Erste Bilder mit der ASI 174MC-

Die Vollmond-Nacht vom 27. zum 28. Juni war kurz nach der Sommersonnenwende wenig geeignet die Fähigkeiten der Kamera zu testen. Die Sonne kam kaum mehr als 12 Grad unter den Horizont, der Himmel war also auch nach Mitternacht noch recht hell. Aber ich wollte wissen was mit meinem Samyang 85 mm Objektiv unter diesen Umständen machbar ist. Das Objektiv hat an dieser Kamera ein Gesichtsfeld von 7,6 x 4,8 Grad und 14"/Pixel. Die Farbmatrix ist demnach 28" x 28" groß. Am Himmelsäquator sollten Bilder mit zwei Sekunden Belichtungszeit ohne Nachführung möglich sein.

Der erste Versuch galt dem Spiralnbel M51, der bequem vom Fenster meines Arbeitszimmers nach Mitternacht in etwa 53 Grad Höhe erreichbar war (und auch leicht zu finden unter der Spitze der Deichsel). Von 00:10 bis 00:28 MESZ machte ich drei Serien von 150 x 2 Sekunden Belichtungszeit und Blende 1,4 (60 mm Öffnung) bei einer Sensortemperatur von -5°C. Die Sonne war am Anfang 11,3 Grad und am Ende 12,0 unter dem Horizont.

Mit Fitswork wurde von den Einzelbildern (Format RAW16) jeweils ein Masterdark subtrahiert und dann wurden sie im Deep Sky Stacker in Farbbilder umgewandelt und gestackt. Alle drei Bildserien zeigen einen hellblauen Himmel im Summenbild. Eine Farbkorrektur ist unter diesen Umständen schwierig, deshalb hier das Summenbild der dritten Serie als Graustufenbild (auf 70% verkleinert):

M51 mit NGC 5195 (rechts oberhalb von M51) am unteren Bildrand, 150 x 2 Sekunden = 5 Minuten belichtet

Aus der Addition der drei Bildserien enstand dieses Bild:

M51 mit NGC 5195, 450 x 2 s = 15 Minuten belichtet, Originalgröße

Das Bild zeigt Sterne der 14. Größenklasse. Unter den widrigen Bedingungen ist das ein ordentliches Ergebnis für die Kamera mit der doch kleinen Optik. Und es ist sogar etwas vom Spiralnebel zu erkennen. Die Idee, ohne Nachführung viele kurzbelichtete Einzelbilder zu addieren, funktioniert also. Mögliche Verbesserungen: auf dunkle Nächte warten oder mit einer groben Nachführung längere Belichtungszeiten benutzen.

Rainer Kracht, 29.06.2018

Ergänzungen
Die Bilder wurden mit der Standardeinstellung gain = 200 gemacht. Für diese kurzbelichteten Bilder ist aber auch gain = 300 oder gain = 400 sinnvoll.
Eine Differenz von 100 gain entspricht einer Verdopplung der Empfindlichkeit/Verstärkung. Testaufnahmen mit gain = 400 ergaben gute Ergebnisse
in der Nacht vom 2. zum 3. Juli. Dabei zeigte das Histogramm das Maximum der drei Farben in der rechten Hälfte - viel längere Belichtungszeiten sind
also garnicht möglich bei gain = 400. Eine Nachführung scheint tatsächlich hier nicht nützlich zu sein. In wirklich dunklen Nächten könnte sich das
ändern.

Unbearbeitete Ausschnitte von zwei Einzelbildern mit je 2 Sekunden Belichtungszeit und Gain 200 (links), 400 (rechts)
(ohne Dark/Flat/Bias- oder Histogramm-Korrektur)

Im rechten Bild sind die Sterne heller, aber auch der Himmelshintergrund ist heller. Eine Verstärkung mit Faktor 4 sollte eine Verbesserung um
den Faktor 2 bringen (da ja auch das Rauschen mitverstärkt wird). Ein Faktor 2 entspricht 0,75 Größenklassen. Im rechten Bild liegt die
Grenzgröße bei etwa mag 11.8, im linken Bild ist sie etwas kleiner. Allerdings wurde das linke Bild um 00:20 MESZ aufgenommen (Sonne 12,0
Grad unter dem Horizont) und das rechte Bild um 00:55 MESZ (Sonnenhöhe -13,0 Grad). Der Himmel war im rechten Bild also etwas dunkler
und sieht hier nur durch die Verstärkung heller aus.

Das rechte Bild stammt aus einer Serie von 150 x 2 Sekunden. Mit Fitswork habe ich das entsprechende Dark von den Einzelbilder subtrahiert und
dann die 80% besten Bilder im DeepSkyStacker gestackt (120 x 2 Sekunden = 4 Minuten):

Links der unbearbeitete Ausschnitt (gain 400), rechts dasselbe als Graustufenbild mit Histogrammkorrektur.

Die Grenzgröße liegt wieder bei mag 14 wie bei dem Bild von M51 vom 27./28. Juni. Sie wurde hier schon nach 4 Minuten Belichtung erreicht
(beim M51-Bild waren es 15 Minuten). Aber geschenkt gibt es hier Nichts. Bei gain 400 hat die Kamera nur noch eine "dynamic range" von etwa
2^6 = 64 Helligkeitsstufen (bei gain 300 sind es 256 Stufen und bei gain 200 etwa 1000 Stufen).

Zum Vergleich hier eine entsprechende Serie mit gain 300, aufgenommen unmittelbar nach der Serie mit gain 400:

Links der unbearbeitete Ausschnitt (gain 300), rechts dasselbe als Graustufenbild mit Histogrammkorrektur.

Da habe ich nun versucht, die Histogrammkorrektur in etwa gleich zu machen, aber das Ergebnis überrascht.
Der Kontrast scheint höher, das Rauschen stärker, die Grenzgröße etwa gleich. Die Bilder mit gain 200 sind leider als Serie unbrauchbar, da
noch ab und zu Wolkenreste durchzogen, und können hier nicht verglichen werden.

Klar ist jedoch, dass die Dynamik der Bilder von der Verstärkung abhängt. Für den Orion-Nebel oder die Andromeda-Galaxis ist eher ein gain 200
angebracht, für einen dicht an der Erde vorbeiziehenden Asteroiden ist es die maximale Verstärkung mit gain 400 (Dynamik wird da nicht gebraucht).
Solche Asteroiden bewegegen sich sehr schnell und deswegen braucht es die maximale Empfindlichkeit der Kamera um sie einzufangen.

Einer der letzten hellen Erdkreutzer war 2015 TB145, der am Abend des 31. Oktober 2015 mit mag 11 an der Erde vorbeizog. Er bewegte sich
damals mit etwa 860"/Minute, das sind in 2 Sekunden etwa 29" also etwa die Größe der Farbmatrix dieser Kanera mit dem 85 mm Objektiv. Mit
den oben genannten mag 11,8 für gain 400 und 2 Sekunden Belichtung hätte eine Aufnahme also möglich sein können. Was kann man tun um
die Chancen noch zu verbessern solche Objekte abzulichten?

Das 2x2 Binning sollte das Verhältnis "Signal to Noise" (SNR) vergrößern und für erdnahe Asteroiden noch bessere Bilder liefern. Durch die
Verdopplung der Pixelbreite ist außerdem eine Verdopplung der Belichtungszeit ohne Nachführung möglich. Ein Vergleich von 1x1 und 2x2 Binning
bei gain 400 sollte aufschlussreich sein.

In der Nacht vom 7. zum 8. Juli machte ich vier Aufnahmeserien direkt hintereinander mit gain 400. Zuerst das schon bekannte 150 x 2 Sekunden,
dann 150 x 2 Sekunden mit Binning 2x2, dann 150 x 4 Sekunden mit Binning 2x2 und zuletzt 300 x 2 Sekunden mit Binning 1x1. Die erste Serie zeigt
wieder Sterne der 14. Größenklasse im Summenbild, die zweite Serie ist nicht besser. Vermutlich gibt der helle Himmelshintergrund einfach nicht
mehr her. Dafür spricht, dass auch das Summenbild von 300 x 2 Sekunden kaum eine Verbesserung bringt.

Himmelshelligkeit

Ich habe die visuelle Grenzhelligkeit im Bereich der Fotos nicht festgestellt, aber sie war sicher nicht besser als 3,5 bis 4,0 mag. Diese Seite gibt
für eine visuelle Grenzgröße von 3,75 mag eine Himmelshelligkeit von 17,7 mag pro Quadratbogensekunde. Jedes einzelnes Pixel (14 x 14") der Farbmatrix hat eine Fläche von 196 Quadratbogensekunden und erhält damit eine Beleuchtung durch den Himmelshintergrund von
196 * 17,7 = 12,0 mag. Ein Stern von 14,3 mag erhöht die Helligkeit eines Pixels um maximal 0,12 mag (von 12,00 auf 11,88 wenn sein Licht auf
ein einziges Pixel der Farbmatrix fokussiert ist). Wenn das Licht eines Sterns von 14,3 mag auf die vier Pixel der Farbmatrix verteilt ist, dann
erhält jedes Pixel nur 15,8 mag. Dadurch erhöht sich die Helligkeit der vier Pixel nur noch um je 0,03 mag (von 12,00 auf 11,97).

Ergänzung 22.09.2018

Die Himmelshelligkeit läßt sich mit dem "Aperture Photometry Tool" messen:

Hier beträgt sie (Sky background, model B = annulus) in dem Kreisring um den kleinen Stern etwa 794 DN/Pixel. Mit dem Abbildungsmaßstab und dem Nullpunkt der DN-Skala in Magnituden (Zero Point) läßt sich der DN-Wert in mag/Quadratbogensekunde umrechnen. Die beiden noch fehlenden Angaben liefert Astrometrica im Logfile:

Center Coordinates: RA = 13h 32m 41.18s, De = +47° 32' 05.1"
Focal Length = 85.7mm, Rotation = 54.23°
Pixel Size: 14.20" x 14.20", Field of View: 442.5' x 266.7'
Photometry of Image 1 (Autosave003.fit):
190 of 251 Reference Stars used: dmag = 0.118mag
Zero Point: 19.562mag

Damit wird:

Himmelshelligkeit = 19,562 - 2,5 x log(794/(14,20 x 14,20)) = 18,1 mag/Quadratbogensekunde.

Und die Himmelshelligkeit pro Pixel ist 19,562 - 2,5 x log(794) = 12,3 mag/Pixel.

Aber wie zuverlässig sind diese Ergebnisse? GUIDE8 gibt als Johnson V Helligkeit des gemessenen Sterns 10,917 ± 0,058 mag. Das ist ein Unterschied von 0,225 mag zur Messung mit dem Aperture Photometry Tool. Die Summe der angegebenen sigmas ist 0,084 mag, der Unterschied beträgt also 2,7 sigmas. Läßt sich die Messung noch verbessern?

Im Handbuch der ASI 174 wird die Empfindlichkeit der Kamera in Abhängigkeit von der Wellenlänge für die drei Farbkanäle angegeben. Der Vergleich mit der Abbildung von "Johnson B, Johnson V and Cousins R photometric response curves" im DSLR Handbuch der AAVSO zeigt, dass der grüne Farbkanal der ASI 174 gute Johnson V Helligkeiten liefert.

Wird nur der grüne Farbkanal gemessen, dann hat das gleiche Bild nun einen Zero Point von 19,699 mag und die Himmelshelligkeit um denselben Stern ist 18,5 mag/Quadratbogensekunde, pro Pixel sind das12,8 mag. Der Stern wird nun gemessen mit 10,6647 ± 0,0228 mag (vorher war sie 10,6923 ± 0,0257). Die Sternhelligkeit hat sich kaum verändert, nur der Himmel ist dunkler geworden.

Der Unterschied zu den aus Tycho2-Daten abgeleiteten Johnson V-Helligkeiten ist nun 0,2523 mag. Für den benachbarten Stern TYC 3460 335 beträgt der Unterschied 0,2372 mag und für den etwas weiter entfernten TYC 3460 275 ist er 0,2883 mag. Offenbar ist der Zero Point für das Arbeiten mit dem Aperture Photometry Tool (APT) und mit Astrometrica unterschiedlich. Setzt man im APT Zero Point = 0 so läßt sich aus den bekannten Johnson V Helligkeiten der drei Sterne der Zero Point für APT berechnen. Der Durchschnitt ist 20,0115 mag. Mit dieser groben Kalibrierung werden folgende Helligkeiten mit dem APT gemessen:

TYC 3460 464 10,981 ± 0,023 (Tycho hat 10,917 ± 0,058 - Differenz +0,064)
TYC 3460 335 9,038 ± 0,008 (Tycho hat 9,126 ± 0,022 - Differenz -0,088)
TYC 3460 275 9,670 ± 0,011 (Tycho hat 9,642 ± 0,028 - Differenz +0,028)

Die Himmelshelligkeit ist bei allen drei Messungen 18,8 mag/Quadratbogensekunde (oder 13,1 mag/pixel).

Alle Differenzen zwischen den Messungen mit dem APT und den Tycho-Helligkeiten sind nun kleiner als 0,1 mag.