Astrofotografie für Einsteiger

Astrofotografie mit stehender Kamera

Einmal am Tag dreht sich die Erde um ihre eigene Achse und damit unter den Sternen hinweg. Für einen Beobachter in Deutschland auf etwa 50° nördlicher Breite bedeutet das, dass er in einer Stunde über 1600 Kilometer zurücklegt. Davon merken wir in der Regel nichts, da wir samt unserer Umgebung ja Teil dieser Bewegung sind. Auch in einem Zug bemerken wir die Bewegung erst, wenn wir aus dem Fenster schauen. Aber achten Sie einmal darauf, wie rasch die Sonne hinter dem Horizont verschwindet oder wie flott der Mond aufgeht!

Daher setzt die Natur den Belichtungszeiten eine Grenze, sobald wir Sterne auf dem Bild haben. Als Faustregel gilt die »500er-Regel«:

500/Brennweite = Belichtungszeit [s]

Mit anderen Worten: 500 geteilt durch die Brennweite des Objektivs ergibt in etwa die maximale Belichtungszeit, die ohne eine automatische Nachführung zum Ausgleich der Erdrotation möglich ist. Mit einem 18-mm-Objektiv sind also maximal Belichtungszeiten von etwa 500/18 = 27 Sekunden möglich, bevor die Sterne keine nadelscharfen Punkte mehr sind, sondern zu Strichen verzerrt werden. Der Effekt fällt schon früher auf, wenn Sie Sterne in der Nähe des Himmelsäquators fotografieren (weil die Sternbewegung mit zunehmender Entfernung zum Himmelspol sichtbarer wird, siehe Bild auf Seite 5) oder falls Ihre Kamera kleine, hochauflösende Pixel hat. Zur Sicherheit halbieren Sie die mögliche Belichtungszeit.

Leider lässt sich die Belichtungszeit nicht beliebig verkürzen: Astrofotografie ist praktisch immer Langzeitfotografie, da die Sterne lichtschwach sind. In vielen prächtigen Astrofotos stecken mehrere Stunden Belichtungszeit! Kein Wunder, dass die Astronomen immer größere Teleskope bauen und auch viele Amateure dem »Öffnungswahn« verfallen – je größer der Durchmesser eines Teleskops ist, desto mehr Licht kann es in derselben Zeit einfangen und desto kürzere Belichtungszeiten werden möglich.

Schon bei einer Belichtungszeit von 3 Minuten werden die Sterne durch die Erddrehung deutlich zu Bögen verzerrt. 3 Min @ 400 ISO, 18-mm-Objektiv an Nikon D50 (APS-C)

Nur mit einer automatischen Nachführung bleiben die Sterne Punkte und das Sternbild Großer Wagen wird sichtbar. 3 Min @ 400 ISO, 18-mm-Objektiv an Nikon D50 (APS-C)

Zum Glück ermöglicht die moderne Technik auch mit kurzen Belichtungszeiten schon eindrucksvolle Aufnahmen.

Sie benötigen lediglich ein stabiles Stativ, eine rauscharme Kamera, die auch höhere ISO-Zahlen erlaubt, und ein möglichst lichtstarkes Objektiv: Eine Blende von f/2.8 oder gar f/1.4 ist optimal. Die Standard-Kit-Objektive vieler Einsteigerkameras sind lichtschwächer und erfordern längere Belichtungszeiten. Die Kamera muss einen echten manuellen Modus bieten, damit Sie zumindest Blende, Belichtungszeit, ISO und Fokus frei einstellen können. Viele Kompaktkameras begrenzen die mögliche Belichtungszeit, damit der Sensor sich nicht zu sehr erwärmt und das Bildrauschen erträglich bleibt. Die Lichtempfindlichkeit (ISO) der Kamera kann nicht beliebig hochgedreht werden, da das Bild sonst zu sehr rauscht und die Sterne im Rauschen untergehen. Ein Fernauslöser ist ideal, damit das Bild nicht verwackelt, sonst hilft der Selbstauslöser. Wenn Sie mit einem Weitwinkelobjektiv fotografieren, können Sie länger belichten als mit einem Teleobjektiv, da der Abbildungsmaßstab dann kleiner ist und die Bewegung der Sterne nicht mehr so auffällt. Die Tabelle enthält Richtwerte für die maximale Belichtungszeit an einer Kamera, deren Pixel die bei modernen Spiegelkameras gängige Größe von 5 µm haben. Bei Modellen mit kleineren Pixeln wie Micro-Fourthirds-Kameras sind kürzere Belichtungszeiten notwendig. So sehen die Sterne noch ziemlich punktförmig aus, bei längeren Zeiten werden sie sichtbar zu Strichen. Näher am Himmelspol sind längere Belichtungszeiten möglich.

Bildfeld und maximale Belichtungszeit bei einer Kamera mit 5 µm großen Pixeln.

Strichspuraufnahmen

Der einfachste Einstieg in die Astrofotografie sind Strichspuraufnahmen. Richten Sie die Kamera einfach auf einem Stativ in den Himmel und belichten Sie längere Zeit, den Rest macht die Erdrotation. Mit Diafilmen war das früher sogar noch leichter als mit den modernen Digitalkameras: Ein Film verliert durch den Schwarzschildeffekt während der Belichtung rasch an Empfindlichkeit, sodass man auch einmal eine halbe Stunde lang am Stück belichten konnte (und oft genug sogar musste). Eine Digitalkamera dagegen behält ihre Empfindlichkeit während der gesamten Belichtung bei, sodass das Bild nach wenigen Minuten komplett überbelichtet wäre. Sie müssen also zahlreiche Aufnahmen in Folge machen, bei denen der Vordergrund möglichst nicht durch das Umgebungslicht überbelichtet ist, und diese am PC miteinander kombinieren. Es ist heute nicht leicht, einen wirklich dunklen Standort zu finden!

Stellen Sie eine feste Belichtungszeit ein, zum Beispiel 30 Sekunden, und öffnen Sie die Blende maximal (kleinste Zahl) – wenn die Irisblende geschlossen ist, beeinflusst sie die Sternabbildung und es gibt Sternchen-Strahlen rund um die Sterne. Bei einer Strichspuraufnahme würde das nur zu fetten Sternspuren führen. Bei einfachen Objektiven überwiegen aber bei voll geöffneter Blende die Abbildungsfehler und Sie müssen für punktförmige Sterne etwas abblenden. Drücken Sie dann alle 30 Sekunden auf den Auslöser. Bei vielen Kameras sind 30 Sekunden die maximale Belichtungszeit, die Sie im manuellen Modus vorgeben können – für längere Zeiten müssten Sie den Bulb-Modus verwenden und immer am Anfang und Ende der Belichtung den Auslöser drücken. Am Himmelsäquator bewegen sich die Sterne innerhalb von zwei Minuten um 0,5° oder einen Vollmonddurchmesser weiter.

Im Idealfall überlassen Sie das automatische Auslösen der Kamera. Einige Modelle bieten die Möglichkeit zur Intervallaufnahme oder können zumindest über einen programmierbaren Fernauslöser regelmäßig automatisch auslösen. Bei einigen Modellen können Sie den Fernauslöser auch einrasten. Er löst dann erneut aus, sobald eine Aufnahme fertig und die Kamera bereit für die nächste ist. Zwischen den beiden Aufnahmen müssen Sie der Kamera gegebenenfalls nur noch etwas Zeit lassen, um ein Dunkelbild zur Rauschreduzierung aufzunehmen (mehr dazu ab Seite 49) und die Aufnahmen zu speichern. Außerdem müssen Sie bei Spiegelreflexkameras die Zeit für die Spiegelvorauslösung vor der nächsten Aufnahme berücksichtigen – diese sollten Sie aktivieren, um Verwacklungen durch das Hochklappen des Spiegels zu vermeiden.

260 Bilder mit einer Gesamtbelichtungszeit von etwa 1,5 Stunden ergaben diese Strichspuraufnahme. Das Bild entstand auf Mallorca, sodass der Himmelspol mit dem Polarstern etwas niedriger steht, als wir es in Deutschland gewohnt sind. 11 mm, f/2.8, 260 × 10 s, 80 ISO, Nikon D7100 (APS-C)

Die automatische Rauschunterdrückung bei Langzeitbelichtung können Sie ausschalten, wenn Sie eine nicht zu hohe ISO-Zahl verwenden. Ansonsten macht die Kamera nach jeder Aufnahme ein Dunkelbild, das genauso lange dauert, und Sie haben im fertigen Bild größere Lücken in den Strichspuren. Einige Nachbearbeitungsprogramme können die Lücken auch automatisch füllen. Gerade in warmen Nächten kann es sinnvoll sein, den automatischen Dunkelbildabzug zu aktivieren. Das Bild oben entstand im Sommer auf Mallorca, daher wurde kurz belichtet und die automatische Rauschunterdrückung aktiviert. So blieben die Lücken zwischen den Bildern klein und das Rauschen stört kaum. Viele Wege führen zum Ziel.

Um die Kamera auf Unendlich zu fokussieren, genügt es für Strichspuren oft, einen Punkt am Horizont per Autofokus scharfzustellen und den Autofokus danach auszuschalten – in Mitteleuropa steht dafür meist genug Licht zur Verfügung. Falls nicht, machen Sie bei Tag eine Markierung für die richtige Einstellung auf dem Objektiv, falls das möglich ist. Durch Spiel in der Mechanik ist das aber oft ungenau.

Besonders reizvoll wird es, wenn Sie noch einen interessanten Vordergrund in das Bild integrieren können – sei es eine attraktive Landschaft oder ein historisches Gebäude wie eine Burgruine. Achten Sie auch darauf, dass keine Straße im Bild ist. Ansonsten riskieren Sie, dass ein vorbeifahrendes Auto mit seinen Scheinwerfern die Aufnahmeserie unterbricht.

Am Ende müssen die Aufnahmen noch zu einem Gesamt-Strichspurbild zusammengefügt werden (und das können schon mal ein paar Hundert Aufnahmen sein). Kostenlose Programme wie StarStax (starstax.net) oder Star Trails (startrails.de) übernehmen das für Sie sehr komfortabel. Im Idealfall haben Sie dann schon ein schönes Bild.

Die ursprüngliche Version des Bilds auf der vorherigen Seite. Wenn die Einzelbilder nicht bearbeitet werden, können sich zahlreiche Flugzeuge im Bild verewigen.

Mit StarTrails (Bild) oder StarStax lassen sich die Einzelbilder bequem zu einer Strichspuraufnahme kombinieren.

Es kann sich aber durchaus lohnen, noch Hand an die Einzelbilder anzulegen. Mit Lightroom oder ähnlichen Programmen können Sie bei einem einzelnen Bild Helligkeitsverläufe, Weißabgleich und Rauschen bearbeiten und diese Werte dann auf alle anderen Aufnahmen übertragen. Etwas aufwendiger wird es, wenn Sie störende Elemente wie Flugzeuge auf einzelnen Fotos entfernen wollen – man glaubt kaum, wie stark der Luftverkehr über Europa ist! Der Aufwand lohnt sich.

Minimaler Aufwand: Eine gute Kamera, ein kleines Stativ und Zeit sind alles, was für eine Strichspuraufnahme nötig ist.

Mond- und Planetenkonstellationen

Astronomie fängt mit dem bloßen Auge an und ein lichtstarkes Weitwinkelobjektiv kann gerade in der Dämmerung einen realistischen Anblick des Himmels festhalten. Immer wieder stehen Planeten hell am Abendhimmel und erhalten Besuch vom Mond. Ein astronomisches Jahrbuch wie das Kosmos Himmelsjahr oder astronomische Magazine verraten Ihnen, wann Mond und Planeten einander begegnen und eine hübsche Konstellation bilden. Einige Webseiten wie www.heavens-above.com geben einen Überblick über die Sichtbarkeit von Planeten und künstlichen Satelliten.

Der Mond bewegt sich am Himmel gegenüber den Sternen von Abend zu Abend um etwa 13 Grad nach Westen, sodass ein Treffen unseres Erdtrabanten mit einem Planeten oder hellen Sternen nur an einem Abend zu beobachten ist, maximal an zwei aufeinanderfolgenden Nächten. Hier besteht also ein gewisser Zeitdruck: Gerade bei langen Brennweiten vergrößert sich der Abstand zwischen Mond und Stern oder Planet rasch, sodass die beiden eventuell nicht mehr ins Bild passen. Das macht sich vor allem dann bemerkbar, wenn Sie mit einer Festbrennweite fotografieren, den Bildwinkel also nicht verändern können. Andererseits haben Sie so die Chance, Himmelsmechanik live zu erleben und im Bild festzuhalten: Wenn Sie im Lauf eines Abends verfolgen, wie der Mond sich von einem hellen Stern entfernt oder ein Planet seine Position im Lauf von Wochen oder Monaten verändert, erhalten Sie ein Gefühl dafür, wie Erde, Mond und Planeten um die Sonne kreisen.

Die Planeten selbst bleiben immer nur Lichtpunkte – nehmen Sie möglichst noch etwas Landschaft mit ins Bild, damit der Betrachter die Größenverhältnisse abschätzen kann. Damit der Mond ein paar Details zeigt, sollten Sie ein Teleobjektiv mit mindestens 150–200 mm Brennweite verwenden. Einen Überblick über das Bildfeld gibt die Tabelle auf Seite 3.

Die schmale Mondsichel neben dem Sternhaufen der Plejaden. Durch die längere Belichtungszeit ist auch die dunkle Seite des Monds im Erdschein zu sehen.

Planeten sind klein: Jupiter und Venus in der Abenddämmerung rechts neben einer Sternwartenkuppel, knapp über dem Horizont.

Mit dem Automatikmodus können schon sehr gute Aufnahmen gelingen, vor allem wenn Sie RAW-Bilder aufnehmen, aus denen Sie später noch ein paar Details herausholen können. Wenn der Mond mit im Bild ist, müssen Sie mit sehr großen Helligkeitsunterschieden zwischen dem Erdtrabanten und dem umgebenden Himmel kämpfen. Verwenden Sie am besten einen festen Blendenwert und nehmen Sie eine Belichtungsreihe auf, bei der Sie die Belichtungszeit einmal auf den Mond und einmal auf den Nachthimmel einstellen. Wie bei einem HDR können Sie dann später am PC ein Bild erstellen, bei dem weder die Sterne unter- noch die beleuchtete Seite des Monds überbelichtet sind.

Venus im Goldenen Tor der Ekliptik: 14. April 2015

Eine Woche später, am 21. April 2015: Die Venus ist ein gutes Stück weiter gewandert.

Satelliten und die ISS

Die Internationale Raumstation umkreist die Erde alle 90 Minuten in einer Höhe von etwa 400 km. Auch viele Satelliten befinden sich auf vergleichbaren Umlaufbahnen – durch die Erddrehung starten sie Richtung Osten und behalten diese Bahn später bei. In der Dämmerung können wir sie daher wie einen hellen Stern rasch von Westen nach Osten über den Himmel ziehen sehen. Die ISS erscheint dank ihrer riesigen Solarpaneele oft heller als die hellsten Sterne. In der Abenddämmerung taucht sie noch recht unauffällig tief am hellen Westhorizont auf, um dann innerhalb von etwa fünf Minuten über den Himmel zu ziehen. Dabei setzt sie sich erst immer besser vom zunehmend dunkleren Himmelshintergrund ab, bis sie schließlich in den Erdschatten eintritt und rasch verblasst.

Webseiten wie heavens-above.com berechnen für jeden Punkt der Welt die nächsten sichtbaren Überflüge der ISS oder anderer heller Satelliten. Da gerade die ISS immer wieder Bahnkorrekturen vornimmt, um Weltraumschrott auszuweichen oder Höhenverluste auszugleichen, sind die Vorhersagen nur für wenige Wochen im Voraus präzise. Aufgrund ihrer Bahn um die Erde wechseln sich Perioden, in denen sie gut zu sehen ist, mit solchen ab, in denen sie für uns unsichtbar bleibt. Besonders praktisch bei der Vorbereitung sind Smartphone-Apps wie Celestron Sky Portal oder Star Walk 2, die Ihnen die aktuelle Position der ISS anzeigen. Im jeweiligen App-Store von Apple oder Android finden sich eine Reihe solcher Apps, die oft auch kostenlos erhältlich sind.

Einige Planetariums-Apps helfen dabei, die ISS zu lokalisieren. Celestron Sky Portal (links) zeigt die aktuelle Position der ISS. Star Walk 2 (rechts) zeigt auch die Bahn der ISS an und kann vor guten Sichtbarkeiten einen Hinweis geben.

Überflug der ISS – Komposit aus 52 Bildern à 5 Sekunden. 11 mm, f/2.8, 5 s, 640 ISO, Nikon D7100 (APS-C)

In den wenigen Minuten eines Überflugs verändert sich die Größe der ISS beträchtlich.

Mit einem Weitwinkelobjektiv können Sie einen Überflug leicht im Bild festhalten. Im Prinzip gehen Sie dabei genauso vor wie für eine Strichspuraufnahme: Setzen Sie die Kamera auf ein Stativ und nehmen Sie während des Überflugs ein Bild nach dem anderen auf, mit möglichst kurzen Abständen zwischen den einzelnen Aufnahmen. Verwenden Sie den manuellen Modus und stellen Sie eine Belichtungszeit ein, bei der das Bild etwa dem Anblick mit bloßem Auge entspricht. Bei einem Fünf-Minuten-Überflug sind die Sterne dann bereits zu Strichen verzogen; die Bahn der ISS verläuft quer zu den Sternen.

Für das Bild auf Seite 13 verwendete ich eine kurze Belichtungszeit bei einer ISO, die noch kein besonders auffälliges Rauschen verursacht. Eine längere Belichtungszeit hätte nur dazu geführt, dass der Himmel zu hell würde – nach fünf Minuten Belichtungszeit am Stadtrand wäre das gesamte Bild weiß geworden und von der ISS wäre nichts mehr zu sehen gewesen.

Auch wenn die ISS nur 400 km von uns entfernt ist, wenn sie direkt über unsere Köpfe hinwegzieht, bleibt sie auf den Fotos doch nur ein Punkt. Um mehr zu erkennen, benötigen Sie eine viel größere Brennweite. Mit einem Teleskop ist es bereits möglich, Details auf der ISS zu erkennen.

Für die Detailaufnahmen auf Seite 14 habe ich meine Kamera (eine Nikon D7100 mit 24 Megapixel) auf Serienaufnahme gestellt und statt eines Objektivs ein Schmidt-Cassegrain-Teleskop mit 3900 mm Brennweite verwendet. Bei dieser Brennweite ist das Gesichtsfeld winzig und noch etwas kleiner als der Vollmond. Um die ISS zu erwischen, verfolgte ich sie im Sucher des Teleskops, das ich manuell auf seiner Montierung schwenkte, während sich der Kameraspeicher mit Aufnahmen füllte. Auf etwa einem halben Dutzend Bilder war die Raumstation dann auch zu sehen … Als sie sich dem Zenit näherte, wurde das Verfolgen zunehmend schwieriger, da das Teleskop auf einer parallaktischen Montierung (siehe Seite 148) saß – diese Art der Montierung ist zwar ideal für die Astrofotografie, aber es ist schwer, Ziele über den Meridian hinaus zu verfolgen. Da Jupiter an diesem Abend ebenfalls hoch am Himmel stand, nahm ich noch ein Vergleichsbild mit demselben Aufbau auf – im geringsten Abstand erscheint die ISS bei gleicher Vergrößerung etwa genauso groß wie Jupiter, der größte Planet des Sonnensystems.

Mit einer azimutalen Montierung (siehe Seite 148) können Sie die ISS leichter verfolgen. Für einige Steuerungen gibt es auch die Möglichkeit zur automatischen Verfolgung. Das Programm Sattracker (heavenscape.com) wird leider nicht mehr weiterentwickelt und unterstützt nicht mehr jede Montierung.

Eine besondere Herausforderung sind Vorbeiflüge der ISS vor Sonne oder Mond. Webseiten wie transit-finder.com berechnen, wann man so ein Ereignis beobachten kann. Dabei gibt es immer nur einen schmalen Korridor, von dem aus die ISS vor diesen Himmelskörpern vorbeizieht. Der eigentliche Vorüberflug dauert weniger als eine Sekunde. Statt Einzelbilder aufzunehmen, wird hier gerne gefilmt. Selbst in der Serienbildfunktion einer DSLR verliert man sonst zu viel Zeit. Programme wie der kostenlose VLC erlauben es, Einzelbilder aus einem Video zu extrahieren, um sie zu bearbeiten oder zu einem Komposit zusammenzufügen.

Für diese Aufnahmeserie der ISS am 3. Juli 2015 wurde während des Transits mit einem Celestron Skyris 274M Videomodul (1600 × 1200 Pixel) und 560 mm Brennweite bei maximaler Framerate aufgezeichnet, die zwölf Bilder mit der ISS wurden anschließend in Photoshop überlagert. Der Transit dauerte nur 0,6 Sekunden, als Sonnenfilter wurde AstroSolar-Folie OD 3.8 verwendet. Bild: Johannes Baader

Sternschnuppen

Jeden Tag prasseln mehrere hundert bis tausend Tonnen Weltraumstaub auf die Erde. Das meiste sind Staubkörnchen von wenigen Millimetern Größe, die mit Geschwindigkeiten von bis zu 72 km/s in der Erdatmosphäre verglühen. In einer Höhe von etwa 100 km entsteht dabei ein mehrere 100 Meter breiter Bereich, in dem die Luft für wenige Sekunden durch Ionisierung zum Leuchten angeregt wird. Dieses Leuchten sehen wir als Sternschnuppe, das Staubteilchen, das gerade verglüht, heißt »Meteor«. Teilchen ab einer Masse von etwa zwei Gramm und einem Zentimeter Durchmesser liefern ein prächtiges Schauspiel: Sie verglühen als helle Feuerkugel oder »Bolide«. Bei ihrem Flug durch die Erdatmosphäre können sie sogar zerbrechen. Nur wenige Meteore sind groß genug, um den Erdboden zu erreichen, wo sie als »Meteorit« gefunden werden können.

Obwohl ständig kosmischer Staub in der Erdatmosphäre verglüht, gibt es Zeiten, zu denen besonders viele Sternschnuppen zu sehen sind. Dann durchquert die Erde die Bahn eines Kometen und fängt die Bestandteile auf, die dieser verloren hat. Die beste Zeit für Sternschnuppen ist die zweite Nachthälfte, idealerweise in den frühen Morgenstunden: Da sich die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne auch um ihre eigene Achse dreht, sind wir dann auf der »Bugseite« und blicken in Flugrichtung. Und genau wie bei einem Auto, das durch einen Schneesturm fährt, scheint alles direkt von vorne zu kommen.