Астрофотографія — це не лише про красиві космічні зображення, що подивовують і заворожують. Це й про фіксацію Всесвіту, яким він був у минулому — тисячі, а то й мільйони років тому. Такі знімки цікаві не лише любителям космосу чи аматорам астрофотографії, а й професійним астрономам, адже дозволяють фіксувати зміни у космосі — від руху комет до спалахів наднових. До того ж це спосіб впіймати те, що розташоване над головою, проте непомітне для людського ока.
Щоб з’ясувати, як отримують такі світлини, ми поговорили з Ігорем Сальніковим — астрофотографом, фізиком та інженером, співробітником астрономічної обсерваторії Львівського національного університету імені Івана Франка. Захоплення пана Ігоря астрономією почалося ще в шкільні роки, у Криму, де він відвідував астрономічний гурток при аматорській обсерваторії — згодом навіть викладав там сам і був співголовою Сімферопольського товариства аматорів астрономії. У Львівській астрономічній обсерваторії він працює вже понад п’ять років: спостерігає за Сонцем та іншими космічними об’єктами, налаштовує телескопи, проводить екскурсії й популяризує астрономію. Раніше разом з Ігорем Сальніковим ми пояснювали, як працює фізика фотографії — від витримки до ISO. У сьогоднішньому матеріалі астроном поділиться власними знімками, а також технічними секретами, які використовував під час зйомки.
Витримка, діафрагма, ISO — кілька слів про експозицію в астрофотографії
Перш ніж милуватися чарівними знімками й занурюватися в тонкощі їхньої зйомки, нагадаймо собі основні параметри фотокамери:
Експозиція — це кількість світла, що потрапляє на світлочутливий матеріал за певний час і складається з трьох взаємопов’язаних параметрів: витримки, діафрагми й чутливості.
Витримка — це час, за який сенсор «бачить» світло.
Приклад довгої витримки: ISO 100, f/16, витримка — 30 секунд. За цей час помічник повернув башту з відкритими стулками, що дало змогу побачити весь телескоп. ©Ігор Сальніков
Діафрагма — це отвір, який працює, як зіниця ока (в темряві розширюється, а при яскравому світлі звужується), і від якої залежить глибина різкості й скільки світла потрапить у камеру.
ISO — параметр, що визначає, наскільки чутливими є плівка чи сенсор до світла. Саме через високий ISO з’являється цифровий шум — зернисті плямки на фотографії.
Більшість методів астрономічної фотографії ґрунтуються на довгих експозиціях: під час зйомки плівка або сенсор не просто фіксує, а накопичує фотони, що надходять упродовж тривалого часу, формуючи з них зображення об’єктів, які занадто слабкі, щоб побачити їх неозброєним оком.
Як завдяки астрофото ми помічаємо зміни
Коли з’явилася фотографія і світлочутливість плівки стала достатньою, щоб фіксувати зорі, почалася нова епоха астрономії. Перші астрономічні знімки датуються серединою XIX століття. У 1840-х роках астрономи зняли Місяць1, а згодом — і Сонце2, використовуючи . Наприкінці століття фотографія вже дозволяла фіксувати навіть туманності та зоряні скупчення. Люди вперше змогли побачити туманності, яких не видно оком, і почали створювати перші каталоги — не змальовані з пам’яті чи через окуляр телескопа, а справжні фотографічні архіви неба.
Одним із перших таких об’єктів стала Крабоподібна туманність (M1). Це залишок вибуху зорі, яка розлетілася в космосі на гігантські відстані — її розмір вимірюють у світлових роках. Її вперше зафіксував англійський астроном Джон Бевіс у 1731 році3, а потім, у 1758, вона стала першою в каталозі Шарля Мессьє під номером M1. Перше відоме фото Крабоподібної туманності зробив вельський інженер, бізнесмен та астроном-аматор Ісаак Робертс у 1892 році4.
Крабоподібна туманність ©NASA's Marshall Space Flight Center
На земному масштабі її зміни майже непомітні. Але якщо взяти знімки, зроблені сто років тому і сьогодні — видно, що оболонка повільно розширюється. Ми буквально бачимо, як туманність росте — і все це завдяки фотографії. Замалювати чи побачити це неозброєним оком було б неможливо.
Крабоподібна туманність, фото 1942 року ©Sky and Telescope
Астрофотографія: плівка та цифра
Раніше, щоб зробити астрофотографію, пан Ігор брав плівку ISO 400 — досить чутливу (були й 1000–1600, але з грубшим зерном) — і знімав упродовж десяти хвилин, за які світло встигало накопичитись. Діафрагму тримав лише трохи прикритою: якщо «закрутити» занадто, навіть десяти хвилин не вистачило б — пройшло б надто мало світла.
А щоб комета не «попливла», упродовж усієї зйомки він гідував — повільно коригував положення телескопа, стежачи, щоб об’єкт залишався на одному місці в полі зору. Це потрібно тому, що Земля постійно обертається, і навіть під час кількахвилинної експозиції зорі поступово зміщуються. Якщо не компенсувати цей рух, вони перетворюються не на точки, а на короткі смуги. Раніше астрономи робили це вручну, орієнтуючись через допоміжний окуляр або шукач, тепер же цю роботу виконує автоматична гідувальна камера, що надсилає телескопу точні команди для корекції.
Фото комети Гейла-Боппа, березень 1997 року. Кольорова плівка ISO 400, об’єктив Юпітер-37А, діафрагма f/5.6, витримка — 10 хвилин. Гідування здійснювалося по ядру комети. ©Ігор Сальніков
У таких зйомках глибина різкості не має значення: усі небесні об’єкти настільки далекі, що камера фокусується просто «на нескінченність», і різкими виходять і зорі, і комети, і галактики. Є ще один цікавий плівковий ефект, про який знають не всі — так званий ефект Шварцшильда5. Він проявляється під час дуже довгих експозицій: через хімічну природу емульсії плівки здатність накопичувати світло (реєструвати фотони) з часом падає — і тому, хоча експонометр показує, наприклад, три хвилини, на практиці може знадобитися п’ять або більше. У цифрових камерах такого ефекту немає — їхній сенсор має сталу чутливість, але натомість з’являються інші проблеми, як-от нагрівання та термошум. І це не «красиве» плівкове зерно, а кольорові точки й артефакти, які псують кадр.
Тому астрокамери для слабких об’єктів оснащують активним охолодженням — по суті, електронним холодильником, який опускає температуру сенсора приблизно на 20 градусів чи більше відносно довкілля. Сенсор стає стабільним, шум не лізе, і тоді можна спокійно інтегрувати світло хвилинами й навіть годинами. Головне — не переборщити: яскраві зорі у надто довгій експозиції можуть «залити» все довкола.
Також сьогодні популярною є ще одна стратегія: серія коротких експозицій з оптимальними параметрами й подальше стекування — тобто складання кадрів. Камеру встановлюють так само, але замість однієї довгої витримки роблять десятки чи сотні коротких. Потім програма вирівнює кадри, складає їх і поступово «витягує» слабкі структури, не даючи зорям пересвітити.
Щоб така техніка працювала, важливо правильно вибрати ISO. Підвищуючи ISO, ми збільшуємо чутливість сенсора, але водночас підсилюємо й шум. Тому астрофотографи шукають своє «робоче» ISO — таке, на якому деталі ще не губляться, а шум можна акуратно прибрати під час обробки. Раніше для більшості камер верхньою межею було ISO 3200, сьогодні ж — значно більше, але принцип незмінний: баланс між чутливістю, витримкою та якістю.
Тож сучасна астрофотографія — це поєднання технологій і терпіння. Спочатку — сотні коротких кадрів, які потім складаються у спільне зображення. Потім — оптика, фільтри, корекції. І все це — для того, щоб показати те, чого ми не бачимо оком, але що завжди над головою.
Комета C/2023 A3 (Tsuchinshan-ATLAS) © Ігор Сальніков
Цю комету пан Ігор знімав у Львові, й коли виклав фото в фейсбук, то хтось із користувачів засумнівався, що її можна побачити з міста, й навіть написав про це пост. Втім, якщо знати, як спіймати таку комету в об’єктив, усе стає можливим. У цьому випадку зйомка велася з даху серією з десяти кадрів по кілька секунд кожен, із витримкою, підібраною за , щоб зорі залишалися точками, а не «розмазувалися» по небу. Потім кадри було складено програмно: окремо — пейзаж, окремо — небо, щоб підвищити кількість світла без розмиття. Так народилося зображення комети, яку оком в умовах засвіченого неба у місті було майже не видно.
У цій роботі довелося шукати баланс: коротка витримка, мінімум зерна, достатня яскравість, щоб передати максимум світла й не втратити деталі. І хоча залишилися невеликі артефакти від обробки — без них не обходиться жодна астрофотографія.
Про лінзи, спотворення світла й чорно-білі камери
Кожен об’єктив, навіть найдорожчий, спотворює зображення — і ці спотворення бувають різні. На краях кадру зорі можуть втрачати круглу форму і набувають витягнутого, хвостатого вигляду. Це явище називається кома. Що якісніша оптика, то менша кома. Частково її можна зменшити, прикривши діафрагму — тоді різкість покращується.
Інший тип спотворення — хроматична аберація. Лінза розкладає світло на спектр, як призма, і кожен колір фокусується трохи в іншій точці. Через це яскраві зорі чи інші об’єкти отримують кольорові ореоли, схожі на веселку. Для людського ока це навіть може здаватися гарним, але для астрофото — це втрата різкості.
Коли астрономи знімають Сонце, часто ставлять зелений фільтр. Адже людське око найчутливіше саме до зеленого діапазону спектра. Він забезпечує максимальний контраст і деталізацію, а також добре передає структуру фотосфери — грануляцію, плями, край диска — без пересвічування чи затемнення. В астрономії зелений фільтр став стандартом для візуальних спостережень і зйомки, бо найкраще підкреслює дрібні деталі на сонячному диску. Отож картинка стає не лише «чистішою», а й оптично точнішою. Різкість повертається, хроматична аберація зникає.
Такі аберації можна частково прибрати й програмно. Кожен сучасний об’єктив має свій , який можна завантажити в програму, і вона автоматично компенсує спотворення: коми, аберації, навіть подушкоподібну дисторсію (викривлення) по краях кадру. Це можна зробити вручну або автоматично.
Результат обробки та стекінгу 300 кадрів Сонця — поєднання зображень для зменшення шуму та покращення деталізації сонячної поверхні ©Ігор Сальніков
Кольорове зображення в більшості цифрових фотоапаратів отримують за допомогою матриці, яка оснащена мозаїкою кольорових фільтрів. На відміну від них, професійні астрономічні камери у своїй більшості є монохромними — вони не мають кольорових фільтрів перед світлочутливими пікселями. Адже наука шукає точність, а не красу. Колір лише заважає: він додає шум і спотворює спектр. Коли ж треба створити кольорове зображення чорно-білою камерою, знімають через три різні фільтри: червоний, зелений і синій (RGB), а потім об’єднують ці кадри в редакторі. Так отримують природний колір, але зі значно кращою роздільною здатністю і різкістю, ніж на звичайних кольорових сенсорах.
Якщо потрібно дослідити певну ділянку спектра, астрономи ставлять вузькосмуговий фільтр, який пропускає лише потрібне світло. Саме через нього ми можемо бачити на Сонці , факели й структуру поверхні. Але такий фільтр — це не шматок скла, а складний прилад із власним охолодженням і термостабілізацією. А ще професійний варіант такого фільтра важить стільки, що одній людині його важко підняти.
Світло, що долає тисячоліття
Астрофотографія не просто дозволяє фіксувати далекі об’єкти — вона відкриває для нас різні часи Всесвіту. Світло від деяких туманностей і галактик іде до нас сотні тисяч років, тож ми бачимо їх такими, якими вони були, а не такими, якими вони є зараз. Навіть Сонце ми бачимо із затримкою у вісім хвилин — саме стільки потрібно світлу, щоб дістатися до Землі.
Іноді в телескоп можна побачити спалах наднової — зорі, яка вибухнула. Здається, це сталося сьогодні, але насправді вибух міг відбутися сотні тисяч або мільйони років тому — просто світло від нього дійшло до нас лише зараз. Один із таких кадрів — зоря в галактиці Вертушка (M101), спалах якої астрономи зафіксували у травні 2023 року. Насправді вона спалахнула приблизно 21 мільйон років тому, але ми побачили це лише у 2023 році, коли світло нарешті досягло Землі.
Вибух наднової, який ми побачили через 21 мільйон років. Телескоп Celestron CPC 925 камера ZWO ASI174MM Mono. © Ігор Сальніков
Фото зроблене нашвидкуруч — воно радше технічне, але навіть на ньому видно, як у галактиці з’явилася нова яскрава точка. Вона світилася майже два роки, а потім згасла. І лише усвідомлення масштабу змушує зрозуміти: ми дивимось у минуле на мільйони років.
