Első lépések a csillagászati fotózás területén
Néhány évvel ezelőtt egy szép tiszta éjszakán felnéztem az égre és meglepődve tapasztaltam hogy itt a faluban, alig 30 km-re a fővárostól, mennyivel szebben látszanak a csillagok mint bent a város közepén. A csillagok már gyerekkoromban is érdekeltek, volt egy könyv (Ég és Föld, 1985, Móra kiadó) amit sokat lapozgattam, de komolyabban nem foglalkoztam a témával.
A szomszéd kisvárosban van egy amatőr obszervatórium, az oldalukról elindulva találtam pár cikket a témában, ami megadta a következő lökést.
Az nyilvánvaló hogy kézből nem fog az ember asztrofotókat lőni, de az is hamar kiderült hogy egy egyszerű fotóállvánnyal sem megyek sokra: csak nagylátószögnél (kb. 24-35 mm fókusztávolságig) és nagyon rövid záridőkkel van értelme statikus állványról próbálkozni, ami csak ún. nightspace-ek készítésére ad lehetőséget. Efölött a Föld forgása miatt a csillagok el fognak mozdulni a képen, csíkot húznak.
Mivel fényképezőgépem és egy a célra többé-kevésbé alkalmas teleobjektívem volt, az első lépés egy csillagkövető mechanika beszerzése lett. Sajnos a beszerzés után hónapokig borús idő következett, esélyem sem volt kipróbálni, aztán elterelődött a figyelmem és a mechnika polcra került, nagyjából két évre.
Idén év elején egy este kutyasétáltatásból hazafelé baktatva láttam, hogy milyen szép tiszta az ég és újra eszembe jutott a téma. Pár nappal később összeraktam azt amim volt: egy egyszerű fotós háromláb, egy Star Advanturer GTI mechanika, rajta egy Canon mirrorless fényképező egy 150-600 -as teleobjektívvel. Egy csillagkövető mechanika (szaknyelven german equatorial mount, GEM) felállításánál az első és legfontosabb teendő a pontos északra állás. A mechanika két tengely körül képes forgatni a rá erősített optikai rendszert, ebből az egyiket tűpontosan a csillagászati észak irányába kellene beállítani (ami majdnem egybeesik a Polaris, a Sarkcsillag pozíciójával). Hamar kiderült hogy ezt "szemre", a mechnikára épített optikán keresztül nem is olyan egyszerű kivitelezni. Többé-kevésbé azért sikerült beállítani és sikerült 600 mm fókusztávolság mellett egy 30 másodperces expozíciót lőni. Ez még éppen éles lett, de már látszott hogy ennél többet nehéz lesz elérni, mert a csillagok kezdtek kicsit elnyúlni, tojás alakúak lenni - nyilván az északra állás hibája miatt.
Elkezdtem a témának utánaolvasni, hogyan lehetne pontosabban északra állni. Na, itt lett a csillagászati fotózásból informatikai feladat.
Kiderült, hogy a legpontosabb északra állást plate solving segítségével lehet elérni. A plate solving azt jelenti hogy csinálunk egy egyszerű fekete-fehér képet az égbolt egy részéről (amin a csillagok kis fehér pontokként fognak megjelenni), majd ezt a képet odaadjuk egy szoftvernek, ami tartalmazza az ismert csillagok adatbázisát. A szoftver a képen látható fehér pontok egymáshoz viszonyított helyzetéből ki tudja sakkozni, hogy az égbolt melyik szelete is van a képen. Ebből már teljesen pontosan kiszámolható hogy az optikánk éppen milyen irányba néz.
Ahhoz hogy ezt a módszer alkalmazzuk, kicsit automatizálni kell a rendszerünket. Linux alatt erre a célra a KStars - INDI - Ekos szoftvercsomagok szolgálnak. A KStars a keret szoftver, ebben lehet böngészni a csillagtérképet, ábrázolni koordinátákat, pozíciókat. Az INDI tartalmazza az alacsonyszintű meghajtó programokat: a fényképező, a csillagkövető mechanika és egyéb kiegészítők vezérléséhez. Végül az Ekos az a szoftver ami a különböző eszközöket összehangolja: innen lehet vezérelni a mechanikát hogy adott irányba álljon vagy a fényképezőt hogy csináljon egy képet.
Ahhoz hogy a rendszer működjön, csak egy-egy USB kábellel a gépre kell kötni a mechanikát és a fényképezőt is. Mivel az egész rendszer Linux alapú, könnyedén fel lehet költöztetni egy Rasberry Pi-re is (erre vannak előre összeállított disztribúciók, mint pl. az AstroBerry vagy StellarMate). A Rasberry előnye, hogy csak addig kell kint állnom a gép mellett a hidegben amíg északra állítom a rendszert, utána már a lakás melegéből, távirányítással tudok tovább dolgozni.
Az északra állás folyamata az Ekos segítségével lényegesen leegyszerűsödött. Először nagyjából északra álltam a telefon iránytűje segítségével (a vízszinteshez viszonyított szög a földrajzi koordinátáinkból adódik: kb. 47 fok), majd elindítottam a szoftvert. Ez először csinál egy fotót a Polaris környékéről, majd elforgatja az optikát az RA (vagy más néven polar) tengely körül kétszer 20-30 fokkal és ott is fotókat készít. A plate solving segítségével kiszámolja melyik esetben hova nézett az optika és a három pozícióból már vissza tud következtetni hogy az RA tengelyünk iránya mennyire tér el az ideális csillagászati északtól. Nálam ez alapból kb. 1-2 fok volt. Itt beállítható hogy kb. 2 másodpercenként csináljon 1-1 új képet és számolja újra a pozíciót. Közben elkezdem tekergetni a mechnanika beállító csavarjait és nézni hogy rontok vagy javítok a helyzeten. Ezt addig folytatom amíg kb. jónak tűnnek az adatok. Akkor a mechanikát visszaállítom alaphelyzetbe és kezdem az egész folyamatot elölről. Mindezt addig kell ismételgetni amíg el nem érjük a kívánt pontosságot. Nálam ez a pont kb. 50 szögmásodpercnél jött el, gondoltam próbának elég lesz.
Beállítás után elkezdtem megkeresni az Andromeda Galaxist. A szoftver ebben is segített: először a plate solving eredménye alapján szinkronizáltam a mechanika elvi pozícióját a valósággal. Utána a KStars kiszámolta pontosan merre is van az Andromeda és megpróbálta oda irányítani az optikát. Majdnem sikerült neki, egy 5 másodperces expozíció egyik sarkában feltűnt a jellegzetes forma: középen egy világos pötty, ami körül szétterül egy gyorsan halványodó szürkés folt.
Újabb plate solving, újabb pozícionálás és az Andromeda tökéletesen a kép közepére került. Elkezdtem egyre hosszabb záridőkkel kísérletezni és kb. 10 percig sikerült is eljutni, ennek eredménye lett a pár napja feltöltött kép.
Ha összehasonlítom az én képemet egy tapasztalt mélyég-fotós képével, elég szembetűnő a különbség: az enyém egy homályos folt, a "profiké" sokkal élesebb és színesebb.
A különbségnek elég sok oka van. Kezdjük az alapoknál: ennyire kevés fény esetén a fotózás már sokkal inkább fotonvadászat, mint kattintgatás. A fényképezőgép szenzora úgy működik, hogy kb. 2-6 mikrométer átmérőjű fényérzékeny cellákból áll. Amikor egy ilyen cellára beesik egy foton, akkor az átad valamennyi energiát, ilyenkor az érzelőben egy elektron kicsit magasabb energiaszintű pályára kerül. Amikor fényképezünk, az érzékelő előtti ablakot kinyitjuk hosszabb-rövidebb időre, majd a végén kiolvassuk hogy melyik cella mennyire töltődött fel a beeső fotonok következtében. Minden érzékelő egyik fontos jellemzője a full well capacity, ami kb. azt jelenti hogy egy cella max. hány elektron izgatott állapotba kerülését képes mérni. Kisebb cellaméretű szenzorok nagyságrendileg úgy 10 ezer elektront képesek kezelni, a nagyobbak úgy 50-100 ezer elektront. Ebből egyenesen következik a szenzor dinamikatartománya is: mekkora a mérhető legkisebb és legnagyobb intenzitás aránya. Ez jellemzően valahol 8-16 bit (256 és 65536-szoros arány) között mozog.
Miért fontos ez? Ha kicsi a szenzor dinamikatartománya, akkor kevesebb idő alatt telik meg a vödör fotonokkal, kevesebb ideig tarthat egy-egy expozíció. Viszont minden expozícióra rakódik egy fix mennyiségű zaj (egyrészt a kiolvasás pontatlanságaiból adódóan, másrészt a szenzor hőmérsékletéből és egyéb problémákból adódó zajok). Minnél kisebb a szenzor zajszintje és minnél nagyobb a "full well" kapacitása, annál jobb jel-zaj viszonyú kép készíthető vele.
Ezen a ponton válik a fotózás kemény pénzkérdéssé: egy pici, alacsony felbontású és alacsony "full well" kapacitású szenzor relatív olcsó, egy nagyobb méretű, nagy felbontású, alacsony zajszintű és nagy kapacitású szenzor iszonyú drága.
A következő probléma, hogy egy mirrorless gép szenzora nem csillagászati fotózásra optimalizált. Például az infravörös tartomány közelében, ahol egy csillagászati szempontból fontos hidrogén-alfa színképvonal található, már elég rossz az érzékenysége. Ráadásul hajlamos a melegedésre, ami növeli a zajszintet.
Az asztrofotózásra optimalizált kamerák Peltier-elem segítségével hűtöttek, hogy stabilan -5 vagy -10 fok közelében tudják tartani a szenzor hőmérsékletét, ezzel javítva a jel-zaj viszonyt. Nincs bennük infravörös szűrő, jó hatásfokkal tudják hasznosítani a hidrogén-alfa spektrumban érkező fotonokat is. Ráadásul a profibb verziókon Bayer-szűrő sincs (ettől az RGB szűrőtől lesz színes a színes kamera), az érzékelő teljes felülete a teljes spektrumtartományban érzékeny, a megfigyelő dönti el hogy milyen szűrőt tesz az érzékelő elé, így akár a szenzor teljes kapacitását egyetlen spektrumvonal megfigyelésére lehet fordítani. Viszont a jó minőségű szűrőkre önmagukban vagyonokat lehet költeni.
A következő probléma az optika: a fényt valahogy be kell gyűjteni és a szenzorra juttatni. Az én F/6.3 körüli zoom optikám messze nem optimális. Egy nagy frontlencsével rendelkező, fix fókusztávolságú apokromatikus lencsés távcső sokkal jobb minőséget képes biztosítani, a hatalmas (akár 20-50 cm átmérőjű főtükörrel rendelkező) Newton vagy Ritchey-Chrétien rendszerű tükrös teleszkópok pedig teljesen más kategóriát jelentenek (sajnos árban is ...).
Nem említettem még a mechanika fontosságát: semmit nem ér az optika és a szenzor, ha nem vagyunk képesek nagyon pontosan egy irányba pozícionálni. Kezdjük az alapoknál: kell egy stabil felület. Jó lehet egy betozott felület vagy ha az nincs akkor három 20-30 centis beton járólap. Ezekre állítva egy háromlábú állványt a láb nem fog elsüllyedni a puha talajban (ezzel elmozdulva a gondosan beállított északi irányról). Ezek után kell egy masszív állvány. Az elsőre kipróbált vékonyka fotós állványom nagyon nem ilyen volt, már attól is bemozdult ha picit hozzáértem a géphez. Itt léptem meg az első upgrade-et: beszereztem egy jókora, kb. 20 kg-os vas oszlopot, ami a mostaninál jóval nagyobb optikát is rezzenés nélkül elviselne. A mechnika kiválasztásánál két szempont játszik: a hordozandó optikai rendszer súlya és a pozícionálás pontossága. A kisebb mechanikák úgy 5 kg terhet képesek hordozni, a következő kategóriák sorban úgy 10-15-20 kg-ot, persze így kerülnek egyre többe.
A pontosságot tovább lehet javítani guiding segítségével: ilyenkor egy kisebb kiegészítő kamerával folyamatosan készítünk képeket az égboltról és a szoftver figyeli hogy mennyire mozdulnak el a csillagok a képen, a mechanikának pedig korrekciós utasításokat küld hogy pontosan a célra irányítva maradjon.
Ha mindezt kiraktuk és elkészült a kép, majd betöltenénk egy átlagos képnézegetőbe, szomorúan tapasztalnánk hogy az égvilágon semmit nem látunk, csak egy nagy feketeséget. A képet erre a célra optimalizált szoftverekkel (pl. PixInsight) fel kell dolgozni: a hisztogramot széthúzni hogy láthatóvá váljanak a részletek, majd eltüntetni a képről a zavaró részleteket (pl. a mindenhol jelen levő fényszennyezést, a képen éppen áthúzó műholdakat, stb.) majd megpróbálni kiemelni a részleteket.
A valóságban egy jó minőségű fotóhoz nem egyetlen expozíciót használnak, hanem több órányi felvételt összegeznek, néha több száz fotót. Ennyi szükséges egy részletgazdag, magas információtartalmú nyersanyag előállításához.
A képfeldolgozás az pont ahol az objektív információgyűjtés vonaláról átlendülünk a szubjektivitás oldalára: a nyers kép még mindig meglehetősen fakó, a részletek nehezen kivehetőek. Innentől ki művészeti, ki tudományos szemléltetési célzattal, de mindenki a maga ízlése szerint elkezdi kiszínezni a képet. Az eredmény egyre távolabb kerül a kissé szürkés valóságtól, majd céltól függően egy szép képpé vagy hasznos tudományos szemléltető eszközzé válik. Szerencsés esetben akár mindkettő egyszerre.
Merre tovább? Nekem most elsősorban a gyakorlás következik: megtalálni és lefotózni további mélyég-objektumokat, beüzemelni a guiding-ot (egy kis követő teleszkópom és miniatűr kamerám már van ehhez, de összelőni még nem sikerült). Kitapasztalni a meglevő rendszer korlátait, aztán ha még marad lelkesedés akkor eldönteni merre tovább. Csábító a célra optimalizált monokróm kamerák teljesítménye, de kissé elrettentő a költségük. Optikában is lenne hova fejlődni, az automatikus fókuszírozás is sokat javíthatna a képminőségen.