La astrofotografía es un pasatiempo que está ganando popularidad rápidamente gracias al rápido avance de la tecnología del sensor CMOS. Hace más de una década, el material de grabación de luz empleado en astrofotografía era principalmente una emulsión química. Su baja sensibilidad hace que sea muy difícil registrar la señal débil del espacio profundo. Además, la falta de retroalimentación en tiempo real es una gran fuente de frustración para los principiantes. Los errores operativos, como el desenfoque, solo se pueden realizar después de varias noches de arduo trabajo después de que se haya revelado la película. A mediados de los 90, la llegada de las cámaras CCD refrigeradas brindó soluciones tanto a los problemas de sensibilidad como a los de retroalimentación en tiempo real. Sin embargo, sus altos precios y las áreas de sensores miserablemente pequeñas limitaron su uso a solo unos pocos tipos de astrofotografía y a astrofotógrafos muy entusiastas. Si bien los CCD revolucionaron la investigación astronómica, esta tecnología nunca ha cambiado realmente el panorama de la astrofotografía amateur. El verdadero punto de inflexión tuvo lugar en 2002. Después de que Fujifilm anunciara su FinePix S2Pro DSLR y mostrara increíbles fotografías astronómicas tomadas con esta cámara, la gente comenzó a explorar seriamente las DSLR para astrofotografía. Las DSLR pueden proporcionar comentarios en tiempo real, lo cual es muy importante para los principiantes. Tienen sensibilidades no mucho peores que los CCD, y las DSLR con sensores grandes (APS-C) son bastante asequibles hoy en día. El panorama actual de la astrofotografía está conformado por una serie de DSLR basadas en CMOS de Canon, pero las DSLR y las cámaras sin espejo basadas en sensores Sony están ganando popularidad muy rápidamente.
Debido a mi trabajo, tengo la oportunidad de utilizar una amplia gama de instrumentos de imagen, desde cámaras CCD multimillonarias en grandes telescopios profesionales hasta cámaras CCD de aficionados y DSLR. Mi formación en investigación astronómica también me proporciona conjuntos de herramientas para evaluar cuantitativamente el rendimiento de los sensores y conocer sus verdaderos límites. Esto ayuda no solo a mi investigación, sino también a mi pasatiempo de toda la vida, la astrofotografía. En el lado de los pasatiempos, uso principalmente DSLR (Canon 5D Mark II y Nikon D800) por su alto rendimiento y precios asequibles. Para obtener los mejores resultados de astrofotografía, los filtros internos de las DSLR se modifican para tener un mayor rendimiento en el rojo intenso, de modo que puedan ser más eficientes en el registro de la luz roja del gas de hidrógeno ionizado en el universo. Aparte de esta modificación del filtro, las DSLR que se utilizan para la astrofotografía no son diferentes de las DSLR que usamos a diario.
Una preocupación muy común sobre el uso de DSLR en astrofoto es el ruido térmico generado por los sensores. Las cámaras CCD enfriadas a -20 o incluso -40 grados C no tienen tales problemas. Sin embargo, todos los sensores CMOS producidos en los últimos cinco años tienen un ruido térmico muy bajo. Bajo la misma temperatura del sensor, su ruido térmico es en realidad mucho más bajo que los CCD comunes en las cámaras astronómicas. Otro factor importante que muchas personas pasan por alto son las fuentes de ruido distintas del calor en el sensor, una de las cuales es el ruido de fotones generado por el propio cielo. Con los DLSR más recientes en muchas circunstancias, el ruido de los fotones del cielo a menudo supera al ruido térmico, lo que hace que el enfriamiento sea innecesario. Solo en lugares cálidos y oscuros (como los desiertos del suroeste de EE. UU.), Se necesita enfriamiento para aprovechar al máximo el cielo oscuro.
Esta es la configuración de imágenes que uso a menudo. La DSLR está conectada al extremo del telescopio principal, que actúa como un teleobjetivo gigante (1100 mm, f / 7.3). Es un refractor APO, con una gran lente correctora delante del plano focal para corregir la curvatura del campo y el astigmatismo. El campo corregido es lo suficientemente grande como para cubrir un sensor de formato 67. El telescopio se asienta sobre una montura ecuatorial, que funciona con motor y puede rastrear el movimiento este-oeste de las estrellas en el cielo para permitir exposiciones prolongadas. Encima del alcance principal hay otro alcance más pequeño con una pequeña cámara CCD adjunta. Este pequeño alcance y sistema de cámara puede monitorear el seguimiento de la montura ecuatorial cuando el alcance principal toma exposiciones. Guía automáticamente la montura para corregir sus errores de seguimiento en tiempo real. Todo el sistema (montaje ecuatorial, DSLR y sistema de guía) está controlado por una computadora portátil.
Esta es mi configuración cuando solo quiero tomar imágenes de gran angular. Esto se parece más a lo que puede usar un principiante. La cámara y la lente están unidas a una montura ecuatorial a través de una rótula. Para tomas de gran angular, el seguimiento de la montura no necesita ser súper preciso, por lo que no se requiere un sistema de guía en tiempo real. Como regla general, cuando la distancia focal es inferior a 200 mm, es relativamente fácil tomar fotografías de larga exposición sin utilizar una montura ecuatorial elegante y un sistema de guía. Las cosas empiezan a complicarse cuando la distancia focal supera los 300 mm.
Procedimiento general
El flujo de trabajo en astrofotografía es bastante diferente al de la fotografía a la luz del día. Debido a que nuestros objetivos son muy débiles, necesitamos exponernos durante unos minutos o incluso unas horas, para recopilar suficiente foto-señal de nuestros objetivos. Sin embargo, el fondo del cielo suele ser tan alto que saturará la imagen cuando la exposición sea superior a 10 minutos (esto es especialmente cierto en un cielo contaminado por la luz). Por lo tanto, lo que hacemos es dividir la exposición larga en muchas más cortas (de unos pocos a 10 minutos) para evitar la saturación, y luego apilar (promediar) las imágenes de exposición corta en posprocesamiento para combinar su señal. Esto da un resultado equivalente a una exposición muy larga.
En el telescopio, una vez que la montura ecuatorial está configurada y alineada con la Polaris, lo que solemos hacer es usar primero una estrella brillante para enfocar. Esto solía ser una tarea muy desafiante, pero ahora es muy fácil con la función de visualización en vivo de DSLR. Luego movemos nuestro telescopio / lente para apuntar a nuestro objetivo. Por lo general, podemos ver muy fácilmente nuestra constelación objetivo a través del visor de la cámara si usamos un gran angular o un teleobjetivo corto. Por otro lado, si usamos un teleobjetivo largo o un telescopio para fotografiar objetos de cielo profundo, los objetivos suelen ser demasiado tenues para ser vistos directamente. Algunas exposiciones cortas de prueba con ISO muy alto pueden ayudar a verificar nuestro encuadre. Una vez hecho esto, simplemente disparamos muchas exposiciones largas de bulbo a través de una computadora o un disparador con temporizador. Como se mencionó anteriormente, los tiempos de exposición típicos varían de unos pocos a 10 minutos, dependiendo de qué tan rápido sea nuestro lente y qué tan oscuro esté el cielo. Un ISO de uso muy común es 1600. Sin embargo, con las DSLR recientes con sensores Sony, es posible usar ISO 800 o incluso 400 y aún así obtener muy buenos resultados después del procesamiento posterior. La ventaja de los ISO más bajos es, por supuesto, su rango dinámico más alto. No hace falta decir que siempre disparamos RAW.
Además de las exposiciones en el cielo, también tomamos muchas imágenes de "calibración" para eliminar la señal no deseada del cielo, la óptica y la cámara. Por ejemplo, tomamos exposiciones en objetos con brillo uniforme (como un cielo diurno o crepuscular sin nubes, o un gran panel LED) después. Estas imágenes (llamadas "campo plano") se pueden utilizar para corregir el viñeteado causado por la lente / telescopio en las imágenes en el cielo, para restaurar el brillo uniforme del fondo. Al principio o al final de la noche, cubrimos completamente la lente / telescopio y tomamos exposiciones “oscuras” cuando la cámara está a la misma temperatura que las tomas en el cielo. Estas imágenes oscuras se pueden utilizar para eliminar la señal térmica en las imágenes en el cielo. Esto es esencialmente lo mismo que la reducción de ruido de larga exposición en la cámara de la mayoría de las DSLR, pero lo hacemos manualmente para evitar perder el precioso tiempo de la noche. También tomamos exposiciones extremadamente cortas (1/8000 seg) (llamadas "sesgo") cuando la lente está completamente cubierta, para tener en cuenta cualquier señal que genera la cámara cuando no hay luz y tampoco hay tiempo para que se acumule la señal térmica. Al igual que las exposiciones en el cielo, tomamos exposiciones múltiples (de unas pocas a varias decenas) planas, oscuras y sesgadas y las promediamos para eliminar cualquier ruido aleatorio en las imágenes y mejorar la calidad de la señal. Hay muchos paquetes de software (como DeepSkyStacker, que es gratuito) que pueden procesar las imágenes en el cielo, en campo plano, oscuras y sesgadas, y apilar las imágenes en el cielo calibradas para formar una imagen muy profunda, limpia y alta. imagen de rango dinámico. Todo esto debe hacerse a partir de archivos RAW, ya que las imágenes JPEG.webp no son lineales y no permiten la eliminación precisa de esas señales no deseadas.
(a) es un archivo sin procesar convertido directamente en Photoshop y con algo de contraste. Aquí vemos indicios de nebulosas rojas en la imagen, pero la característica más destacada de esta imagen es el patrón de viñeteado causado por el telescopio y la cámara. (b) es una imagen de “campo plano” tomada con el mismo telescopio hacia el cielo crepuscular. Es una imagen que no contiene nada más que el patrón de viñeteado. Matemáticamente, dividimos (a) con (b) para eliminar el patrón de viñeteado y este cálculo se llama "corrección de campo plano". (c) es el resultado de dicha corrección, además de fuertes estiramientos de contraste y saturación. Podemos ver que sin la corrección de campo plano, no hay esperanza de sacar las nebulosas débiles en todas partes en la imagen de (a). Por cierto, la corrección de viñeteado incorporada en la mayoría de los programas de procesamiento de imágenes no astronómicos (como Photoshop o Lightroom) no es lo suficientemente precisa para la astrofotografía, incluso si nuestra lente está en la base de datos del software. Es por eso que tenemos que realizar la corrección de campo plano por nosotros mismos utilizando un software diseñado para astrofotografía.
Después de la calibración básica y el apilado de imágenes, usamos software como Photoshop para procesar aún más las imágenes apiladas. Por lo general, se necesita una curva muy fuerte y un estiramiento de saturación para que aparezcan los detalles débiles en una imagen astronómica apilada. También se requieren muchas habilidades y experiencia para lograr esto mientras se mantiene el color preciso y el aspecto natural de una imagen. Es esencialmente como procesar manualmente una imagen RAW desde cero, sin depender de ningún motor de procesamiento sin procesar. No es raro que dediquemos más tiempo al procesamiento de una imagen que a su tiempo de exposición, y el posprocesamiento es a menudo lo que separa a los astrofotofotógrafos de primera categoría de los promedio.
Ejemplos de campo amplio
Esta foto de Orion se tomó con la lente Artística Sigma 50 mm f / 1.4 y la Nikon D800. Es una combinación de más de 60 exposiciones de 4 minutos a ISO 800 y f / 3.2 af / 4.0. Las más de 4 horas de tiempo total de exposición aquí son bastante extremas. Para tomas de constelaciones como esta, generalmente dedicamos solo de 0,5 a 1,5 horas. Sin embargo, la exposición extremadamente larga aquí conduce a una mejor calidad de imagen y permite detectar nebulosas muy débiles alrededor de Orión. Para capturar de manera eficiente las nebulosas rojas en Orion, se necesita una DSLR modificada. Sin embargo, con uno sin modificar, todavía podemos obtener el hermoso color de las estrellas en las constelaciones. Por lo tanto, las constelaciones de campo amplio son excelentes objetivos para los principiantes que no están listos para enviar sus cámaras a la cirugía.
Esta imagen de la Vía Láctea de verano se tomó con un telescopio de 500 mm f / 2.8 y Canon 5D Mark II. Es un mosaico de 110 imágenes, por lo que su campo de visión es comparable al de una lente de 50 mm. Soy un gran fanático de las imágenes en mosaico. A menudo lo llamo cámara de gran formato de la gente pobre. Un panorama de mosaico loco como este contiene ricos detalles que superan con creces lo que se puede capturar con el respaldo digital de formato medio de alta gama. El precio es que lleva mucho tiempo disparar y procesar las imágenes.
Ésta es una versión ampliada de la imagen de Orión. Muestra el Gran Triángulo de Invierno y la Vía Láctea que atraviesa el triángulo. Se toma con Nikon 28-70 mm f / 2.8D a 50 mm f / 4 y Nikon D800. Es un mosaico de cuatro imágenes, por lo que el campo de visión es cuatro veces mayor que un campo de visión de 50 mm. Cada uno de los marcos de mosaico contiene 16 exposiciones de 5 minutos a ISO 400.
Este es un mosaico de dos imágenes tomadas con una lente Mamiya 645 de 45 mm f / 2.8 af / 4.0 y Canon 5D Mark II. El mosaico de dos imágenes permite capturar no solo la constelación de Cygnus, sino también la Vía Láctea a gran escala. Cada cuadro de mosaico individual contiene 16 exposiciones de 4 minutos a ISO 1600. En el procesamiento posterior, apliqué una capa para difuminar la luz de las estrellas brillantes para que la forma de la constelación sea más evidente. El mismo efecto se puede lograr con un filtro difuso en frente de la lente. Los filtros comúnmente utilizados para este propósito incluyen Kenko Softon A y Cokin P830.
Ejemplos de cielo profundo
Esta imagen de campo amplio alrededor del cúmulo de estrellas Pléyades (Meissier 45) se toma con un telescopio de 500 mm f / 2.8 y una Nikon D800. Es un mosaico de cuatro cuadros y cada cuadro contiene más de 1 hora de exposición total. Las nubes de polvo y gas alrededor de las Pléyades son en realidad muy débiles. No solo se requieren exposiciones muy largas para detectarlos, sino también un cielo muy oscuro y limpio. La calibración de la imagen también debe realizarse con una precisión muy alta; de lo contrario, el fondo del cielo más el viñeteado de la óptica eliminarán por completo la tenue nebulosidad. Por otro lado, las nubes de gas azul como esta no requieren una DSLR modificada para grabarlas. El núcleo de las nubes alrededor de las Pléyades puede ser un buen objetivo para las personas que no tienen una DSLR modificada.
La galaxia de Andrómeda (Meissier 31) es un objetivo que ningún astrofotógrafo nunca ha perdido. Esto lo tomó el telescopio con mi primera configuración y Canon 5D Mark II. Es un mosaico de dos cuadros. Cada cuadro contiene aproximadamente 40 exposiciones de 5 minutos a ISO 1600. Las DSLR no modificadas pueden tomar fotografías decentes de objetivos de galaxias como este. Sin embargo, si miramos la imagen con atención, podemos ver muchos pequeños objetos rojos a lo largo de los brazos espirales de la galaxia de Andrómeda. Estas son las nebulosas de gas gigantes que contienen hidrógeno ionizado. Para capturar de manera eficiente la luz roja de estas nebulosas, todavía se requiere una DSLR modificada.
La Nebulosa Cabeza de Caballo se encuentra justo al lado del cinturón de Orión y es parte de la imagen de Orión presentada anteriormente. Se puede ver a través de telescopios moderadamente grandes bajo un cielo oscuro. Esta imagen tomó más de 4 horas de exposición en Canon 5D Mark II en el telescopio desde mi primera configuración. El color rojo de la imagen proviene del hidrógeno ionizado. Requiere una DSLR modificada para registrar eficientemente la luz roja.
La nebulosa de América del Norte está en Cygnus y es parte de la imagen de Cygnus que se muestra arriba. Es una nebulosa bastante grande y encaja muy bien en el campo de visión de una lente de 400 mm (FF). Esta imagen ampliada fue tomada con el telescopio de mi primera configuración y Canon 5D Mark II. Es un mosaico de 4 cuadros y la exposición total de cada cuadro es de 2,5 horas. La nebulosa no es completamente roja. También hay componentes azules incrustados en la luz roja, que proviene del oxígeno ionizado. Si se usa una DSLR sin modificar, la nebulosa aparecería de color púrpura o rosa.
Meissier 22 es un cúmulo globular en Sagitario. Contiene aproximadamente 300 miles de estrellas. Se asienta contra la Vía Láctea de verano, por lo que también hay numerosas estrellas en el fondo de esta imagen. Esta imagen se tomó con el telescopio de mi primera configuración y Nikon D800. El tiempo total de exposición es de 1,5 horas. Para el grupo en sí, este tiempo de exposición es innecesariamente largo, ya que el grupo es relativamente brillante. Pasé más tiempo en este campo para capturar la gran cantidad de estrellas de fondo tenues que pertenecen a la Vía Láctea. Los objetivos estelares como este no requieren una DSLR modificada. Uno sin modificaciones puede hacerlo igualmente bien.
La Galaxia Molinillo (Meissier 101) es una galaxia cercana y, por lo tanto, parece relativamente grande en el cielo en comparación con la mayoría de las otras galaxias. Sin embargo, todavía es muy pequeño. Su parte más brillante tiene un tamaño de aproximadamente media luna llena. Esta foto fue tomada con el telescopio de mi primera configuración y Canon 5D Mark II. Está recortado y el campo de visión recortado es equivalente al de una lente de 3000 mm. Contiene un total de 8,5 horas de exposiciones normales, más otras 3 horas de exposiciones bajo un filtro de banda estrecha de hidrógeno alfa (656,3 nm). La imagen del filtro de banda estrecha sirve para realzar los pequeños parches de nebulosas rojas a lo largo de los brazos espirales. Desafortunadamente, esta no es una forma muy eficiente de usar una DSLR, ya que solo una cuarta parte de los píxeles están recibiendo fotones activamente bajo un filtro rojo tan profundo. En el fondo de esta imagen, podemos ver muchos pequeños puntos amarillos. Esas son numerosas galaxias muy distantes. Algunas de las galaxias están tan lejos que el tiempo que tarda la luz en viajar desde esas galaxias hasta nosotros es más largo que la edad de nuestro Sol.
Esta publicación fue una contribución de Wei-Hao Wang, un astrónomo que trabaja en un instituto nacional de investigación de Taiwán, y actualmente está visitando el Telescopio Canadá-Francia-Hawai en la Isla Grande de Hawai. También es astrofotógrafo y comenzó este pasatiempo en 1990. Puede encontrar una colección de sus astrofotos recientes aquí.
