Schmalband und schnelle Teleskope

Seit einiger Zeit verwende ich normale Schmalbandfilter mit meinem schnellen Newton Teleskop und war mit den Ergebnissen eigentlich immer recht zufrieden, auch wenn mir bewusst war, dass es für Teleskope mit großem Öffnungsverhältnis spezielle Filter gibt, sogenannte Highspeed-Filter.

Vor einiger Zeit wollte ich von der Tulpennebel-Region eine Detail-Aufnahme mit dem langsameren APO anfertigen, und hatte mit Blick auf die zuvor spendierten 22 Stunden mit dem schnelleren Newton keine großen Erwartungen. Beim Betrachten der ersten Schmalband-Subs war ich allerdings mehr als überrascht, da mit ungefähr einem Drittel der Belichtungszeit ein ähnliches Ergebnis erreicht werden konnte:

Bei den Farbkanälen und der Luminanz spielt der Newton natürlich seine Vorteile voll aus, doch die Stacks der Schmalband-Aufnahmen des Refraktors hatten trotz kürzerer Belichtungszeit feinere Schattierungen und zeigten auch mehr Details als dies durch die längere Brennweite erklärbar war.

Kann das an den Filtern liegen? Könnten Highspeed-Filter diese Situation verbessern? Aber was sind überhaupt Highspeed-Filter?

Diese speziellen Filter unterscheiden sich von regulären Filtern nur in einer Eigenschaft, nämlich dass die mittlere Bandpass-Wellenlänge ein paar Nanometer in Richtung längerer Wellenlängen (rot) verschoben ist. Bei den in diesem Vergleich genutzen Filtern (Antlia 3nm) sahen die Transmissions-Plots so aus:

Die nominelle Wellenlänge für H-Alpha-Emissionen liegt bei 656,3nm, bei meinem Exemplar sind es gemessen 656.45nm (die Mitte bei 50% Transmission). Bei dem Highspeed-Filter hingegen liegt sie bei 657,70nm, ist also 1,4nm verschoben. Verwendet habe ich die Transmission-Plots, die meinen Filtern beilagen nd vertraue darauf, dass diese korrekt sind.

Der Grund für diese Verschiebung liegt im Strahlengang eines jeden Teleskops. Bei Systemen mit großer Öffnung und kürzerer Brennweite laufen die äußeren Lichtstrahlen verhältnismässig schräg durch den Filter, wodurch dieser Lichtstrahl vom Filter mit einer anderen Wellenlänge "wahrgenommen" wird. Bei langsameren Teleskopen mit grundsätzlich steilerem Einfallswinkel liegt diese noch immer im Durchlassbereich.

Bei schnelleren Optiken wandert die Wellenlänge mit zunehmendem Radius jedoch langsam aus dem Durchlassbereich hinaus und wird entsprechend vom Filter blockiert, die Gesamt-Transmission der Nutz-Photonen sinkt.

Viel zu lange war ich davon überzeugt, dass diese reduzierte Transmission durch entsprechend mehr Integrationszeit zu kompensieren sei, aber die Sachlage ist leider doch etwas komplexer.

• Zum Einen ist nur die interessierende Emissionslinie von diesem Shift betroffen. Die eigentlich wegzufilternden Photonen stören sich nicht daran, entsprechend sinkt der SNR (Signal-to-Noise Ratio).
• Die Transmission sinkt mit dem Radius der Öffnung, dies ist aus zweierlei Aspekten fatal. Einmal haben die äußeren Radien aufgrund ihrer größeren Fläche einen besonders hohen Anteil an der Gesamttransmission. Viel wichtiger ist allerdings, dass die effektive Auflösung über die Größe der Öffnung bestimmt wird. Werden die äußeren Bereiche weggefiltert, reduziert sich unweigerlich die Auflösung.
• Die meisten Spiegelteleskope haben zudem eine mehr oder weniger große Abschattung in der Mitte der Öffnung. Dadurch wird ausgerechnet der Bereich geblockt, bei welchem der Filter die höchste Transmission besitzt.

In der Praxis sah das bei meinem schnellen Newton Teleskop dann so aus, dass er mit den regulären Schmalband-Filtern eine deutlich längere Integrationszeit verlangte, wie der eigentlich langsamere f/5.8 Refraktor. Zusätzlich erschien auch die Winkelauflösung geringer. Schaut man auf die Transmissionskurven, dann fällt diese außerhalb von 90mm Durchmesser unter 50%.

Tatsächlich habe ich Versuche mit einer 100mm Maske durchgeführt, welche kaum einen Einfluß auf die Schmalbanddaten hatte, diese jedoch tatsächlich etwas besser abgebildet wurden. Aber das kann natürlich keine Lösung sein.

Also besorgte ich mir kurzerhand einen Hydrogen-Alpha-Filter in der Highspeed-Ausführung und machte einige direkten Vergleiche in der selben Nacht, also unter identischen Bedingungen. Als Target wählte ich die Region um den Pferdekopfnebel (IC434), da hier sowohl schwache, sehr sanft auslaufende Regionen zu finden sind aber auch recht helle mit kontrastreichen Strukturen.

Mit Sternen sieht das mit jeweils zweimal 5 Minuten dann so aus:

Im direkten Vergleich ist mehr als deutlich zu sehen, wie sich die H-Alpha-Regionen mit dem Highspeed-Filter sehr viel deutlicher vom Hintergrund abheben. Feine Strukturen, die mit den normalen Filtern kaum zu erahnen sind, treten mit den Highspeed-Filtern sehr viel deutlicher hervor.

Noch viel deutlicher wird es, wenn man die sternbefreiten Versionen vergleicht und noch einen NoiseXTerminator darüber laufen lässt. Für dieses Beispiel habe ich am Ende auch noch einmal eine STF, also eine automatische Kontrastanpassung, durchgeführt, wodurch die Kontraste sehr stark angehoben wurden, um die Unterschiede noch deutlicher zu machen:

Um festzustellen, ob man den Nachteil des falschen Filters durch eine längere Belichtung ausgleichen kann, besteht der linke Stack tatsächlich aus vier Subs, ist also doppelt so lange belichtet, wie die Highspeed-Variante. Aus meinen Erfahrung mit der hiesigen Lichtverschmutzung müsste vermutlich die Belichtungszeit ein weiteres Mal verdoppelt werden, um zumindest die sanften Schattierungen zu bekommen.

Wer ganz genau hinschaut, erkennt den Rest einer Satellitenspur im rechten unteren Quadranten, welche in beiden Versionen auftaucht, da die Subs abwechselnd aufgenommen wurden.

Wird hineingezoomt, fallen auch feine Unterschiede in den Details auf, insbesondere in der Schärfe. Außerdem sehen wir hier ein Problem der für die Optimierung gerne genutzten AI Tools, die bei Unsicherheit auch Strukturen im Rauschen hervorheben können, welche in Realität längst nicht so stark ausgeprägt sind. Sehr deutlich fällt dies hier bei dem hellen Fleck rechts neben der Mitte auf.

Der helle "Fleck" ist ein Rest von NGC2023, einem relativ hellen Reflexionsnebel, bei dem die Sternentfernung ein wenig unterschiedlich gearbeitet hat. Die im Anschluß ausgeführte Rauschreduzierung interpretierte diese Artefakte dann unterschiedlich als Signal.

Im finalen Bild dürfte das vermutlich nicht in's Gewicht fallen, da andere Kanäle deutlich Heller sind, wie man hier sieht.

Siehe auch Im Orion von 2022.

Um eine etwas verlässlichere Datenbasis zu bekommen, sammelte ich auch noch einmal 1,6 Stunden vom Flammenstern-Nebel, den ich vor exakt einem Jahr bereits fotografiert hatte. Damals sammelte ich 3,3 Stunden H-Alpha, allerdings bei Vollmond und offensichtlich reichlich Luftfeuchtigkeit (Sternhalos). Der neue Stack enthält Daten aus 1,6 Stunden bei 50% Mond. Die deutlichen Unterschiede lassen sich jedoch nicht nur durch den Mond erklären:

Im Vergleich zu den Sternen, welche sicher eine gute Helligkeitsreferenz darstellen, ist auch hier ist das Signal bei den Highspeed-Filtern deutlich intensiver.

Entfernt man die Sterne, sieht der Direktvergleich mit aktualisiertem Stretch folgendermaßen aus:

Auch hier fällt im direkten Vergleich die der Sternentfernung geschuldeten fleckigen Bereiche auf, ich vermute, damals hatten diese mehr Halo als die neuere Aufnahme. In jedem Fall sehen die zarten Bereiche mit dem Highspeed-Filter deutlich gefälliger aus, trotz der halben Integrationszeit.

Und das setzt sich dann auch beim Hineinzoomen fort, wobei die Aufnahme mit dem regulären Filter aufgrund der reduzierten Auflösung auch tatsächlich wieder etwas unschärfer erscheint:

Ich hatte dann noch den Gegentest am Refraktor durchgeführt und war einigermaßen beruhigt, dass der Highspeed-Filter dort keine signifikanten Nachteile bringt. Zwar reduziert sich die Transmission um grob 15%, doch das lässt sich durch entsprechend mehr Belichtungszeit problemlos ausgleichen.

Leider stand IC434 zu dem Zeitpunkt schon recht niedrig und es sind bei dem kurzen Test einige Schleierwolken durchgezogen, welche natürlich im Direktvergleich auffallen. Mir war nur wichtig zu sehen, dass sich die Transmission nicht wesentlich unterscheidet. Falls ich das Experiment wiederhole, werde ich diese Aufnahmen aktualisieren, für den Moment muss es reichen.