RkBlog

Hardware, programming and astronomy tutorials and reviews.

Zaawansowana astrofotografia planetarna

Czasami fotografia Układu Słonecznego nie kończy się na prostej fotografii RGB i obróbce w postaci ostrzenia obrazu. Czasami trzeba lub można zastosować specjalne filtry, lub sztuczki by osiągnąć ciekawszy rezultat.

W tym rozdziale przedstawie różne zaawansowane, lub ciekawe rozwiązania dotyczące fotografii Układu Słonecznego.

Fotografia Merkurego

Tą planetę ciężko sfotografować, gdyż zawsze jest blisko Słońca. Do tego nie jest zbyt duża ani zbyt szczegółowa. Jeżeli nadarza się sposobność by ją fotografować zazwyczaj stosuje się wyłącznie filtry podczerwone by ograniczyć wpływ seeingu i poświaty nieba.

Fotografia Wenus

Planeta ta co jakiś czas pojawia się na wieczornym lub porannym niebie. Gęsta pokrywa chmur powoduje iż wizualnie wygląda jak biała lub białokremowa kulka. Do fotografowania tej planety stosuje się dwóch typów filtrów – podczerwone i ultrafioletowe. Te pierwsze dają wyraźny i ostry kształt planety (jej fazy), jak i czasami mogą pozwolić na wydobycie odrobiny detalu pomiędzy chmurami. Fotografia w podczerwieni nie sprawia problemu, bo planeta jest bardzo jasna.

W ultrafiolecie (np. stosując filtr Astrodon Uvenus) sprawa się komplikuje. Drastycznie spada jasność i jakość obrazu. Zyskiem jest jednak duży kontrast szczegółów chmur. W przypadku teleskopów SCT duży sferochromatyzm i aberracja sferyczna w ultrafiolecie ogranicza ostrość/jakość obrazu. Jasność obrazu może być ograniczana przez absorpcję ultrafioletu przez szklane elementy – głównie soczewki Barlowa. Powłoki antyodblaskowe na soczewkach Barlowach mogą absorbować sporą część ultrafioletu. Nie ma dokładnych pomiarów które przepuszczają, a które blokują większość ultrafioletu. Są tylko pojedyncze pomiary pokazujące spory rozrzut pomiędzy różnymi soczewkami.

Do fotografii Wenus najlepsze są teleskopy oparte o same lustra (Newtony, Dall Kirkhamy itp.). Jeżeli musimy zastosować soczewkę Barlowa do zwiększenia ogniskowej to można wykorzystać dwuwklęsłą lub wklęsłą jednostronnie soczewkę z topionej krzemionki (fused silica). Ten materiał ma bardzo dobrą transmisję w ultrafiolecie. Takie soczewki oferuje edmundoptics, czy thorlabs. Oferują też oprawy z gwintami T2 dla takich soczewek, co umożliwia łatwą integrację ich w zestawach astrofotograficznych.

Soczewka z topionej krzemionki w oprawie z gwintami T2

Soczewka z topionej krzemionki w oprawie z gwintami T2

Jeżeli faza planety jest duża można próbować fotografii w UV by złapać detale chmur. Gdy faza jest bardzo mała a niebo dość ciemne można próbować fotografować nocną stronę Wenus – promieniowanie termiczne. Można wykorzystać do tego filtr RG1000 (np. z UQGOptics), czy podobne filtry wąsko i szerokopasmowe 1000 nm. Czas ekspozycji trzeba dobrać metodą prób i błędów. Zazwyczaj to kilkaset milisekund (dzienna strona zostaje prześwietlona).

Fotografia Marsa

Opozycje Marsa zdarzają się co dwa lata. Mars jest dość jasną planetą i nie sprawia większych problemów przy fotografowaniu.

Ze względu na swoją kolorystykę najlepiej wyglądają zwykłe kolorowe fotografie RGB, czy LRGB (gdzie jako luminancję wykorzystano filtr L). Stosowanie jako luminancji filtrów podczerwonych mocno zaburza kolorystykę planety. Ze specjalistycznych filtrów do fotografii Marsa raczej nie stosuje się żadnego. Czasami do wyraźniejszego wydobycia chmur można zastosować filtr ultrafioletowy lub filtr przepuszczający niebieskie i ultrafioletowe długości fal.

Jako że Mars rotuje dość powoli nie ma problemu z poruszeniem zdjęcia wynikowego z powodu dłuższego nagrywania klipów. Można więc zwiększyć ilość nagrywanych klatek.

Jeżeli zastosujemy ciemną światłosiłę – bardzo dużą rozdzielczość musimy uważać z siłą ostrzenia. Na krawędzi planety pojawi się obwódka, obramowanie powodowane przez dyfrakcję światła (widoczną na ostrych jasnych krawędziach).

Fotografia Jowisza

Jowisz to największa planeta naszego Układu Słonecznego. Jest bardzo wdzięcznym obiektem do fotografowania. Jest duży, ma sporo detalu w atmosferze i jest też dość jasny.

Pasy Jowisza będą widoczne już poprzez nieduży teleskop. Wraz z jego powiększaniem na obrazie pojawiać się będą coraz drobniejsze detale na tarczy. Przy 8-11” obraz będzie już bardzo dobrej jakości z licznymi szczegółami.

Najlepsze odwzorowanie kolorów daje zwykłe RGB, jak i LRGB. Można także stosować żółte, czy pomarańczowe filtry wizualne jako kanały luminancji. Kolorystyka się nieco zmieni, ale jeszcze nie na tyle by wyraźnie popsuć zdjęcie. Z drugiej strony te filtry wycinają niebieskie długości fal – najbardziej podatne na zły seeing i dyspersję atmosferyczną – co pozwala uzyskać lepsze zdjęcie niż za pomocą zwykłego filtru L. Bez korektora dyspersji atmosferycznej filtr L i tak będzie spisywał się słabo.

Z filtrów specjalistycznych używa się dość często filtrów metanowych, czasami także ultrafioletowe. W paśmie metanu Jowisz jest bardzo ciemny i zazwyczaj fotografuje się go na jaśniejszych światłosiłach (np. f/10) za pomocą nowszych, bardziej czułych na podczerwień kamer monochromatycznych. Szerokopasmowe filtry podczerwone jak np. ProPlanet 742 mogą dawać ostre obrazy – dobre, gdy seeing nie pozwala uzyskać dobrych kolorowych zdjęć w paśmie widzialnym.

Szybka rotacja planety sprawa że trzeba jak najszybciej skończyć nagrywać całą serię klipów. Kilka dodatkowych minut może dać nam składanie zdjęć w WinJUPOSie. Ja praktycznie od dwóch sezonów używam tylko tej aplikacji do składania zdjęć RGB, LRGB.

Fotografowanie księżyców Jowisza

Księżyce galileuszowskie, a w szczególności Ganimedes można fotografować uzyskując nieduże tarcze z zarysem największych detali na ich powierzchni. W czasie opozycji Jowisza księżyce te mają dość dobre jak na nie rozmiary kątowe i nawet 8” teleskop może uzyskać ich tarczę.

Dysponując dużym teleskopem (11-14” i więcej) możemy próbować fotografować je oddzielnie i obrabiać jakby były małą planetą. W bardzo dobrych warunkach da się uzyskać czysty i wyraźny obraz jaśniejszych i ciemniejszych obszarów takiego księżyca. Także kolory mogą być zgodne z rzeczywistością.

Jedną ze sztuczek jaką można tutaj zastosować jest algorytm Drizzle do przeskalowywania obrazu. Autostakkert2 może wykonać stack z 1,5x lub 3x przeskalowaniem za pomocą Drizzle. Może to znacząco ułatwić wyciągnięcie detalu z fotografowanego Księżyca. Wymaga to jednak bardzo dobrych warunków w czasie fotografowania i wyważonego ostrzenia (by nie wygenerować na zdjęciu zbyt wielkiej ilości szumu).

Fotografia wewnętrznych księżyców

Bliżej niż Io Jowisza okrążają cztery małe księżyce - Metys (Metis), Adrastea, Amalthea i Thebe. Są bardzo małe i ciemne (14-20 mag). Da się je złapać fotograficznie gdy są kątowo najbardziej oddalone od planety. Począwszy od Stellarium 0.11 księżyce te są obecne w bazie danych programu (jak i raczej poprawnie wskazywane są ich pozycje). Dzięki Stellarium można oszacować kiedy np. Amalthea będzie najbardziej oddalona od jasnego Jowisza. Gdy mamy ramy czasowe można zabrać się za fotografowanie...

Problem w fotografowaniu tych małych księżyców stanowi Jowisz. Jest on nieporównywalnie jaśniejszy i łatwo zaświetli obraz pochodzących z tych wewnętrznych księżyców. Nie mając czegoś na kształt koronografu do zablokowania światła Jowisza musimy uciec się do pomocy filtrów, czy sprytnej obróbki materiału. Amalthea jest najłatwiejsza do złapania, gdyż oddala się najbardziej.

Ogniskowa nie powinna być zbyt duża, ja stosuje SCT1-14” przy f/10. Pomiędzy orbitą Io a samym Jowiszem musi być odpowiednio duża przerwa by dało się tam wypatrzeć te mini księżyce (nie ma chyba jakiś konkretnych wytycznych, wiadomo - im większa apertura/ogniskowa tym lepiej). W miarę możliwości warto zebrać materiał z dwóch, trzech filtrów - bardzo jasnego (Ir/UV cut, czy np. żółty longpass) i ciemniejszego filtru podczerwonego ("jasny" - czerwony longpass, albo Baader/Astronomik PP 742).

Co do samego fotografowania to dla kamer DSowych ustawiamy ekspozycję tak by Jowisz był lekko prześwietlony (ale nie za mocno) i zbieramy klatki przez powiedzmy max. 4-5 minut (lub krócej). W przypadku kamerek planetarnych trzeba nagrać AVI dla kilku różnych ustawień. Nie wolno obniżać gainu (za bardzo), gdyż skutecznie wycina to słaby sygnał księżyców w tego typu kamerkach (przy krótkich ekspozycjach ograniczanych jasnością planety). Trzeba zacząć od maksymalnego gainu z lekko prześwietlonym Jowiszem i nagrać kilka AVI ze stopniowo zmniejszanym gainem i zwiększanym czasem ekspozycji (ale tak do 3/4 gainu kamerki) - optimum będzie gdzieś pośrodku tego zakresu. By potwierdzić później że wyciągnięta na fotografii kropka to księżyc a nie szum/zaświetlenie, czy gwiazda tła należy wykonać kilka nagrań

Obróbka nie jest zbyt złożona. Surowy stack ostrzymy (ale tak by nie przeostrzyć) po czym wyciągamy poziomy i obserwujemy czy uda coś się wypatrzeć w obszarze, w którym księżyc powinien się znajdować. Nie należy zbijać tła poziomami, gdy to też bardzo łatwy wycina sygnał księżyca. Można też eksperymentować z innymi metodami obróbki gdy samo podbicie poziomów coś już pokazało.

Amalthea wyciągnięta z tła zdjęcia

Amalthea wyciągnięta z tła zdjęcia

Fotografia Saturna

Saturn jest bardzo trudną planetą, szczególnie na półkuli północnej, gdzie przez najbliższe lata będzie bardzo nisko nad horyzontem. Jest ciemny i niewiele detali jest widocznych na jego tarczy. To właśnie na tej planecie możemy sprawdzić czy dana kamera jest naprawdę dobra. Jeżeli potrafi efektywnie fotografować Saturna przy około 30 klatkach na sekundę to jest naprawdę dobra.

Saturna fotografuje się podobnie jak Jowisza. Brak drobnych widocznych detali sprawia że szybka rotacja planety nie jest taka problematyczna (nie widać że rotacja rozmazała jakiś detal). Gdy na tarczy pojawi się jakaś wyraźna burza wtedy rotacja może stać się łatwo widoczna i trzeba pilnować czasu nagrywania.

Ze względu na niskie położenie dyspersja atmosferyczna jest dość duża. Kolorowe kamery mają najtrudniej. W przypadku kamer mono można próbować poprawiać ostrość dla zielonego, czy niebieskiego kanału. Można też próbować stosować na kanał luminancji fotografie wykonane za pomocą pomarańczowego, czy czerwonego filtra wizualnego – dają odpowiednio jasne obrazy planety by uzyskać dobrą wynikową fotografię. W przypadku filtrów podczerwonych jak np. ProPlanet 742 obraz może być ostry i wyraźny, ale zaszumiony przez wysoki gain i mniejszą jasność planety.

Fotografia Urana i Neptuna

Te planety fotografuje się dla samej kolorowej, zielonkawo niebieskiej kulki. Nie uzyska się żadnych szczegółów (z pewnym wyjątkiem, o nim za chwilę) na tarczach tych planet. Bardzo łatwo pomylić szum z szczegółami na tarczach tych planet. Są bardzo ciemne i małe co uniemożliwia taką fotografię jak w przypadku pozostałych planet.

Szczegóły na tarczy Urana czasami da się uzyskać stosując bardzo czułe na podczerwień kamery, duże teleskopy (powyżej 10”) i bardzo dobre warunki. Kontrast detali na Uranie rośnie w podczerwieni (w paśmie widzialnym jest bardzo niski), ale też planeta staje się zbyt ciemna. Dlatego metodą złotego środka stosuje się ciemnoczerwone i czerwone filtry wizualne do łapania szczegółów tarczy planety. Szczegóły to jaśniejsze lub ciemniejsze pasy prostopadłe do osi rotacji (coś jak pasy Jowisza). Wszystko inne to najprawdopodobniej będą artefakty szumu.

Fotografia Księżyca

Księżyc jest łatwy w fotografii. Mając większy teleskop można robić świetne zdjęcia kraterów w dużych rozdzielczościach. Jest jednak kilka uwag co do tego łatwego fotografowania Księżyca.

Na początek światłosiła. Zazwyczaj staraj się stosować połowę maksymalnej-optymalnej rozdzielczości dla kamery (np. f/10 a nie f/20). Pozwala to uzyskiwać bardzo ostre i czyste zdjęcia. Dzieje się tak gdyż dyfrakcja światła od krawędzi kraterów jest jeszcze bardzo słaba i nie rejestruje się na zdjęciach. Gdy zastosujemy maksymalną rozdzielczość wtedy trzeba się liczyć że krawędzie mogą być otoczone przez duszka dyfrakcyjnego. Jeżeli seeing nie był dobry efekt będzie silny i degradujący jakość obrazu.

W przypadku filtrów stosuje się te podczerwone (z kamerami mono) by ograniczyć seeing i dyspersję. Bardzo trudno o kolor na Księżycu więc się go nie fotografuje w kolorze (zazwyczaj).

Petrograficzna fotografia Księżyca

Bardzo zaawansowaną metodę fotografii Księżyca opracowano by móc obrazować zdjęciami skład skał i regolitu. Stosując wąskopasmowe filtry o określonych długościach fal można uzyskać fotografię w fałszywych kolorach prezentującą skład i wiek danego fragmentu powierzchni Księżyca. Całe fotografowanie komplikuje regolit, czyli pył znajdujący się na powierzchni Księżyca. Im starszy tym ciemniejszy co daje fałszywe wskazanie w filtrze ustawionym na pasmo absorpcyjne jakiegoś minerału, czy skały.

Problem ten rozwiązano m.in. za pomocą zdjęć starości i maficzności, gdzie zdjęcia dzieli się przez zdjęcie odniesienia tak by wykluczyć pociemnienie regolitu.

"Obraz starości" ("maturation ratio image"; Tompkins et al., 2000; Spudis et al., NASA publ) składa się z następujących składowych:

  • Czerwony : 750/415 nm

  • Zielony : 750/1000 nm

  • Niebieski : 415/750 nm

Tak zestawione zdjęcie dostarcza podstawowych danych o wieku oraz ograniczonych informacji o składzie obrazowanej powierzchni Księżyca. Stare obszary wyżynne będą czerwone lub pomarańczowe ze względu na dużą zawartość szkliw. Powierzchnia uboga w tytan także będzie czerwonawa. Piroklastyczne czerwone szkliwa będą na zdjęciu ciemnoczerwone. Świeżo odsłonięty materiał skalny będzie niebieski, podobnie jak księżycowe morza bogate w tytan (ilmenit). Składniki magmowe, zazwyczaj bogate w żelazo absorbują przy 1000 nm i będą na zdjęciu żółte (połączenie czerwonego/pomarańczowe z wieku i absorpcji w zielonym paśmie) lub niebieskie (głębokie indygo) - bazalty ubogie w tytan. Stary regolit mórz będzie w odcieniach czerwieni lub purpury. Świeższy będzie w odcieniach żółtego. Żółty kolor może także wskazywać na świeżo odsłonięty bazalt (np. w kraterach). Jasno niebieski może wskazywać na świeżo odsłonięty materiał nie-maficzny (np. anortozyt).


"Obraz maficzny" ("mafic ratio image"; Tompkins et al., 2000) składa się z następujących składowych:

  • Czerwony : 750/900

  • Zielony : 750/1000

  • Niebieski : 750/950

Pirokseny ubogie w wapń (ortopirokseny jak noryt lub norytowy anortozyt) będą w odcieniach czerwieni. Oliwiny (w tym dunit, troktolit, troktolityczny anortozyt) będą jasnozielone. Pirokseny bogate w wapń (klinopirokseny jak gabro lub gabro anortozytyczne) będą jasnoniebieskie. Anortozyt nie absorbuje i będzie szary, szarozielony.

Zdjęcie starości Księżyca

Zdjęcie starości Księżyca

Zdjęcie maficzne powierzchni Księżyca

Zdjęcie maficzne powierzchni Księżyca

Korzystając z wąskopasmowych filtrów Edmund Optics, jak i tych z ebaya (Omega Optical) udało mi się skompletować zestaw filtrów wąskopasmowych o pasmach zbliżonych do tych podawanych w literaturze. Mające te filtry udało mi się uzyskać podobne rezultaty do tych uzyskiwanych swego czasu przez naukowców badających Księżyc tymi samymi metodami fotograficznymi,

Po zestackowaniu i obrobieniu fotografii z poszczególnych kanałów należy je wyrównać względem siebie. Ja do tego celu używam Nebulosity (Batch - Align and Combine Images lub Automatic Alignment). W przypadku "Align and Combine" wybieram "Save each file" a jako "gwiazdę" wybieram jakiś mały jaśniejszy krater/punkt, który algorytm złapie. Dopiero gdy klatki są idealnie wyrównane względem siebie można je dzielić. Fotografia dzieląca jest używana jako flat na fotografii dzielonej. Jeżeli po podzieleniu tło (obszar poza Księżycem) nie wyszło czarne to w fotografiach źródłowych należy poziomami ściąć to tło do zera.

Wąskopasmowe filtry podczerwone z zakresu 900-1000nm będą bardzo ciemne i mogą wymagać dłuższych ekspozycji. Ważne jest by kamera miała niskie szumy by takie fotografie się udały.

Słów kilka o nauce fotografii Układu Słonecznego

Nic nie zastąpi praktyki – próbowania i uczenia się. Każdy fotograf przechodził tą drogę, ja także. Zaczynamy od pierwszego teleskopu, pierwszego zestawu do fotografowania. Powoli, każdej nocy poznajemy zachowanie się teleskopu w różnych warunkach, możliwości kamery, jej optymalne ustawienia itd.

Tak samo jest z obróbką. Co jakiś czas poznajemy nową opcję, albo udaje nam się dobrać jeszcze lepsze metody ostrzenia zdjęcia. Nie od razu mamy także wszystkie aplikacje. Nauka używania każdego z nich zajmuje trochę czasu.

Nie należy skakać od razu na bardzo głęboką wodę, np. kupując jeden z największych teleskopów typu C14, czy bardzo duży Newton. Wraz ze wzrostem rozmiarów rośnie ilość szczegółów i detali mających wpływ na udane fotografowanie. Przechodząc z C8 na C11 pojawił się u mnie problem z długim chłodzeniem. Rozwiązałem to budując chłodziarkę – wentylator. Efektywne fotografowanie też nie przyszło od razu. Potrzebnych było kilka nocy z dobrym seeingiem by doprowadzić zestaw do maksimum jego możliwości. Przejście na C14 to jeszcze wolniejsze chłodzenie. Dochodzi także większy rozmiar i znacznie większa waga.

RkBlog

[Książka] Astrofotografia planetarna, 4 February 2021, Piotr Maliński

Comment article