Astrofotografie – het vastleggen van objecten in de ruimte – is een mooie en uitdagende hobby. Het meest mysterieus zijn misschien wel de gloeiende gaswolken diep in de ruimte, waarin sterren worden gevormd, of de gloeiende, uitgestoten restanten van oude, stervende sterren. Waterstof is het meest voorkomende gas en zodra dit heet wordt, gaat het licht uitzenden in een specifieke kleur; het diepe rood van waterstof alfa emissie. De uitdaging is om zoveel mogelijk van dit rode licht te vangen om deze gebieden diep in de ruimte vast te leggen. 

Twee uitdagingen om te overwinnen
Enorme afstanden – Objecten in de ruimte staan héél erg ver weg: miljoenen maal miljarden kilometers ver! Van al het licht dat objecten op zo’n afstand uitstralen, komt dus maar een fractie bij ons aan. Bovendien zijn hete gaswolken in stervormingsgebieden nogal diffuus; ze lijken meer op het zwak gloeiende gas zoals te zien is in het Noorderlicht, dan op de fel gloeiende bol van de Zon. We zullen dus heel lang licht van deze zwakke objecten moeten verzamelen.

Gevoeligheid camera in rood – Standaard (DSLR/MILC) camera’s zijn niet geoptimaliseerd voor gloeiend waterstof, maar om kleuren vast te leggen zoals het menselijk oog ze waarneemt. Dit is in de eerste figuur te zien: langs de verticale as staat de gevoeligheid van de pixels op de sensor van twee Canon camera’s, horizontaal de golflengte van het licht, oftewel de kleur. Blauw ligt aan de linkerkant (rond de “4500” op de horizontale as), groen in het midden (rond de “5000”) en rood rechts (rond de “6000”). De gekleurde lijnen geven de gevoeligheid van de blauwe, groene en rode pixels weer. Het is duidelijk dat de rode pixels het minst gevoeg zijn. Het probleem is aanzienlijk: de kleur van het gloeiende waterstofgas ligt bij “6563” op de horizontale as. De gevoeligheid van de blauwe en groene pixels is daar nul, die van de rode minder dan 30% van de maximum gevoeligheid. Er wordt dus maar heel weinig van het rode licht gedetecteerd.

Afbeelding 1: Gevoeligheid van de pixels (verticaal) als functie van de kleur van het licht (horizontaal). Bron: A numerical method for visualization of the Fe XIV emission in the solar corona using broadband filters (ApJ, 197: 23, 2011) 

De aanpak om optimaal rood te zien
Als we heel veel licht van zwakke objecten willen verzamelen, moeten we de sluiter van onze camera lang open hebben staan; wel tientallen seconden of minuten lang. Wie wel eens naar de sterren kijkt, weet dat ze niet op hun plek blijven staan, maar net als de Zon van oost naar west bewegen; dat komt doordat de Aarde om zijn as draait. Hierdoor wordt het beeld als we de sluiter open laten staan, uitgesmeerd over de sensor die naar een vast punt aan de hemel kijkt. Tenzij we een manier hebben om de camera mee te laten bewegen met de sterren! Dat kan met een speciale montering, die een rotatie-as heeft die parallel staat aan de rotatie-as van de Aarde. Er zijn “Star Trackers” die op een normaal fotostatief gemonteerd kunnen worden en de camera met een klein motortje met de hemel mee laten draaien, of er zijn natuurlijk speciale monteringen voor astronomische waarnemingen. Met dit soort monteringen lossen we, als we de rotatie-as zorgvuldig afstellen, het eerste probleem op: we kunnen lange belichtingstijden realiseren. Bovendien gaan we met software de data in meerdere foto’s combineren tot één foto: foto’s stapelen, noemen we dat.

Reguliere Canon DSLR/MILC-camera’s hebben ingebouwde IR en UV filters, omdat in normale foto’s dat licht niet wordt gebruikt en het lastiger scherpstellen is zonder die filters. Door het verwijderen van die filters, maken we de camera vanzelf extra gevoelig voor het rode licht, ten koste van een deel van de normale functies van de camera. Dit noemen we een astro-modificatie en hiermee wordt de camera bijna 100% gevoelig in diep rood. Voor dit blog maken we gebruik van twee identieke camera’s (Canon EOS 700D), waarvan bij één de astro-modificatie is uitgevoerd.

Nu kunnen we met de gemodificeerde camera nog een stap verder gaan door een filter te gebruiken, waarmee we alleen het licht rond de rode kleur van het waterstofgas doorlaten en al het andere licht blokkeren. Er zijn verschillende producenten van dit soort filters. Astronomik maakt daarbij filters die direct in een APS-C of full-size camera gebruikt kunnen worden (de zogenaamde “Clip-In” filters). Hierdoor kunnen deze filters ook met EF lenzen gebruikt worden (niet met EF-S lenzen, want die steken te diep in de camera body). Hieronder een foto van de gemodificeerde Canon EOS 700D met het 12nm H-alfa filter. Door deze camera te gebruiken, kijken we dus echt specifiek naar de wolken van gloeiend waterstof.

Afbeelding 2: Mijn gemodificeerde Canon EOS 700D (te herkennen aan het witte plakkertje) met een 12nm H-alfa Clip-In filter. 

Het maken van de foto’s: de opstelling
Voor de uiteindelijke foto gaan we gewone kleurenfoto’s (RGB) op een speciale manier combineren met de foto’s van de gemodificeerde camera met het filter (die noemen we Ha foto’s). Om dat efficiënt te doen, monteren we beide camera’s met een dwarsverbinding op één montering. Natuurlijk kan het ook met één camera tegelijkertijd, maar dat duurt langer.

De opstelling is in afbeelding 3 te zien met identieke lenzen op de camera’s (70-300mm zoomlenzen). De opstelling is zó afgesteld, dat in de getoonde ruststand de camera’s parallel zijn aan de rotatie-as van de Aarde. De camera’s wijzen nu naar het noorden en kijken omhoog. De hoek met de horizon is daarbij gelijk aan de breedtegraad van de plek waar de foto’s worden genomen; hier zo’n 52 graden.

Om de camera’s soepel te laten draaien, wordt hun gewicht gebalanceerd met het contragewicht aan de voorkant. De ingebouwde motor draait de camera’s met precies de juiste snelheid rond.

Voor de foto’s kiezen we het sterrenbeeld Orion. Dit sterrenbeeld dat een jager uitbeeldt, staat in de winter in het zuiden en bevat allerlei gebieden waar sterren ontstaan vol met gloeiend gas. We schieten de foto’s op 70mm en f/5.6. Met deze brandpuntsafstand kunnen we de onderste helft van het sterrenbeeld fotograferen.

Afbeelding 3: De opstelling in ruststand met de twee camera's op een astronomisch statief om de draaiing van objecten aan de hemel te volgen. 

Het maken van de foto’s: scherp in beeld brengen
Als eerste richten we de camera’s ruwweg op het stuk van de hemel en brengen de reguliere camera met live view in focus. Door het maken van een testfoto weten we zeker dat we op het juiste stuk aan de hemel gericht staan. Vervolgens proberen we de H-alfa camera met het filter scherp te stellen. Omdat het filter maar een paar procent van al het licht doorlaat, moeten we daarvoor óf een hele felle ster gebruiken, of tussentijds meerdere testfoto’s schieten en de focus bijstellen. We gebruiken in ieder geval een zo hoog mogelijke ISO-waarde (3200 of 6400, afhankelijk van de ruis) en lange sluitertijd voor de live view. Deze camera sluiten we aan op de laptop, zodat we de live view op het grotere laptopscherm zien. De reguliere camera kunnen we met een remote timer bedienen als we willen.

Vervolgens testen we hoe lang we de sluiter open kunnen laten staan. De reguliere camera wordt hierbij begrensd door de lichtvervuiling: de achtergrond wordt door lichten op de grond aangestraald en wordt bij lange belichting oranje. Als de bijbehorende piek in het histogram op ongeveer 33% staat, komt dat overeen met de maximale belichtingstijd. Bij de H-alfa camera wordt de maximumtijd bepaald door de duur waarbij ondanks alle voorbereiding de sterren alsnog uitsmeren door de draaiing van de Aarde. Voor de foto’s in deze blog, kwamen we voor de RGB camera uit op 45 seconden per foto, bij ISO 800 en voor de H-alfa camera op 60 seconden per foto bij ISO 1600 (de duur had langer kunnen zijn, maar vanwege praktische redenen is deze tot 60 seconden beperkt).

De foto’s
RGB – Uiteindelijk werden 90 foto’s met de reguliere camera gemaakt. Deze zijn in Deep Sky Stacker “gestapeld”. Dit is gratis software waarmee foto’s gecombineerd worden tot één foto waarin de data uit de individuele foto’s worden gecombineerd. De foto die hieruit is gekomen, is verwerkt in Gimp (een gratis alternatief voor Photoshop). Het resultaat is hieronder links te zien. In de foto staan de drie sterren van de gordel van Orion linksboven (met Alnitak de meest linker ster), de ster Saiph linksonder en rechtsonder de blauwe superreus Rigel. Links van het midden is de Orionnevel te zien. Links van en onder Alnitak zijn de Vlam- respectievelijk Paardekopnevel te zien.

Ha – Met de gemodificeerde camera zijn 75 foto’s geschoten en gestapeld. Al de data zitten in het rode kanaal. Dit kanaal is in Gimp verwerkt en het resultaat is hieronder rechts te zien. Het is duidelijk dat de gloeiende gaswolken veel duidelijker zijn en ook dat de sterren wat kleiner zijn (want deze stralen maar een deel van hun licht in Ha uit).

HaRGB – De truc is nu om deze twee foto’s te combineren. De Ha data bevatten vooral het rode waterstof licht. Daarom combineren we deze data met het rode kanaal van de RGB foto. We splitsen daarom eerst de drie kleuren van de RGB foto in een R, G en B laag en voegen de Ha als vierde laag toe. Deze Ha laag combineren we vervolgens met de R laag, door 35-45% transparantie op het Ha kanaal toe te passen en de Ha laag en R laag vervolgens samen te voegen. Als laatste combineren we de nieuwe “R” laag (die we HaR noemen) met de G en B laag tot een HaRGB foto. Het resultaat zie je in de onderstaande foto.

Afbeelding 4: De uiteindelijke HaRGB foto van de onderste helft van het sterrenbeeld Orion, met de Vlamnevel en Paardekopnevel (linksboven bij de ster Alnitak) en de Orionnevel links van het midden. 

Conclusie
Door een montering te gebruiken waarmee de beweging van objecten aan de nachtelijke hemel gevolgd wordt, kunnen foto’s van zwakke objecten gemaakt worden met hele lange sluitertijden. Maar om de gloeiende gaswolken nog beter vast te leggen, kan een camera gemodificeerd worden door het verwijderen van de ingebouwde UV/IR filters. Hiermee wordt extra veel rood licht doorgelaten. Met filters die specifieke kleuren doorlaten (bijvoorbeeld de rode kleur van gloeiend waterstofgas) kunnen objecten die vooral licht in die kleuren uitstralen extra goed in beeld gebracht worden. Door de data van normale en gemodificeerde camera’s te combineren, kan een kleurenfoto gemaakt worden van objecten in de ruimte, waarbij het gloeiende waterstofgas extra duidelijk naar voren komt.

Er bestaan nog meer kleurenfilters, zoals zwavel (S) en zuurstof (O) -filters. Door het combineren van zogenaamde H S en O foto’s kunnen hele bijzondere astro-foto’s gemaakt worden. Dit wordt het Hubble palet genoemd, omdat wetenschappelijke foto’s met de Hubble telescoop ook in HSO worden gemaakt. Stel je voor, Hubble foto’s vanuit de achtertuin!

Auteur: Victor Land
Website: www.sterrenkijkenindestad.com
Twitter: www.twitter.com/StadSterren
YouTube: www.youtube.com/SterrenKijkenInDeStad