L'astrofotografia è un hobby che sta rapidamente guadagnando popolarità grazie alla tecnologia dei sensori CMOS in rapida evoluzione. Oltre un decennio fa, il materiale di registrazione della luce impiegato nell'astrofotografia era principalmente l'emulsione chimica. La sua bassa sensibilità rende molto difficile registrare il segnale debole dallo spazio profondo. Inoltre, la mancanza di feedback in tempo reale è un'enorme fonte di frustrazione per i principianti. Errori operativi come la sfocatura possono essere realizzati solo dopo diverse notti di duro lavoro dopo lo sviluppo del film. A metà degli anni '90, l'avvento delle telecamere CCD raffreddate ha fornito soluzioni sia ai problemi di sensibilità che a quelli di feedback in tempo reale. Tuttavia, i loro prezzi elevati e le aree dei sensori miseramente piccole limitavano i loro usi solo a pochi tipi di astrofotografia e ad astrofotografi molto entusiasti. Sebbene i CCD abbiano rivoluzionato la ricerca astronomica, questa tecnologia non ha mai veramente cambiato il panorama dell'astrofotografia amatoriale. La vera svolta avvenne nel 2002. Dopo che Fujifilm annunciò la sua FinePix S2Pro DSLR e mostrò incredibili immagini astronomiche scattate da questa fotocamera, le persone iniziarono a esplorare seriamente le DSLR per l'astrofotografia. Le reflex digitali possono fornire feedback in tempo reale, il che è molto importante per i principianti. Hanno sensibilità non molto peggiori dei CCD e le reflex digitali con sensori di grandi dimensioni (APS-C) sono abbastanza convenienti al giorno d'oggi. Il panorama odierno in astrofotografia è modellato da una serie di reflex digitali Canon basate su CMOS, ma le reflex digitali e le fotocamere mirrorless basate sui sensori Sony stanno guadagnando popolarità molto rapidamente.
Grazie al mio lavoro, ho l'opportunità di utilizzare un'ampia gamma di strumenti di imaging, dalle telecamere CCD multimilionarie ai grandi telescopi professionali alle fotocamere CCD amatoriali e alle reflex digitali. La mia formazione nella ricerca astronomica mi fornisce anche set di strumenti per valutare quantitativamente le prestazioni dei sensori e per conoscere i loro veri limiti. Questo aiuta non solo la mia ricerca, ma anche il mio hobby di una vita, l'astrofotografia. Per quanto riguarda l'hobby, utilizzo principalmente reflex digitali (Canon 5D Mark II e Nikon D800) per le loro alte prestazioni e prezzi accessibili. Per ottenere i migliori risultati di astrofotografia, i filtri interni delle reflex digitali vengono modificati per avere una maggiore produttività nel rosso intenso, in modo che possano essere più efficienti nel registrare la luce rossa dall'idrogeno gassoso ionizzato nell'universo. Oltre a questa modifica del filtro, le reflex digitali utilizzate per l'astrofotografia non sono diverse dalle reflex digitali che usiamo quotidianamente.
Una preoccupazione molto comune nell'uso delle reflex digitali sulle astrofoto è il rumore termico generato dai sensori. Le telecamere CCD raffreddate a -20 o addirittura a -40 gradi C non presentano tali problemi. Tuttavia, i sensori CMOS prodotti negli ultimi cinque anni hanno tutti un rumore termico molto basso. A parità di temperatura del sensore, il loro rumore termico è in realtà molto inferiore a quello dei comuni CCD nelle telecamere astronomiche. Un altro fattore importante che molte persone trascurano sono le fonti di rumore diverse dal calore nel sensore, una delle quali è il rumore dei fotoni generato dal cielo stesso. Con gli ultimi DLSR in molte circostanze, il rumore dei fotoni del cielo spesso supera il rumore termico, rendendo non necessario il raffreddamento. Solo in luoghi sia caldi che bui (come i deserti nel sud-ovest degli Stati Uniti), il raffreddamento è necessario per sfruttare appieno il cielo scuro.
Questa è la configurazione delle immagini che uso spesso. La DSLR è fissata all'estremità del telescopio principale, che funge da teleobiettivo gigante (1100 mm, f / 7.3). È un rifrattore APO, con una grande lente correttrice davanti al piano focale per correggere la curvatura del campo e l'astigmatismo. Il campo corretto è abbastanza grande da coprire un sensore di formato 67. Il telescopio si trova su una montatura equatoriale, che è motorizzata e può seguire il movimento est-ovest delle stelle nel cielo per consentire lunghe esposizioni. Sopra il cannocchiale principale c'è un altro cannocchiale più piccolo con una piccola telecamera CCD collegata ad esso. Questo piccolo telescopio e sistema di telecamere possono monitorare il tracciamento della montatura equatoriale quando l'oscilloscopio primario prende le esposizioni. Guida automaticamente la montatura a correggere i suoi errori di tracciamento in tempo reale. L'intero sistema (montatura equatoriale, DSLR e sistema di guida) è controllato da un laptop.
Questa è la mia configurazione quando voglio solo scattare immagini grandangolari. Questo assomiglia più a quello che potrebbe usare un principiante. La fotocamera e l'obiettivo sono fissati a una montatura equatoriale tramite una testa a sfera. Per gli scatti grandangolari, il tracciamento della montatura non deve essere estremamente preciso, quindi non è necessario un sistema di guida in tempo reale. Come regola generale, quando la lunghezza focale è inferiore a 200 mm, è relativamente facile scattare foto a lunga esposizione senza utilizzare una montatura equatoriale e un sistema di guida fantasiosi. Le cose iniziano a diventare difficili quando la lunghezza focale è maggiore di 300 mm.
Procedura generale
Il flusso di lavoro nell'astrofotografia è molto diverso da quello nella fotografia diurna. Poiché i nostri obiettivi sono molto deboli, dobbiamo esporre per alcuni minuti o anche poche ore, per raccogliere abbastanza segnali fotografici dai nostri obiettivi. Tuttavia, lo sfondo del cielo è solitamente così alto che saturerà l'immagine quando l'esposizione è più lunga di 10 minuti circa (questo è particolarmente vero in un cielo inquinato dalla luce). Pertanto, ciò che facciamo è suddividere l'esposizione lunga in molte più brevi (da pochi a 10 minuti) per evitare la saturazione, quindi impilare (media) le immagini a breve esposizione in post-elaborazione per combinare il loro segnale. Questo dà un risultato che equivale a un'esposizione molto lunga.
Sul telescopio, una volta che la montatura equatoriale è posizionata e allineata alla Polare, ciò che di solito facciamo è prima usare una stella luminosa per mettere a fuoco. Questo era un compito molto impegnativo, ma ora è molto semplice con la funzione di visualizzazione dal vivo di DSLR. Quindi spostiamo il nostro telescopio / obiettivo in modo che punti al nostro obiettivo. Di solito possiamo vedere molto facilmente la nostra costellazione di destinazione attraverso il mirino della fotocamera se utilizziamo un teleobiettivo grandangolare o corto. D'altra parte, se utilizziamo un lungo teleobiettivo o un telescopio per riprendere oggetti del cielo profondo, i bersagli sono solitamente troppo deboli per essere visti direttamente. Alcuni test di brevi esposizioni con ISO molto alti possono aiutare a verificare la nostra inquadratura. Una volta fatto questo, spariamo semplicemente molte lunghe esposizioni della lampadina tramite un computer o un timer di scatto. Come accennato in precedenza, i tempi di esposizione tipici variano da pochi a 10 minuti, a seconda della velocità del nostro obiettivo e dell'oscurità del cielo. Un ISO molto comunemente usato è 1600. Tuttavia, con le recenti reflex digitali con sensori Sony, è possibile utilizzare ISO 800 o anche 400 e ottenere comunque ottimi risultati dopo la post-elaborazione. Il vantaggio di ISO inferiori è ovviamente il loro intervallo dinamico più elevato. Inutile dire che giriamo sempre in RAW.
Oltre alle esposizioni in cielo, scattiamo anche molte immagini di "calibrazione" per rimuovere il segnale indesiderato dal cielo, dall'ottica e dalla fotocamera. Ad esempio, eseguiamo esposizioni su oggetti con luminosità uniforme (come un cielo diurno o crepuscolare senza nuvole o un grande pannello LED) in seguito. Tali immagini (chiamate "flat field") possono essere utilizzate per correggere la vignettatura causata dall'obiettivo / telescopio nelle immagini in cielo, per ripristinare la luminosità dello sfondo uniforme. All'inizio o alla fine della notte, copriamo completamente l'obiettivo / telescopio e scattiamo esposizioni "scure" quando la fotocamera è alla stessa temperatura delle riprese in cielo. Tali immagini scure possono essere utilizzate per rimuovere il segnale termico nelle immagini in cielo. Questo è essenzialmente lo stesso della riduzione del rumore a lunga esposizione nella fotocamera della maggior parte delle reflex digitali, ma lo facciamo manualmente per evitare di sprecare la preziosa notte. Prendiamo anche esposizioni estremamente brevi (1/8000 sec.) (Chiamate "polarizzazione") quando l'obiettivo è completamente coperto, per tenere conto del segnale che la fotocamera genera quando non c'è luce e non c'è tempo per l'accumulo del segnale termico. Come le esposizioni in cielo, prendiamo più esposizioni piatte, scure e polarizzate (da poche a diverse decine) e le calcoliamo per abbattere qualsiasi rumore casuale nelle immagini per migliorare la qualità del segnale. Esistono molti pacchetti software (come DeepSkyStacker, che è gratuito) in grado di elaborare le immagini in cielo, a campo piatto, scure e polarizzate e impilare le immagini calibrate in cielo per formare un'immagine molto profonda, pulita e alta. immagine della gamma dinamica. Tutto questo deve essere fatto da file RAW, poiché le immagini JPEG.webp non sono lineari e non consentono la rimozione accurata di quei segnali indesiderati.
(a) è un file raw convertito direttamente in Photoshop e con un certo allungamento del contrasto. Qui vediamo accenni di nebulose rosse nell'immagine, ma la caratteristica più evidente di questa immagine è il motivo di vignettatura causato dal telescopio e dalla fotocamera. (b) è un'immagine "flat field" scattata con lo stesso telescopio verso il cielo al crepuscolo. È un'immagine che non contiene altro che il motivo della vignettatura. Matematicamente, dividiamo (a) con (b) per rimuovere il pattern di vignettatura e questo calcolo è chiamato "correzione flat-field". (c) è il risultato di tale correzione, oltre a forti allungamenti di contrasto e saturazione. Possiamo vedere che senza la correzione flat-field, non c'è speranza di far risaltare le deboli nebulose ovunque nell'immagine da (a). A proposito, la correzione della vignettatura incorporata nella maggior parte dei software di elaborazione delle immagini non astronomiche (come Photoshop o Lightroom) non è abbastanza accurata per l'astrofotografia, anche se il nostro obiettivo è nel database del software. Questo è il motivo per cui dobbiamo eseguire noi stessi la correzione del flat-field utilizzando un software progettato per l'astrofotografia.
Dopo la calibrazione di base e l'impilamento delle immagini, utilizziamo un software come Photoshop per elaborare ulteriormente le immagini impilate. Di solito sono necessari una curva molto forte e un allungamento della saturazione per evidenziare i dettagli deboli in un'immagine astronomica impilata. Richiede anche molte abilità ed esperienza per raggiungere questo obiettivo, pur mantenendo un colore accurato e un aspetto naturale di un'immagine. È essenzialmente come elaborare manualmente un'immagine RAW da zero, senza fare affidamento su alcun motore di elaborazione grezzo. Non è raro per noi dedicare più tempo all'elaborazione di un'immagine rispetto al suo tempo di esposizione, e la post-elaborazione è spesso ciò che separa un astrofotofotografo di prim'ordine da quelli medi.
Esempi a campo ampio
Questa foto di Orion è stata scattata con l'obiettivo Sigma 50mm f / 1.4 Art e Nikon D800. È un composto di oltre 60 esposizioni di 4 minuti a ISO 800 ef / 3.2 af / 4.0. Le oltre 4 ore di tempo di esposizione totale qui sono piuttosto estreme. Per scatti di costellazioni come questo, di solito impieghiamo solo 0,5-1,5 ore. Tuttavia, l'esposizione estremamente lunga qui porta a una migliore qualità dell'immagine e consente di rilevare nebulose molto deboli intorno a Orione. Per catturare in modo efficiente le nebulose rosse in Orion, è necessaria una DSLR modificata. Tuttavia, con uno non modificato, possiamo ancora ottenere il bel colore delle stelle nelle costellazioni. Quindi le costellazioni ad ampio campo sono ottimi obiettivi per i principianti che non sono pronti a inviare le loro telecamere per l'intervento.
Questa immagine della Via Lattea estiva è stata scattata con un telescopio da 500 mm f / 2.8 e Canon 5D Mark II. È un mosaico di 110 immagini, quindi il suo campo visivo è paragonabile a quello di un obiettivo da 50 mm. Sono un grande fan delle immagini a mosaico. La chiamo spesso fotocamera di grande formato dei poveri. Un pazzo panorama a mosaico come questo contiene dettagli ricchi che superano di gran lunga ciò che può essere catturato con il dorso digitale di medio formato più alto. Il prezzo è che ci vuole molto tempo per riprendere ed elaborare le immagini.
Questa è una versione espansa dell'immagine di Orione. Mostra il Grande Triangolo Invernale e la Via Lattea che attraversa il triangolo. È stata scattata con Nikon 28-70mm f / 2.8D a 50mm f / 4 e Nikon D800. È un mosaico a quattro immagini, quindi il campo visivo è quattro volte più grande di un campo visivo di 50 mm. Ciascuna cornice del mosaico contiene 16 esposizioni di 5 minuti a ISO 400.
Questo è un mosaico a due immagini scattato con un obiettivo Mamiya 645 45 mm f / 2.8 af / 4.0 e Canon 5D Mark II. Il mosaico a due immagini consente di catturare non solo la costellazione del Cigno, ma anche la Via Lattea su larga scala. Ogni singolo fotogramma del mosaico contiene 16 esposizioni di 4 minuti a ISO 1600. In post-elaborazione, ho applicato uno strato per sfocare la luce delle stelle luminose in modo che la forma della costellazione fosse più evidente. Lo stesso effetto può essere ottenuto con un filtro diffuso davanti all'obiettivo. I filtri comunemente usati per questo scopo includono Kenko Softon A e Cokin P830.
Esempi Deep-Sky
Questa immagine ad ampio campo attorno all'ammasso stellare delle Pleiadi (Meissier 45) è stata scattata con un telescopio da 500 mm f / 2.8 e una Nikon D800. È un mosaico di quattro fotogrammi e ogni fotogramma contiene più di 1 ora di esposizione totale. La polvere e le nubi di gas intorno alle Pleiadi sono in realtà molto deboli. Non richiede solo esposizioni molto lunghe per rilevarli, ma anche un cielo molto scuro e pulito. Anche la calibrazione dell'immagine deve essere eseguita con una precisione molto elevata, altrimenti lo sfondo del cielo più la vignettatura dell'ottica cancelleranno completamente la debole nebulosità. D'altra parte, nuvole di gas blu come questa non richiedono una DSLR modificata per registrarle. Il nucleo delle nuvole intorno alle Pleiadi può essere un ottimo bersaglio per le persone che non hanno una DSLR modificata.
La galassia di Andromeda (Meissier 31) è un obiettivo mai mancato da nessun astrofotografo. Questa è stata scattata dal telescopio con la mia prima configurazione e Canon 5D Mark II. È un mosaico a due cornici. Ogni fotogramma contiene circa 40 esposizioni da 5 minuti a ISO 1600. Le reflex digitali non modificate possono scattare foto decenti di bersagli galattici come questo. Tuttavia, se guardiamo attentamente l'immagine, possiamo vedere molti piccoli oggetti rossi lungo i bracci a spirale della galassia di Andromeda. Queste sono le nebulose di gas giganti che contengono idrogeno ionizzato. Per catturare in modo efficiente la luce rossa di queste nebulose, è ancora necessaria una DSLR modificata.
La Nebulosa Testa di cavallo si trova proprio accanto alla cintura di Orione e fa parte dell'immagine di Orione presentata in precedenza. Può essere visto attraverso telescopi moderatamente grandi sotto il cielo scuro. Questa immagine ha richiesto più di 4 ore di esposizione con Canon 5D Mark II sul telescopio dalla mia prima configurazione. Il colore rosso nell'immagine proviene dall'idrogeno ionizzato. Richiede una DSLR modificata per registrare in modo efficiente la luce rossa.
La nebulosa nordamericana si trova in Cygnus e fa parte dell'immagine Cygnus mostrata sopra. È una nebulosa abbastanza grande e si adatta perfettamente al campo visivo di un obiettivo da 400 mm (FF). Questa immagine ingrandita è stata scattata con il telescopio della mia prima configurazione e Canon 5D Mark II. È un mosaico di 4 fotogrammi e l'esposizione totale di ogni fotogramma è di 2,5 ore. La nebulosa non è completamente rossa. Ci sono anche componenti blu incorporati nella luce rossa, che proviene dall'ossigeno ionizzato. Se viene utilizzata una DSLR non modificata, la nebulosa apparirà viola o rosa.
Meissier 22 è un ammasso globulare in Sagittario. Contiene circa 300 migliaia di stelle. Si trova sullo sfondo della Via Lattea estiva, quindi ci sono anche numerose stelle sullo sfondo di questa immagine. Questa immagine è stata scattata con il telescopio del mio primo setup e la Nikon D800. Il tempo di esposizione totale è di 1,5 ore. Per il cluster stesso, questo tempo di esposizione è inutilmente lungo, poiché il cluster è relativamente luminoso. Ho trascorso più tempo in questo campo per catturare il gran numero di deboli stelle di fondo che appartengono alla Via Lattea. Obiettivi stellari come questo non richiedono una DSLR modificata. Uno non modificato può fare altrettanto bene.
La Galassia Girandola (Meissier 101) è una galassia vicina e quindi appare relativamente grande nel cielo rispetto alla maggior parte delle altre galassie. Tuttavia, è ancora molto piccolo. La sua parte più luminosa ha una dimensione che è all'incirca mezza luna piena. Questa foto è stata scattata con il telescopio della mia prima installazione e Canon 5D Mark II. È ritagliato e il campo visivo ritagliato è equivalente a quello di un obiettivo da 3000 mm. Contiene un totale di 8,5 ore di esposizioni normali, più altre 3 ore di esposizioni con un filtro a banda stretta di idrogeno alfa (656,3 nm). L'immagine del filtro a banda stretta serve a migliorare le piccole macchie di nebulose rosse lungo i bracci a spirale. Sfortunatamente, questo non è un modo molto efficiente per utilizzare una DSLR, poiché solo un quarto dei pixel riceve attivamente i fotoni sotto un filtro rosso così intenso. Sullo sfondo di questa immagine, possiamo vedere molti piccoli punti gialli. Quelle sono numerose galassie molto distanti. Alcune galassie sono così lontane che il tempo impiegato dalla luce per viaggiare da quelle galassie a noi è più lungo dell'età del nostro Sole.
Questo guest post è stato fornito da Wei-Hao Wang, un astronomo che lavora in un istituto di ricerca nazionale di Taiwan, e sta attualmente visitando il telescopio Canada-Francia-Hawaii sulla Big Island delle Hawaii. È anche un astrofotografo e ha iniziato questo hobby nel 1990. Una raccolta delle sue recenti astrofotografie può essere trovata proprio qui.
