Astrofotograafia

Ülevaade

Astrofotograafia, väheste eranditega, kasutab pikka säriaega, sest nii filmiga kui ka digitaalsed seadmed suudavad koguda footoneid üle pika aja. Filmile või sensorile langeva valguse hulk kasvab ka siis, kui suurendada kaamera ava (apertuur). Linnapiirkonnad tekitavad valgusreostust, mistõttu astrofotograafiaga tegelevad observatooriumid ja seadmed asuvad kõrvalistes kohtades. See võimaldavad pikka säriaega ilma, et filmile või sensorile satuks kõrvalist valgust.
Kuna Maa on pidevas pöörlemises, peavad teleskoobid ja seadmed pöörama vastupidises suunas, et järgida tähtede näivat liikumist taevas (nn ööpäevane liikumine). Seda saab teha kasutades kas ekvaatorilisi või arvuti juhitavaid asimutaal monteeringuid, et hoida taevakehad n-ö paigal kui Maa pöörleb. Kõik teleskoobi monteeringu süsteemid kannatavad pidevast jälgimisest põhjustatud vigade tõttu, kas ebatäiusliku mootori töö või teleskoobi läätse liikumisest/paindumisest tingituna. Jälgimis vead parandatakse hoides kindel punkt tsentris kogu säriaja, tavaliselt mõni hele täht Mõnikord (nt komeetide puhul) pildistatav objekt liigub, siis teleskoop peab olema pidevalt keskendatud sellele objektile. Selline suunamine on üldjuhul tehtud läbi teise kaas-monteeritud teleskoobi (kutsutakse juht-teleskoop või “guide scope”) või teatud tüüpi “off-axis guider” seadmega, millel on prisma või optiline kiire jagaja, mis võimaldab vaatlejal vaadata sama pilti teleskoobist, mida ta jäädvustab. Teleskoobi suunamine tehti varem vaatleja poolt manuaalselt terve säriaja hoides teleskoop sihituna juht tähele. Alates arvuti kontrollitud süsteemide tulekust on suunamine saavutatud üldjuhul automatiseeritud süsteemide poolt, nii professionaalsete kui ka harrastajatele mõeldud seadmete puhul. 
Astrofotograafia on üks vanemaid teadusliku fotograafia liike ja peaaegu selle loomisest alates jagunenud alamliikideks, millel igalühel on oma kindel eesmärk sealhulgas tähe kartograafia, astromeetria, tähe klassifitseerimine, fotomeetria, spektroskoopia, polarimeetria ja astronoomiliste objektide avastamine nagu asteroidid, komeedid, tähed, udukogud ja isegi tundmatud planeedid. Need kõik vajavad spetsiaalseid seadmeid täpseks pildistamiseks laia vaateväljaga (nagu Schmidti kaamerad) või tööks konkreetsetel lainepikkustel. Astronoomilised CCD-kaamerad võivad kasutada krüogeenset jahutust, et vähendada soojusmüra ja võimaldada anduritel jäädvustada pilte teises spektris (nt infrapuna astronoomia). Kasutatakse ka spetsiaalseid filtreid, et jäädvustada pilte konkreetsetel lainepikkustel.

Ajalugu

Astrofotograafia kui teadusliku vahendi tee rajajateks 19. sajandi keskel olid enamasti eksperimentaatorid ja harrastusastronoomid või nn “Härrasmees teadlased.” Kuna väga pikka säriaega oli tarvis, et jäädvustada suhteliselt tuhmi astronoomilisi objekte, tuli ületada palju tehnoloogilisi probleeme. Nende hulka kuulusid: teleskoopide muutmine piisavalt jäigaks, et need ei liiguks/väriseks fookusest välja särituse ajal, kellmootorite ehitamine, et teleskoopi saaks liigutada ühtlase kiirusega ja arendada võimalusi, kuidas hoida teleskoop täpselt suunatuna fikseeritud punktis pika säriaja vältel. Varased fotograafilised protsessid olid ka piiratud. Dagerrotüübi protsess oli liiga aeglane, et midagi jäädvustada peale heledamate objektide taevas ja märgkolloidmenetlus protsess oli aga limiteeritud sellise säriajaga, kuni plaat märjaks võis jääda.
Esimese teadaoleva astrofotograafiakatsetuse tegi Louis Jacques Mandé Daguerre, dagerrotüüpia protsessi looja, kes püüdis 1839. aastal pildistada Kuud. Vead pika säriajaga teleskoobi suunamisel tõid kaasa selle, et fotol oli ebamäärane udune täpp. John William Draper, New Yorgi ülikooli keemiaprofessor, arst ja teaduseksperimentaator, tegi esimese eduka foto Kuust aasta hiljem 23. märtsil 1840, tehes 20 minuti pikkuse dagerrotüüpfoto, kasutades 13 cm peegelteleskoopi.
Päikest pildistasid arvatavasti esimest korda 1845 Prantsuse füüsikud Léon Foucault ja Hippolyte Fizeau. Ebaõnnestunud katse jäädvustada täielikku päiksevarjutust, mis leidis aset tema kodulinnas Milanos 8. juulil 1842, tegi Itaalia füüsik Gian Alessandro Majocchi. Hiljem andis ta dagerrotüüpfotod, mis ta oli jäädvustanud ja ülevaate oma katsest, kus ta kirjutas:
"…a few minutes before and after totality an iodized plate was exposed in a camera to the light of the thin crescent, and a distinct image was obtained; but another plate exposed to the light of the corona for two minutes during totality did not show the slightest trace of photographic action. No photographic alteration was caused by the light of the corona condensed by a lens for two minutes, during totality, on a sheet of paper prepared with bromide of silver."
Päikese krooni pildistati esmakordselt edukalt päikesevarjutuse ajal 28. juulil 1851. Dr. August Ludwig Busch Königsbergi observatooriumi direktor andis juhised kohalikule dagerrotüüpiapildistajale Berkowskile, jäädvustamaks päikesevarjutust. Busch ise ei olnud Königsbergis (praegune Kaliningrad), vaid ta eelistas jälgida varjutust lähedal asuvast Rixhoftist. Teleskoop, mida Berkowski kasutas, oli kinnitatud 6 ½-tollise Königsbergi heliomeetrile ja oli avaga ainult 6,1 cm ning fookuskaugusega 81,2 cm. Alustades kohe pärast varjutuse totaalsust paljastas Berkowski teleskoobi fookuses dagerrotüüp-plaadi 84 sekundiks ja ilmutamisel saadi pilt kroonist. Ta paljastas ka teise plaadi 40–45 sekundiks, aga see sai rikutud, kui päike tuli kuu varjust välja. Detailsemaid fotouuringuid päikesest tegi Briti astronoom Warren De la Rue alates 1861.aastast.
Esimene foto tähest oli dagerrotüüp tähest Vega, astronoom William Cranch Bondi ning dagerrotüüpia fotograafi ja eksperimentaatori John Adams Whipple'i poolt 16.-17. juulil 1850 Harvardi kolledži observatooriumi 15-tollise refraktorteleskoobiga (nn “Great refractor”). Aastal 1863 inglise keemik William Allen Miller ja inglise harrastusastronoom Sir William Huggins kasutasid märgkolloodiummenetlust, et saada esimene spektrogramm tähest Sirius ja Capella. Aastal 1872 Ameerika arst Henry Draper, John William Draperi poeg, jäädvustas esimest korda tähe Vega spektrogrammi, et näidata neeldumisjooni.
Astrofotograafiast ei saanud tõsist teadusvahendit enne 19. sajandi lõpukümnendeid, mil võeti kasutusele kuiv plaat fotograafia. Seda kasutasid esimest korda Sir William Huggins ja ta naine Margaret Lindsay Huggins aastal 1876, et salvestada astronoomiliste objektide spektrid. Aastal 1880 kasutas Henry Draper uut kuivplaat protsessi koos fotograafiliselt parandatud Alvan Clarki 28 cm (11 tollise) refraktorteleskoobiga, et teha 51-minutise säriajaga pilt Orioni udukogust (esimene pilt udukogust). Läbimurre astrofotograafias tuli aastal 1883, kui harrastusastronoom Andrew Ainslie Common kasutas kuiv plaat protsessi, et salvestada mitu pilti samast udukogust säriajaga kuni 60 minutit oma 91 cm (36-tollise) peegelteleskoobiga, mille ta ehitas oma tagahoovis Ealingis, väljaspool Londonit. Need fotod näitasid esmakordselt tähti, mis on liiga tuhmid inimsilma jaoks.
Esimest kogu taeva fotograafia astromeetria projekti (Astrographic Catalogue ja Carte du Ciel) alustati aastal 1887. Seda viis läbi 20 observatooriumi, kus kõikides kasutati spetsiaalseid fototeleskoope, mis olid ühetaolise disainigia. Kõikide telskoopide ava oli ligi 33 cm (13 tolli) ja fookuskaugus 3,4 m (11 jalga), nende eesmärk oli luua pilte, millel on ühtse skaalaga fotoplaat umbes 60 arcsek/mm, kuid seejuures 2° × 2° vaateväljaga. Eesmärgiks oli proovida täpselt kaardistada taevas kuni 14. suurusjärguni, kuid see jäi lõpetamata.
20. sajandi algus tõi ülemaailmse refraktorteleskoopide ja keerukate suurte peegelteleskoopide ehituse, mis olid mõeldud spetsiaalselt fotograafiliseks jäädvustamiseks. Sajandi keskme pool hiigelteleskoobid nagu 5-meetrine (200-tolline) Hale'i teleskoop ja (48-tolline) Samuel Oschini teleskoop Palomari Observatooriumis nihutasid filmifotograafia piire.
Teatavaid edusamme tehti fotoemulsioonide ja gaasi hüpersensatsiooni, krüogeenjahutuse ning valguse võimendamise valdkonnas, kuid alates 1970. aastast pärast CCD leiutamist on fotoplaadid andnud järje elektroonilisele pildistamisele professionaalsetes observatooriumites. CCD-d on palju valgustundlikumad ja valgustundlikkus ei lange pika säriaja jooksul nagu filmi puhul. CCD-l on võime jäädvustada laiemas spektraalpiirkonnas ja lihtsustab informatsiooni talletamist. Tänapäeva teleskoobid kasutavad palju erikonfiguratsioonidega CCD-sensoreid, sealhulgas lineaar reastust ja suuri mosaiike CCD-elementidest, mis vastab 100 miljonile pikslile, mille eesmärk on katta fokaaltasand teleskoopidel, mis enne kasutasid 10–14-tolliseid fotoplaate.
20. sajandi lõpp tõi kaasa arengu astrofotograafias, kui hakati kasutama uut tüüpi riistvara seoses hiiglaslike mitmepeegliste ja -segmendiste teleskoopide ehitamisega. Samuti tulid esimesed kosmoses põhised teleskoobid nagu Hubble'i kosmoseteleskoop. Tegutsedes väljaspool Maa atmosfääri mõjutusi saab Hubble'i kosmoseteleskoop oma 2,4 m diameetrilise peegliga jäädvustada tähti alla 30. suurusjärgu, mis on 100 korda tuhmim sellest, mida suutis 5-meetrine Mount Palomari, Hale'i teleskoop aastal 1949.

Harrastusastrofotograafia

Astrofotograafia on populaarne hobi fotograafide ja harrastusastronoomide seas. Öötaevast saab pilte teha ka kõige lihtsamate filmi- ja digitaalkaameratega. Mingit muud lisavarustust peale tavalise statiivi pole tingimata vaja. Küll on aga võimalik soetada väga palju erinevaid lihtsaid kui ka keerukamaid seadmeid. Harrastusastronoomid ja amatööridest teleskoopide tegijad kasutavad ka omatehtud ja modifitseeritud seadmeid, et tähistaevast vaadelda ja jäädvustada.

Meedia

Pilte jäädvustatakse erinevate meedia- ja fotoseadmetega nagu ühe objektiiviga peegelkaamerad, 35 mm film, digitaalse ühe objektiiviga peegelkaamerad, lihtsate harrastus- ja profitaseme tööstuslikult toodetud CCD-kaamerate, videokaamerate ja isegi (nn "off-the-shelf) pikale säriajale kohandatud veebikaameratega.
Tavapärast (nn “over-the-counter”) filmi on astrofotograafias kasutatud juba ammu. Filmide säriajad ulatuvad 10 minutist kuni üle ühe tunni. Müügilolevad värvifilmid pika säriaja puhul kaotavad oma kvaliteeti, kus valgustundlikkus eri lainepikkustele langeb, mida pikem on säriaeg, mistõttu värvid fotol muutuvad. Seda saab kompenseerida kasutades sama tehnikat, mida kasutatakse professionaalses astronoomias, et tehes pilte erinevatel lainepikkustel, mis hiljem liidetakse, et luua õiget värvi pilt. Kuna film on palju aeglasem kui digitaalne sensor saab väikeseid suunamis-/jälgimisvigu parandada ilma suure märgatava mõjuta lõplikule pildile. Filmi astrofotograafia on aina vähem populaarsem tänu üldiselt odavamatele digikaamerate levikule. Lisaks film nõuab jätkuvaid kulutusi (film, töötlemine, trükkimine või skaneerimine).

Alates 1990. aastate lõpust on amatöörid jälginud professionaalsete observatooriumite üleminekut filmilt digitaalsetele CCD-le astrofotograafias. CCD-d on palju tundlikumad kui filmid, võimaldades palju lühemaid säriaegu ja reageerivad lineaarselt valgusele. Pilte saab jäädvustada paljude lühiajaliste säriaegadega, et luua sünteetiline pikk säriaeg. Digitaalkaameratel puuduvad ka liikuvad osad või on neid minimaalselt ja neid on võimalik kaugjuhtida infrapuna või arvuti abil, vähendades vibratsiooni. Lihtsaid digitaalseadmeid nagu veebikaameraid saab modifitseerida, et võimaldada juurdepääs fokaaltasandile ja isegi (pärast mõne juhme lõikamist) pika säriajaga pildistamist. Saab kasutada ka videokaameraid astronoomiliste piltide jäädvustamisel.
 On palju meetodeid ja seadmeid, mille abil saab üheobjektiivilisi peegelkaameraid või elementaarseid “sihi ja tulista” kaameraid kinnitada teleskoobi külge. Tavalised laiatarbe-digitaalkaamerad kannatavad kõige rohkem pildimüra all, mis tekib pikast säriajast. On mitmeid meetodeid, kuidas jahutada kaamerat, sealhulgas krüogeenne jahutamine. Astronoomiliste seadmete ettevõtted pakkuvad nüüd ka laias valikus just selleks otstarbeks ehitatud astronoomilisi CCD-kaameraid koos riistvara ja töötlustarkvaraga. Paljudel digipeegelkaameratel on võimalus teha pika säriajaga pilte koos järjestikuste piltidega (nn “time-lapse”), mis võimaldab fotograafil luua liikuva pildi tähistaevast.

Järeltöötlus

Nii digitaal- kui ka skaneeritud filmi fotod töödeldakse hiljem mingil meetodil pilditöötlustarkvaraga, et parandada jäädvustatud pilti. Pilte saab muuta heledamaks ja manipuleerid arvutis, et reguleerida värvi, kontrastsust või teisi omadusi. Keerulisemad meetodid võimaldavad jäädvustada mitu pilti (mõnikord tuhandeid), et kokku panna neist teravam pilt, vähendada atmosfääri mõju, parandades kehva objekti jälgimist, tuua välja tuhmid objektid või vähendamaks valgusreostust. Digitaalkaamera fotod võivad vajada ka edasist töötlust, et vähendada pildimüra, mis on tingitud pikast säriajast. On mitmeid äri-, vabavara ja vaba tarkvara pakette, mis on spetsiaalselt mõeldud astronoomiliste fotokujutiste töötlemiseks.

Seadmed/varustus

Astrofotograafia seadmed mitte-professionaalsete täheteadlastel on väga erinev, kuna fotograafid endi eesmärgid on varieeruvad ulatudes üldistest fotograafides, kes pildistavad mingit vormi esteetiliselt meeldivaid pilte kuni väga tõsiste harrastusastronoomideni, kes koguvad andmeid teadustööks. Astrofotograafias kui hobina on palju väljakutseid, mida tuleb ületada, mis erinevad tavafotograafiast ja sellest, mis esineb üldiselt professionaalses astronoomias. Kuna enamik inimesi elab linnades, peavad seadmed olema kaasaskantavad, et seda saaks liigutada kaugele eemale linnadest, et vältida valgusreostust. Linna astrofotograafid kasutavad spetsiaalseid valgusreostus või kitsaribalisi filtreid ja keerukamaid arvutitöötlusmeetodeid, et eemaldada ümbritsev linnavalgus nende piltide taustalt. Samuti pildistavad nad üldiselt heledamaid objekte nagu Kuu ja planeedid. Teine meetod, mida amatöörid valgusreostuse vältimiseks kasutavad, on kaugjuhitava teleskoobi ülesseadmine või rent kohas, kus pole nii palju valgusreostust. Teised väljakutsed on näiteks kaasaskantavate teleskoopide ülesseadmine, paigutus täpseks taeva jälgimiseks, töötamine nn “off the shelf” seadmete piirangutes, jälgimisseadmete vastupidavus ja ilmastikuolud ning mõnikord manuaalne suunamine.
Mõned kaamera tootjad modifitseerivad oma tooteid, et neid saaks kasutada astrofotokaameratena, nagu Canoni EOS 60Da, mis põhineb EOS 60D-l, kuid modifitseeritud infrapunafiltri ja madala müratasemega sensor koos kõrgendatud vesinik-alfa tundlikkusega, et jäädvustada paremini udukogude emissioone.
Väga vähese valgusjõuga, vaid mõned konkreetsed veebikaamerate mudelid on väga populaarsed astronoomide ja astofotograafide seas, et pildistada öist taevast. Enamasti on need käsitsi teravustatavad kaamerad ja sisaldavad vanu CCD-paneele uute CMOS-paneelide asemel. Kaamerate läätsed eemaldatakse ja kinnitatakse teleskoobi külge, et jäädvustada pilte, videot või mõlemat. Uutemate meetodite puhul jäädvustatakse paarisekundilised videod väga tuhmidest objektidest ja siis kõik video kaadrid liidetakse kokku, et saada korraliku kontrastiga pilt. Philips PCVC 740K ja SPC 900 on ühed vähestest veebikaameratest, mis astrofotograafidele meeldivad.

Kaugjuhitava teleskoobi astrofotograafia

20. sajandi kiire interneti, arvutiga juhitavate teleskoopide ja CCD-kaamerate arenguga on kaugjuhitava teleskoobi astronoomiast saanud toimiv vahend harrastusastronoomidele, kellel ei ole ligipääsu suurtele teleskoopidele, et tegeleda teadustöö või süvakosmose vaatlemisega. See võimaldab pildistajal kontrollida teleskoopi suurte vahemaade tagant ja pimedas kohas, kasutades sealseid CCD-kaameraid. Jäädvustada saab sõltumata kasutaja või teleskoobi asukohast, kuna võimalusi on mitmeid. Teleskoobiga digitaalselt kogutud andmed saadetakse ja kuvatakse interneti abil. Näiteks üks selline avalik, interneti kaudu ja kaugjuhitav teleskoop on Bareketi obervatooriumi teleskoop.