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El proceso de captura

La astrofotografía son dos hobbys en uno. El 50% consiste en la captura de las imágenes “en crudo”, es decir, tal como los ve la cámara montada en el telescopio. El otro 50% es el procesamiento de esa información en crudo para obtener esas hermosas “fotos color”. En este artículo me refiero sólo a la primera mitad: la captura.

Los siguientes párrafos tocan levemente los conceptos básicos que nos permiten entender los pasos de esta captura.

El fotón y la rodopsina.

Qué es el fotón? No, no es una foto grande 🙂

Conos y bastoncillos

El fotón es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio.

Los fotones se emiten en muchos procesos naturales, por ejemplo, cuando se acelera una partícula con carga eléctrica, durante una transición molecular, atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo, o cuando se aniquila una partícula con su antipartícula.

En el espacio vacío, los fotones se mueven a la velocidad de la luz.

Según la longitud de onda de la luz será el tipo de color con la que la veremos. La longitud de onda es la medida entre cada cresta de la onda con la que “vibra” la luz. Los humanos somos sensibles al rango que va entre los 400 y 700 nanómetros aproximadamente. Este espectro de luz visible para el ojo humano va desde el azul hasta el rojo. Por encima del azul tenemos la luz ultravioleta, que nuestros ojos ya no pueden ver. Por debajo del rojo tenemos por ejemplo la luz infrarroja, que tampoco podemos ver. Hay otros tipos de “luz” con longitudes de onda distintas. El tema es mucho más complejo por lo cual recomiendo visitar la Wikipedia (Naturaleza de la Luz).

Los humanos tenemos unos tipos de células especiales en los ojos: conos y bastoncillos. Uno de esos tipos se denomina “bastón”. Los bastones contienen una proteina que se llama “rodopsina” y son los responsables de la visión en condiciones de baja luminosidad, presentando un pico de mayor sensibilidad hacia la longitud de onda de 500 nm (luz verde azulada).

Los conos por su parte contienen tres tipos diferentes de opsinas. Una con mayor sensibilidad para las longitudes de onda largas (luz roja), otra que es sensible a las longitudes de onda media (luz verde) y otra con mayor sensibilidad a las longitudes de onda cortas (luz azul). Los conos son la base de la percepción en color.

Cuando la rodopsina recibe el impacto de un fotón se desintegra en millonésimas de segundo enviando información al cerebro. De alguna manera posibilita que el cerebro sepa qué cantidad de luz (y de qué color!) está llegando a los ojos del observador. Si algún oftalmólogo lee este párrafo quizás se enoje, pero la idea es mantener el tema bien simple. Hay miles de artículos que profundizan el tema.

Las cámaras

Más arriba vimos que nuestros ojos reciben y decodifican información de la luz, lo mismo se ha logrado con las cámaras de fotos. Ya sean con “rollo” de película, es decir, con una superficie que usando principios químicos atestigua la cantidad de luz absorbida o las más modernas, las cámaras digitales. Estas cámaras tienen “detectores” de fotones y logran de alguna manera convertir la información en números que representan su cantidad y posicionamiento. Los teléfonos celulares, las cámaras hogareñas y la mayoría de las webcams utlizan un chip detector denominado CMOS. Otros dispositivos más sensibles utilizan CCD.

Los detectores CCD, al igual que las células fotovoltaicas, se basan en el efecto fotoeléctrico, la conversión espontánea de luz recibida en corriente eléctrica que ocurre en algunos materiales. La sensibilidad del detector CCD depende de la eficiencia cuántica del chip, la cantidad de fotones que deben incidir sobre cada detector para producir una corriente eléctrica. El número de electrones producido es proporcional a la cantidad de luz recibida (a diferencia de la fotografía convencional sobre negativo fotoquímico). Al final de la exposición los electrones producidos son transferidos de cada detector individual (fotosite) por una variación cíclica de un potencial eléctrico aplicada sobre bandas de semiconductores horizontales y aisladas entre sí por una capa de SiO2. De este modo, el CCD se lee línea a línea, aunque existen numerosos diseños diferentes de detectores.

En astrofotografía lo ideal es utiilizar detectores CCD. Tienen mayor sensibilidad pero lo más importante es la resolución en términos de medición de fotones.

Impacto de la luz en un CCD

Cuando un fotón impacta en el chip de una cámara se libera un electrón. Esta partícula es “almacenada” en una matriz. Durante la exposición, que es el tiempo en que el detector está “mirando” el objetivo, se acumulan electrones en esos pequeños receptáculos. Cuando la exposición termina un dispositivo electrónico calcula la cantidad de electrones capturados por cada punto (pixel) que puede ser luego traducido en forma de un archivo. Estos archivos tiene la información en crudo. Es decir, no hay datos de color. Sólo información precisa de cantidades de electrones que han impactado en el detector en determinadas posiciones.

Los “crudos” o “raw frames” que yo utilizo son del formato FITS. Son un tipo de archivo especial que ni el photoshop puede abrir a menos que tenga instalado un plugin. Son muy específicos para esta actividad. Cuando utilizo una reflex Canon los archivos que obtengo son del tipo RAW o CR2, propietarios de Canon. Cuando trabajo con la CCD cada canal de color es un archivo por separado. Cuando uso la Canon la foto ya viene “bayerizada”, es decir, con información de color. Por qué usar una CCD entonces? Porque tiene 65000 niveles de precisión contra unos pocos 4096 de una reflex. Luego veremos el beneficio real de esta gran diferencia.

Una imagen digital color no es más que un montón de puntos (o pixels) con información de color ordenados de una forma en particular. Olvidemos por un momento que es una foto de un objeto del espacio profundo. Es simplemente una colección de puntos con información precisa. Podríamos asignarle un número de orden a cada uno. Ya sea usando coordenadas X e Y o bien un número de orden correlativo. Y olvidemos también por un momento el color. Estamos capturando imágenes con una CCD monocromática. No hay información de color por el momento. Lo que cada punto o pixel tiene es un valor de intensidad de luz. Esta intensidad se representa con un cero para cuando no hay luz y un valor positivo que va aumentando cuanto más luz ha capturado el sensor. Recordemos que nuestra cámara, sea una CCD o una reflex digital, mide la cantidad de electrones producidos por el choque de fotones contra cada pixel de su sensor. Entonces cada pixel tiene un número que representa la cantidad de luz que se capturó.

Las imágenes digitales están compuestas por pixels

Cuando digo “crudos” lo hago en plural porque para obtener una buena imagen final es necesario fotografiar el mismo objeto cuantas veces sea posible. Imaginemos que vamos a sacar una foto de un pasiaje estático. Nada se mueve. No hay viento.

Empezamos a realizar las tomas, digamos 100. Todas sobre un trípode que tampoco se mueve. En 10 de esas tomas un pequeño insecto se nos cruza. Ese insecto queda representado en nuestro cuadro (frame) como un pixel. (Es muy pequeño) A los efectos de nuestra foto final, ese pixel no nos interesa. No pertenece al cuadro final. Y para peor, el insecto se mueve entre foto y foto, haciendo que el pixel “defectuoso” tenga un número de orden distinto para cada foto. Nuestro insecto ocupa el pixel 510 en nuestra foto 1, el 515 en la foto 2, 521 en la foto 3 y así hasta desaparecer del cuadro.

 

 

Afortunadamente con un proceso matemático podemos sacar un promedio del valor de cada pixel. Sumamos el valor de intensidad de cada pixel de cada imagen y luego lo dividimos por la cantidad de fotos. Mágicamente nuestro insecto queda removido de la imagen final. En realidad el proceso es un poco más complejo. Se lo denomina “integración” y existen diferentes algoritmos para obtener el valor final del pixel que usaremos en nuestra imagen.

No usamos esta técnica con un paisaje porque es virtualmente imposible que todo esté inmóvil. Pero con los objetos de espacio profundo es otra cosa. El movimiento de los objetos de espacio profundo es imperceptible en una serie de 100 fotos. Al integrar nuestras imágenes podemos eliminar líneas dejadas por aviones, satélites o meteoros, y lo más importante, intereferencia de la atmósfera. Mi regla principal es: muchas exposiciones de la mayor cantidad de tempo posible.

 

Seguimiento y guiado

Si la noche es oscura, seguramente haré fotos usando los filtros standard de color. Es decir, luminancia, rojo, verde y azul, más comunmente concodidos en el ambiente como LRGB por las siglas en inglés. Si la noche tiene más luz de lo habitual, como por ejemplo la presencia de la luna, entonces usaré filtros de banda estrecha. Cuento también con el típico set de Hidrógeno Alfa (Ha), Oxígeno III y Sulfur II. En este post detallo la técnica que uso luego para “mapear” los filtros con los colores.

El “pier” del telescopio es fijo y es una combinación de una base de 80x80x1.20 de cemento con hierros cruzados sobre la cual se monta un tubo de 60cm de acero sin costura (tubos de oleoducto) que pesa unos 100kg. Es MUY difícil que se mueva por si solo. La puesta en estación de la montura la reviso muy de vez en cuando justamente por este motivo. Recordemos que el eje de declinación de la montura debe estar perfectamente alineado con el eje de rotación de la tierra. De esa manera la montura puede “seguir” a los objetos en el cielo con mucha precisión.

Recordemos que el cielo no se mueve. Nos movemos nosotros al rotar (y trasladarse) nuestro planeta Tierra. Si vamos a tomar fotos del objetos en el cielo vamos a necesitar algún tipo de dispositivo donde montar nuestro telescopio y cámara que “siga” a esos objetos en su movimiento aparente. Existen varios tipos de monturas, siendo la más popular para astrofotgrafía la montura ecuatorial alemana. Esta monturas van desde simples monturas manuales que valen poco dinero hasta impresionantes monturas profesionales de miles de dólares. Obviamente hay pasos intermedios. Dentro de una línea “amateur serio” se encuentran las monturas SkyWatcher EQ. La NEQ6 Pro es el modelo más robusto y que más carga soporta de la línea. Hablamos de unos 2,500 dólares en Argentina aproximadamente.

La montura que actualmente uso, una NEQ6 Pro, tiene un sistema llamado SynScan que permite por medio de un control configurarla y apuntarla a diferentes objetos. Una vez apuntada, la montura seguirá a ese objeto en base al tipo de objeto que sea. Para planetas o la luna la velocidad de seguimiento será superior a la de un objeto de espacio profundo. En este último caso lo llamamos seguimiento “sideral”.

Las primeras armas en astrofotografía generalmente se hacen tomando imágenes de la luna. El motivo principal es que la duración de la exposición, usando una cámara reflex es muy corto, comparado con las fotos de espacio profundo tales como galaxias y nebulosas. De hecho si miramos con el telescopio una luna seguramente nos encandilará tal cantidad de luz.

En astronomía, magnitud es la medida del brillo de una estrella. Los antiguos astrónomos griegos llamaban estrellas de primer tamaño (primera magnitud), a las estrellas más brillantes que aparecían después del ocaso solar y a las últimas que desaparecían tras la salida del Sol, y sucesivamente estrellas de segundo tamaño (segunda magnitud), tercera magnitud, etc. hasta las estrellas de sexta magnitud, las estrellas visibles sólo con oscuridad total.

La magnitud aparente (m) de una estrella, planeta o de otro cuerpo celeste es una medida de su brillo aparente; es decir, la cantidad de luz que se recibe del objeto. Mientras que la cantidad de luz recibida depende realmente del ancho de la atmósfera, las magnitudes aparentes se normalizan a un valor que tendrían fuera de la atmósfera.

La luna llena tiene tal brillo que su magnitud es negativa de -12.6 A mayor magnitud de un objeto menor es el tiempo de exposición que le daremos a nuestra toma.

El ser estos tiempos tan cortos, 1/60 de segundo por ejemplo, el error introducido por el movimiento del telescopio siguiendo la luna es realmente despreciable. Simplemente no hay mucho tiempo para que la foto salga “movida”. La cosa cambia si el objeto que queremos fotografiar tiene una magnitud mucho menor. Usemos como ejemplo a M42, la famosa Nebulosa de Orión. De una magnitud de 3.0 Las tomas típicas con una reflex serán de entre 1 a 2 minutos. En ese lapso la montura equatorial “seguirá” a M42 mientras se mueve en cielo por el mismo lapso de tiempo. En un minuto o dos el error de seguimiento de la montura será mucho mayor. Si confiamos simplemente en los dispositivos mecánicos de la montura es muy probable que en tiempos mayores a un minuto veamos lo que se denomina “star trail”. O las temidas “estrellas gusano”. Las estrellas salen con formas elongadas, producto del peequeño error de seguimiento de la montura.

Cómo hacer entonces para poder tomar fotos con exposiciones más largas? Debemos de alguna manera “decirle” a la montura que corrija esos pequeños errores. Para ello montaremos otro telescopio en la misma montura, con otra cámara, que tomará exposiciones más cortas apuntando a una estrella brillante. Medirá diferencias entre foto y foto y le avisará en forma electrónica a la montura que tiene un pequeño error y hacia que lado corregirlo.

El telescopio guía no necesariamente tiene que ser tan grande como el que usaremos para tomar fotos. Hay muchas explicaciones pero yo respeto mucho la del fabricante del Maxim (el sofwtare que uso para sacar fotos) que habla de un 10% de distancia focal del telescopio principal como mínimo. Es decir, si tomo fotos con un 1000mm el telescopio guía deberá tener al menos 100mm de distancia focal.

Cuando tomo fotos con el Skywatcher 254 con el reductor de campo mi focal se reduce a 1083mm. Utilizo como tubo guía un SkyWatcher 80/400 (el 400 es por los 400mm de focal de este pequeño tubo). Considero que el secreto del guiado está en la cámara que se use. En mi caso tengo la suerte de contar con una segunda CCD (una Atik Titan) que me permite guiar con estrellas muy débiles. No siempre tenemos una estrella brillante disponible.

Con el equipo este he podido guiar bastante satisfatoriamente exposiciones de hasta 15 minutos. Especiales para cuando trabajo con filtros de banda estrecha, que requieren de mucho tiempo para capturar los fotones para los que fueron diseñados.

Se requiere software tanto para manejar la cámara principal como la de guiado. Yo uso Maxim DL para ambas tareas. Tiene sus ventajas que escribiré en otro post más específico.

La captura en si
Captura

 

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Dans les champs de l'observation le hasard ne favorise que les esprits préparés.