Low-Cost-Astronomie mit Webcam  

Ein Erfahrungsbericht von Roland Bähr.

  Der Einsatz von Webcams ermöglicht bereits mit einer bescheidenen Ausrüstung den Einstieg in die praktische Amateurastronomie und die Ausweitung astronomischer Beobachtungen in den in den Infrarotbereich.

Vor etwa einem Jahr, nach Jahrzehnten der Abstinenz, begann ich mich wieder etwas aus­giebiger mit der Astronomie zu beschäftigten. Damals hätte ich nicht im Traum daran ge­dacht, dass ich als Folge davon eiskalte Winternächte unter freiem Himmel im Garten ver­brin­gen werde – und das auch noch freiwillig und mit wachsender Begeisterung.

Zwar hatte ich schon als Jugendlicher in den 70er Jahren klare Nächte genutzt, um mit meinem 60mm-Kaufhausrefraktor astronomische Objekte am Himmel zu erkunden, aber nach einer gewissen Zeit hatte ich so ziemlich alles beobachtet was mir damals bekannt war und wichtig erschien. Ab und zu habe ich auch mal einen Fotoapparat hinter das Okular gehalten, jedoch mit sehr un­befriedigen­den Ergebnissen. Um die Amateurastronomie weiter zu be­treiben, hätte ich wohl konsequent mit Fotografieren anfangen und/oder mir ein besseres Teleskop zulegen müssen. Beides erschien mir damals zu aufwendig und war auch zu teuer, so dass mein Refraktor allmählich in der Abstellkammer verschwand und nur noch sehr selten frische Luft schnuppern konnte.

Eben dieses änderte sich vor einem Jahr schlagartig, nachdem ich im Internet und in diversen astro­nomischen Zeitschriften gelesen hatte, dass mit Hilfe einer Webcam auf einfache Weise brauchbare Fotos von Himmelsobjekten durch ein Teleskop möglich sind. – Das musste ich ausprobieren – bot sich damit doch die Möglichkeit ohne großen finanziellen Aufwand und ohne langes Warten auf endlich vollgeknipste Filme, genau an der Stelle weiterzumachen, an dem ich Jahrzehnte vorher aufgehört hatte.

Ich legte mir also eine geeignete Webcam zu, lud geeignete Auswertsoftware aus dem Internet (ein Computer war ja vorhanden) und klemmte die Webcam mit Klebestreifen und Gummiringe hinter das Refraktorokular. Da ich nach meinen bisherigen Photoerfahrungen keine allzu großen Erwartungen hinsichtlich der Bildqualität hatte, war ich von meinen ersten Bildern von Mond, Jupiter und anderen Testmotiven völlig begeistert. Die Bilder zeigten Einzelheiten mindestens so gut, wie der Blick durchs Teleskop. Diese ersten (noch sehr be­scheidenen) Ergebnisse haben mich dazu animiert, meine Ausrüstung technisch zu ver­bes­sern. Allerdings immer noch unter strengen low-cost Aspekten, da ich zunächst ausloten wollte was mit so einer einfachen Ausrüstung überhaupt machbar ist.

Meine bisherigen Erfahrungen damit sind im folgenden zusammengestellt. Dabei haben sich drei Hauptanwendungsbereiche für die Webcam ergeben:

• Aufnahmen von Mond und Planeten
• Aufnahmen von Deep-Sky Objekten als auch

·        Aufnahmen im nahen Infrarotlicht – woraus sich möglicherweise neue Untersuchungs­gebiet für Amateurastronomen ergeben könnten.

Zu diesen drei Bereichen stelle ich im Folgenden die verwendete Ausrüstung vor – mit ent­sprechenden Ergebnisbeispielen – und stelle danach eine Möglichkeit vor, Webcams für astro­nomische Infrarotaufnahmen einzusetzen.

Dabei sehe ich mich keinesfalls als Experte zu den angeführten Punkten. Deshalb sind die geschilderten Methoden sicherlich nicht der Weisheit letzter Schluss. Zu jedem der angeführten Aspekte gibt es sicherlich umfangreiche fundiertere Informatio­nen aus dem Umfeld der Amateurastronomie. Mir geht es mit meinem Erfahrungsbericht vielmehr darum

• zu zeigen, dass ernsthafte Amateurastronomie nicht zwangsläufig mit großen und teuren Teleskopen etc. verbunden sein muss,
• durch meine Schilderungen an Astronomie interessierte Personen zu eigenen Be­obachtun­gen zu ermutigen, und
• Amateurastronome zur Erweiterung ihres bisherigen Beobachtungsfeldes anzuregen und das mögliche Einsatzspektrum von Webcams auszuloten.

Verwendete Ausrüstung

Je nach Untersuchungsobjekt klemme ich meine Webcam (TouCam Pro 740K von Philips) hinter den alten 60/900-Refraktor oder hinter diverse Teleobjektive. Über die Methodik beim Einsatz von Webcams für astronomische Aufnahmen will ich mich hier nicht weiter auslassen, da es hierzu zahlreiche und sehr gute Anleitungen und Erfahrungsberichte im Internet und in astronomischen Zeitschriften etc. gibt.

Zur Verbesserung der Bildqualität meiner Aufnahmen verwende ich häufig einen Infrarot-Sperrfilter -mehr dazu im Abschnitt zu den „IR-Fähigkeiten einer Webcam“.

Sicherlich ist für Webcam-Aufnahmen am Teleskop ein Notebook aufgrund seiner Mobilität bequemer als ein PC – ich habe allerdings sämtliche meiner bisherigen Bilder mit einem PC im Garten hinter unserem Haus aufgenommen. 

Sonne, Mond und Planeten

Für Aufnahmen von hellen Objekten, die eine hohe Vergrößerung erfordern bzw. erlauben, wie Planeten, Sonnenflecken oder Mondkrater (evtl. auch Doppelsterne) verwende ich den Apollo-Refraktor (60mm/900mm) von Quelle – Baujahr ca. 1970 (kostete damals um die 300.-DM). Die zugehörige parallaktische Montierung erlaubt eine schnelle und einfache Einstellung der Objekte. Die Webcam wird ohne ihr eigenes Objektiv mit einem entsprechenden Adapter und dem IR-Sperrfilter in den Okularauszug des Refraktors gesteckt (zukünftig will ich mir zur Hervorhebung von Oberflächdetails auf Planeten noch einige Farbfilter zulegen) – und los gehts!

Abbildung 1:     Aufnahmen von Saturn, Jupiter und Mond (Mosaik aus 12 Einzelbildern) mit Webcam und 60/900-Refraktor

Sternfelder/Deep-Sky-Aufnahmen

Für die meisten Deep-Sky-Aufnahmen mit der Webcam ist der 60/900-Refraktor aus folgenden Gründen ungeeignet:

• Bei 900mm Brennweite ist mit dem winzigen CCD-Chip der Webcam nur ein sehr kleiner Himmelsauschnitt erfassbar (ca. 10 Bogenminuten mal 15 Bogenminuten) so dass größere Objekte wie offene Sternhaufen oder Sternfelder nur in kleinen Ausschnitten erfasst werden können.
• Sterne werden auf dem CCD-Chip als kleine Scheibchen abgebildet. Bei der relativ hohen Vergrößerung (entspricht ca. 150fach visuell) im Verhältnis zur kleinen Öffnung des Teleskops werden diese Scheibchen so groß, dass sich das Licht eines Sterns auf viele CCD-Pixel verteilt und deshalb schwächere Sterne auf den bearbeiteten Bildern kaum sichtbar werden (im „Live“-Bild auf dem Computer ist die Grenzgröße kaum besser als 7mag, auf den bearbeiteten Endbildern ca. 9-10mag).
• Ausgedehnte Objekte mit relativ geringen Flächenhelligkeiten (Galaxien, Gasnebel, Planetarische Nebel) verschwinden trotz hoher Gesamthelligkeit völlig im Hintergrundrauschen des Chips.

Aus diesen Gründen habe ich mir zwei Photoobjektive mit kürzeren Brennweiten und größerem Öffnungsverhältnis zugelegt (50mm/f1,7 und 135mm/f2,8 – so was ist bei Internetauktionen in Preislagen von 5 bis 15 Euro erhältlich). Als 1¼-Zoll-Adapter für die Webcam habe ich die Anschlussdeckel der Objektive durchbohrt und geeigneten Rohrstücke aus Kunststoff oder Holz angeschraubt.

Für Himmelsaufnahmen wurde das jeweilige Teleobjektiv plus Webcam am Refraktortubus oder an der Montierung befestigt (am Anfang mit Klebestreifen, später mit Schellen aus Holz). Da jedoch während den Aufnahmen keine Nachführung erfolgt und bei den kleinen Brenn­weiten ein größerer Himmelsausschnitt abgebildet wird (im 50er-Objektiv ca. 3,4°x4,5°; im 135er-Objektiv ca. 1,2°x1,7°), der sich nur relativ langsam über das Bild be­wegt, würde als Montierung auch eine einfache Holzkonstruktion oder ähnliches ausreichen (die Grenzgrößen der gerade noch erkennbaren Sterne liegen bei diesen Aufnahmen – bei entsprechender Erhöhung der Bildhelligkeit – zwischen 10-11mag).

Mit dieser Ausrüstung ist es bereits möglich helle Gasnebel (z.B. Orionnebel), helle Galaxien (z.B. Andromedanebel), helle Kugelsternhaufen (z.B. M13) und Sternhaufen abzubilden (vgl. Abbildung 2). Darüber hinaus können durch mehrere Aufnahmen desselben Objekts innerhalb eines geeigneten Zeitraums Positionsänderungen von Asteroiden und Planetenmonde oder die Helligkeitsschwankungen von veränderlichen Sternen beobachtet und ausgewertet werden.

Abbildung 2:     Aufnahmen von Orionnebel, Kugelsternhaufen M13 und Doppelsterhaufen h+χ Perseus mit Webcam und 135/f2.8 Teleobjektiv

IR-Fähigkeiten der Webcam

Für erste Tests mit Webcam und Teleskop habe ich terrestrische Objekte wie Blumen oder Bäume aufgenommen. Nach dem Fokussieren der Objekte war ich zunächst enttäuscht über die blassen Farben und den geringen Kontrast der sich mir auf dem Bildschirm bot. Ich staunte allerdings nicht schlecht, als ich am Okularauszug weiterdrehte und in einer anderen Stellung ein weiteres scharfes und ebenso farben- und kontrastarmes Bild erhielt. – Wie kommt denn sowas zustande? Bei visuellen Beobachtungen habe ich sowas nie beobachtet, also muss es wohl mit der Webcam zusammenhängen. Des Rätsels Lösung liegt tatsächlich in den technischen Eigenschaften der Webcam. Der CCD-Chip meiner Webcam ist nämlich nicht nur im visuellen Bereich des Lichts hochempfindlich, sondern auch für einen Teil des infraroten(IR) Lichts. Da das IR-Licht jedoch weniger stark von den Glaslinsen des Fernrohrs oder der Teleobjektive gebrochen wird als das sichtbare Licht, liegt der IR-Fokus auch in einem anderen Abstand hinter dem Objektiv als der sichtbare Fokus (das tritt bei einem „reinen“ Spiegelteleskop – ohne Linsen – nicht auf, da ein Spiegel alle Spektralfarben auf den gleichen Brennpunkt fokussiert). Dieser Effekt ist insbesondere bei Pflanzen gut sichtbar, da das Chlorophyll der grünen Blätter IR-Licht gut reflektiert. 

Die folgenden Bilder von einem Rosenstrauch und einem Waldstück zeigen dies. Die Beispiele sind aufgenommen mit der Webcam plus Teleobjektiv 300mm/f8. Bei beiden Motiven wurden zwei (mehr oder weniger) scharfe Bilder jeweils im sichtbaren Fokus und im IR-Fokus eingestellt. Dabei ergibt sich jeweils eine Überlagerung von dem sichtbaren Lichtanteil und dem IR-Anteil, was zum einen den Farbkontrast erheblich vermindert und zum anderen eine Art „Weichzeichnereffekt“ verursacht. Filtert man den IR-Anteil mit einem IR-Sperrfilter aus, resultiert ein erheblich kontrastreicheres und farbenfroheres visuelles Bild (Abb. 3a).

Da sich beim Einbau des IR-Sperrfilters die Justierung des Teleobjektivs etwas verschoben hat stimmt das Motiv mit Filter nicht exakt mit den Bildern ohne Filter überein. Die Auswirkungen auf die Bildqualität sind jedoch bei allen beobachteten Motiven vergleichbar und reproduzierbar.

       Sichtbarer Fokus                           IR-Fokus                            mit IR-Sperrfilter

a)

b)

Abbildung 3:     Auswirkungen von IR-Sperrfilter bei terrestrischen Webcam-Aufnahmen

Bei der „Wald“-Serie wird der Effekt besonders deutlich (Abb. 3b):

• Im sichtbaren Licht sind lediglich die sonnenbeschienenen Baumstämme einigermaßen scharf. Die Umgebung ist dagegen unscharf.
• Im Infraroten wird auch das Laub schärfer abgebildet. Dabei werden schwarze (von der Sonne nicht beleuchtete) Baumstämme sichtbar, vermutlich aufgrund des reflekt­ierten IR-Lichts aus dem Hintergrund.
• Das Bild mit dem IR-Filter zeigt (relativ scharf und kräftig) das Grün des Waldes und die sonnenbeschienen Baumstämme, die „schwarzen Stämme“ sind fast völlig verschwunden.

Von einem Hobbyphotographen erfuhr ich, dass belichtete (schwarze) Negativfilme das IR-Licht durchlassen. Sofort habe ich mir aus geeigneten Filmresten und Plastik-Schraub­verschlüsse einen passenden IR-Durchlassfilter gebaut und damit das folgende Baum-Motiv aufgenommen (Objektiv: 135mm/f4). Links mit  gekauftem IR-Sperrfilter, rechts mit selbstgebasteltem IR-Durchlassfilter. Im IR-Licht erscheinen die dunkelroten Blätter sehr hell und der helle, blaue Himmel nahezu schwarz.

Abbildung 4:     Auswirkungen von IR-Sperrfilter/IR-Durchlassfilter  bei Webcam-Aufnahmen

Erste IR-Sternfeldaufnahmen

Nach diesen ersten Eindrücken mit terrestrischen Motiven war ich sehr gespannt, welche Unterschiede im Visuellen und IR sich bei Aufnahmen von astronomischen Objekten zeigen. Da ein glühendes Objekt wie ein Stern in allen Wellenlängebereichen Strahlung aussendet und der Anteil des IR-Lichts bei kühlen Objekten größer ist als bei heißen, sollten Sterne mit unterschiedlichen Spektraltypen in visuellen Aufnahmen andere Helligkeitsunterschiede zeigen wie auf IR-Bildern.

Um das nachzuprüfen habe ich ein paar Himmelsausschnitte mit hohen Sterndichten ausgesucht, davon jeweils ein visuelles und ein IR-Bild aufgenommen und die Helligkeiten der Sterne auf beiden Bildern verglichen.

Methoden

Für die Aufnahme der Bilder habe ich zwei Methoden angewandt:

1.    Analog den Bildern in Abbildung 3 erfolgten ohne irgendwelche Filter jeweils ein Bild im visuellen Fokus und ein Bild im IR-Fokus (dabei erhalten Sterne mit hohem IR-Intensität im visuellen Fokus einen Hof aus nicht fokussiertem IR-Licht und visuell helle Sterne haben analog im IR-Fokus einen Hof vom sichtbaren Lichtanteil – vgl. Abb. 5). Diese Methode hat den Vorteil, dass kein Filterwechsel zwischen den Aufnahmen erforderlich ist.

2.    Analog den Bildern auf Abbildung 4 wurden Bilder einmal mit IR-Sperr- und einmal mit IR-Durchlassfilter aufgenommen. Dabei entsehen keine Höfe um die hellen Sterne – aber die Durchführung ist (zumindest mit meiner Ausrüstung) etwas aufwendiger (Okular und Filteraus- und -Einbau und evtl. Neueinstellung der Montierung).

Hinsichtlich der anschließend durchgeführten Helligkeitsvergleiche sind beide Methoden verwendbar und liefern dieselben Ergebnisse.

Von dem betreffenden Sternfeld habe ich nun jeweils das visuelle Bild mit dem IR-Bild verglichen und nach auffälligen Helligkeitsunterschiede gesucht. Solche Unterschiede wurden mit den zugehörigen Spektraltypen verglichen wobei ich die Aufnahmen dem entsprechenden Sternfeld einer Sternkarte (z.B. Guide8) gegenüberstellte. Besonders auffällige Objekte habe ich versucht mittels der Sternkarte zu identifizieren (eine eindeutige Zuordnung war nicht immer möglich) und weiter recherchiert.

                   Visueller Fokus                                                     IR-Fokus

Abbildung 5:     Visuelle- und IR-Aufnahmen am Beispiel der Plejaden mit einem 50mm/f1.7-Objektiv. Auf dem IR-Bild sind drei Objekte mit hohen IR-Intensitätsanteilen durch Pfeile markiert.

Ergebnisse

Auf den IR-Bildern sind erheblich weniger Sterne zu erkennen wie auf den visuellen Bildern. Einige wenige Sterne treten auf den IR-Bildern deutlicher hervor. Die meisten schwächeren Sterne sind zwar im Visuellen sichtbar, nicht mehr jedoch im IR. Diese Beobachtungen sind nicht überraschend, da bei den üblichen  Oberflächentemperaturen der Sterne das Maximum der Strahlung im sichtbaren Licht liegt und nur bei kühlen Sternen ein gegenüber dem Visuellen vergleichbarer oder höherer IR-Anteil zu erwarten ist.

Anmerkung: Eine hellere Abbildung auf meinen IR-Bildern muss allerdings nicht zwangsläufig heißen, dass die Strahlungsintensität im IR größer ist. Für die abgebildete Helligkeit spielen nämlich auch Faktoren wie die Empfindlichkeit des Chips im IR und Visuellen und die spektrale Durchlässigkeit der Filter eine Rolle sowie die unterschiedlichen Aufnahmeparameter und Bearbeitungsschritte der Bilder. Diese Faktoren sind mir zum Teil nicht bekannt bzw. waren nicht immer identisch.

Merkwürdig war allerdings, dass einige wenige Sterne, die auf den visuellen Bildern gar nicht oder nur kaum sichtbar waren, im IR sehr deutlich hervortraten. Selbst unter Berücksichtig­ung der in der Anmerkung genannten Unsicherheiten müsste demnach die IR-Intensität dieser Sterne um ein Vielfaches größer sein als die visuelle Intensität. Sollte dies aus einer niedrigen Oberflächentemperatur der Sterne resultieren, so müsste diese unwahrscheinlich niedrig sein.

Auswertung und Interpretation

Diese Auffälligkeiten haben mich veranlasst der Sache auf den Grund zu gehen. Nachdem ich mit Hilfe der Sternkarte mögliche Kandidaten für die IR-Objekte gefunden hatte, suchte ich im Internet nach weitern Informationen. Danach lassen sich sämtliche auffälligen „IR-Objekte“ auf meinen bisherigen Sternfeldaufnahmen mit veränderlichen Sternen der Spektral­typen M0-M7 korrelieren (meist irreguläre oder langperiodische Typen – Beispiele: W Tau, V 1975 Cyg, SY Tau, BK Tau, S Per, BU  Per). Auch wenn diese Sterne aufgrund ihres Spektral­typs eine niedrige Oberflächentemperatur aufweisen (um 3000°K), erscheint deren Infra­rot­intensität auf meinen Bildern immer noch unbegreiflich hoch.

Eine mögliche Erklärung hierfür erhielt ich schließlich durch Diskussionen mit Ver­änder­lichen-Experten und aus der Literatur (z.B. in Voigt „Abriss der Astronomie“ oder Hoffmeister „Veränderliche Sterne“). Demnach sind bei einigen Sternen hohe Intensitäts­verhältnisse zwischen IR und Visuell nicht ungewöhnlich. Es wird angeführt, dass sich bei einigen Veränderlichen mit niedrigen Oberflächentemperaturen möglicherweise zeitweise wolkenartige Strukturen aus Kohlenstoff bilden, die das sichtbare Licht erheblich absorbieren, ohne dass sich die gesamte Strahlungsleistung des Sterns im gleichen Ausmaß verringert. Das könnte eine erhebliche Verschiebung der Strahlungsintensität ins IR bedeuten und meine Beobachtungen erklären.

Ausblick

Mit der Darstellung meiner Erfahrungen beim Einstieg in die „Video“-Astronomie will ich die Bereicherung für Hobbyastronomen aufzeigen, die sich m.E. durch den Einsatz neuer elektronischer Hilfsmittel wie Webcam mit entsprechender Auswertsoftware und Recherche­öglichkeiten im Internet ergeben.

Meine Anregungen richten sich sowohl an Amateurastronomen, als auch an Einsteiger in die Astronomie oder entsprechend Interessierte. Insbesondere diejenigen, die vor einer weiteren praktischen Beschäftigung mit der Materie aufgrund der hohen Kosten für die Anschaffung eines guten Amateurausrüstung zurückschrecken. Bereits für wenig mehr als 100 Euro für die Anschaffung einer Webcam, IR-Sperrfilter, Photoobjektiv und Adapter (ich denke ein geeigneter PC kann als vorhanden vorausgesetzt werden) sowie etwas Bastelgeschick, kann mit der systematische Erforschung des Sternenhimmels begonnen werden. Mit der Investition in der Größenordnung eines Kaufhausteleskops können darüber hinaus bereits erste Bilder von Planten und Mond erzielt werden, wie sie noch vor der Webcam-Ära nur mit einem erheblich größeren instrumentellen Aufwand möglich waren

Selbst mit den beschriebenen einfachen Mitteln können bereits Beobachtungen gemacht werden, die weit in die Astronomie hineinführen. Neue astronomische Er­kennt­nisse werden sich mit solchen Untersuchungen zwar kaum erzielen lassen, jedoch können sie eine inten­siven Auseinandersetzung mit astronomischen und astro­physikalischen Fragestellungen bewirken, was beispielsweise für mich eine wesentliche Motivation darstellt.

Darüber hinaus erscheint es auch möglich selbst mit den geschilderten einfachen Mitteln echte Forschung zu betreiben. Die geschilderten IR-Beobachtungen können in diesem Kontext als Basis für weiterführende Untersuchungen dienen. Beispielsweise kann durch systematische Beobachtung und Aufzeichnung der Helligkeitsänderungen von veränderlichen Sternen sowohl im Visuellen wie im Infraroten, wissenschaftlich verwertbare Beiträge zur Erforschung veränderlicher Sterne geleistet werden ($Informationen hierzu unter …..BAV$).