Astrofotografie

“The stars, like dust, encircle me
In living mists of light;
And all of space I seem to see
In one vast burst of sight”

Isaac Asimov

Astrofotografie als Spezialgebiet der Langzeitbelichtung

Claus hat in seinem Blog ein kleines Tutorial für die Langzeitbelichtung und die Astrofotografie. Er beschreibt sehr schön die Regeln für die Belichtungszeit nach der 600er und der 500er Regel. 

Mit Astro habe ich selbst ein paar Erfahrungen gemacht. Die 500er Regel verursachte deshalb bei mir ein Fragezeichen auf der Stirn. Auf meine Anfrage diesbezüglich bekam ich die Antwort, dass das Tutorial schon alt sei und ich gern ein Neues schreiben dürfe.
Das will ich hiermit versuchen.

Wir Fotografen sind schon ein komisches Völkchen. Einerseits jammern wir, wenn es zu hell ist und eine 4000stel Sekunde nicht mehr reicht, um die Blende bei 1.4 zu lassen, anderseits jammern wir, wenn Bilder mit Himmel in stockfinsterer Nacht rauschen.

Warum ist das so?
Für ein Bild auf einem digitalen Sensor oder einem Film brauchen wir eine bestimmte Lichtmenge, um es zu erzeugen. Die bestimmenden Eckpunkte sind dafür die Belichtungszeit, die Blende und die Film/Sensorempfindlichkeit. Soweit bekannt. Wollen wir die Milchstraße oder andere Konstellationen über einem schönen Vordergrund ablichten, kommt uns die Bewegungsunschärfe in den Weg. Stünde die Erde unbeweglich im All, bräuchte ich das nicht zu schreiben.

Der Idealfall wäre ein Foto bei ISO 100/200 mit etwas geschlossener Blende, um Abbildungsfehler klein zu halten und punktscharfen Sternen. Der Jupiter als größter Planet ist je nach Brennweite schon mehr als ein Punkt und wie schwer es ist, mit einem Teleobjektiv ein knackscharfes Bild vom Mond zu machen, wissen wir alle.

Spätestens seit Galileos „Und sie bewegt sich doch.“ wissen wir, dass die Erde sich dreht, und zwar um 360°/24h (näherungsweise), genaugenommen um 360°/ 23.9344696 h. Das ergibt eine Winkelgeschwindigkeit von rund 0,004178075°/s.
Wir und damit unsere Kameras bewegen sich mit dieser Winkelgeschwindigkeit relativ zu den Sternen. Die Rotationsachse dieser Drehung ist um 23,5° geneigt. Für die Bewohner der Nordhalbkugel ist freundlicherweise der Polarstern an dieser Achse „befestigt“ worden. Das macht es uns einfach, diese Achse zu finden. Gemeinerweise ist dabei nicht exakt gearbeitet worden. Sogar der Polarstern beschreibt eine winzige Kreisbahn um die Rotationsachse. Benutzer einer Astro-Nachführung wissen das, werden jedoch dieses Tutorial nicht lesen, weil sie viel mehr wissen, als ich hier schreiben kann.

Wo war ich stehen geblieben, bei der Achse. Da man sich das Ganze als eine Kugel vorstellen kann, gibt es zur Achse ebenso einen Äquator, Himmelsäquator genannt. Die Winkelgeschwindigkeit ist konstant. Daraus folgt, dass die Sterne in Äquatornähe eine größere Strecke zurücklegen, als die Sterne in Achsennähe. Der Winkel, der diese Position auf der Kugelfläche determiniert, heißt Deklination.

Unser Ziel wird es sein, die Bewegungsunschärfe, die durch diese Rotation erzeugt wird, möglichst klein zu halten. Das erreichen wir über den Parameter der Belichtungszeit. Die beiden anderen, oben erwähnten Parameter können wir ebenso beeinflussen. Logisch, Blende, so weit auf, wie es vertretbar ist. Bei den ISO-Werten wird jeder seine persönliche Präferenz haben. Bei mir bewegt sich diese zwischen ISO  800 – 3200. 

Die Belichtungszeit bestimmt also die Strecke, die der punktförmige Stern auf dem Sensor über benachbarte Pixel zurückgelegt hat. Diese Strecke wird auf dem fertigen Bild als sichtbares Startrailing bezeichnet. Wie groß die/das sein darf, ist Geschmackssache.

Dazu muss ich ein paar Überlegungen zum Sensor anstellen. Ich beziehe mich dabei auf den Kleinbildsensor von 36×24 mm, wie er in Vollformat-Kameras, Leica Q, M10 usw. verbaut ist. Auf dieser Sensorfläche befinden sich die PixelWells, mit denen das ohnehin spärliche Licht aufgefangen wird. Q und M10 haben eine Auflösung von 24MP, M10-R 40MP, meine D850 45MP.
Die Sensorfläche ist bei allen gleich groß, demzufolge müssen die einzelnen Pixel unterschiedlich groß sein. Oder anders gesagt, je höher die Auflösung, desto größer ist die in der gleichen Zeiteinheit zurückgelegte Strecke in Bezug auf die einzelnen Pixel. Die Bewegungsunschärfe wird früher auftreten, je höher die Sensorauflösung ist. Dabei ist 1 Pixel das Optimum, 3 – 5 für mich tolerabel, 7 die Grenze. Spätestens hier ist in der 100% Ansicht Startrailing deutlich sichtbar.

Ich fasse mal bis hierher zusammen.

Sensorauflösung, Deklination der Wunschkomposition, fehlt die eingesetzte Brennweite des Objektives. 

Logischweise gilt hier, dass der punktförmige Stern auf dem Sensor umso kleiner abgebildet wird, je kürzer die Brennweite des Objektives ist. Persönlich habe ich nur Erfahrung mit rektlinear abbildenden Objektiven. Zu Fisheyes kann ich nichts sagen.

Je größer also die eingesetzte Brennweite, desto kürzer muss die Belichtungszeit werden, um Startrailing zu vermeiden.

Wie bestimme ich derweil die Zeit, die das Startrailing innerhalb meiner persönlichen Toleranzen hält?

Bei mir kommt dazu die App PlanIt Pro zum Einsatz.
Hier lassen sich Sensorgröße, Auflösung, sowie die verwendete Brennweite einstellen. Für die Zeitberechnung gibt es 4 verschiedene Möglichkeiten, die da sind: 600er, 500er, Zerstreuungskreis und NPF Regel, mit abnehmenden Zeiten, wie in den Beispielen ersichtlich.
Im Internet finden sich außerdem Seiten mit Rechnern, bei denen man die Sensorgröße, die Auflösung, die Deklination und die persönliche Pixeltoleranz eingeben kann und eine Zeit berechnet wird.

Die rechts gezeigte Zerstreuungskreisregel beruht auf der Betrachtung, wann ein Punkt als Punkt wahrgenommen wird und wann als Scheibe (beginnende Unschärfe). Diese Größe liegt bei 30 μm bzw. maximal 1/1500 der Sensordiagonalen.

die links gezeigte NPF-Regel geht auf Frédéric Michaud zurück.

N = Aperture (Blende)

P = Pixel Densitiy (Pixeldichte)

F = Focal Length (Brennweite)

Am Beispiel der Leica Q, Typ 116 rechnet sich das dergestalt:

Sensorgröße: 36 x 24mm
Pixel: 6000 x 4000

Brennweite: 28mm

Blende: 1,7

Pixeldichte P = 6000 x 4000 Pixel auf einem 36 x 24mm Sensor
Gleichung: P = 36/6000 x 1000 μm = 6 μm

Die Gleichung:
T[sec] = ((35 x N) + (30 x P))/F

T = ((35 x 1,7) + (30 x 6))/28

T = 8,5s

Dieses ist die strengste mir bekannte Näherung, um die Vermeidung von Startrails zu erreichen.

Wie gesagt, die strenge Anwendung der NPF-Regel ergibt punktförmige Sterne. Auf der Webseite https://sahavre.fr/wp/regle-npf-rule/ findet sich ein K-Faktor = Korrekturfaktor, der die Zeiten verlängert, wenn kleine Trails tolerabel sind. Die Seite hat einen Rechner, bei dem sich für Kamera und Objektiv die Werte eingeben lassen und die entsprechende Belichtungszeit errechnet wird.

Für eine Nikon D850 mit einer Auflösung von 8256 x 5504 Pixeln auf Kleinbild mit einem Sigma 20mm f/1.4 ergibt diese Gleichung eine Belichtungszeit von 8,9s. Hier sieht man deutlich, das die Reduktion der Brennweite auf 20mm von der höheren Auflösung von 45MP quasi „aufgefressen“ wird. Nach der 500er Regel 500 / Brennweite ergäben sich dagegen 25s, Spuren garantiert.

Für die D780 mit dem gleichen Objektiv könnte man nach NPF 11,37 s belichten.

Je größer die Deklination der fotografierten Sterne, desto weiter kann man von diesen ultrastrengen Zeiten nach oben abweichen.

Die von der/einer App oder ähnlichen Quellen vorgeschlagenen Zeiten sind immer Näherungswerte- In aller Regel lässt sich damit gut arbeiten.

Bei der Q bleibe ich meist bei 10-12s, die D780 oder M10 mit einem 20/21 mm Objektiv dürfen auch 15s.

Der Himmel ist klar? Auf geht’s.

Stativ, Fernauslöser, Kamera, Motiv

Die nächste Hürde, die es zu überwinden gilt, ist das Fokussieren. Nutzer einer M10 haben es bequem. Sie stellen das Objektiv auf unendlich und sind fertig-
Mit der Q funktioniert das nicht so gut. Ich suche mir einen möglichst hellen Stern oder Planeten, oder eine andere helle, weit entfernte Lichtquelle, schalte auf Liveview und vergrößere das Monitorbild maximal. Dann drehe ich vorsichtig am Entfernungsring, bis die Lichtquelle so klein wie möglich wird. Fertig, aber nicht mehr anfassen. Wehe man braucht eine Objektivheizung als Manschette wegen hoher, relativer Luftfeuchtigkeit.
Mit einer DSLR funktioniert es wie bei der Q. Leider hat keines der Objektive, die ich besitze, ein so definiertes Drehmoment am Fokusring wie das Summilux der Leica Q.

Bei der DSLR sollte man nach Möglichkeit die Spiegelvorauslösung nutzen, um Unschärfen durch das Nachschwingen der Kamera und des Statives beim Hochklappen des Spiegels zu vermeiden. Ein hochwertiges Stativ wirkt Wunder, wie ich lernen durfte.

Bei den ISO-Werten starte ich meist mit ISO 3200. Das Histogramm der ersten Bilder verrät mir, ob ich ebenso ISO 1600 einsetzen kann.

Wenn eine weitere Rauschreduktion gewünscht ist, bleibt die Möglichkeit, mehrere Aufnahmen vom gleichen Motiv zu machen und diese in der Nachbearbeitung zu Stacken oder man greift tief in die Tasche und schafft sich eine Nachführung an. Leider habe ich bis jetzt keine gefunden, die inklusive Sherpa geliefert wird. 

Sollte der Abbildungswinkel des Objektives für das gewünschte Bild nicht ausreichen, kann man mittels eines Panoramas auch diese Schwierigkeit meistern. Nach meiner Erfahrung empfiehlt es sich, bei Nachtpanoramen die Überlappung der einzelnen Bilder bei 50% zu halten. Die zu nutzende Stitchingsoftware hat es so einfacher. Bei mir kommen dazu Lightroom oder PTGui zum Einsatz. Letzteres kostet ein bisschen Geld, ist jedoch wirklich gut. Die Ergebnisse von Lightroom stehen deutlich zurück. Der notwendige Zeitaufwand bei PTGui kann erheblich sein, einmal beim Zusammenstzen der Einzelbilder, wenn die Automatik versagt und beim Berechnen des fertigen Bildes in der gewünschten Projektion. Photoshop danach ist obligatorisch.
Sind bei den Einzelaufnahmen die Vordergrundelemente weit von der Kamera entfernt, komme ich ohne Nodalpunktadapter (NPP = No Parallax Point) aus. Wenn das nicht der Fall ist, entstehen Parallaxenfehler. Mit einem NPP lässt sich auch dieses Problem lösen.

Die Aufnahme von 2 Bildern, eines für den Vordergrund und eines für die Sterne ist eine wunderbare Möglichkeit, Helligkeitsunterschiede auszugleichen und das Rauschen des Vordergrundes deutlich zu reduzieren. Hierbei kann ich den Vordergrund mit einer anderen ISO-Einstellung so lange belichten, bis die Schatten nicht mehr absaufen und mögliche Lichter noch nicht ausgefressen sind. Das Composing mache ich mit Photoshop.

Und wenn ich Startrails fotografieren möchte?
Dann vergesst alles vorher Geschriebene. Belichtungszeit 20s, Intervall 1-5s und so viele Aufnahmen wie gewünscht machen. Das Zusammensetzen erledige ich mit Photoshop.

Bei meinen Betrachtungen zum Verhindern von sichtbaren Sternenspuren habe ich einen wichtigen Aspekt bisher völlig vergessen.
Dass man einen möglichst wolkenfreien Himmel vorfinden muss, leuchtet ein, aber welche Sterne sind überhaupt deutlich erkennbar? Je nach Wohnort wird man feststellen, dass das unterschiedlich ist. Die Ursache liegt bei der Lichtverschmutzung. Es macht einen Riesenunterschied, ob ich mich vor das Brandenburger Tor (Bortle Klasse 9) oder an einen einsamen Meeresstrand (Bortle 2-3)stelle.
Dankenswerterweise hat John E. Bortle 2001 in der Februar-Ausgabe des „Sky and Telescope“ Magazins dazu eine Tabelle veröffentlicht. Er teilt die Sichtbarkeit in 9 Klassen von 1, der dunkelsten bis 9 der hellsten, in Bezug auf das Umgebungslicht ein. Das Kriterium für diese Einteilung ist die NELM (naked-eye limiting Magnitude). Mit der Magnitude wird die Helligkeit von Sternen gemessen. Unter der Adresse www.lightpollutionmap.info findet man die Bortle Klasse für jeden beliebigen Ort der Erde.
Meines Wissens gibt es in Deutschland keinen Ort, der dunkler als Bortle Klasse 3 ist. Ich hatte im September 2020 das Glück, an der Südostspitze von Bornholm, bei Dueodde, Bortle Klasse 2 Bedingungen vorzufinden. Dabei sind einige der Bilder dieses Beitrags entstanden. Selbst dort sendet ein Windpark in der Ostsee deutliches Licht in den Horizontbereich der Aufnahmen.
Freunde der Astrofotografie bemühen sich seit vielen Jahren, wenigstens ein paar Gebiete in Deutschland vor der schlimmsten Lichtverschmutzung zu bewahren.

Die IDA (International Dark Sky Association) hat dafür Kriterien festgelegt. In Deutschland erfüllen bisher der Naturpark Westhavelland, das Biosphärenreservat Rhön und der Nationalpark Eifel zumindest einige der Bedingungen. Demnächst wird die Insel Pellworm dazu kommen.

Ich hoffe, der ein oder andere findet in diesen Zeilen nützliche Informationen. Fragen  kann ich gern beantworten, so ich eine Antwort weiß.

Mein ultimativer Literaturtipp zu diesem Thema ist das Buch: Astrofotografie: Spektakuläre Bilder ohne Spezialausrüstung – 2. Auflage, von Katja Seidel, ISBN-10: ‎ 3836270900

ISBN-13: ‎ 978-3836270908