Tutorial de astrofotografia

Anonim

A astrofotografia é um hobby que está ganhando popularidade rapidamente graças ao rápido avanço da tecnologia do sensor CMOS. Há mais de uma década, o material de registro de luz empregado na astrofotografia era basicamente uma emulsão química. Sua baixa sensibilidade torna muito difícil registrar o sinal fraco do espaço profundo. Além disso, a falta de feedback em tempo real é uma grande fonte de frustração para os iniciantes. Erros operacionais, como fora de foco, só podem ser percebidos após várias noites de trabalho árduo após a revelação do filme. Em meados dos anos 90, o advento das câmeras CCD resfriadas forneceu soluções para os problemas de sensibilidade e feedback em tempo real. No entanto, seus preços altos e áreas de sensores miseravelmente pequenas limitaram seu uso a apenas alguns tipos de astrofotografia e a astrofotógrafos muito entusiasmados. Embora os CCDs tenham revolucionado a pesquisa astronômica, essa tecnologia nunca mudou realmente a paisagem da astrofotografia amadora. A verdadeira virada ocorreu em 2002. Depois que a Fujifilm anunciou sua FinePix S2Pro DSLR e exibiu incríveis fotos astronômicas tiradas por esta câmera, as pessoas começaram a explorar seriamente as DSLRs para astrofotografia. As DSLRs podem fornecer feedback em tempo real, o que é muito importante para iniciantes. Eles têm sensibilidades não muito piores do que CCDs, e DSLRs com sensores grandes (APS-C) são bastante acessíveis hoje em dia. O panorama atual da astrofotografia é moldado por uma série de DSLRs baseados em CMOS da Canon, mas DSLRs e câmeras sem espelho baseadas em sensores Sony estão ganhando popularidade muito rapidamente.

Por causa do meu trabalho, tenho oportunidades de usar uma ampla gama de instrumentos de imagem, de câmeras CCD multimilionárias em grandes telescópios profissionais a câmeras CCD amadoras e DSLRs. Meu treinamento em pesquisa astronômica também me fornece conjuntos de ferramentas para avaliar quantitativamente o desempenho dos sensores e saber seus verdadeiros limites. Isso ajuda não só minha pesquisa, mas também meu hobby de vida, astrofotografia. No lado do hobby, eu uso principalmente DSLRs (Canon 5D Mark II e Nikon D800) por seu alto desempenho e preços acessíveis. Para obter os melhores resultados de astrofoto, os filtros internos das DSLRs são modificados para ter maior rendimento no vermelho escuro, para que possam ser mais eficientes no registro da luz vermelha do gás hidrogênio ionizado no universo. Além dessa modificação do filtro, as DSLRs usadas para astrofotografia não são diferentes das DSLRs que usamos diariamente.

Uma preocupação muito comum sobre o uso de DSLRs em astrofoto é o ruído térmico gerado pelos sensores. Câmeras CCD resfriadas a -20 ou mesmo -40 graus C não apresentam tais problemas. No entanto, todos os sensores CMOS produzidos nos últimos cinco anos têm ruído térmico muito baixo. Sob a mesma temperatura do sensor, seu ruído térmico é na verdade muito menor do que CCDs comuns em câmeras astronômicas. Outro fator importante que muitas pessoas ignoram são as fontes de ruído, além do calor no sensor, uma das quais é o ruído de fóton gerado pelo próprio céu. Com os DLSRs mais recentes em muitas circunstâncias, o ruído do fóton do céu frequentemente supera o ruído térmico, tornando o resfriamento desnecessário. Apenas em lugares que são quentes e escuros (como os desertos no sudoeste dos Estados Unidos), o resfriamento é necessário para explorar totalmente o céu escuro.

Esta é a configuração de imagem que uso com frequência. A DSLR é instalada na extremidade do telescópio principal, que atua como uma teleobjetiva gigante (1100 mm, f / 7.3). É um refrator APO, com uma grande lente corretora na frente do plano focal para corrigir a curvatura do campo e astigmatismo. O campo corrigido é grande o suficiente para cobrir um sensor de formato 67. O telescópio fica em uma montagem equatorial, que é motorizada e pode rastrear o movimento leste-oeste das estrelas no céu para permitir longas exposições. Acima do osciloscópio principal está outro osciloscópio menor com uma pequena câmera CCD acoplada a ele. Este pequeno escopo e sistema de câmera podem monitorar o rastreamento da montagem equatorial quando o escopo principal faz exposições. Ele orienta automaticamente a montagem para corrigir seus erros de rastreamento em tempo real. Todo o sistema (montagem equatorial, DSLR e sistema de orientação) é controlado por um laptop.
Esta é a minha configuração quando quero apenas fotografar imagens de grande angular. Isso se parece mais com o que um iniciante pode usar. A câmera e a lente são fixadas em uma montagem equatorial por meio de uma cabeça esférica. Para fotos de grande angular, o rastreamento da montagem não precisa ser superpreciso, portanto, um sistema de orientação em tempo real não é necessário. Como regra geral, quando a distância focal é menor que 200 mm, é relativamente fácil tirar fotos de longa exposição sem usar uma montagem equatorial sofisticada e sistema de orientação. As coisas começam a ficar difíceis quando a distância focal é maior que 300 mm.

Procedimento geral

O fluxo de trabalho na astrofotografia é bastante diferente daquele da fotografia diurna. Como nossos alvos são muito fracos, precisamos nos expor por alguns minutos ou mesmo algumas horas, para coletar sinais fotográficos suficientes de nossos alvos. No entanto, o fundo do céu geralmente é tão alto que satura a imagem quando a exposição é superior a 10 minutos ou mais (isso é especialmente verdadeiro sob um céu poluído pela luz). Portanto, o que fazemos é quebrar a longa exposição em muitas mais curtas (alguns a 10 minutos) para evitar a saturação e, em seguida, empilhar (média) as imagens de curta exposição no pós-processamento para combinar seu sinal. Isso dá um resultado que é equivalente a uma exposição muito longa.

No telescópio, uma vez que a montagem equatorial é configurada e alinhada ao Polaris, o que geralmente fazemos é primeiro usar uma estrela brilhante para focar. Isso costumava ser uma tarefa muito desafiadora, mas agora é muito fácil com a função de visualização ao vivo do DSLR. Em seguida, movemos nosso telescópio / lente para apontar para o nosso alvo. Geralmente podemos ver facilmente nossa constelação alvo através do visor da câmera se usarmos uma lente grande angular ou teleobjetiva curta. Por outro lado, se usarmos uma teleobjetiva longa ou um telescópio para atirar em objetos do céu profundo, os alvos geralmente são muito fracos para serem vistos diretamente. Alguns testes de exposições curtas com ISO muito alto podem ajudar a verificar nosso enquadramento. Feito isso, simplesmente disparamos muitas exposições longas por meio de um computador ou do disparador do temporizador. Como mencionado acima, os tempos de exposição típicos variam de alguns a 10 minutos, dependendo da velocidade de nossa lente e da escuridão do céu. Um ISO muito comumente usado é 1600. No entanto, com DSLRs recentes com sensores Sony, é possível usar ISO 800 ou até 400 e ainda obter resultados muito bons após o pós-processamento. A vantagem de ISOs mais baixos é, obviamente, sua faixa dinâmica mais alta. Nem é preciso dizer que sempre filmamos em RAW.

Além das exposições no céu, também tiramos muitas imagens de “calibração” para remover o sinal indesejado do céu, da ótica e da câmera. Por exemplo, tiramos exposições em objetos com brilho uniforme (como um dia sem nuvens ou céu crepuscular, ou um grande painel de LED) depois. Essas imagens (chamadas de “campo plano”) podem ser usadas para corrigir a vinheta causada pela lente / telescópio nas imagens no céu, para restaurar o brilho uniforme do fundo. No início ou no final da noite, cobrimos totalmente a lente / telescópio e tiramos exposições “escuras” quando a câmera está na mesma temperatura das fotos no céu. Essas imagens escuras podem ser usadas para remover o sinal térmico nas imagens no céu. Isso é essencialmente o mesmo que a redução de ruído de longa exposição na câmera da maioria das DSLRs, mas fazemos isso manualmente para evitar o desperdício do precioso tempo noturno. Também fazemos exposições extremamente curtas (1/8000 seg) (chamadas de “polarização”) quando a lente está totalmente coberta, para levar em conta qualquer sinal que a câmera gera quando não há luz e também não há tempo para o sinal térmico se acumular. Como as exposições no céu, pegamos várias (de algumas a várias dezenas) exposições planas, escuras e enviesadas e as calculamos para diminuir qualquer ruído aleatório nas imagens para melhorar a qualidade do sinal. Existem muitos pacotes de software (como DeepSkyStacker, que é gratuito) que podem processar as imagens no céu, campo plano, escuro e polarizado e empilhar as imagens calibradas no céu para formar uma imagem muito profunda, limpa e alta imagem de faixa dinâmica. Tudo isso deve ser feito a partir de arquivos RAW, pois as imagens JPEG.webp não são lineares e não permitem a remoção precisa de sinais indesejados.

(a) é um arquivo bruto convertido diretamente no Photoshop e com alguma extensão de contraste. Aqui vemos indícios de nebulosas vermelhas na imagem, mas a característica mais proeminente desta imagem é o padrão de vinheta causado pelo telescópio e pela câmera. (b) é uma imagem de “campo plano” obtida com o mesmo telescópio em direção ao céu crepuscular. É uma imagem que não contém nada além do padrão de vinhetas. Matematicamente, dividimos (a) com (b) para remover o padrão de vinheta e esse cálculo é chamado de “correção de campo plano”. (c) é o resultado de tal correção, mais contrastes fortes e alongamentos de saturação. Podemos ver que sem a correção de campo plano, não há esperança de trazer à tona as nebulosas fracas em toda a imagem de (a). A propósito, a correção de vinhetas embutida na maioria dos softwares de processamento de imagens não astronômicos (como Photoshop ou Lightroom) não é precisa o suficiente para astrofotografia, mesmo se nossa lente estiver no banco de dados do software. É por isso que temos que realizar a correção de campo plano por nós mesmos, usando um software projetado para astrofotografia.

Após a calibração básica e empilhamento de imagens, usamos um software como o Photoshop para processar posteriormente as imagens empilhadas. Normalmente, é preciso uma curva muito forte e um alongamento de saturação para trazer à tona os detalhes tênues em uma imagem astronômica empilhada. Também requer muita habilidade e experiência para conseguir isso, mantendo as cores precisas e uma aparência natural da imagem. É essencialmente como processar manualmente uma imagem RAW do zero, sem depender de nenhum mecanismo de processamento bruto. Não é incomum gastarmos mais tempo no processamento de uma imagem do que no tempo de exposição, e o pós-processamento costuma ser o que separa os astrofotógrafos de primeira linha dos normais.

Exemplos de campo amplo

Orion "
Esta foto da Orion foi tirada com a lente Art Sigma 50mm f / 1.4 e Nikon D800. É uma composição de mais de 60 exposições de 4 minutos em ISO 800 ef / 3.2 af / 4.0. As mais de 4 horas de tempo total de exposição aqui são bastante extremas. Para fotos de constelações como essa, geralmente gastamos apenas 0,5 a 1,5 hora. No entanto, a exposição extremamente longa aqui leva a uma melhor qualidade de imagem e permite a detecção de nebulosas muito fracas ao redor de Orion. Para capturar com eficiência as nebulosas vermelhas em Orion, uma DSLR modificada é necessária. No entanto, com um não modificado, ainda podemos obter a bela cor das estrelas nas constelações. Portanto, constelações de campo amplo são ótimos alvos para iniciantes que não estão prontos para enviar suas câmeras para a cirurgia.
Esta imagem da Via Láctea no verão foi tirada com um telescópio 500mm f / 2.8 e Canon 5D Mark II. É um mosaico de 110 imagens, portanto, seu campo de visão é comparável ao de uma lente de 50 mm. Sou um grande fã de imagens em mosaico. Costumo chamá-la de câmera de grande formato para pessoas pobres. Um panorama em mosaico louco como esse contém detalhes ricos que excedem em muito o que pode ser capturado com o back digital de formato médio de ponta. O preço é que leva muito tempo para fotografar e processar as imagens.
Esta é uma versão expandida da imagem Orion. Mostra o Grande Triângulo do Inverno e a Via Láctea que o atravessa. Foi tirada com Nikon 28-70mm f / 2.8D a 50mm f / 4 e Nikon D800. É um mosaico de quatro imagens, portanto o campo de visão é quatro vezes maior do que um campo de visão de 50 mm. Cada quadro do mosaico contém 16 exposições de 5 minutos a ISO 400.
Cygnus "
Este é um mosaico de duas imagens obtido com uma lente Mamiya 645 45 mm f / 2.8 em f / 4.0 e Canon 5D Mark II. O mosaico de duas imagens permite capturar não só a constelação de Cygnus, mas também a Via Láctea em grande escala. Cada quadro de mosaico individual contém 16 exposições de 4 minutos em ISO 1600. No pós-processamento, apliquei uma camada para desfocar a luz de estrelas brilhantes para que a forma da constelação seja mais aparente. O mesmo efeito pode ser obtido com um filtro difuso na frente da lente. Os filtros comumente usados ​​para essa finalidade incluem Kenko Softon A e Cokin P830.

Exemplos Deep-Sky

Pleiades "
Esta imagem de campo amplo em torno do aglomerado de estrelas Pleiades (Meissier 45) foi obtida com um telescópio 500mm f / 2.8 e Nikon D800. É um mosaico de quatro quadros e cada quadro contém mais de 1 hora de exposição total. As nuvens de poeira e gás ao redor das Plêiades são, na verdade, muito fracas. Não requer apenas exposições muito longas para detectá-los, mas também um céu muito escuro e limpo. A calibração da imagem também precisa ser feita com uma precisão muito alta, caso contrário, o fundo do céu mais a vinheta da ótica irão limpar totalmente a tênue nebulosidade. Por outro lado, nuvens de gás azuis como esta não requerem uma DSLR modificada para gravá-las. O núcleo das nuvens ao redor das Plêiades podem ser alvos muito bons para pessoas que não têm uma DSLR modificada.
Andrômeda"
A galáxia de Andrômeda (Meissier 31) é um alvo nunca esquecido por nenhum astrofotógrafo. Isso é feito pelo telescópio com minha primeira configuração e Canon 5D Mark II. É um mosaico de duas molduras. Cada quadro contém cerca de 40 exposições de 5 minutos em ISO 1600. DSLRs não modificadas podem tirar fotos decentes de alvos de galáxias como esta. No entanto, se olharmos a imagem com atenção, podemos ver muitos pequenos objetos vermelhos ao longo dos braços espirais da galáxia de Andrômeda. Essas são as nebulosas de gás gigantes que contêm hidrogênio ionizado. Para capturar com eficiência a luz vermelha dessas nebulosas, uma DSLR modificada ainda é necessária.
A Nebulosa da Cabeça de Cavalo fica bem ao lado do cinturão de Órion e é parte da imagem de Órion apresentada anteriormente. Ele pode ser visto através de telescópios moderadamente grandes sob o céu escuro. Esta imagem levou mais de 4 horas de exposição na Canon 5D Mark II no telescópio da minha primeira configuração. A cor vermelha na imagem vem do hidrogênio ionizado. Requer uma DSLR modificada para registrar com eficiência a luz vermelha.
A nebulosa norte-americana está em Cygnus e faz parte da imagem Cygnus mostrada acima. É uma nebulosa bastante grande e se encaixa perfeitamente no campo de visão de uma lente de 400 mm (FF). Esta imagem ampliada foi tirada com o telescópio da minha primeira configuração e com a Canon 5D Mark II. É um mosaico de 4 quadros, e a exposição total de cada quadro é de 2,5 horas. A nebulosa não é totalmente vermelha. Existem também componentes azuis embutidos na luz vermelha, que vem do oxigênio ionizado. Se uma DSLR não modificada for usada, a nebulosa aparecerá roxa ou rosa.
M22 "
Meissier 22 é um aglomerado globular em Sagitário. Ele contém cerca de 300 mil estrelas. Ela se posiciona contra a Via Láctea de verão, então também há várias estrelas no fundo desta imagem. Esta imagem foi tirada com o telescópio da minha primeira configuração e com a Nikon D800. O tempo total de exposição é de 1,5 horas. Para o próprio cluster, esse tempo de exposição é desnecessariamente longo, pois o cluster é relativamente claro. Passei um tempo extra neste campo para capturar o grande número de estrelas tênues de fundo que pertencem à Via Láctea. Alvos estelares como este não requerem uma DSLR modificada. Um não modificado pode se sair igualmente bem.
M101 "
A Galáxia Catavento (Meissier 101) é uma galáxia próxima e, portanto, parece relativamente grande no céu em comparação com a maioria das outras galáxias. No entanto, ainda é muito pequeno. Sua parte mais brilhante tem um tamanho que é cerca de meia lua cheia. Esta foto foi tirada com o telescópio da minha primeira configuração e a Canon 5D Mark II. É recortado e o campo de visão recortado é equivalente ao de uma lente de 3000 mm. Ele contém um total de 8,5 horas de exposições normais, mais outras 3 horas de exposições sob um filtro de banda estreita alfa de hidrogênio (656,3 nm). A imagem do filtro de banda estreita é para realçar as pequenas manchas de nebulosas vermelhas ao longo dos braços espirais. Infelizmente, essa não é uma maneira muito eficiente de usar uma DSLR, já que apenas um quarto dos pixels estão recebendo fótons ativamente sob esse filtro vermelho escuro. No fundo desta imagem, podemos ver muitos pequenos pontos amarelos. Essas são numerosas galáxias muito distantes. Algumas das galáxias estão tão distantes que o tempo que leva para a luz viajar dessas galáxias até nós é maior do que a idade do nosso sol.

Este post convidado foi contribuído por Wei-Hao Wang, um astrônomo que trabalha em um instituto de pesquisa nacional de Taiwan, e atualmente está visitando o telescópio Canadá-França-Havaí na Grande Ilha do Havaí. Ele também é astrofotógrafo e começou esse hobby em 1990. Uma coleção de suas astrofotos recentes pode ser encontrada aqui.