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------------ Astronomie in Zeiten des Coronavirus ------------

Feuerrad-Galaxie (M101) im Kampf mit dem Rauschen

(Bericht von Dr. Burkhard Lührmann, September 2020)

Bereits im März 2019 hatte ich fast dreieinhalb Stunden Belichtungszeit in die Astroaufnahmen der Feuerrad-Galaxie (M101) investiert, weil die zweite Nachthälfte für den Bode-Nebel (M81) von meiner Balkonsternwarte westlich von Osnabrück stellungsbedingt ungünstig wurde. Eine zweite folgende Nacht, die zunächst als sternenklar prognostiziert wurde, erwies sich aber leider als unbrauchbar. So ergab sich in dem Jahr keine weitere Aufnahmemöglichkeit mehr für dieses zeitbedürftige Objekt. Aber ein Jahr später bot sich im März 2020 eine erneute Chance, die Gesamtbelichtungszeit zu vergrößern. Doch sollte sich das wirklich lohnen?



Die Feuerrad-Galaxie (engl. Pinwheel Galaxy) liegt im Sternbild Großer Bär (Ursa Major). Sie ist dort etwas oberhalb des Deichselendes des Großen Wagens zu finden. In obiger Abbildung zeigt sie sich im Zentrum des weißen Rechtecks. Sie wurde 1781 von dem französischen Astronomen Pierre Méchain entdeckt.
Das Bild ist unter PixInsight und Photoshop als Mosaikausschnitt aus fünf Bildern entstanden, die jeweils aus etwa 100x1 Minute Belichtungszeit gewonnen wurden. Die verwendete Aufnahmeausrüstung ist eine EOS 7D mit Zeiss-Objektiv Makro-Planar T* 2/50mm ZE auf der Reisemontierung Polarie. Die hier gezeigte Verkleinerung ist als Ganzes astrometrisch vermessen und lässt sich stark vergrößern. Ein Zoom in den Bereich des weißen Rechtecks liefert den folgenden Ausschnitt.



In dieser pixel-to-pixel Abbildung (Zoom 100%) zeigt sich der Aufbau einer Spiralgalaxie, die eine Winkelausdehnung von etwa einem halben Grad besitzt.
Im Folgenden wird dieser Himmelsbereich am 31.03.2019 mit dem Refraktor Takahashi TOA-130 mit 3,5 Zoll Feather Touch-Auszug auf einer 10-Micron Montierung GM 2000 QCI aufgenommen. Als CCD-Kamera kommt die Moravian G3-16200 zum Einsatz. Mit dem Fattener FL-67 wird bei 1000mm Brennweite eine Fotofeldhöhe von 1,6° mit einer theoretischen Pixelauflösung von 1,2“ erreicht. Mithilfe der LRGB-Filter der Astrodon Gen 2 E-Series entsteht folgendes Farbkomposit.



Hierzu gehören für die Farbkanäle R, G, B jeweils 9 Subframes mit 240s Belichtungszeit. Die Luminanz-Komponente vereinigt 25 Belichtungen zu je 240s. Die Sensortemperatur der Kamera beträgt -30°C. Die Bildbearbeitung erfolgt in PixInsight und berücksichtigt neben Bias, Darks und Flats insgesamt 3 Stunden und 28 Minuten Belichtungszeit.
Die nächste Abbildung zeigt einen Vergrößerungsausschnitt des Messier-Objektes.



Die Bildbreite beträgt 22 Bogenminuten. Wenn man berücksichtigt, dass dies ein relativ kleiner Ausschnitt aus dem Gesamtbild ist, lassen sich die feinen Strukturen in den Spiralarmen bereits gut erkennen. Das größte Problem, um noch höhere Auflösungen zu erreichen, ist neben Transparenz, Seeing, Teleskopqualität, Brennweite und Nachführung das Bildrauschen. Während die ersten fünf Punkte im Nachhinein leider nicht mehr änderbar oder aus diversen Gründen nur schwer zu verändern sind, ist man versucht, im Rahmen der Bildverarbeitung wenigstens das Rauschen zu verringern. Dies kann aber nur auf Kosten der Auflösung geschehen. Was bleibt als einfache Lösung des Problems? Mehr Belichtungszeit!

In der nächsten Abbildung ist die Luminanz-Komponente des betrachteten Bildes zu sehen.



Um den Einfluss der Gesamtbelichtungszeit auf das Rauschen zu demonstrieren, betrachten wir nun den weiß markierten kleinen quadratischen Ausschnitt als Ergebnis einer Integration (Aufsummierung) für verschieden viele Einzelbilder, die jeweils 4 Minuten belichtet wurden.



Alle Teilbilder sind gleich gestreckt, d.h. sie unterliegen in der Nachbearbeitung der identischen Gamma-Kurve, damit eine direkte optische Vergleichbarkeit besteht. Während bei dieser Vergrößerung im Einzelbild (n=1) deutliches Luminanz-Rauschen erkennbar ist, bewirkt eine Vervierfachung (n=4) der Gesamtbelichtungszeit eine starke Rauschreduzierung. Mit 16 integrierten Bildern setzt sich dieser Trend, wenn auch nicht mehr so auffällig, entsprechend fort. Im März 2019 wurden insgesamt 25 Luminanz-Aufnahmen á 4 Minuten durchgeführt. Für mich stellte sich nun die Frage, ob weitere Belichtungszeit zu einem noch signifikant besseren Ergebnis führen könnte.
Am 27.03.2020 entstanden unter gleichen Bedingungen erneut 26 Luminanz- und pro Kanal jeweils 6 RGB-Bilder. Damit stehen mir insgesamt n=51 aufsummierbare Luminanz-Belichtungen zur Verfügung. Eine Verbesserung des Signal-/Rausch-Verhältnisses gegenüber n=25 ist nur noch in den dunkleren Motivbereichen erkennbar. Da diese in der Endbearbeitung (n=25) ohnehin abgedunkelt werden, ist der optische Gewinn gering.

Um das Rauschverhalten objektiver beurteilen zu können, wird mithilfe des Prozesses SubFrameSelector von PixInsight zu jedem Summenbild im Bereich des oben verwendeten Ausschnittes die Standardabweichung σ des Gaußschen Rauschens bestimmt. Dies muss natürlich vor der nichtlinearen Bearbeitung der Streckung geschehen.



Die grünen Markierungspunkte stellen bis zu der Bildanzahl n=25 das Rauschen des Summenbildes der Messungen aus dem März 2019 dar. Danach werden noch die weiteren 26 Luminanz-Aufnahmen aus 2020 aufintegriert. Die roten Punkte markieren das Rauschen der Summenbilder, die sich ausschließlich aus den 26 Messungen von 2020 ergeben.
Wie die blaue proportional angepasste Funktionskurve zeigt, folgt die Rauschabnahme sehr genau der bekannten Abhängigkeit 1/sqrt(n), wobei n die Zahl der verwendeten Bilder ist. Das bedeutet, es müssen immer 4-mal mehr Bilder integriert werden, um das Rauschen nochmal auf die Hälfte hinab zu drücken.

Ergebnis des Kampfes mit dem Rauschen:
Ich habe also durch die abermaligen Bemühungen im März 2020 das Rauschen gerade mal auf 70% reduziert. Zusammen mit dem visuellen Eindruck der vorletzten Abbildung hätte man die Belichtungszeit besser für ein anderes Deep-Sky-Objekt einsetzen können. Leider hängt die sinnvolle Gesamtbelichtungszeit von der scheinbaren Helligkeit des Aufnahmeobjekts und den anderen oben genannten Aspekten ab, sodass ein individuelles Herantasten für ein befriedigendes Endergebnis notwendig ist.
Ein erheblich besseres Kampfmittel gegen das Rauschen ist eine weitere Herabkühlung des Kamerasensors. Hier wird das Rauschen alle 6 bis 7°C halbiert. Allerdings ist dafür eine Änderung des Hardware-Equipments notwendig.

M101:
Im März 2019 entstanden mit dem Filter Astrodon Narrowband H-alpha 3nm noch zusätzlich 8 Bildaufnahmen á 10 Minuten. Diese Komponente ist in den folgenden Abbildungen zu 30% mit in den Rotkanal eingemischt, um die Sternentstehungszentren in der Galaxie dezent hervorzuheben.
Der Widefield-Bildausschnitt um M101 ist so gewählt, dass die linsenförmige Galaxie NGC5485 noch in der oberen linken Bildecke und NGC5474 am unteren Bildrand Platz finden.



Beide Galaxien wurden von Wilhelm Herschel entdeckt. Während NGC5485 rund 90 Millionen Lichtjahre entfernt liegt, befindet sich die Zwerggalaxie NGC5474 mit 17 Millionen Lichtjahren quasi in der Nachbarschaft von M101. Durch gravitative Einflüsse ist sie bereits sehr deformiert worden.
Auch NGC5477 und 5471 gehören zur Galaxiengruppe um M101.



Die Feuerrad-Galaxie besitzt in ihrer im Durchmesser 170.000 Lichtjahre messenden Ausdehnung zahlreiche helle Knoten, die aus dichten Sternansammlungen und H-II-Gebieten bestehen. Im folgenden Streifenausschnitt aus dem Gesamtbild, der diesen Bericht auf genussvolle Weise abschliessen soll, ist dies gut erkennbar.




Literatur/Infos:
Wikipedia: Messier 101, NGC 5471, NGC 5474, NGC 5477, NGC 5485
SEDS Messier Datenbank: M 101
Peter Eppich: Möglichkeiten der Rauschreduzierung bei modernen DSLR-Kameras




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