Die Astrofotografie erschließt uns nicht nur die Schönheit des Universums auf eine besondere, individuelle Art, sondern sie bietet auch allen naturwissenschaftlich und technisch Interessierten faszinierende Betätigungsfelder. Wer das Glück hat, in einer ländlichen Umgebung zu wohnen, kann vom eigenen Garten aus Astrofotografie betreiben. Andere sind gezwungen, der Lichtverschmutzung der Städte zu entfliehen und ihre Ausrüstung in eine dunkle Gegend zu transportieren. Alle mitgebrachten Geräte müssen dort zunächst aufgestellt, die Kamera am Teleskop angebracht und sämtliche Stromversorgungen sowie USB-Kabel angeschlossen werden. Danach geht es weiter mit dem Ausrichten der Montierung auf den Himmelspol (englisch: polar alignment), auch »Einnorden« genannt. Dies kann mit Hilfe eines kleinen Polsucherfernrohrs geschehen, das in die Teleskopmontierung eingebaut ist, oder mittels einer Software.

Ist die Montierung eingenordet, alles aufgebaut und verkabelt, wird das Deep-Sky-Objekt mit Hilfe der GoTo-Steuerung anvisiert. Viele Teleskopmontierungen verfügen über Steuerungen, die mehrere tausend Objekte gespeichert haben. Alternativ kann man die Teleskopmontierung aber auch über einen Mini-PC steuern, mit Hilfe einer Planetariumsoftware Objekte aufsuchen und diese automatisch einstellen lassen.

Fokus auf Schärfe

Bevor die eigentliche Himmelsaufnahme beginnt, müssen Teleskop und Kamera fokussiert werden, damit ein scharfes Bild entstehen kann. Hierbei reicht es nicht aus, einfach nach Augenmaß vorzugehen. Auch eine automatische Fokussierung, wie man sie für die Tageslichtfotografie benutzt, funktioniert bei Nacht nicht. Hier ergeben sich wieder zwei Möglichkeiten: Eine besteht darin, Masken zu nutzen, die sich vor dem Teleskop anbringen lassen und die beim Betrachten von Sternen spezielle Beugungsmuster erzeugen. Eine solche Bahtinov-Maske erlaubt es, den Fokus am Stern exakt zu bestimmen. Alternativ kann eine Aufnahmesoftware die Größe der Sternscheibchen bestimmen und so den optimalen Fokuspunkt ermitteln. Dieser Schritt ist automatisiert möglich. Mit Hilfe eines Motors, der am Okularauszug angebracht ist, und einer entsprechenden Software lässt sich ein Autofokus realisieren. Dieser Vorgang dauert allerdings einige Minuten und ist mit dem Echtzeit-Autofokus moderner Fotoobjektive nicht vergleichbar.

Die Nachführung des Teleskops wird durch einen Autoguider kontrolliert. Um ihn zu starten, muss er zunächst kalibriert werden. Dazu wird das Teleskop in alle vier Himmelsrichtungen einmal bewegt und anschließend die Abweichung des Sterns von der Sollposition ermittelt. Innerhalb einer Minute ist der Autoguider dann einsatzbereit und beginnt meistens automatisch, den zur Nachführung genutzten Stern an seiner Position zu halten.

Die Bildaufnahme

Bevor die Belichtung beginnt, müssen noch zwei Überlegungen angestellt werden: die Wahl eines geeigneten ISO-Werts und einer angemessenen Belichtungszeit. Der ISO-Wert beschreibt den Verstärkungsfaktor der Helligkeit durch den Bildsensor; seine optimale Wahl ist eine Wissenschaft für sich. Hier lassen sich unmöglich Pauschalaussagen treffen, weil der optimale Wert unter anderem von der angestrebten Belichtungszeit, von der Aufhellung des Nachthimmels am Beobachtungsort und vom Kameramodell abhängt. Auf der sicheren Seite ist man bei Aufnahmen des Nachthimmels mit moderat hohen ISO-Werten, also Einstellungen zwischen ISO 800 und 6400. Bei Belichtungszeiten von 120 Sekunden rate ich eher zu den hohen ISO-Werten in diesem Bereich, und bei 300 Sekunden oder gar 600 Sekunden können Sie die Werte auf ISO 800 bis 1600 reduzieren.

Die Theorie, die hinter solchen Überlegungen steckt, ist recht komplex – doch es gibt nichts, was man nicht lernen kann, vorausgesetzt, man bringt ein wenig technisches und mathematisches Verständnis mit. Ein Anfänger wäre mit dieser Thematik allerdings überfordert. Insofern beschränke ich mich hier auf grobe Empfehlungen, die aber in der Praxis durchaus häufig realisiert werden.

Auch die Belichtungszeit hängt von mehreren Faktoren ab. In Zeiten der digitalen Astrofotografie sind Gesamtbelichtungszeiten von mehreren Stunden keine Seltenheit. Jedoch werden die Aufnahmen nicht am Stück belichtet, sondern in Serien vieler Einzelaufnahmen mit jeweils kurzen Belichtungszeiten pro Bild unterteilt. Man spricht hier von Einzelbildern oder Subframes. Jedes dieser Subframes hat eine Belichtungszeit von mehreren Minuten, üblich sind zwei bis zehn Minuten. Aus den Einzelbildern wird später im Computer ein Summenbild berechnet, das der gewünschten Gesamtbelichtungszeit entspricht.

Diese Technik bietet viele Vorteile: Beispielsweise werden helle Sterne nicht überbelichtet. Einzelne verwaschene Bilder, die durch unbeabsichtigte Schwingungen des Teleskops entstehen können, können später aussortiert werden und ruinieren dann nicht die gesamte Aufnahme. Auch können beim Kombinieren der Einzelaufnahmen mittels eines Bildbearbeitungsprogramms spezielle Algorithmen angewendet werden, die etwa Strichspuren von künstlichen Erdsatelliten gänzlich aus dem Bild herausrechnen – ein leider immer wichtiger werdender Störfaktor in der Astrofotografie.

Ich empfehle, mit Belichtungszeiten von 60 bis 120 Sekunden pro Einzelbild zu beginnen und auf 300 oder gar 600 Sekunden zu erhöhen, sobald die Technik zuverlässig arbeitet. Oft wird gefragt, ob längere Belichtungszeiten zu besseren Ergebnissen führen – eine leider recht komplexe Frage, die sich ebenfalls nicht pauschal beantworten lässt. Deshalb sei hier nur bemerkt, dass die Gesamtbelichtungszeit, die Sie am Ende mit all den aufsummierten Einzelbelichtungszeiten erreichen, maßgeblich für die Qualität der Aufnahme verantwortlich ist. Hier gilt: je länger, desto besser! Nun sind alle Vorbereitungen getroffen: Die Aufnahme des Objekts kann beginnen.

Automatisiertes Belichten

Um eine Serie von mehreren Belichtungen mit einer vorgegebenen Belichtungszeit zu realisieren, bedarf es in der Regel eines Intervallauslösers. Der im ersten Teil dieses Beitrags erwähnte Autoguider MGEN-3 enthält einen solchen Auslöser bereits und kann mit Hilfe eines Auslösekabels direkt mit der Kamera verbunden werden. Er übernimmt dann sowohl die Kontrolle der Nachführung als auch die Steuerung der Intervallaufnahmen . Sie können jetzt in einem entsprechenden Menüpunkt des Autoguiders eine gewünschte Einzelbelichtungszeit sowie die Anzahl der Einzelbilder eingeben und anschließend die Sequenz einfach starten.

Während nun ein Bild nach dem anderen aufgenommen wird und als Datei auf der Speicherkarte Ihrer Kamera oder Ihres Computers landet, empfiehlt es sich, ab und an die Einzelbilder genauer zu untersuchen. Eine nicht perfekt scharfgestellte Optik verrät sich durch übermäßig große, scheibchenförmige Sternabbildungen. Zudem kann es sein, dass sich der Fokus im Lauf der Zeit etwas verändert und nachjustiert werden muss. Sind die Sterne zu leichten Strichen oder eiförmig auseinandergezogen empfiehlt es sich, alle mechanischen Komponenten zu prüfen, beispielsweise das Leitfernrohr mit dem daran angeschlossenen Autoguider. Im Zweifel muss die Belichtungszeit der Einzelbilder reduziert werden, um punktförmige Sterne zu erlangen.

Sie sollten versuchen, insgesamt mindestens zwei Stunden pro Objekt zu belichten. Anfänger neigen dazu, pro Nacht möglichst viele verschiedene Objekte zu fotografieren. Erst mit einiger Erfahrung bringt man die Geduld und Ruhe auf, lieber nur ein, oder maximal zwei Objekte aufzunehmen, dafür aber eine längere Gesamtbelichtungszeit zu planen.

Aufnahmen zur Bildkalibrierung

Haben Sie am Ende einer Astronacht alle Bilder im Kasten, dann können Sie natürlich Ihre Ausrüstung zusammenpacken, die Heimfahrt antreten und sich den wohlverdienten Schlaf holen. Es empfiehlt sich allerdings, zuvor noch etwas Zeit in die so genannten Kalibrierbilder zu investieren. Mit ihrer Hilfe lassen sich bei der späteren Bildbearbeitung spezielle Eigenschaften der Kamera oder des Teleskops korrigieren, was zu einer Verbesserung der Aufnahmequalität führt.

Man unterscheidet zwischen Hell- und Dunkelbildern. Hellbilder – auch Flatframes, Flatfields oder einfach kurz Flats genannt – werden noch mit der Kamera am Teleskop aufgenommen, idealerweise unmittelbar im Anschluss an die nächtliche Fotosession. Hierbei wird eine gleichmäßig beleuchtete Fläche vor dem Teleskop angebracht und damit etwa zwei Dutzend Aufnahmen erstellt. Flatframes dienen dazu, ungleichmäßige Ausleuchtungen des Bildes, welche durch die Kombination aus Teleskop und Kamera verursacht werden – die so genannte Vignettierung –, auszugleichen (siehe »Das Flatframe«). Aber auch Schatten auf dem belichteten Objektbild, die durch Staubpartikel auf den optischen Elementen entstehen (englisch: dust donuts), lassen sich damit korrigieren. Außerdem gleichen Flatfields leichte Unterschiede in der Empfindlichkeit der einzelnen Kamerabildpunkte (Pixel) aus.

Der Astrofachhandel bietet spezielle Leuchtmittel an, die eigens für die Erstellung von Flatfield-Aufnahmen entwickelt wurden: Flatpanels oder Flatfield-Folien. Alternativ kann man in der Dämmerung ein weißes T-Shirt vor dem Teleskop aufspannen und so die Flatfield-Aufnahmen generieren. Gerade für Anfänger in der Astrofotografie sind Flatfields ein Mysterium, denn ihre Erstellung ist nicht immer trivial – aber sie haben auch den größten Einfluss auf die Qualität des finalen Astrofotos.

Die zweite Kategorie der Kalibrierbilder bilden die Darkframes (kurz: Darks). Sie werden allein mit Hilfe der Kamera erstellt. Hierbei ist wichtig, dass kein Fremdlicht auf den Sensor trifft. Die Kamera sollte während der Aufnahme also gut verschlossen und idealerweise sogar in einem dunklen Raum platziert werden. Dunkelbilder registrieren kamerainterne Störsignale, die sich ansonsten mit den Astroaufnahmen vermischen würden. Das sind beispielsweise einzelne Pixel mit extrem hoher Empfindlichkeit – die so genannten Hotpixel –, die sich als helle Bildpunkte von der Umgebung abheben. Aber auch störende Signale, die durch thermische Prozesse im Halbleitermaterial des Kamerasensors entstehen, verraten sich auf einem solchen Bild. Man spricht diesbezüglich von einem Dunkelstrom. Auch enthalten die Dunkelbilder den so genannten Offset oder Bias, einen vom Hersteller der Kamera voreingestellten Grundwert des Sensors.

Dunkelbilder werden sowohl für die eigentlichen Astroaufnahmen erstellt – die in diesem Zusammenhang auch als Lightframes (kurz: Lights) bezeichnet werden – als auch für die Flatframes: Wichtig ist hierbei, dass die Dunkelbilder hinsichtlich ihrer Belichtungszeit, des ISO-Werts und der Temperatur jeweils passend zu den entsprechenden Lights angefertigt werden. Das Einhalten der Temperatur erweist sich bei digitalen Spiegelreflexkameras als sehr schwierig. Hier muss man unter Umständen improvisieren, etwa indem man die Kamera in einem Kühlschrank auf ähnliche Temperaturen abkühlt, wie sie draußen in der Nacht herrschten.

Mit Hilfe eines Darkframes lässt sich das unerwünschte Dunkelstromsignal aus den Astrofotos eliminieren: Dazu werden die Darkframes gemittelt und anschließend von jedem einzelnen Lightframe abgezogen. Da ein Darkframe zwangsweise immer auch das Bias-Signal enthält, ist es nicht nötig, Lights und Darks jeweils mit einem Biasframe zu korrigieren, denn bei der späteren Differenzbildung »Light minus Dark« verschwindet der Anteil des Bias-Signals. Als Faustregel gilt, dass von jeder Art von Kalibrierbildern – Flat-, Dark- und Biasframes – zwei Dutzend Aufnahmen erstellt werden sollten.

Bei Ihren ersten Versuchen mit der Astrofotografie sollten Sie jedoch gänzlich auf Kalibrierbilder verzichten. Sobald Ihnen aber vielversprechende Aufnahmen gelungen sind, lohnt es sich, in dieses Themengebiet einzudringen – Ihre Astrofotos werden es Ihnen danken.

Aus Aufnahmen werden Bilder

Wie soll nun aus all den Daten, die Ihnen am Ende einer Astronacht vorliegen, ein beeindruckendes Astrofoto werden? Die Bildbearbeitung von Deep-Sky-Aufnahmen ist genau genommen ein eigenes Hobby. Darum werde ich den Ablauf im Folgenden nur grob skizzieren, um einen Überblick zu geben. Detailliertere Informationen hierüber erhalten Sie auf meinem YouTube-Kanal »Astrophotocologne – alles über Astrofotografie«.

Die aufgenommenen Rohbilder (Lightframes) zu kalibrieren, bedeutet, technisch bedingte Einflüsse auf die Bildqualität mit Hilfe der Dark- und Flatframes zu minimieren und anschließend die vielen Aufnahmen des Himmelsobjekts am PC zu einem rauscharmen Summenbild zu verarbeiten. Dieser Vorgang wird als Preprocessing – lapidar auch als Stacken – bezeichnet. Alle hierfür notwendigen Schritte werden im Computer von entsprechenden Programmen durchgeführt.

Zunächst müssen die einzelnen Lightframes mit den Kalibrierbildern verrechnet werden: »Light minus Dark«, dividiert durch »Flat minus Flatdark«: (Light – Dark) / (Flat – Flatdark). Hierbei bezeichnet »Flatdark« ein passend zu den Flatfields erzeugtes Darkframe, also ein Dunkelbild, dessen Gesamtbelichtungs­dauer genauso groß ist, wie diejenige des Flat­frames. Die hiermit durchgeführte Rechen­­opera­tion liefert ein korrigier­tes Light­frame (siehe »In drei Schritten zum kalibrierten Bild«).

Anschließend werden die kalibrierten Einzelbilder aufeinander registriert. Darunter versteht man das passgenaue Übereinanderlegen der Bilder anhand der darauf sichtbaren Sterne. Bestimmte Rechenalgorithmen erkennen die Sterne auf jedem kalibrierten Einzelbild. Sie drehen und verschieben die Einzelbilder dann so lange, bis die Sterne aller Aufnahmen exakt aufeinander zu liegen kommen.

Nun wird aus den registrierten Bildern ein Stapel (englisch: stack) gebildet und daraus schließlich ein Summenbild berechnet. In diesem Zusammenhang spricht man zwar oft vom Aufaddieren – tatsächlich handelt es sich jedoch nicht um eine einfache Addition, sondern vielmehr um eine Mittelwertbildung. Auf diese Weise ergibt sich aus den Einzelaufnahmen ein fertiges Astrofoto, das hinsichtlich des darin enthaltenen Signal-Rausch-Verhältnisses einer einzigen langbelichteten Aufnahme entspricht (siehe »Weniger Rauschen durch Stacken«).

Für die automatische Durchführung dieser Schritte gibt es kostenpflichtige Programme, wie etwa die für Windows, Linux und Mac OS angebotene Software PixInsight, die weitaus mehr kann, als nur Bilder zu stacken. Fantastische Software-Lösungen werden aber auch kostenfrei angeboten: Neben dem häufig verwendeten Windows-Programm DeepSkyStacker hat sich die für Windows und Mac OS angebotene Software Siril zu einer wahren Wunderwaffe entwickelt und findet immer mehr Anhänger.

Mit diesen Programmen kann das fertig gestackte Bild einigen Anpassungen unterzogen werden, wie etwa einer Kalibrierung der Farben und einer kosmetischen Entfernung verbliebener Störsignale, wie sie etwa durch Mondlicht oder Streulicht entstehen – so genannte Gradienten. Des Weiteren muss das Bild noch einer speziellen Kontrastanpassung unterzogen werden, die es erlaubt, alle Bildanteile in angemessener Helligkeit auf dem Computerbildschirm darzustellen. Dieser Vorgang wird als Stretching oder Histogramm-Transformation bezeichnet.

Während das Preprocessing weitgehend standardisiert ist, wird das darauffolgende Postprocessing sehr von den individuellen Vorstellungen des Astrofotografen geprägt. Diese Art der Bildbearbeitung ist vergleichbar mit der Bildentwicklung, die bei digitalen Tageslichtaufnahmen üblich ist. Hierfür werden nicht selten Programme wie Adobe Photoshop oder die wesentlich preisgünstigere Software Affinity Photo genutzt. Einige Produkte bieten aber auch Komplettlösungen für das Pre- und Postprocessing an, wie die genannten Programme PixInsight und Siril. Das Postprocessing und seine Auswirkungen auf eine kalibrierte Aufnahme werden wir in einem weiteren Artikel näher betrachten.

Ihr erstes Astrofoto

Sie haben im vorliegenden Beitrag gesehen, welche Überlegungen vor der Aufnahme eines Deep-Sky-Objekts erforderlich sind. Zwar ist diese Art der Astrofotografie ein eher aufwändiges und kostspieliges Hobby – es sei jedoch daran erinnert, dass erste vorzeigbare Ergebnisse schon mit stehender Kamera und einem Teleobjektiv möglich sind. Anfänger werden nicht gleich Aufnahmen von hoher Qualität erstellen, aber die Lernkurve ist hierbei steil.