Aus der Praxis: kleine Anleitung zur Astrofotografie

Einen sternklaren Himmel mit dem bloßen Auge zu betrachten, ist schon faszinierend. Mit einem Feldstecher oder einem kleinen Fernrohr erschließen sich nochmal deutlich mehr Objekte. Aber auch wenn wir durch ein größeres Teleskop schauen, sehen wir primär Sterne, Sternhaufen und unsere Planeten.

Was wir leider nicht direkt sehen können, sind die häufig großen, aber auch sehr lichtschwachen Objekte wie Nebel und Galaxien, die sog. DeepSky-Objekte. Dafür sind unsere Augen einfach nicht empfindlich genug.

Hier schlägt die Stunde der Astrofotografie. Eine handelsübliche digitale System- oder Spiegelreflexkamera kann, kombiniert mit einem mittleren Teleobjektiv, diese Himmels-Objekte durch entsprechend lange Belichtungszeiten einfangen. Einschränkungen gibt es allerdings durch die (von mir bewusst getroffene) Beschränkung auf ein kleines, mobiles System: Sehr kleine Objekte wie Planeten, Kometen, Asteroiden aber auch weit entfernte Galaxien oder planetarische Nebel können damit nicht sinnvoll abgebildet werden.

Trotzdem: Es gibt noch genug am Himmel zu entdecken. Die modernen digitalen Systeme funktionieren inzwischen so gut, dass wir selbst in sehr lichtverschmutzen Gegenden (z.B. im eigenen Garten in Karlsdorf-Neuthard) tolle Aufnahmen zustande bringen.

Hier ein Beispiel, was aus einem mit dem Auge gerade noch sichtbaren schwachen Nebelfleck namens Andromeda-Galaxis (M31) durch die Astrofotografie entstehen kann. Der nachträglich eingeblendete Mond soll die eigentliche Größe des Objektes am Himmel veranschaulichen.

-> Die Astrofotografie ist eine sehr schöne Ergänzung zur visuellen Himmelsbeobachtung!

Einfach des Nachts eine Kamera ein paar Minuten gen Himmel zu richten, funktioniert leider nicht. Wir bekämen von den Himmelobjekten nur lauter Strichspuren zu sehen.
Der Grund: Dummerweise bewegt sich aufgrund der Erddrehung der Himmel permanent entgegen dem Uhrzeigersinn quasi um den Polarstern. Und diese Drehung zeigt sich dann als Strichspuren auf dem Bild.

Um das zu verhindern, muss man die Erddrehung stoppen… oder ein Nachführsystem anschaffen. Letzteres scheint eher geboten, da man mit so einem System die natürliche Drehbewegung gut kompensieren kann. Die Achse, um die sich das Nachführsystem und damit das gesamte darauf „aufsitzende“ Kamerasystem bewegt, muss auf den Polarstern (bzw. knapp daneben) ausgerichtet sein. Ein kleiner Motor oder ein mechanisches Federwerk sorgt für die Nachführung.

Zur Vervollständigung unsere Ausrüstung ist noch ein Kugelkopf zum Schwenken der Kamera wichtig und eine sogenannte Polhöhenwiege. Diese vereinfacht die Ausrichtung auf den Polarstern (die sog. „Einnordung“), da sie den kompletten Aufbau horizontal und vertikal bewegen kann.

Der Kostenrahmen für die spezifischen astrofotografischen Komponenten (Kugelkopf, Polhöhenwiege + mechanische Nachführung) liegt bei etwa ca. 350€. Die anderen Komponenten (Stativ, Kamera, Objektiv und Fern-Auslöser) waren in meinem Fall schon vorhanden.

Mit dieser relativ einfachen Ausrüstung kann man schon sehr schöne Ergebnisse erzielen. Hier mein erstes Andromeda(M31)-Bild mit obiger Ausrüstung.

Nicht unterschätzen sollte man den Aufwand für das Einrichten des Systems. Bis man mit den eigentlichen Aufnahmen beginnen kann, vergehen im Normalfall zwischen 30 und 45 min.

Was ist alles zu tun?
Zunächst tariert man das Stativ waagerecht aus. Eine kleine Libelle am Rand des Stativs leistet dafür gute Dienste. Das ist noch einfach. Dann kommt die…

• … Einnordung. Als Voraussetzung muss der Polarstern (Polaris) gut zu sehen sein. Meist ist parallel zur Drehachse der Nachführung ein kleiner Sucher (quasi ein Mini-Teleskop) mit integrierten Markierungen angebracht, mit dem man den Polarstern zunächst „einfängt“.
  Was wollen wir mit der Einnordung erreichen? Sobald die Drehachse der Nachführung (die sog. Rektaszensionsachse) möglichst exakt parallel zur Drehachse der Erde ausgerichtet ist, kann ein kleiner Motor die (scheinbare) Drehung des Himmels korrigieren, egal wohin die Kamera gerade ausgerichtet ist.
  Leider zeigt die Drehachse der Erde nicht exakt auf den Polarstern, sondern knapp (ca. 40 Winkelminuten) daneben. Aber wie weit und in welche Richtung daneben? Das hängt vom Datum, der Tageszeit und der geografischen Breite, auf dem man sich befindet (bei uns knapp 50 Grad), ab. Das klingt nicht nur kompliziert…
  
  Aber es gibt Hilfsmittel. Entweder behilft man sich mit der sog. Kochab-Methode (-> YouTube-Videos) oder man installiert auf dem Smartphone eine passende App (z.B: „Polar Scope Align“), die die richtige Position im Verhältnis zum Polarstern anzeigt. Oft bietet der Hersteller der Nachführung (z.B. iOptron) eine eigene App an, die auch die Hilfs-Markierungen in der Sucher-Optik widerspiegelt.
  
  Wichtig: Je exakter die Einnordung, desto länger kann man später belichten.
  
• Fokussierung: Hier bieten sich verschiedene Optionen an. Das Autofokussystem der Kamera ist normalerweise nicht nutzbar. Nach unterschiedlichem Herumprobieren (Fokussierhilfe der Kamera, Bahtinov-Maske) hat sich bei mir eine eher pragmatische, aber gut funktionierende Vorgehensweise herauskristallisiert: Man sucht sich einen helleren Stern und vergrößert das Sucherbild der Kamera maximal (kameraabhängig zwischen 10x und 20x). Der Stern wird dann zu einer mehr oder weniger großen Scheibe. Per Fokusring wird diese Scheibe so klein wie möglich „gedreht“.
  
  Leider gibt es einen kleinen, unschönen Nebeneffekt: Das Bild kann während der Aufnahmen wieder aus dem Fokus geraten, wenn sich die Temperatur des Teleskops stark ändert (z.B. im Winter). Dadurch verzieht sich dessen Metallgehäuse und die anvisierten Objekte werden wieder unscharf.
  Wie lässt sich damit umgehen? Man stellt das Teleskop schon ca. 1h vorab nach draußen, so dass sich die Temperatur anpassen kann. Falls es danach noch zu einem größeren Temperaturgefälle kommt, muss man die Aufnahmesession kurz unterbrechen und eine Neu-Fokussierung vornehmen.
  
• Suchen des Objektes und Start der Aufnahmesequenz: Da die Objekte meist weder mit dem bloßen Auge noch durch das Kamera-Objektiv zu sehen sind, ist das Ausrichten auf das Ziel-Objekt häufig eine Herausforderung. Es gibt bei unserem Aufbau keinen Automatismus wie bei einer Goto-Steuerung, die bei den größeren Teleskopen zum Einsatz kommt. Man muss das System per Hand ausrichten.
  Als Hilfsmittel zum Auffinden des Himmelobjektes hatte ich es zunächst mit einem sog. Leuchtpunktsucher probiert… ich bin aber damit nicht klargekommen. Die Zeiten, an denen ich beliebige Verrenkungen vor und unter dem Teleskop machen konnte, sind (zumindest bei mir) definitiv vorbei. Ein kleiner Laserpointer, der parallel zum Teleskop angebracht wird, erfüllt den angedachten Zweck besser. Mithilfe z.B. der Smartphone App „Stellarium“ kann man leicht die ungefähre Himmelregion des Zielobjektes herausfinden und danach mithilfe des Lasers das Teleskop grob ausrichten.
  
  Hinweis: Legale Laserpointer sind hierzulande auf eine Leistung von 1 mW beschränkt. Aber auch dann gilt: richtet man das Werkzeug gen Himmel und blendet damit z.B. einen Flugzeugpiloten, so wird dies als Eingriff in den Flugverkehr gewertet und entsprechend hart bestraft. Also aufpassen, wohin man zielt und den Pointer immer nur kurz einschalten.
  
  Im Sucherbild der Kamera ist trotz guter Ausrichtung leider weiterhin nur gähnende Leere zu sehen… von ein paar vereinzelten Sternen vielleicht abgesehen. DeepSky-Objekte sind eben extrem lichtschwach. Jetzt ist es an der Zeit, mit dem Fernauslöser einige Probeaufnahmen unterschiedlicher Länge (z.B. 20s – 40s) zu machen. Das Ergebnisbild sollte dann zumindest schwach das ‚Objekt der Begierde‘ zeigen. Meist ist dann noch etwas nachjustieren angesagt.
  
  Die richtige Belichtungszeit zu finden, ist auch nicht so einfach. Eine zu lange Belichtungszeit kann dazu führen, dass die Sterne nicht mehr rund sind, da die Nachführung nie zu 100% exakt arbeiten kann. Auch kann das aufgenommene Bild dann irgendwann aufgrund der Lichtverschmutzung milchig weiß werden. Hier ist Ausprobieren angesagt.
  
  Jetzt den Fernauslöser „programmieren“ (z.B. 60s Belichtungszeit / 3s Pause, dann wieder von vorne). Ist auch die Kamera richtig eingestellt (auf „RAW“, „B“ und „ISO800“ oder „ISO1600“), kann´s endlich losgehen!
  
  Wichtig: Grundsätzlich gilt, möglichst viele Aufnahmen zu machen. Je mehr Aufnahmen vorliegen, desto besser kann man in der Nachbearbeitung das Himmelobjekt herausarbeiten.
  
• Und dann auch noch diese „Darks“… : Am Ende der Aufnahmesequenz trennt man die Kamera vom Teleskop, schraubt den Gehäusedeckel auf die Kamera, versteckt das Gerät in einem dunklen Verließ (bei mir ist es ein schwarzer Beutel) und macht bei gleicher Temperatur, Belichtungszeit und ISO-Einstellung noch 10 bis 20 sog. „Dark“-Aufnahmen. Grund: Der Kamera-Sensor erzeugt bei Langzeitbelichtungen ein störendes Dunkelrauschen. Um dieses in der Nachbearbeitung herausrechnen zu können, muss das Nachbearbeitungsprogramm mit diesen „Darks“ gefüttert werden.
  Hinweis 1: Man kann auf Darks verzichten, wenn man in der Kamera die sog. „Langzeitrauschunterdrückung“ einschaltet, die nach jeder Aufnahme quasi selbst eine Bereinigung durchführt.  Gravierender Nachteil: Die Zeit bis zur nächsten Aufnahme verdoppelt sich dadurch. Und Zeit ist des Nachts sehr wertvoll, d.h. das ist aus meiner Sicht keine Option. Eine andere Möglichkeit wäre es, während der Aufnahme das sog. Dithering („Zittern“) einzuschalten. Aber: dafür wird eine zusätzliche Hardware-Komponente (Stichwort „Autoguider“) benötigt.
  Hinweis 2: Eigentlich sollten auch sog. Flat- und Bias–Aufnahmen gemacht werden. Bisher habe ich darauf verzichten können.
  

Das Ergebnis der nächtlichen Bemühungen ist jetzt in zahlreichen sog. „RAW“-Dateien versteckt und muss „nur noch“ irgendwie hervorgeholt werden. Dafür kommen ein möglichst leistungsstarker PC und die passende Software zum Einsatz. Die softwaretechnische Nachbearbeitung ist leider auch wieder ein zeitaufwändiger Vorgang (ca. 1 – 3 Std. pro Aufnahmesequenz).
Es tummeln sich viele Programme auf dem Markt. Einige, wie DeepSkyStacker, AutoStakkert und Fitswork, sind kostenlos. Die aber decken dann meist nur einen Teil des Nachbearbeitungsprozesse ab. Da ich das ständige „Hin- und Her-Switchen“ zwischen unterschiedlichen Programmen vermeiden wollte, habe ich mir den Platzhirschen angeschafft: das Programm „PixInsight“.
Es ist das wohl mächtigste Tool für Astrofotografen, kostet aber über 300€ und ist nicht so – na ja – ganz einfach zu bedienen. Wer diesen Weg geht, sollte sich die deutschsprachigen Einführungs-Videos von Frank Sackenheim auf YouTube anschauen.
Als Alternative bietet sich das Freeware-Tool „Siril“ an. Hier wird allerdings eine weitere Nachbearbeitung mit einem Bildbearbeitungs-Tool notwendig. Wer als Hobby-Fotograf sowieso mit Adobes Photoshop und Lightroom arbeitet, sollte vielleicht diesen Weg gehen.

Unabhängig von den eingesetzten Softwareprodukten sind für die Nachbearbeitung immer folgende Schritte notwendig:

1. „Stacken“: alle Bilder werden zu einem Summe-Bild „gestapelt“, u.a. um den Rauschanteil im Bild und Fehler des Kamera-Sensors zu reduzieren
2. Angleichung des Hintergrunds, um Helligkeitsunterschiede auszugleichen
3. Photometrische Bild-Kalibrierung, um z.B. über den Gaia-Sternenkatalog die Farben zu verbessern
4. „Stretchen“, um das eigentliche Objekt aus dem Hintergrund hervorzuholen
5. weitere Schritte, wie z.B. Sättigung erhöhen, Sterne verkleinern, Rauschen weiter minimieren, Hintergrund nachdunkeln usw.

Je nach Qualität der Ursprungsbilder gelingt dieses mehr oder weniger gut. Meist ist man aber selbst überrascht, was man alles aus den so unspektakulären Quell-Bildern hervorholen kann. Schon bald hat man das Gefühl, die Mühe hat sich gelohnt!

Wie sich ein Bild im Laufe des Nachbearbeitungsprozesse entwickeln kann, zeigt folgende Bilder-Sequenz:

Aufgenommen wurden die beiden Emissionsnebel IC405 und IC 410 (Sternbild Fuhrmann) am 18.1.2024 im eigenen Garten. Insgesamt wurden 58 RAW-Bilder mit einer Belichtungszeit von jeweils 90s zur Bearbeitung hergenommen. Die Kamera war auf ISO1600 eingestellt.

Hier zeigt sich die Mächtigkeit der Software. Man hat zum Ende hin den Eindruck, das Programm holt sich Vorlagen aus einer Google-Bilderbibliothek und legt diese heimlich darüber. Es geht aber alles mit rechten Dingen zu.

Equipment und Größenbeschränkung
Wie schon erwähnt, habe ich im Laufe der Zeit das Equipment immer weiter verbessert, so dass vom ursprünglichen Ansatz nicht mehr viel übrigblieb. Die Investitionen haben sich (zum Glück) dann auch in der Qualität der Bilder niedergeschlagen. 
Es war mir aber immer wichtig, das ganze Equipment weiterhin reisetauglich unterbringen zu können, um Beobachtungen an ausgewählten (z.B. besonders dunklen) Standorten mit einem Urlaub verbinden zu können.

Alle meine Komponenten (vom Stativ abgesehen) passen daher in einen relativ kleinen Koffer. Durch einen Hartschaumstoff-Einsatz kann der Innenraum immer wieder neu angepasst werden.

Wer es genau wissen möchte, hier die exakte Aufstellung meines Equipments:

• Teleskop: Williams Optics Redcat51: 250mm Brennweite / F4,9 / 51mm Öffnung mit einem elektrischen Fokusmotor (Fremd-Zubehör)
• Polhöhenwiege: von William Optics
• Nachführung: iOptron SkyGuider Pro mit „Omegon Winkeleinblick für Polsucher“
• Laserpointer, fixierbar auf dem Teleskop
• Autoguider: Lacerta MGEN3
• Kamera: Panasonic Lumix G5 (MFT) – astromodifiziert (ggf. auch G91 ohne Astromodifikation)
• Fernauslöser: AODELAN WTR2
• Powerbank: mit 1x USB-C und 2x USB-A Anschlüssen
• Stativ: Leofoto Carbon-Dreibeinstativ LS-323C Ranger mit Stativtasche

Mehr Brennweite bitte
Die relativ kleine Brennweite des Teleskopes (250mm) beschränkt die Anzahl der möglichen Ziel-Objekte am Himmel. Man kann damit sehr gut mittelgroße („Flammennebel“) bis große Objekte („Andromeda-, Nordamerikanebel“) aufnehmen. Auch kleinere Objekte („Leo Triplet“) gehen mit Einschränkung. Bei sehr kleinen Objekten unter einer Winkelausdehnung von 6‘ (Minuten), wie z.B. den „Ringnebel in der Leier“, macht es keinen Spaß mehr, da die Objekte dann nur noch aus wenigen Pixeln bestehen.

Ein größeres Teleskop kann Abhilfe schaffen. Mit dem 8‘‘ Schmidt-Cassegrain-Teleskop inkl. seiner Goto-Steuerung von Reinhold Erthal gelingen auch Aufnahmen sehr kleiner Himmelobjekte. Das wäre aber Inhalt eines weiteren Praxisberichts.

„Smarte“ Systeme
Es soll nicht verschwiegen werden, dass sich inzwischen sog. „smarte Teleskope“ auf dem Markt befinden, die fast alle oben beschrieben Arbeitsschritte mehr oder weniger vollautomatisch (und selbstverständlich KI-gestützt) umsetzen.

Auch wir bieten im Verein so ein System (Vaonis Vespera Pro) an und wollen damit den Einstieg in die Astrofotografie erleichtern. Das System bietet ein schon sehr gutes, aber auch fixes Qualitätsniveau, das sich nicht mehr verbessern lässt, ohne ein neues System kaufen zu müssen. Es ist eben kein modulares System. Zudem ist der (astronomische) Lerneffekt sicherlich begrenzt.

Andererseits ist es toll zu sehen, was sich alles am sternklaren Himmel tummelt, ohne dass man erst komplizierte Vor- und Nachbereitungen durchführen muss.
Wir werden sehen, ob und wie sich diese Systeme weiter etablieren und entwickeln. 

Es macht einfach Spaß!
Mir selbst hat das Thema „Astrofotografie“ in den letzten Jahren unglaublich viel Spaß gemacht. Das anfänglich vorsichtige Herantasten, die steigende Lernkurve und die Schritt-für-Schritt-Weiterentwicklung der zugrundeliegenden Technik führten immer wieder zu schönen Erfolgserlebnissen.
Und: man kann hinterher (durchaus mit Stolz) etwas vorzeigen! Einzig das lange Warten auf passende Witterungsbedingungen verleidet einem ab und zu das Thema… manchmal auch eine kalte und lange Nacht. Aber das gehört nun einmal zu unserem Hobby!

Wer Interesse an dem Thema hat oder sich einfach nur austauschen möchte, bitte E-Mail an:
info@astronomiefreunde-kn.de