ציוד אסטרונומי

הואיל והצילום האסטרונומי הוא תורה בפני עצמה, אזכיר כאן רק את הטכניקות הנפוצות ביותר. הבעיה הגדולה ביותר של צילום  אסטרונומי, היא קביעת אורך זמן החשיפה, שהוא פרק הזמן בו הצמצם פתוח. זמן החשיפה נקבע בהתאם לכמה שיקולים:

בהירות  השטח של גרם השמים אותו מבקשים לצלם - ככל שגרם השמים חיוור יותר, נדרש זמן חשיפה ארוך יותר. כפי שראינו בפרק הדן בבהירויות כוכבים, היחס בין זמני חשיפה של גרמי שמים בבהירויות שטח שונות, יהיה שווה בדיוק ליחס בין עוצמות האור שלהם. לדוגמה, אם זמן הצילום הנדרש עבור גוף בבהירות M1 הוא T1, אזי זמן החשיפה T2 שיידרש לצלם גרם שמים שבהירותו M2 , באותו הטלסקופ, יהיה:

יחס המוקד - זמן החשיפה תלוי, בראש ובראשונה, ביחס המוקד - ככל שיחס המוקד ארוך יותר, זמן החשיפה ארוך יותר. (למעט צילום  מקורות אור נקודתיים, כדוגמת כוכבים, אז זמן החשיפה תלוי גם במפתח). היחס בין זמן חשיפה, בטלסקופ בעל יחס מוקד A , לבין זמן החשיפה הנדרש, בעת צילום של אותו גרם שמים, בטלסקופ בעל יחס מוקד B, יהיה:

מפתח הטלסקופ - מפתח גדול אינו מקצר בהכרח את זמן הצילום. אם נצלם גרם שמים בעל גדול זוויתי כלשהו בשני טלסקופים בעלי אותו יחס מוקד , מספר הפוטונים שיפלו על כל נקודה בסרט הצילום, בזמן חשיפה זהה, יהיה שווה בשני הטלסקופים (למעט צילום  כוכבים שהם מקורות אור נקודתיים). זאת ראינו בפרק הקודם, כשגודלה של הדמות על מישור המוקד תלוי אך ורק באורך המוקד (נוסחה 10 - יב). אם נרצה לקבל במישור המוקד של הטלסקופ הקטן, דמות שגודלה (וכמובן - הפירוט שלה) על גבי סרט הצילום יהיה זהה לגודל הדמות המתקבלת בטלסקופ הגדול, יהיה צורך להאריך את אורך המוקד, ובכך להגדיל את משך זמן החשיפה (נוסחה 11 -ב).

מסננים - שימוש במסננים מאריך את זמן החשיפה. ככל שהמסנן צר יותר, תקטן כמות האור המגיע לסרט הצילום וזמן החשיפה יתארך.

אורות רקע - ככל שהסביבה מוארת יותר, יקטן אורך זמן החשיפה האפקטיבי. במקום יישוב מואר, זמני חשיפה מעל מספר דקות, ישחירו את סרט הצילום והתמונה תרד לטמיון כאשר הצילום נעשה בפילם. בצילום הדיגיטלי אפשר להתגבר על בעייה זו

שיטות לצילום אסטרונומי

צילום  'שק-קמח' (Piggyback)

זוהי טכניקת הצילום הפשוטה ובעלת הסיכויים הגדולים ביותר להצלחה וכשמה כן היא: מעמידים מצלמה, עם עדשה, על גבי טלסקופ  ממונע, פותחים את הצמצם ומצלמים. ככל שהעדשה בה משתמשים היא בעלת אורך מוקד  קצר יותר, שדה הראייה  המתקבל גדול יותר. במצלמות המצויידות בעדשת 50 מ"מ, ניתן לקבל מראה פנורמי של שביל החלב והשמים, ללא צורך במאמץ מיוחד, לאחר מספר דקות חשיפה. ברם, צילום  כזה ייעשה רק האזור חשוך לחלוטין, אחרת, התשליל יושחר בגלל אורות הרקע.

צילום  גרמי שמים עמוקים במישור המוקד הראשי

צילום  גרמי שמים עמוקים - צבירי כוכבים, ערפיליות וגלקסיות, מחייב שימוש באורכי מוקד  קצרים ככל האפשר, עקב בהירות  השטח הנמוכה של עצמים אלה. המצלמה תוצב כך, שהסרט ימוקם במישור המוקד של הטלסקופ. למרבית הטלסקופים ניתן לחבר את רוב סוגי המצלמות הנפוצות בעזרת מתאמים המיועדים לכך. יש להקפיד לבחור מצלמה שבה קל למקד את הדמות בעזרת משטח מיקוד שאינו מחוספס ובעל שדה ראייה גדול (רצוי עם עינית ). יש לזכור, כי לא תמיד רואים את גרם השמים המיועד לצילום מבעד למצלמה, ומכאן החשיבות של משטח המיקוד שלה. כתוצאה משדה הראייה הקטן, יחסית, של הטלסקופים הגדולים, יש צורך בתיקון מתמיד, של סטיות המנוע, סטיות הקיימות גם בטלסקופים המשוכללים ביותר. העקיבה תעשה בעזרת עינית שבמרכזה צלב מואר (illuminated reticle eyepiece), בשתי צורות אפשריות:

טלסקופ  מקביל  - בשיטה זו מציבים טלסקופ ארוך מוקד  על גב הטלסקופ אליו צמודה המצלמה. קוטר הטלסקופ המקביל אינו חייב להיות גדול, ובדרך כלל מסתפקים בקוטר 60 מ"מ. אולם, יש להקפיד שאורך המוקד של הטלסקופ המקביל, יחד עם העינית המוארת, יהיה ארוך יותר מאורך המוקד של הטלסקופ המצלם. לשיטה זו יתרון גדול, כיוון שהצלם חופשי לבחור כוכב כלשהו בשדה הראייה ולהינעל עליו. מאידך, ככל שהמרחק בין הצירים האופטיים של הטלסקופים גדול יותר, הזווית ביניהם תגדל ויעילות העקיבה תקטן.

צילום  מוטה-ציר (off-axis) - בשיטה זו משתמשים במתקן מיוחד בו יש מראה קטנטנה, הממוקמת בשולי טבעת המחברת את המצלמה לגוף הטלסקופ. המראה מסיטה חלק מקרני האור אל העינית המוארת. בשיטה זו, המרחק בין הציר האופטי של הטלסקופ, למרכז העינית, קטן למינימום. ברם, חסרון גדול של השיטה - לא תמיד ניתן למצוא כוכב, בהיר דיו, בשולי שדה הראייה  כדי לאפשר עקיבה.

הערה - ניתן להתקין מצלמת CCD  במקום העינית המוארת, ותוכנת המחשב תינעל על הכוכב ותתקן את הסטיות בעקיבה. שיטה זו אפשרית רק בטלסקופים הניתנים להנחיה באמצעות CCD. הודות ליעילות הגבוהה של מצלמת ה- CCD, ניתן לעשות עקיבה גם על כוכבים חיוורים.

צילום כוכבי לכת  וירח - צילום ירח  וכוכבי לכת, שבהירותם גבוהה, יכול להיעשות גם בטלסקופים קטנים, ואין צורך בזמני חשיפה ארוכים. זאת, בניגוד לצילום גרמי שמים עמוקים, בו יש חשיבות ליכולת איסוף האור של הטלסקופ. הירח קל מאוד לצילום, וזמני החשיפה נמדדים בחלקי שניות. גם כוכבי לכת ניתן לצלם בזמני חשיפה קצרצרים, אך לשם קבלת דמות גדולה ומפורטת, יש להשתמש בעינית הממוקמת בין הטלסקופ למצלמה. יש המשתמשים לשם כך בעינית בארלו  המאריכה את אורך המוקד של הטלסקופ. שיטה זו מכונה: הטלה (projection), כיוון שהדמות מוטלת על מישור המוקד באמצעות עינית . אולם, זמן החשיפה מתארך ומצריך מנוע, גם אם לא מדויק במיוחד.

מצלמת ה- CCD

מקור השם - charge-coupled device שפירושו - התקן צימוד מטענים. זוהי מצלמה שנכנסה לשימוש מסחרי ומסיבי מאוד, גם בידי חובבים, עם ירידת מחירי הציוד האלקטרו-אופטי. מצלמת ה- CCD  בנויה על העיקרון של שבב, עליו ישנה רשת תאים הרגישים לאור המכונים: פיקסלים (pixels). כאשר השבב נחשף לאור, כל פוטון הנופל על תא כזה, הופך למטען חשמלי. ככל שמספר הפוטונים הנופל על תא מסוים גדול יותר, כך יגדל המטען שבאותו תא. עם סיום הצילום, מועבר המידע על עוצמת המטען בכל תא ותא אל יחידת עיבוד, שמעבדת את המידע למידע ספרתי. המידע מועבר למחשב שהופך את המידע למידע חזותי. עם סיום התהליך, שאורך עשרות שניות לכל היותר, ניתן לראות את התמונה על צג המחשב.

היעילות של מצלמת ה- CCD  בקליטת פוטונים  על פני סרט צילום  רגיל היא בכמה מאות ואף אלפי אחוזים. נתון זה משתנה בהתאם לטיב השבב של מצלמת ה- CCD וסוג סרט הצילום. בגלל רגישותה, מצלמת ה- CCD האסטרונומית, המתוכננת לזמני חשיפה ארוכים, יחסית, חייבת להיות מקוררת לכמה עשרות מעלות מתחת לטמפרטורת החדר. ככל שהטמפרטורה שבה מצויה המצלמה, נמוכה יותר, קטן הרעש בצילום, הנובע מהפוטונים הנפלטים על ידי החלקיקים המצויים באוויר. היעילות הגדולה של מצלמת ה- CCD על פני סרט הצילום, מאפשרת להקטין את זמני החשיפה לכמה עשרות שניות, עד מספר דקות.

ניתן לנצל את העובדה שהמידע האגור במצלמת ה- CCD  הוא ספרתי ולעבד את התמונה כרצוננו. היתרון הגדול ביותר של יכולת העיבוד הספרתי הוא היכולת להפחית את אור הרקע של השמים (שהוא קבוע), ממספר הפוטונים המתקבל בכל תא ותא. באופן זה, גדלה הניגודיות של גרמי השמים. עקב כך מתאפשר צילום של ערפיליות חיוורות ביותר, גם מתוככי עיר מוארת מאוד.

לצילום באמצעות מצלמת ה- CCD  יתרון גדול: אפשר לדעת, במדויק ובאופן מיידי, את מספר הפוטונים שנקלטו בכל תא ותא מתאי המצלמה. באמצעות תוכנות מחשב, פשוטות יחסית, ניתן לנתח את המידע שאצור בכל תמונה, ולהפוך אותו למידע אסטרונומי. על ידי הזנת קוטר הטלסקופ ואורך המוקד שלו לתוכנה מתאימה, ניתן להמיר את מספר הפוטונים, שנקלטו בכל תא, ליחידות של בהירות  כוכבים, ואילו את המרחק בין פיקסלים לתאר במונחי זווית הראייה  ביניהם. דוגמאות לשימושים אפשריים של ניתוח מידע: מדידת בהירויות של גרמי שמים כגון כוכבים משתנים, אסטרואידים הסובבים סביב צירם ועוד. אסטרומטריה - מדידת מרחק זוויתי בין גרמי שמים, מיפוי עוצמות אור באזורים שונים של ערפיליות, גלקסיות , כוכבי לכת . המידע, האגור בצורה ספרתית, מאפשר את עיבוד התמונה ובאופן זה את שיפור איכותה, הגדלתה, הקטנתה, סיבובה סביב ציר, הצגת נתונים סטטיסטיים, היסטוגרמות ועוד. כל זאת, בעזרת תוכנות פשוטות, שחלקן זמינות ללא כל תשלום ברשת האינטרנט.

מכל אמור  לעיל, ברור מדוע הפכה מצלמת ה- CCD  לאביזר חיוני בבתי-ספר, במצפי כוכבים ולפריט חובה אצל חובבים המבקשים לבצע צילומים של גרמי שמים, גם מתוככי עיר מוארת, וזאת בזמני חשיפה קצרצרים. צילום  של גרם שמים, באמצעות שלושה מסננים צבעוניים  - כחול, ירוק ואדום, מאפשר, לאחר עיבוד מהיר, לקבל תמונה צבעונית 'בדיוק כמו בספרים' וכל זאת ללא צורך או תלות במעבדת צילום, סרטי צילום וחומרי פיתוח יקרים. להלן כמה נתונים החשובים בעת בחירת המצלמה והשימוש בה:

סוג ואיכות השבב -  שבבים רגישים לתחומי גל שונים. יש לוודא מהי היעילות הקוונטית של השבב והיכן מצוי שיא הרגישות. יעילות הקוונטית היא אחוז המקרים שבהם הפוטון המגיע לשבב אכן נקלט ויוצר מטען חשמלי.  יש שבבים שיעילותם הקוונטית קרובה ל-90% ויש כאלה שיעילותם כ-60%. גם לגודל השבב משמעות רבה – ככל שהשבב גדול יותר כך הוא יקלוט שטח גדול יותר מפני השמים. לגודל התא הבודד בשבב יש משמעות כאשר יש צורך לצלם צילום בהפרדה גדולה, אך יש להתחשב במגבלות ההפרדה הזוויתית המינימלית של הטלסקופ וכן בתנאי הראות. לעתים, דווקא כדאי לצלם בשיטה שמחברת בצורה לוגית כמה פיקסלים לפיקסל יחיד (binning).

קירור המצלמה – כדי להפחית את הרעש הנוצר על ידי אלקטרונים המצויים בסביבת השבב יש לקרר את המצלמה. במצלמות CCD מקצועיות יש מנגנון אלקטרוני המקרר את סביבת השבב  או שהן מקוררות בחנקן או הליום נוזלי. ככל שקירור השבב יעיל יותר, כך מתאפשר צילום ארוך יותר כאשר הרעש התרמי מופחת. במצלמות ייעודיות יש רישום של טמפרטורת השבב בעת הצילום וכן משך הצילום.

חשיפת "חושך" – טכניקה שבה מצלמים בדיוק באותו זמן חשיפה ובאותה טמפרטורה שבה צולמה התמונה, אך כאשר השבב מכוסה. שיטה זו הקרויה "תמונת חושך" (Dark Frame) נועדה להפחית את הרעש התרמי מהצילום.

צילום באמצעות מסננים – שיטה זו מקובלת על ידי הצלמים המקצועיים ובסיסה שימוש בשבב מונוכרמוטי, כאשר קבלת תמונת הצבע נעשית על ישי שימוש לסירוגין במסננים באור כחול, צהוב ואדום (RGB). באופן זה הפרדת הצבעים טובה יותר (במצלמה צבעונית, כל מערך של 2x2  פיקסלים יוצר פיקסל צבע אחד בומצלמה מונוכרומטית, כל פיקסל יוצר פיקסל צבע אחד. כך הפרדת הצבעים גדולה פי 4. באותה מידה מתאפשר שימוש במסננים ייעודים, המעבירים רק אורכי גל מיוחדים הנפלטים מאטומים מעוררים. באופן זה אפשר לקבל אור הנפלט רק מאזורים מסוימים בהתאם לפיזור החומר ורמת האנרגיה שלו. מסננים נפוצים הם באורכי גל של מימן, גפרית, חמצן (Ha, Hb, SII, OIII).

צילום  באמצעות מצלמה ביתית דיגיטלית

סוג זה של צילום הולך וכובש נתח חשוב בצילום הנעשה בידי חובבים. בעבר, צילום במצלמת פילם היתה השיטה הקלאסית לצילום גרמי שמים. היום סרט הצילום הוחלף בשבב המצוי במצלמה הדיגיטלית, אם כי רצוי לצלם על ידי מצלמת רפלקס, שבה הטלסקופ משמש כעדשה ראשית. השבב המצוי במצלמות הדיגיטליות רגיש יותר מסרט הצילום והוא זהה לאלה המצויים במצלמות ה-CCD. ההבדל העיקרי הוא שבמצלמות ביתיות השבב הוא צבעוני, אינו מקורר ולכן אינו יכול לשמש לחשיפות ארוכות בגלל התחממות שבב הצילום שבעת חימומו פולט קרינה הנקלטת על ידי השבב ויוצרת רעש. יתרה מזו, השבבים המצויים במצלמות הביתיות מכוסות במסנן תת-אדום. מסנן זה יעיל לצילומים נוף וטבע אך מפחית במידה ניכרת את אורכי הכל האדומים החשובים בצילום האסטרונומי. יש מעבדות המסירות את המסנן אך פעולה זו כרוכה בהוצאה כספית.

> > >