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Von Filtern und Wellenlängen

Vieles zu den Wellenlängen am Nachthimmel wurde ja schon unter dem Titel „Weißabgleich“ etwas geschrieben.

Unser Auge ist nur in einem schmalen Band des elektromagnetischen Spektrum empfindlich, so ist es nicht verwunderlich, dass unsere Kamerasensoren genau das Abzubilden versuchen und die Software daraus ein möglichst natürliches Bild generiert.

Die chemischen Filme waren gegen die energiereichen kurzwelligen (blau/ultravioletten) Wellenlängen empfindlich, weshalb ein UV Filter damals Sinn macht. Das zu viele UV Licht machte einen violetten Farbstich. Besonders bemerkbar am Berg bei Schnee, der dann nicht weiß wurde.
Die Sensoren der heutigen Kameras sind hier kaum empfindlich, dafür aber stark im Roten und Infraroten Bereich. Daher ist vor dem Sensor in der Kamera ein spezielles Filter verbaut, der nur Licht zwischen 400 und 650nm durchlässt.

Ich habe einen solchen Filter mal im Fotometer vermessen. Dazu schickt man Licht der einzelnen Wellenlängen durch das Filter und misst wie viel durchkommt. Das nennt man Transmission (Durchlass).

So sieht die Filtercharakteristik des Sperrfilters eine Olympus E-PL6 aus, andere Olympus Kameras werden da wohl kaum stark unterschiedlich sein. Das einer E-M10.II sieht ähnlich aus, aber lässt im IR dann um die 10% durch.

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%T (Transmission) ist wie viel % an Licht der Wellenlänge durchgelassen wird. Wellenlänge in nm (Nano Meter).
 

Wellenlängen kleiner 400nm sind bereits UV Licht, zuerst das weiche UVa und dann das harte UVb. Das ist der Anteil der die Haut bräunen lässt, aber auch Krebs und Hautalterung auslöst.

Über 650nm ist dann Infrarot, hier das Nahe, das der Wärmebildkameras ist sehr viel weiter oben, daher kann man mit einer auf IR modifizierten Kamera nicht die Temperatur zeigen, zumindest nicht die der Haut, glühende Körper sehr wohl. Ein unzureichend gegen IR geschützter Chip würde einen roten Schleier über das Bild legen.

Linsen sind zwar möglichst gut korrigiert, sodass der Brennpunkt der Wellenlängen Rot, Grün und Blau möglichst im selben Punkt fallen, aber so ganz sind sie es nie. Und so würde das Infrarot als unscharfes Bild über dem normalen Bild liegen.
Bei Sternen stark vergrößert sieht man das anhand eines unscharfen roten Saumes. Normalerweise wird auf das Grüne Licht (der stärkste Kanal und in der Mitte) fokussiert. Sucht man dann den besten Kompromiss, so ist der Fokus am besten, wenn der rote Saum gerade verschwunden ist.

Mit im obigen Plot ist auch das Transmissionsvermögen eines H-alpha Filter. Das ist ja dieses rote Licht der Galaktischen Nebel. Hier lässt als eine normale, nicht modifizierte Kamera also ca. nur mehr 1/3 durch. Bei hellen Nebel durchaus brauchbar viel, man muss halt das rote Licht der Nebel hinterher verstärken.

Um die Lichtverschmutzung unseres Himmels etwas zu kompensieren gibt es ja Filter mit unterschiedlichen Bezeichnungen, wie Clear Night, LPR, Neodym, Sky-Glow etc.

Ich habe mal ein CLS Filter erstanden und gemessen:

 

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Der grüne Balken zeigt den Bereich, den unsere Kameras abbilden, also 400-650nm.

Was man sieht es werden Wellenlängen im Tiefblauen aber hauptsächlich im Grünen und Orangen Bereich ausgesperrt. Da liegen die Typischen Emissionslinien unsere Gasentladungslampen: Natrium und Quecksilber. Dieses Licht wird ja von den Staubteilchen der Luft zurückgeworfen und hellen und verfärben so unseren Sternenhimmel.
Da mehr oder weniger der Grüne Anteil fehlt wird ein Weißabgleich schwierig. Wenn die Lichtverschmutzung nicht extrem ist, kann man sich diese Filter sparen, denn der Weißabgleich wird sowieso im Zuge der Bearbeitung gemacht.
Bei Lichtverschmutzungen aus verschiedensten Bereichen und Farben erzeugt meist sowieso dann derartige komplexe Helligkeits- und vor allem Farbgradienten, die man meist nicht mehr herausbringt. Das trifft einem natürlich noch schlimmer wenn man große Bereiche wie sie Weitwinkelobjektive liefern abbilden will, und vor allem im Horizontnähe.

Was der Erfahrene sofort bemerken wird: Dieser Filter ist für visuelle Zwecke oder nicht modifizierte Kameras ausgelegt: Er ist im IR offen. Daher gibt es für den Einsatz für modifizierte Kameras oder eben allgemein als CCD Kameras bezeichneten speziellen Kameras (auch wenn sie heute vielfach CMOS Chips haben) auch entsprechende Filter, meist mit dem Zusatz: CCD.  Diese Filter sperren dann auch im IR Licht.

Hier noch einer der neuesten Filter speziell auch ausgelegt gegen die immer mehr aufkommenden "weißen" LED‘s: Das IDAS LPS D2 Filter:

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Aus dem visuellen Bereich kommen dann noch die UHC Filter: UHC bedeutet Ultra Hoher Kontrast.

Da die Nebel hauptsächlich nur in den Emissionslinien von Wasserstoff und Sauerstoff leuchten, lassen diese Filter nur dieses zwei wichtigen Linien durch – also ein ganz enger Bereich für den Sauerstoff (O-III) bei 501nm (grünblau) und Wasserstoff (H-Alpha) bei 656nm (und gleich darüber Stickstoff bei 658nm und Schwefel bei 672nm). Visuell bleibt dann der Himmel dunkel, und wir sehen dann das schwache Leuchten des O-III im Bereich wo unsere Augen am empfindlichsten ist, und an sich auch Wasserstoff, aber da ist unser Auge kaum mehr empfindlich (und nur noch s/w sieht.

Mittlerweile sind da Multiband Filter um sehr viel Geld erhältlich die genau nur die wichtigen Wellenlängen durchlassen und den Rest sperren. Normalerweise nimmt man für solche „Schmalbandaufnahmen“ ja einzelne Filter, macht durch jedes Filter eine Reihe von Bildern um sie dann hinterher zusammenzufügen.


Mit dieser als „narrow band“ Fotografie bezeichneten Technik kann man selbst aus stark licht verschmutzen Städten sehr gute Bilder von Nebeln erhalten. Der Aufwand ist aber hoch und man sollte hier nicht sogenannte OSC (one shot cameras = alle 3 Farben auf einmal) wie Farbdigitalkameras einsetzen.
Denn wir erinnern uns: Die Kameras mit Bayer Matrix errechnen die Farben aus Roten, Grünen und Blauen Pixel. Dazu sind über dem schwarz/weiß Sensor Filterchen in Rot Grün und Blau angebracht und jeweils 4 Pixel aus 1xRot 2x Grün und 1x Blau) ergibt dann eine Farbe.
Grün komm in Nebel nicht vor, also hat man für Rot und Blau nur ¼ Auflösung.
Aber zum Einstieg geht es natürlich trotzdem !
Meist verwendet man dazu dann H-alpha Filter (oder mehr) und mischt das in das RGB Bild ein.

Hier noch die wichtigsten Emissionslinien der Elemente in den Nebel;

O-III:  496 und 501 nm (zweifach ionisierter Sauerstoff) (blaugrün)
H-α: 656 nm (α-Linie des Wasserstoff) (rot)
H-β: 486 nm (β-Linie des Wasserstoff) (das sehen wir gut, aber ist nur zu einem geringem % Satz überall wo auch H-alpha ist)
S-II: 672 nm (einfach ionisierter Schwefel) (rot)
N-II: 658 nm (einfach ionisierter Stickstoff) (rot)

Gleich Anfangs hatte ich einen günstigen UHC Filter erstanden. Nach einem ersten Fotografischen Einsatz an der stark Lichtverschmutzen tief stehenden Milchstraße konnte ich aber keinen Weißabgleich zustande bringen. So verwendete ich ihn nicht mehr.
Kein Wunder: Außer O-III und ab H-alpha wird alles herausfiltriert. Mit zwei Farben gibt es halt keinen Weißabgleich. Die Sterne sind kontinuierliche Strahler, denn die Farben sind von der Temperatur abhängig und können daher auch nicht gut wiedergegeben werden.

Letztes Jahr als sich immer mehr Leute mit ihren Digitalkameras sich an das Thema Schmalband annäherten, habe ich mir gedacht: Es wäre doch gut einen Filter zu haben, dass nur O-III und H-alpha durchlässt. Und als ich mir die Transmissionskurven meiner Filter angesehen habe, ist mir bewusst geworden, dass der günstige Castell UHC Filter genau das macht. Um das IR auszusperren muss ich halt einen UVIRCutfilter einsetzen.

Einen Nebeneffekt haben Schmalbandfilter: Sehr engbandige Schmalbandfilter (7nm oder weniger) sperren ja eine großen Prozentsatz an sonstigem Licht aus so dass man auch bei Vollmond seine Schmalbandbilder machen kann. Natürlich ist es besser, bei Neumond und ohne Lichtverschmutzung zu fotografieren, aber die Ergebnisse lassen sich dennoch sehen!

Seit letzten Jahr gibt es einen Dual Band Filter, der 30nm Breite hat. Damit hat man noch genügend Sternenlicht, um recht gute Farben zu erhalten, ansonsten braucht man ein zweites Set an Bildern um das kontinuierliche Spektrum abbilden zu können.

Hier der Hantelnebel (M27) eines der große Sommerobjekte im 800mm Teleskop: Unmodifiziert E-M10 Mark II  16x4 Minuten ISO 800

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Die Intensität des roten H-alpha habe ich stark erhöht.....  Es ist also nicht so, dass es nicht mit einer normaler Kamera geht.

Modifiziert E-PL6 mit UVIRCutfilter  78x4 Minuten ISO 800 bei dunklem Himmel

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H-alpha natürlich stark da auch die schwächeren Bereiche, auch ohne stark verstärken zu müssen.

Hier über 3 Nächte 91x4 Minuten mit UHC Filter um den Vollmond herum aufgenommen:


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Ohne Schmalband Filter wäre eine 4 Minuten Belichtung bei ISO800 nahezu weiß....
Durch das helle Mondlicht das Anteilig durchkommt, gibt es bei diesen Bedingungen genügend Belichtung am grünen Kanal, so kommt doch noch einiges an Grün durch, und der Weißabgleich für den Hintergrund geht gut genug.

Hier ist ein Einzelbild ohne weitere Bearbeitung (OOC - out of Cam) mit eingeblendeten Histogramm.
Man sieht, dass sehr wohl etwas Grün durchkommt... denn bei soviel Licht kommt schon etwas durch die Filter. Hier ein Glück!
 

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Hier also die Charakteristik des visuellen UHC Filter:


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Grün: normaler Bereich Digitalkamera 400-650nm

Dunkelgrün: Das was man üblicherweise öffnet mit UVIRCut Filter bis 700nm

Blauer Balken: O-III, H-ß

Roter Balken: H-alpha, N-II,S-II

In der Astronomie sind zwei gängige Filtergrößen üblich: 1,25“ und 2“ (Zoll) üblich. Man sollte darauf achten dass man 2“ hat.

Bei Fotooptiken hat man ja oft verschiedene Filterdurchmesser. Sehr gute Filter sind sehr teuer, und je größer desto schwieriger zu bekommen und extrem teuer. Da habe ich in günstig und gut nur den Haida Pro II MC Digital Slim UV/IR 390/750 Filter gefunden. Den ich für die gängigen Filterdurchmesser verwende.
Man kann auch einen größeren verwenden und entsprechende Step up Ringe verwenden.
 

Hier ist das Transmissionsvermögen des Haida UVIR750:

 

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Wie die Bezeichnung schon sagt, er öffnet den Bereich zwischen 390 und 750nm


Mit dabei auch meine zwei günstigen IR Filter: Sa sieht man, dass sie dann nur im Infraroten durchlassen. In der Praxis kommt aber bei Sonnenschein auch hier genügend durch, dass man auf einer normalen Kamera etwas sehen kann.
 

Und wo endet man als sehr fortgeschrittener Astrofotograf wenn man möchte ?

Als Erstes wir man eine modifizierte Kamera verwenden wollen.

Danach eine gekühlte OSC (one shot camera), also eine gekühlte Farbkamera.
Damit hat man das Rauschen im Griff und die Empfindlichkeit steigt.

Der letzte Schritt: gekühlte schwarz/weiß Kamera und Filterrad mit Filtern.

Im einfachsten Fall wird man dann 3 Fotoserien machen durch jeweils 3 Filter – Rot, Grün, Blau oder seltener verwendet: Cyan, Magenta, Gelb.
Da ja jedes Pixel des Sensors belichtet wird, hat man schon von daher eine 4 fach höhere Auflösung zur Verfügung.


Natürlich braucht man für jede Serie mit den einzelnen Farben jeweils eigene Flats und man muss auch für jeden Filter den Fokus neu einstellen. Die Darks und BIAS sind ja gleich. Die Chipkühlung hat man ja hoffentlich gleich gelassen, sodass man die selben BIAS und Dark verwenden kann.

Dann arbeitet man jeden der Farbauszüge aus und vereinigt diese dann zum RGB Bild.

Man wird aber schnell zum LRGB Verfahren übergehen:

Man belichtet durch ein UVIRCut Filter um ein Graustufen Bild zu bekommen. Das ist die sogenannte Luminanz (Helligkeit). Die Luminanz kann man nämlich durch weniger R G B Bilder einfärben. Die Luminanz sorgt dann für die Rauschfreiheit und Schärfe, die R G B für das einfärben.

Übrigens kann man auch seine normalen Bilder zum Schluss mit einem künstlichem L/RGB verfahren aufpeppen:

Man extrahiert aus seinem RGB Bild die Luminanz, also ein Graustufenbild. Da kann man dann noch am Kontrast, Schärfe, Rauschen etc. arbeiten. Danach mischt man aus dem RGB die Farben ein. Dabei wir üblicherweise dann noch mit einem Regler die Helligkeit und Farbintensität angepasst. Sehr zu empfehlen um den Bildern den letzten Schliff zu geben.

Wem 4 Filter nicht aufwendig genug ist macht dann Schmalband:

Luminanz + Schmalbandfilter: Meist H-alpha, O-III und S-II.

Mit diesen 3 Farben werden dann die Falschfarbenbilder wie wir sie vom Hubble Spaceteleskop kennen.

Die sogenannte Hubble Palette: S-II wir dabei der Rote Kanal, H-alpha der Grüne und O-III der Blau Kanal des RGB zugeordnet.

Wie schon gesagt: Damit kann man auch aus der Stadt noch Deep Sky Fotografie betreiben. Man sollte aber nicht vergessen: Man braucht in Summe lange Belichtungszeiten… oftmals gehen solche Projekte nur über ein zwei oder mehr Jahre. Denn oft ist das Objekt ja nur kurz im eigenen Sichtfeld. Dafür hat man halt das Teleskop am Balkon fix aufgestellt und nützt jede klare Nacht und sei eine Session noch so kurz. In Summe kommt man dann halt mal auf >20 Stunden Belichtungszeiten.

 

Bei der Sonne ist es speziell, was H-alpha betrifft:

Man bekommt ja via Webseiten immer aktuelle Bilder der Sonne.  Mit einem guten Sonnenfilter (ja nie ohne!!) bekommt man immer nur die Sonne im Weißlicht. Daneben zeigt aber ein Bild im H-alpha spektakulär Details der Oberfläche. Im nahem UV (Calziumlinie) ebenso, was uns aber eher verschlossen bleibt, weil die CMOS Sensoren da relativ unempfindlich sind.
Das geht aber nicht mit einem normalen H-alpha Filter, die sind viel zu breit. Um den nötigen Kontrast zu erhalten, braucht man Bandbreiten mit unter 0,07nm. Das ganze muß  eben sehr fein abgestimmt werden. Dazu gibt es verschiedenen Methoden, wie Temperaturänderung oder Druck auf die Filterpacks.


Da gibt es spezielle kleinere Sonnenteleskope, die spezielle Filterpack mehr oder weniger fix verbaut haben.
Lange Zeit waren die Coronado und Lunt Sonnenteleskope das Maß aller Dinge. Bei größeren Geräten auch noch, allerdings bewegt man sich da ab 7000,-, alleine ein größeres Energieschutzfilter kostet ja schon gegen 1000,-. Es gab aber ein kleines "all in one" mit um die 1200,-.
Seit Ende 2024 ist aber ein neuer Anbieter in diesem Markt eingestiegen: SolarQuest. Zufällig war ich beim "Teleskopdoktor" um nach 10 Jahren meinen Newton ansehen zu lassen. Da wurde mir angeboten draußen auf der Straße damit die Sonne anzusehen. Mein erster Blick auf die Sonne in H-alpha. Es war überwältigend gut, so wie das Bild auf der Webseite !

Wer das jetzt noch fotografieren will muß aber bedenken: Die Kamera sollte/muß im H-alpha Bereich offen sein. Und das rote Licht wird nur die Roten Pixel der Bayermatrix ansprechen. Die Auflösung wird also nicht über 4 MPixel kommen. Da sollte man dann eine kleine s/w Planetenkamera anschaffen.
Die Ausbrüche der Sonne sind ja sehr dynamisch, also sollte man schon recht kurz belichten, sonst wird es verwaschen.

 

Bei Mond und Planeten gibt es auch spezielle Filter, die aber darauf abzielen, durch die Komplementärfarben den Kontrast zu erhöhen.

Beim Mond sollen Grünfilter helfen, aber am besten man nimmt Infrarotfilter ab 750nm. Denn das Flimmern durch Luftunruhe sinkt mit der Länge der Wellenlänge stark ab. Natürlich dann nur mit einer IR Modifizierten Kamera möglich und das Ergebnis ist ein s/w Bild.

Für Planeten ist jede Digitalkamera eher nicht geeignet, denn man benötigt zig-Tausende Bilder für vernünftige Auflösung. Bei Venus kommen die Wolken im UV Licht heraus. Dummer weise sind hier die Chips aber sehr unempfindlich. Und bei der kleinen Wellenlänge ist das Flimmern der Luft schon enorm. Für die große Gasplaneten gibt es Methanfilter.

Und auch zu bedenken: Am Jupiter muss man alle Bilder die man benötigt innerhalb 1-2 Minuten gesammelt haben, denn er rotiert sehr schnell. Man wird sich dann bald mal mit „Derotierung“ durch WinJupos beschäftigen müssen.
Und in unseren Breiten braucht man bedingt durch den tiefen Stand am Horizont einen ADC (Atmosphärischer Dispersion Korrektor). Wer seine Bilder, die nahe des Horizont (so 30 Grad über Horizont) gemacht hat ansieht bemerkt, dass die Farben schon durch die Atmosphäre aufgetrennt wurden. Das wäre nicht das Problem, denn man kann die Farbkanäle soweit verschieben, dass sie wieder übereinander liegen, aber wer es genau nimmt: Die Runden Objekte werden natürlich auch in die Länge gezogen etc. Und mit einem ADC kann man das ausgleichen. Die Einstellung ist heikel, man verschiebt da drinnen zwei Prismen bis es passt….

Das alles soll nicht entmutigen, man kann auch mit einfachen Mittel schöne Bilder bekommen, aber vielleicht erklären worauf man stößt, wenn man seine Bilder genauer ansieht und komische Effekte sieht.

Astrofotografie ist eben ein weites Feld und man kann es beliebig vertiefen. Anfangs ist man Universalist, aber früher oder später wird man herausfinden, in welche Richtung man gehen will und sich dann spezielle Gerätschaften anschaffen. Und natürlich wird man sich vorher gut einlesen damit man nicht unnötig viel Geld versenkt..

Siegfried
 

bearbeitet von iamsiggi
Sonne in H-alpha zugefügt
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Bevor jetzt die Gasnebel der Milchstraße dem Frühlingssternenhimmel weichen, machte ich noch schnell ein Bild unter Verwendung eines DualBand Filter mit 30nm Bandbreite.

Der lässt im wesentlichen nur H-Alpha und O-III(H-beta) durch. Im Blau/Grünen Bereich ist er aber relativ breit, sodass die Farben der Sterne noch einigermaßen korrekt wiedergegeben werden können. Anders als Emissionsnebel, deren Licht in ganz spezifischen Wellenlängen erstrahlt, spiegelt das Licht der Sterne deren Temperatur wieder. Es geht also übers gesamte Spektrum. Die Kalten Sterne mehr im Roten, die Heißen eben mehr im Blauen, oder irgendwo dazwischen......

Mein Limit ist allerdings hier, dass es die sehr guten Spezialfilter für Astrofotografie eher nur im maximal  2" (Zoll) Standard gibt. Da sind sie bereits teuer genug.
Mit  einem 52mm auf 2" Adapter bin ich halt limitiert auf Objektive von maximal 52mm Filterdurchmesser.

Daher ist hier meine einsetzbare Brennweite dann maximal das mFT45/1.8
Natürlich sollte die Kamera modifiziert sein, ansonsten werden ja ca 66% des H-alpha Lichtes blockiert.

Für das Bild kam also meine H-alpha modifizierte OM-5 und das mFT45/1.8 zum Einsatz.

Damit umfasst das Bildfeld einen Bereich zwischen den Sternbildern Fuhrmann (Auriga), Stier (Taurus) und Zwillinge (Gemini) sowie etwas vom Orion:

Alnath ist zugleich ein Stern im Fuhrmann wie auch einer der zwei Hornsterne des Stiers.

Das hoch erhobene Schwert des Himmelsjägers Orion ragt auch noch ins Bildfeld und links gerade noch die Füße der Zweillinge....

M35 ist ein Sternhaufen, denn kann man relativ gut im Elektronischen Sucher des Fotoapparates ausmachen. Natürlich ebenso Alnath und der zweite Hornstern (da wo M1 steht).
Der Jupiter der ja noch rechts außerhalb des Bildfeldes (links oberhalb des Aldebaran innerhalb der "Stierhörner") steht erleichtert das grobe aufsuchen des Bildfeldes..


Der Himmel war relativ dunkel (eine Grundvoraussetzung) und so machte ich mal eine Probebelichtung bei ISO1250 und 50 Sekunden:

So sieht also das nicht bearbeitete Bild nur verkleinert aus - ohne Filtereinsatz:

OM-5 mod. mFT45/1.8 bei F/2 ISO1250 50sec.

Nur verkleinert, ansonsten nicht bearbeitet (OOC - out of Camera).

M35 - den Sternhaufen kann man recht gut erkennen und rechts unten Alnath - sowie rechts der Mitten unten den 2. Hornstern.

Rechts weiter oben gegen den Rand noch M37, den hellsten Sternhaufen im Fuhrmann.
Der ist wesentlich kompakter als M35.

Wer genau hinsieht: Links unterhalb des M35 ist ein zartes rotes Kringerl - der helle Affenkopfnebel im Orion

 

Und dann mit dem DualBand30 Filter:

OM-5 mod. mFT45/1.8 bei F/2 ISO1250 50sec. + DualBand 30 Filter.

Der Filter lässt H-alpha durch - damit das rote Leuchten der Gasnebel und das schwach blaue Leuchten des Sauerstoff (spielt aber hier kaum eine Rolle).

Wir sehen jetzt den Affenkopfnebel, rechts etwas unterhalb des M35 schon recht deutlich und links oberhalb des M35 sind diffuse rote Nebelgebiete zu sehen.


Das war dann dann mein Ergebnis, in Summe konnte ich 106 Bilder zu 1 Minute verarbeiten:

OM-5 mod, mFT45/1.8@F/2 ISO1250 106x60sek - in 66% Auflösung auf AstroBin

Der Affenkopfnebel war wirklich extrem hell und ich musste durch Maskieren dafür sorgen, dass er nicht zu hell wurde, weil der Rest ja wirklich sehr stark verstärkt wurde, damit man die Gasnebel deutlich sehen kann.

Jetzt sehen wir links des M35 den Quallen Nebel, rechts beim Alnath dieser sehr große Spaghetti Nebel (Simeis 147).

Der ist wirklich ein Herausforderung, weil er wirklich sehr schwach ist. So wurden die hellsten Teile erst 1952 entdeckt.
Ein Überrest eine Supernova von vor ca 40 000 Jahren. Er hat 3 Grad im Durchmesser - also 6x Vollmond.

Rechts der Mitte eher unten der 2 Hornstern. Da steht rechts auch sehr hell Messier 1 (M1) der Krebsnebel....


Hier inklusive einer Astrometrierung:



 


Siegfried


 

bearbeitet von iamsiggi
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