übrig waren – denn LRGB benötig bei dieser großen Auflösung von Teleskopöffnung und -brennweite lange konstante Zeiträume für die Bildgewinnung. Dazu sollten die gemessenen Seeingwerte für das beste und das schlechteste Einzelbild in einem akzeptablen Bereich liegen.

Das bedeutet, dass in jeder Nacht wirklich alles passen muss. Schließlich wollen wir Sterne fotografieren und keine Schneebälle... Alle drei Kameras produzieren wirklich Auflösung, da muss das Seeing passen. Vergleiche zwischen verschiedenen Kameras machen nur dann Sinn, wenn die selbe Nacht auf zwei gleichen Systemen aufgenommen wird, alles andere wäre nicht korrekt!

Die erste Nacht – 20. Juli, 2020

Am Anfang standen also Vorbereitungen statt Astrofotografie. Die erste Nacht war dem Setup gewidmet, damit alles optimal funktioniert: Die Montierung einrichten und den Kameraaufbau testen. Der Test der Technik erfolgte mit der Farbkamera, der Nikon-DSLR mit 0,39" Pixelauflösung. Wenn alles passt, sollten die weiteren Kameras an die Reihe kommen.

Das Seeing in der ersten Nacht war teilweise gut, dank böigem Wind teilweise aber auch ein völliges Wirrwarr. Damit konnte ich zwar ein Pointing-Modell erstellen, um die GM2000HPS zu benutzen, aber es war nicht so ideal, dass ich damit zufrieden gewesen wäre. Das würde mich noch die ganze Woche über beschäftigen.

Die zweite Nacht

Also stand in der folgenden Nacht das Perfektionieren des Pointing-Modells mit der D810A an. Das Seeing war gut aber nicht konstant, da ein leichter Wind vom Berg herunter kam. Immerhin: Hoch am Himmel war es in längeren Abschnitten für unsere Hanglage auf La Palma gut. So konnte auch das Teleskop justiert werden: Durch den ruppigen Transport hatte die Kollimation doch etwas gelitten.

Dabei blieb noch genug Zeit, um drei Ziele auf's Korn zu nehmen. Der Komet C/2020 F3 (NEOWISE) bot sich natürlich an – beziehungsweise seine Kernregion, bei 2,5m Brennweite. Bei 24°C Umgebungstemperatur nahm die Nikon bei 1600ISO 16 Einzelbilder à 15 Sekunden auf, sowie Darks und Bias. Das Ziel war, den Kometenkopf trotz insgesamt vier Minuten Belichtungszeit scharf abzubilden. Die Hintergrundsterne werden dabei bereits zu Strichen verzerrt, der Komet bewegt sich wirklich schnell. Daher belichtete ich so kurz, dass die Eigenbewegung des Kometen diesen nicht verwischen konnte. Wie bei allen anderen Bildern kamen an Software MaxIm DL, PixInsight und Adobe Photoshop CC2020 zum Einsatz.

Das zweite Ziel war M8, der Lagunennebel. Bei nur noch 21° Außentemperatur und einem deutlich schwächeren Objekt nahm ich nun Einzelbilder mit 180 Sekunden Belichtungszeit auf, bei sonst unveränderten Kameraeinstellungen. Immerhin bei 14 Bildern war das Seeing gut genug, sodass 42 Minuten Gesamtbelichtung in das Endergebnis einflossen.

Recht spontan kam noch der Kokon-Nebel IC5146 im Sternbild Schwan dazu, da gerade günstig stand: Im Lauf der Nacht stieg er immer höher, bis fast in den Zenit, sodass das Seeing immer weniger stören würde. Knapp zwei Stunden konnte ich mit der Nikon belichten, und die Sichtung der Bilder am nächsten zeigte, dass es sich gelohnt hatte.
In dieser Nacht lief die Technik so wie sie sollte, nur die ab und an auftretenden Windstöße vom Berg sorgten für eine spannende Nacht.

Die dritte Nacht

Man kann nie genug Kameras haben – auch wenn die Woche eigentlich dem CDK12,5 gewidmet war, musste noch ein Bild des Kometen Neowise sein. Dazu kam der Baader APO 95 CaF₂ zum Einsatz, dazu eine Nikon Z6 mit 1600 ISO bei einer Umgebungstemperatur von 24°. Für den Stack konnten dann 31 Aufnahmen mit je 30 Sekunden Belichtungszeit verwendet werden, also insgesamt 15,5 Minuten. Dabei war das Ziel, die Strukturen im Kometenschweif bestmöglich herauszuarbeiten. Die Bildbearbeitung war anspruchsvoll: Mit Kometen-Stacking und Sigma Rejection wurden die Sterne herausgerechnet und vermieden, dass der Schweif verschmiert.

Nun aber genug mit OSC-Farbkameras – jetzt kam endlich die QHY600M an die Reihe, im Bin2 Modus. Das ergibt am CDK12,5 eine Pixel-Auflösung von 0,6" Bogensekunden. Bei den tiefstehenden Objekten war das eine Herausforderung – denn ab 3" Seeing werden die Sterne wirklich „verwaschen-flauschig“. Die Nacht war okay: Die besten Seeing-Werte lagen bei knapp über 2", es ging aber auch bis weit über 4".

Das Ziel war IC 1396, ein Sternhaufen in der Cassiopeia. Reizvoll wird er durch den "Elefantenrüssel", eine interessante Struktur in dem Emissionsnebel, in den der Sternhaufen eingebettet ist. Die monochrome QHY600M wurde mit dem Baader LRGB-Filtersatz gepaart und auf -5°C heruntergekühlt. In dieser und der nächsten Nacht konnten immerhin 111 Minuten Beichtungszeit gesammelt werden, in Einzelaufnahmen à 180 Sekunden: 14x Luminanz, je 7x Rot und Grün sowie 9x Blau.

Die vierte Nacht

Erneut sollte die QHY 600M Pro-L zum Einsatz kommen. Diesmal machte uns aber der warme Wind einen Strich durch die Rechnung, der zum Teil in starken Böen vom Berg kam. Unter diesen Bedingungen konnten keine brauchbaren Bilder entstehen. Auffällig waren die hohen Temperaturen, die die ganze Nacht über herrschten. Anfangs lagen sie bei 21°C und stiegen in Spitzenzeiten sogar auf 25°C.

Die fünfte Nacht

Die letzte Nacht bot wieder etwas bessere Bedingungen, aber war noch lange icht so gut wie zuvor. Dafür war die Transparenz die ganze Woche über sehr hoch. In dieser Nacht kam endlich die Andor Marana zum Einsatz.

Das Ziel war erneut IC 1396 – schließlich will man die Bilder ja vergleichen können. Die Kamera wurde auf -25° heruntergekühlt und lief im HDR-Modus mit 16 Bit. Durch das Seeing waren nur 180 Sekunden Belichtungszeit in Luminanz drin, 17 Aufnahmen konnten für das fertige Bild verwendet werden. Macht 51 Minuten Belichtungszeit; dazu wurden Darks erstellt, aber kein Bias.

Fazit

Der Planewave CDK 12,5" Astrograph hat unter Beweis gestellt, dass er mit verschiedensten Kameras harmoniert und serienmäßig spektakuläre Ergebnisse liefert. Dank der kompakten Bauform in Kombination mit der stabilen Konstruktion ist das Teleskop für mobilen Einsatz und Handhabung durch eine Person geeignet. Trotz täglichem Auf- und Abbau blieb die Kollimation jederzeit erhalten, regelmäßiges Nachfokussieren aufgrund Temperaturveränderung war nicht nötig. Die Brennweite von 2,5 m in Verbindung mit dem großen korrigierten Feld, eröffnet viele Möglichkeiten für hoch auflösende Astrofotografie von Planeten bis hin zu größeren Nebeln. Was will man mehr?

Oktober 2020, Christoph Kaltseis
www.cedic.at

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DAS EQUIPMENT: HighEnd für hohe Auflösung

Ein komplett neues System mit verschiedenen Kameras in nur einer Woche aufzubauen und gleich sehenswerte Ergebnisse zu produzieren, stellt große Ansprüche an die Technik – erst recht bei 2,5 Meter Brennweite! Zum Testen kam mit der Nikon eine Single-Shot-Farbkamera zum Einsatz. Nachdem das System eingespielt war, erfolgte der Wechsel zur monochromen QHY-Kamera mit Filtersatz. Zuletzt wurde in der verbliebenen Zeit eine Andor Marana getestet, die für Forschungsanwendungen ausgelegt ist. Um die Technik ausreizen zu können, müssen auch die Umgebungsbedingungen stimmen – daher wurde am Athos Centro Astronómico auf La Palma fotografiert.

PlaneWave CDK 12,5 Astrograph f/8

Das CDK12,5" f/8 mit 318 mm Öffnung und 2541 mm Brennweite ist der kleine und mit 21 kg noch transportable Bruder des bewährten CDK20 von PlaneWave. Die Abkürzung CDK steht für das optische System der PlaneWave Astrographen – ein Dall Kirkham Cassegrain mit einer optischen Korrektureinheit, die dem CDK 12.5" ein völlig planes Bildfeld von 52 mm Durchmesser ohne Koma und ohne Astigmatismus über das gesamte Gesichtsfeld verschafft.

10 Micron GM 2000 HPS II – COMBI

Die 33 kg schweren GM2000-Montierungen tragen bis zu 50 kg Nutzlast – fotografisch, wohlgemerkt! Die Achsencoder und der Zahnriemenantrieb führen ohne Autoguider, nur mit einem exakten Pointing-Modell, selbst lang belichtete Aufnahmen klaglos nach – und das mit einer Genauigkeit von ca. 1"/15 Minuten (Peak-to-Peak). Die neue COMBI-Version ersetzt die beiden bisherigen Modelle: Sie lässt sich für den Transport zerlegen und genauso stabil zusammensetzen, als wäre sie aus einem Block.

QHY 600M Pro-L Kamera

Die QHY600 ist eine hochempfindliche, gekühlte CMOS-Kamera mit dem Sony IMX455 B&W Sensor. Der Vollformat Sensor mit 3,76 μm großen, quadratischen Pixeln hat eine Auflösung von 60 Megapixel. QHY setzt dabei auf die langlebigeren Industrial-Grade-Sensoren – daher kosten sie zwar mehr als Kameras mit scheinbar vergleichbaren Sensoren, aber es dauert wesentlich länger, bis der Sensor altert und Pixeldefekte zeigt.

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Über den Autor: Christoph Kaltseis

Christoph  ist nicht nur Adobe Photoshop Spezialist und als Nikon Professional für Nikon unterwegs, sondern auch ein erfahrener Astrofotograf. Er gehört zu den Gründern der Central European DeepSky Imaging Conference (www.cedic.at), die seit 2009 regelmäßig alle zwei Jahre in Linz stattfindet.

Neben seiner diversen Projekten hat Christoph mit APF-R (Absolute Point of Focus) in den letzten Jahren einen neuartigen Bildschärfungsprozess entwickelt. Die Prozedur ist dabei nicht immer gleich, sondern wird auf die Kombination von Objektiv und Kamera angepasst. Daher war eine flexible Methode nötig, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

In seiner Karriere als Astrofotograf hat Christoph auch bereits einige APODs (NASA Astronomy Picture of the Day) erstellt, z.B. die mit APF-R bearbeitete Aufnahme der M33 Galaxie oder das Herz des Orionnebels (M42).

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