Planetenfotografie für den Amateurastronomen

Planetenfotografie für den Amateurastronomen
von Jan-David Förster am 2.8.2012
Die Beobachtung von Planeten ist eine lohnenswerte Aufgabe, gerade auch für den ungeübten
Astronomie-Anfänger, da sie selbst mit kleinen und preisgünstigen Teleskopen möglich ist und
schnell zu Beobachtungserfolgen führt. Viele der sogenannten Wandelsterne sind so hell, dass sie
problemlos am Himmel mit bloßem Auge aufzuspüren sind. Wer dann zum ersten Mal die
GALLILEI’schen Monde um Jupiter, die Phasengestalt der Venus, oder die Ringe um Saturn unter
Zuhilfenahme einer vergrößernden Optik erblickt, ist meist umgehend begeistert von der Fülle an
morphologischen Details, die sich auch dem ungeübten Betrachter offenbaren. Die anfängliche
Euphorie verfliegt jedoch spätestens dann, wenn man erkennt, dass die Detailfülle stark mit den
Beobachtungsbedingungen am Standort, wie z.B. die Höhe des Beobachtungsobjektes, die
Himmelshelligkeit, die Transparenz und Luftunruhe, das Seeing, korreliert sind. Das Auflösungsvermögen des Teleskops wird dadurch stark herabgesetzt und der flaue und wabernde Anblick des
Planeten weckt den Wunsch danach, die in Momenten geringer Luftunruhe aufblitzenden Details
fotografisch festhalten zu können, um sie genauer und länger betrachten zu können.
In diesem kurzen Bericht geht es weder um die Einrichtung des Teleskops zur Planetenfotografie für
den Amateurastronomen, noch um die verwendete Ausrüstung, als vielmehr um die Idee der
Aufnahmemethode, um einige Aspekte der Nachbearbeitung und um die Vorstellung einiger
Ergebnisse.
Bei hellen Himmelsobjekten bedient man sich nämlich einer Aufnahmetechnik, die im krassen
Gegensatz zum üblichen Ansatz der Astrofotografie steht. In der Deep-Sky-Fotografie wird das Ziel
verfolgt lichtschwache Objekte durch hohe Belichtungszeiten sichtbar zu machen, um ein gutes
Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erreichen. Planeten sind jedoch ausreichend lichtstark, sodass sich
mit kurzen Belichtungszeiten in der Größenordnung von 10-2 s viele Einzelbilder in kurzer Zeit
gewinnen lassen. Aus diesen Einzelbildern werden diejenigen selektiert, die die geringsten
Seeingeinflüsse zeigen und über deren Anzahl gemittelt (Stacking). Dieses Verfahren nennt sich
Lucky-Imaging und findet auch in der professionellen Astronomie Anwendung. Ein weiterer positiver
Nebeneffekt dieser Methode ist, dass mit steigender Bildanzahl das Rauschen im Bild abnimmt. Es
gilt, dass sich das Signal-Rausch-Verhältnis proportional zur Wurzel der Bildanzahl verhält.
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Eine Vervierfachung der Bildanzahl bedeutet demnach eine SNR-Verdopplung. Viele kostenlos
verfügbare Programme erledigen heute die Arbeit der Selektierung der schärfsten Bilder aus einer
Bildserie, die Ausrichtung der Bilder aufeinander und das Stacking mehr oder minder automatisch. Zu
nennen sind z.B. Autostakkert! 2, AviStack, Fitswork, RegiStax 6, oder Giotto. Aufgrund der intuitiven
Bedienbarkeit ist mein Favorit Autostakkert! 2. Einige dieser Programme enthalten diverse
Funktionen zur Schärfung und Rauschfilterung, für die jeder Planetenfotograf seine persönliche
Vorliebe entwickelt. Ich nutze gerne die Deconvolutionroutine von Fitswork, komme aber auch mit
den Wavelet-Filtern von RegiStax zurecht, ohne an dieser Stellte in die Details ihrer Funktion
einsteigen zu wollen.
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Obige Bildserie zeigt anschaulich die Funktionsweise von Lucky Imaging am Beispiel Mars. Das linke
Bild ist ein Einzelbild aus einer Serie von 1000 Aufnahmen. Deutlich tritt das Rauschen hervor. Das
mittlere Bild ist die Mittelung (oft fälschlicherweise Summenbild genannt) über alle 1000
Aufnahmen. Im rechten Bild wurden nur die 100 detailreichsten Bilder zur Mittelung verwendet und
das Endresultat geschärft.
Ein weiteres nützliches Verfahren welches der künstlichen Erhöhung der Auflösung dient, ist das
sogenannte Drizzling. Diese Methode wurde erstmals auf die Hubble deep field Daten angewandt.
Bei diesen beobachtete man starkes Undersampling. Etwas vereinfacht ausgedrückt: Das
Auflösungsvermögen des Teleskops war für die verwendeten Kameras überraschenderweise zu hoch.
Bei dieser Methode werden die Ursprungspixel (rot) aus dem Originalbild verkleinert (blau), auf ein
neues Pixelraster (rechts) aufgebracht und in kleinere Pixel aufgespalten. Jeder blaue Pixel entfällt
dabei zu einem gewissen Anteil auf das graue Hintergrundraster. Das Verfahren wird klar, wenn man
sich der Übersetzung des Begriffs Drizzle, Nieselregen bedient, denn jeder Pixel regnet in feinen
Tröpfchen auf das darunterliegende Raster.
Das rechte zweigeteilte Bild zeigt das Potential der Drizzle-Funktion anhand einer mikroskopischen
Aufnahme einer Pilzspore. Die Ursprungspixel sind in dieser Aufnahme dreimal so groß wie die im
resultierenden Bild. Weitere Details zur Methode lassen sich auch der Originalpublikation
entnehmen. Üblicherweise wird das Drizzling vor dem Stacking durchgeführt. Man erreicht so eine
Vergrößerung des Bildes um den Faktor drei ohne Vergröberung der Bilddetails. Zur Zeit haben
RegiStax und Autostakkert! die Drizzle-Funktion implementiert, wobei Autostakkert! meiner Ansicht
nach die besten Resultate liefert.
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Bei der Planetenfotografie kommen meist keine Farbkameras zum Einsatz. Dieser Trend verhält sich
ganz ähnlich wie in der Deep-Sky Fotografie. Der Einsatz von Schwarz-Weiss-CCDs ermöglicht die
Nutzung von Linien- oder Bandpassfiltern, um verschiedene Farbkanäle aufzunehmen und weitere
Details auf Planeten sichtbar zu machen. Beispielsweise können (fast) nur mit UV durchlässigen
Filtern Wolkenstrukturen der Venus sichtbar gemacht werden, die dem menschlichen Auge sonst
verborgen bleiben. Infrarot-Passfilter ermöglichen dagegen bis zu einem gewissen Grad ein Schauen
durch die Marsatmosphäre und zeigen andere Wolkenstrukturen bei Jupiter. Zudem ist im Infraroten
das Seeing meist deutlich besser, weshalb solche Infrarotaufnahmen gerne auch als
strukturgebendes Luminanzbild Anwendung finden. Bei besonders gutem Seeing lässt sich hierfür
auch der Rotkanal nutzen (siehe unten).
Will man Farbaufnahmen, also Rot-Grün-Blau-Bilder, erstellen, so ist dies mit Schwarz-Weiss-CCDs
immer mit mehr Belichtungszeit erkauft, da jeder Kanal einzeln belichtet werden muss. Bei Jupiter
bspw. muss mit dem Teleskop der Paul-Baumann Sternwarte aufgrund der schnellen
Planetenrotation die Aufnahme aller Kanäle in unter 4 Minuten erfolgen, damit keine
Bewegungsunschärfe im Bild auftritt. Hier ist dann auch erkennbar warum hohe Frameraten bei der
Aufnahme notwendig werden, um dennoch eine gewisse Anzahl von Bildern zur Mittelung zur
Verfügung zu haben. Aufgrund der Bayermatrix von Farb-CCDs haben diese trotz gleicher Pixelanzahl
gegenüber SW-CCDs nur eine 0,71 fache Auflösung. Auch dies spricht für die Nutzung von SW-CCDs.
Kombiniert man nun die Methoden Lucky Imaging, Drizzling, Deconvolution Schärfung, RGBKomposit und die Verwendung von Luminanzaufnahmen, erreicht man eine erhebliche
Detailsauflösung, welche man bei der Beobachtung mit bloßem Auge nicht erwarten kann.
Vergleichen Sie hierzu das Summenbild der obigen Bildserie, das in etwa dem visuellen Eindruck
entspricht, mit folgender R-RGB Aufnahme auf der linken Seite des untenstehenden Bildes.
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Am Beispiel der Marsaufnahme von März diesen Jahres möchte ich einige wenige charakteristische
Details erklären. Im rechten Bild sehen Sie eine berechnete Ansicht, wie man sie leicht mit Calsky
selbst erstellen kann. Im Vergleich mit der tatsächlichen Aufnahme (links) fallen sofort die bläuliche
Farbgebung und die hellen atmosphärischen Strukturen auf. Die bläulich, weißliche Farbgebung ist
teilweise der Bildbearbeitung geschuldet, größtenteils aber durch gefrorenes Kohlenstoffdioxid
(Trockeneis) in der Marsatmosphäre verursacht. Man sieht hier also klar Wolkenstrukturen, wenn
auch nicht aus Wasserdampf, also Wettererscheinungen in der Atmosphäre eines fremden Planeten!
Vor 10 Jahren waren solch detailreiche Aufnahmen im Amateurbereich noch undenkbar und sind
heutzutage unter mitteleuropäischen Verhältnissen immer noch eher selten. Neben der nördlichen
Polkappe, die ebenfalls sofort auffällt, sticht als dunkler Fleck Olympus mons, der größte Vulkan im
Sonnensystem, mit einer Höhe von 26,4 km durch die Wolkendecke und lässt diese unter sich zurück.
Am rechten Rand der Wolkenformationen befinden sich drei weitere Vulkane der Tharsis Ebene, die
nur schwach zu sehen sind. Über Ascreaus mons scheint die Wolkenfront nicht hinwegzuziehen und
staut sich dort als Front auf. Am rechten Bildrand sind gerade noch die Valles marineris, das tiefste
und größte Grabensystem im Sonnensystem mit einer Tiefe von bis zu 7 km und einer Länge von
4000 km auszumachen, bevor sie auf die Nachtseite des Planeten verschwinden. Die Kombination
von größter Erhebung und tiefster Senkung in einem Bild, trägt sicherlich nicht unerheblich zur
Ästhetik der Aufnahme bei.
Gerade auch die belebte Jupiteratmosphäre zeigt innerhalb kürzester Zeit Veränderungen, die der
Amateurastronom dokumentieren kann. Ende des vergangenen Jahres zeigte sich das nördliche
Äquatorialband (rötliches oberes Bild in untenstehender Aufnahme) dünn und schmal.
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Inzwischen zeigen aktuelle Aufnahmen (am Taghimmel), wie hier von Thorsten Hansen, dass sich
dieses Band im Vergleich mit der letzten Beobachtungsperiode deutlich verbreitert hat. Es bleibt
abzuwarten wie die weitere Entwicklung bis zur Opposition am 3.12.2012 verläuft.
Mit viel Glück lassen sich auf Jupiter sogar Einschläge entdecken, wie es 2009 Anthony Wesley in
Australien gelungen ist.
Wer nun Lust auf Planetenfotografie bekommen hat, dem sei folgende Grafik, entnommen aus
Astronomie.de, empfohlen. Bis 2015 werden die Beobachtungsbedingungen für Jupiter noch besser.
Danach sollte man seinen Beobachtungsstandort allerdings besser in Richtung Süden verlegen, denn
mit Planetenhöhen um 20° in 2019 lassen sich hier kaum sinnvolle Beobachtungen durchführen.
Die Aufnahme als solche ist bei der Planetenfotografie relativ schnell erfolgt, allerdings fordert die
Nachbearbeitung der Rohdaten viel Zeit, die sich aber in die teils langen Schlechtwetterperioden in
Deutschland problemlos einfügen.
Im Vergleich mit der Deep-Sky Fotografie ist der Einstieg in die Planetenfotografie relativ
kostengünstig. Da eine Kontrolle der Nachführung immer live am Monitor erfolgt, ist eine sehr exakte
Montierung nicht unbedingt nötig. Aufnahmetechniken der Planetenfotografie lassen sich ebenfalls
auf Mond und Sonne anwenden, sodass sich hier eine große Vielseitigkeit ergibt.
Sollten Sie Interesse an Deep-Sky-, oder Planetenfotografie haben, so beraten wir Sie gerne. Unser
Verein steht Ihnen mit Fachwissen zu unterschiedlichsten Themen der Astronomie zur Verfügung.
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