Sterne

Der Stern als Punkt ?

Es ist das einfacher gesagt als getan.
Nachts möchte man so viel Licht einfangen, wie möglich, also lange belichten, möglichst die Blende öffnen. Hierbei treten mehrere Probleme auf.

Abbildungsfehler

Koma

Koma (eine Art der sphärischen Aberration) ist ein Abbildungsfehler von Objektiven , dadurch werden Sterne zum Bildrand hin unscharf, sie werden elliptisch und sehen wie kleine Fallschirmflieger oder Schmetterlinge aus. Dieser kann durch Abblenden mit entsprechendem Lichtverlust verringert werden.

Jedes Objektiv ist anders, meist hilft abblenden. Das steht im Widerspruch möglichst viel Licht zu sammeln. Das könnte man nur ausgleichen, indem man die Belichtungszeit oder die Sensorempfindlichkeit (ISO-Wert) erhöht. Zu lange Belichtungszeit führt zu Sternenstreifen, da die Erde rotiert. Höherer Sensorempfindlichkeit führt zu mehr Rauschen. Wie man beiden begegnet. Möchte ich nachfolgend beschreiben.

Sternenstreifen

Die Erde dreht sich gegen den Uhrzeigersinn um sich selbst. Dadurch ändert sich die Sicht auf die Sterne und wir haben den Eindruck als würden sich die Sterne im Uhrzeigersinn drehen. Es gibt 2 Formeln, welche die längst mögliche Belichtungszeit für das vorhandene Objektiv in Kombination mit der Kamera ermitteln, ohne dass die Sterne zu Streifen werden.

500er Regel

Diese Regel basiert auf einen 35 mm Film mit hoher Körnung (ISO) und ist längst überholt.
Es wird 500 durch die benutzte Brennweite (bei APS-C mal Crop-Faktor) geteilt, das ergibt die maximale Belichtungszeit. Bei meinem Weitwinkelobjektiv mit 20mm im Kleinbild wären das 500/20 = 25 Sekunden.
Einige nutzen auch 600 statt 500 als Basiswert. Egal welchen man Wert nun heranzieht, man berücksichtigt dabei nicht die Abbildungsmöglichkeiten der Technik (Sensorgröße, Abbildungsleistung des Objektivs, Auflösung des darstellendes Medium). Die nachfolgende NPF-Regel schließt die Sensorgröße ein.

NPF-Regel

Die Formel lautet:
(35 x Blende + 30 x Pixelabstand) ÷ Brennweite = Verschlusszeit in Sekunden
Pixelabstand = die physikalische Breite des Kamerasensors in Millimeter ÷ Anzahl der Pixel in der Breite x 1000.
Als Beispiel:
Für meine D750 gilt laut Datenblatt: 35,9 mm für die Breite des Sensors, 6032 px maximale Breite, die Pixeldichte = (35,9/6032)*1000 = 5,9515
Für Blende 1.8 und 20mm gilt dann (35 x 1,8 + 30 x 5,9515)/20 = (63+ 178,54)/20 = 12 Sekunden. Für Großdrucke sollte die ermittelte Verschlusszeit noch mal halbiert werden

Rauschen

Wenn wir alle Möglichkeiten an Blende und Verschlusszeit ausgeschöpft haben, bleibt uns oft keine Wahl als die Lichtempfindlichkeit des Bildsensors hochzudrehen. Wir heben den sogenannten ISO-Wert an. Damit verstärkt ich das Bildrauschen, Hotpixel werden sichtbar

Grenzen der Technik

So banal das klingt. Es ist wichtig zu wissen, wie hoch man den ISO-Wert drehen kann, so dass die Bilder überhaupt noch verwertbar sind. Auf dieser Seite gibt es eine gute Excel-Tabelle. Die Auskunft darüber gibt.

Grenzen der Software

Nun kann man das Rauschen via Software entfernen. Aber woher weiß die Software, was nur ein schwach leuchtender Stern und was Rauschen ist ? Sie rechnet schlimmstenfalls den dunkleren Stern raus. Astrofotografen haben sich dazu eine tolle Lösung einfallen lassen, wie man entrauscht ohne Sterne zu entfernen. Dazu nun nachfolgend mehr.

Stacking

Verfahren

Die Idee beim Stacking ist, dass man viele Bilder vom gleichen Motiv fotografiert, diese Bilder dann mittelt. Da das Rauschen von Bild zu Bild nie identisch ist, aber die echten Informationen im Bild dagegen schon, nähert man sich mit der Mittelung immer mehr den echten Bildinhalt an. Wenn man ohne Nachführung arbeitet, muss die Software noch die Erdrotation berücksichtigen.

Anzahl der Bilder

Um die Anzahl der Bilder abzuschätzen, hier eine Formel: "Das Signal-Rausch-Verhältnis vergrößert sich mit der Quadratwurzel aus der Anzahl der kombinierten Aufnahmen, unabhängig davon, wie lange die einzelnen Bilder belichtet wurden." Das bedeutet wenn ich 2 Bilder stacke, verbessere ich mein Bild um Faktor 1,4 (Quadratwurzel aus 2), wenn ich 4 Bilder stacke um Faktor 2 (Quadratwurzel aus 4) usw.. Hier ein tolle Beschreibung


Bild ISO 1600, 20mm mit Nikon D750. Nachfolgende 2 Bilder sind Auschnitte (Mitte, links) davon. Im Auschhnitt rechts oben sieht man den Stern: HIP 102833, welcher fast 500 Lichtjahre von uns entfernt ist
links Original aus der RAW-Datei,
rechts per Software Rauschen entfernt und geschärft
links Original aus der RAW-Datei,
rechts Stacking der Originalbilder mit Software Fitswork, aus 8 Bildern

Probleme mit Weitwinkel

Wenn man keine Nachführung benutzt, wird durch die Erdrotation der Bildauschnitt mit jeden Bild verschoben. Objektivfehler wie Verzerrungen treten dann von Bild zu Bild in verschiedenen Bereichen auf. Der Abstand der Sterne zueinander stimmt von Bild zu Bild nicht somit nicht mehr überein. Das sind oft nur wenige Pixel Unterschied, macht das Stacken für die Software sehr schwierig.

Vorteile des Stackings

  • Entrauschen, damit kann man auch mit höherer ISO arbeiten, somit viel mehr Licht einfangen.
  • Abschwächen oder Entfernen von störenden Objekten wie Hubschrauber, Flugzeuge, Vögel

Nachteile

  • lange Nacharbeit
  • wenn man eine Spiegelkameras nutzt, und pro Abend hunderte Bilder schießt, verschleißt die Kamera natürlich schneller.

Software

Für Stacken gibt es verschiedenste Software. Ich bin nur Laie, daher zählte mich neben dem Ergebnis die Bedienbarkeit, auch wie es mit Objektivverzerrungen umgehen kann. Ich habe die Software nur unter dem Gesichtspunkt des Alignments getestet, also wie es rotierende Bilder mitteln kann. Jedes dieser Tools kann unter Umständen noch viel mehr.
  • Deep Sky Stacker, ist ein recht komplexes Tool, benötigt doch gewisse Zeit an Einarbeitung. Es ist auch recht rechenintensiv. Mit der Weitwinkelverzerrung kam es leider nicht zurecht. Bei Sternenaufnahmen liefert es sehr gute Ergebnisse.
  • Sequator, ist ein reines Stacking-Tool mit einfacher Bedienung, man kann sogar den Vordergrund extra markieren. Man kommt sehr schnell zum Ziel. Ich nutze es, wenn es um Weitwinkelaufnahmen geht.
  • Regim ich kam sehr spät zu dem Tool und habe es nur mit Deep Sky getestet. Auch wenn Deep Sky Stacker weit verbreitet ist, weniger als Regim ningelt, um Faktor 10 schneller als Regim rechnet, greife ich inzwischen auch zu Regim. Eine der wichtigsten Funktionen ist die B-V-Farbkalibrierung, die nur wenige freie Tools können. Dabei werden die Sterne über PlateSolving erkannt und das Bild anhand der Farbtemperatur der gefundenen Sterne kalibriert. Das ist schon recht beeindruckend.
  • Siril
  • StarStaX Schlichtes Tool, kam mit der Weitwinkelverzerrung gar nicht zurecht.
  • Autostakkert 2.6.8 für Planten und ähnliche Himmelskörper
  • Fitswork, keine intuitive Bedienung aber es gibt gute Anleitungen. Mit Weitwinkelverzerrung kam es nicht wirklich gut zurecht. Je nachdem, wo und wie viele Sterne man markierte war das Ergebnis mal besser mal schlechter, aber nicht zu 100% sauber. Trotzdem muss ich das Tool vom Funktionsumfang an dieser Stelle loben, für die Nachbearbeitung von Sternen ist es ideal.
Daneben gibt es auch kommerzielle Tools, die teils beachtliches leistens. Hier eine Liste die ich getestet habe.
  • PixInsight (230 €) nicht getestet, soll aber zu den Besten gehören
  • Nebulosity 4 (95 $) Die Demo-Version lief auf meinen Rechner sehr schleppend, bis das sie gar nicht mehr bedienbar war, so dass ich den Versuch abbrach
  • Photoshop CC Es gibt gute Anleitungen bei youtube. Wichtigste Befehle hierbei sind "Ebenen automatisch ausrichten", "Smartobjekte im Stapel verrechnen (Median, Mittelung)"
  • Registar (179 $) Leider etwas teuer, die Demo-Version beeindruckte mich. Trotz Weitwinkelverzerrung zog das Programm durch. Die Sterne waren glasklar.

Nachführung (engl. star tracking)

Dazu braucht man ein Gerät, welches den Sternen folgen kann. Im englischen bezeichnet man diese als star tracker.

Montierungen

Bei der azimutalen Montierung hat man eine horizontale Drehachse und eine Achse für die Höhenverstellung. Diese Montierungen sollen sehr stabil, aber nicht genau sein.

Bei der Fotografie verwendet man meist die parallaktische Montierung. Bei dieser dreht sich die Achse des Geräts gegen die Erdrotation, somit bleiben für uns die Sterne fotografisch an einer Stelle stehen. Die Achse des Geräts muss auf der Nordhalbkugel der Erde Richtung Nordpol ausgerichtet werden, auf der Südhalbkugel Richtung Südpol. Man spricht vom Einnorden. Das Einnorden auf der Nordhalbkugel ist einfach. Der Nordpol liegt etwas neben dem gut erkennbaren Nordstern. Hier mal vom 19.2.2019 in Leipzig einmal links 5:30 Uhr und rechts 19:30 Uhr

Mein Wunsch

Die Geräte unterscheiden sich im Wesentlichen durch Anzahl der Motoren, Art des Getriebes, Genauigkeit, Gewicht, Traglast und entsprechend im Preis. Die billigste Varianten bekommt man bereits für 150 € nach oben sind kaum Grenzen gesetzt. Man kann also auch 15.000 € ausgeben.

Da ich am hellen Stadtrand wohne, ohnehin für Sternenfotografie reisen muss, sollte es eine sogenannte Reisemontierung werden. Diese haben wenig Eigengewicht und eine mehr oder wenige kompakte Bauart. Mein Budget war leider etwas limitiert, so dass ich alles in allen etwas unter 500 € suchte. Ich verglich wochenlang Testberichte, las Forenbeiträge, schaute Youtube-Videos. Das ersetzt keine Erfahrung, aber vll. helfen meine Kriterien und das was ich las dem einen oder anderen.

Unterbau

Was den Preis betrifft, es nicht immer alles so wie es scheint. Die Nachführung muss ja zum Pol ausgerichtet werden, d.h. man benötigt einen weiteren Unterbau der das ermöglicht. Dieser kostet extra, wenn er nicht im Paket/Set enthalten ist. Im Idealfall ist das eine Polhöhenwiege. Das ist ein Unterbau, sich anhand des Breitengrades bereits grob auf die Höhe des Nordsterns ausrichten lässt und auch eine feinere Justierung ermöglicht. Es geht aber auch mit einen 3-Wegeneiger oder weniger gut auch mit einen normalen Kugelkopf.

Sucher

Ein weiteres wichtiges Kriterium ist der Sucher. Bei Weitwinkelaufnahmen soll eine grobe Ausrichtung zum Nordstern ausreichen. Jedoch je genauer man auf den Himmelspol ausrichtet umso länger kann man auch ohne Sternenstreifen belichten. Bei Aufnahmen mit dem Teleskop oder Teleobjektiv ist eine genaue Ausrichtung auf den Himmelspol zwingend notwendig.

Die Hersteller haben das je nach Preis und Zweck verschieden umgesetzt. Beim Nanotracker ist das nur ein Loch, bei minitrack lx2 und der Grundausstattung des Vixen Polaris immerhin ein Röhrchen. Bei letzteren kann man für viel Geld auch einen richtigen Sucher nachkaufen. Beim Fornax LighTrack II muss der Sucher ebenfalls separat dazu gekauft werden. Beim SkyWatcher star adventurer und star adventurer mini ist der Sucher enthalten, die Beleuchtung muss man ggf. nachkaufen. Das Konzept ist bei diesen wohl nicht durchdacht. Einige behelfen sich, indem sie Rotlicht in den Sucher schräg rein leuchten. Beim iOptron SkyTracker Pro und SkyGuider Pro (nur auf 12 Uhr Stellung) ist diese Beleuchtung enthalten.

Die Lage des Suchers ist auch recht interessant. Den Unterschied merkt man erst, wenn die Einordnung nicht so klappt. Normal nordet man erst grob ein, setzt die Kamera samt Teleskop oder Objektiv auf die Montierung und nordet noch mal genau ein. Diese Reihenfolge ist wichtig, da sich beim Aufbau der Kamera usw. das Gewicht verlagert, entsprechend alles noch mal nachsacken kann.

Das bedeutet, ein Einnorden mit dem kompletten Aufbau, ebenso erneute nachträgliche Einnorden nach einer gewissen Zeit, sind wichtig. Ideal ist es natürlich wenn der Sucher nicht auf der Drehachse liegt, nichts versperrt die Sicht, auch bleibt die Skala im Sucher an der gleichen Stelle. Leider ist das bei nur wenigen so (z.B. bei Vixen Polaris, Fornax LighTrack II, iOptron SkyTracker Pro). Wenn dem nicht so ist, hat man in der Tat einige Nachteile. Beim Aufbau, wo der Stativ-Kopf direkt auf die Nachführung gesetzt wird, kann man nicht mehr durch den Sucher sehen. D.h. nur noch der Aufbau mit der L-Schiene ist möglich. Auch dreht sich die Skala im Sucher mit (so beim SkyWatcher star adventurer /star adventurer mini und iOptron SkyGuider Pro). Bei letzteren kann man sich behelfen, in dem man sich die Markierung auf dem Stundenkreis beim Einnorden merkt, diese sollte bei fortlaufenden Betrieb erhalten bleiben.

Noch ein Wort zum Ziffernblatt, die vom SkyWatcher star adventure und iOptron SkyGuider Pro haben z.B. einen Kreis mit einer Stundeneinteilung abgebildet. Wenn man mit einer Handy-App arbeitet ist, das recht einfach zu handhaben. Die Apps wie Polar Aligner oder Polarfinder zeigen, an welcher Position auf dem Kreis der Polstern sich befinden sollte. Einige Polarsucher arbeiten mit der Kochab-Methode. Dabei sieht man im Polsucher eine Linie. Nun dreht man den Polsucher so, dass diese Linie Richtung Stern Kochab im Sternbild des Kleinen Bären (lat. Ursa Minor) zeigt und der Polarstern sich auf der markierten Position auf der Linie befindet. Diese Methode ist genau. Für Brillenträger ist das etwas schwierig, da der Stern Kochab nicht im Polsucher zu sehen ist. Also Brille auf- Brille runter.

Stromversorgung

Wer die Nachführung in kalten Regionen benutzen möchte, ist mit dem integrierten Akku schlecht beraten. Dieser ist zu schnell leer und nicht austauschbar, auch verbietet es iOptron den Akku unter 0 Grad zu laden, damit dieser nicht beschädigt wird. Der Vorteil vom integrierten Akku ist, dass man nicht noch ein Ladegerät für die Akkus benötigt. Bei einer externen Stromversorgung sollte man bedenken, dass diese mehr Gewicht und Platz erfordert. Den minitrack lx2 kann man in der Betrachtung ausschließen, da er rein mechanisch nachführt.

Traglast

Gerätohne Gegengewichtmit Gegengewicht
Omegon Mini Track LX22kg
Nanotracker2kg
Vixen Polarie2-3kg6,5kg
iOptron SkyTracker Pro1,2 kg3kg
iOptron SkyGuider Pro 1,5 kg5kg
Sky-Watcher Star Adventurer 5kg
Sky-Watcher Star Adventurer mini 3kg
Fornax LighTrack II6kg12kg

Preise

Hier wird es kompliziert. Man muss sich vorher überlegen was man möchte, entsprechend das Angebot prüfen. Es gibt teilweise gute Sets in denen alles enthalten ist. Für mich waren Polhöhenwiege und ein vernünftiger beleuchteter Sucher wichtig. Bei iOptron, SkyWatcher wäre es dabei, bei Fornax LighTrack II und Vixen Polarie müsste man diese dazu kaufen. Bei letztgenannten verdoppelte sich dadurch der Preis, so dass sie nicht mehr in meinem verfügbaren Budget lagen.

Vordergrund

Wegen den Sternen versucht man die Belichtungszeiten kurz zu halten um Sternenstreifen zu vermeiden. Aber warum sollte man nicht für den Vordergrund ein extra Bild mit ISO 100 machen und das extra lange belichten. Natürlich nimmt mit langer Belichtung das Rauschen des Sensors zu, aber noch lange nicht so wie bei ISO 1600. Apps wie Photopills berechnen die passenden Verschlusszeit, ISO 100 gegenüber ISO 1600.
Hier mal eine Aufnahme 8 Bilder mit ISO 1600 gestackt, jeweils Verschlusszeit 15 Sekunden + Vordergrund mit Belichtungszeit von 4 Minuten mit ISO 100 . Nachfolgend ein Bild aus unseren Garten. Wir haben hier eine relativ hohe Lichverschmutzung, so dass nur wenige Sterne zu sehen sind.


Ich empfand folgenden Prozess als hilfreich:
  • alle Bilder sollten gleich belichtet sein
  • das Vordergrundbild enthält natürlich aufgrund der langen Belichtungszeit Sternenstreifen. Beim Stacking ist ist ja ein Bild das Referenzbild, auf das sich weitere Berechnungen/Mittelung beziehen. Das Bild habe ich genutzt um die Sternenstreifen zu überdecken.
  • zum Schluss habe ich das fertige Stacking-Bild über die Sterne gelegt.

Milchstraße

Sichtbarkeit

Geringe Lichtverschmutzung ist zwingend um die Milchstraße überhaupt zu erkennen. Auch der Mond scheint so hell, dass man bei Vollmond kaum eine Chance hat. Ideal ist also Neumond , oder wenn der Mond noch nicht aufgegangen ist.

Brennweite

Im Forum fand ich ein mal folgende Aussage: "es ist nur das Zentrum der Galaxie interessant, das kann man mit verschieden Vordergründen kombinieren". Mit anderen Worten ob auch mit einer Standard-Brennweite kann man Milchstraßenbilder schießen. Möchte man die ganze Milchstraße einfangen, benötigt man viel Weitwinkel.

Ansichten

Die Milchstraße erstreckt sich über den ganzen Himmel. Im Mai liegt sie hierzulande im flachen Bogen über den Horizont, während sie im November fast den Zenit berührt. Für Panoramen sind die Monate um den Mai also ideal. Leider ist auch am Horizont die Lichtverschmutzung am schlimmsten, so dass hier ein Kompromiss gefunden werden muss.

Sterne identifizieren

Neben verschiedener Apps/Programme wie z.B. Stellarium, die den Sternenhimmel zu einen beliebigen Zeitpunkt und Ort abbilden können, gibt es eine Webseite wo man kostenlos Astrofotos hochladen kann. Innerhalb von 10 Minuten werden die wichtigsten Sterne dort eingezeichnet. Das ist wirklich klasse. http://nova.astrometry.net/upload


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