[Artigo] Astrofotografia para iniciantes

Dicas de Fotografia
#1

Dando início a esta série sobre astrofoto, vou falar um pouco sobre equipamentos e técnicas sobre o assunto. Vamos começar com equipamentos simples, e evoluir pros casos mais sofisticados.

Pra começar em astrofoto, a primeira coisa é gostar de olhar para o céu, ver coisas que não observava antes, e imaginar que existe muito mais coisas ali que o olho pode ver. Isso, por vezes é frustrantemente verdadeiro, pois várias vezes nosso objeto só vai ser visível na foto, ou ainda no dia seguinte.

Normalmente se pode começar simplesmente com um tripé, câmera e lente. Isso facilita grandemente as coisas, pois se pode aplicar a regra dos 500, 400 ou 300, a depender da resolução e tamanho do sensor: quanto maior a resolução/menor sensor, menor tem que ser o número. A regra é simples: a velocidade em segundos vai ser o número acima dividido pela distância focal da lente. Então, por exemplo, uma câmera FF de 12 Mp pode perfeitamente usar a regra dos 500. Sendo assim, esta câmera poderia fotografar as estrelas sem borrar usando uma lente 50mm com exposição máxima de 10 segundos. Com este equipamento (câmera e tripé), já dá pra fazer fotos da Via Láctea, da Lua e do Sol (USE FILTROS ESPECIAIS PRO SOL!!! Para um eclipse, pelo menos 16 pontos, ou 100.000x).

Esta regra funciona bem para lentes mais curtas, que ainda conseguem um tempo razoável de exposição. Quando se usa uma lente longa, a exposição fica muito curta. Usando a mesma câmera acima com uma lente 200mm, a exposição seria de no máximo 2.5 segundos. Isso considerando uma câmera já um tanto antiga, como a Nikon D700. A solução mais imediatista seria aumentar o ISO, para captar mais luz em menos tempo. Isso porém diminui a qualidade do sinal captado, por causa do ruído. No exemplo abaixo, puramente matemático, pode-se ver o efeito do ruído.

Note-se que embora os círculos maiores sejam bem idetificáveis mesmo com ruído maior, os objetos menores praticamente desaparecem. Isso significa que mesmo empilhando várias imagens (falo sobre isso mais tarde), aquele detalhe perder-se-á. Mas o exemplo mostra como é importante manter o ruído sobre controle. Ao se perder detalhes, estes nunca mais se recuperam. Veja que somente os detalhes permitiram a identificação de uma supernova por um astrônomo amador em 2018 (veja o pontinho que surge na imagem):

#2

Como vimos, é importante manter o ISO bem controlado. E para ver coisas distantes, são necessárias lentes (e telescópios) longos, e são necessárias longas exposições. Neste aspecto, é necessário o uso de algum mecanismo para mover a câmera ao contrário do movimento de rotação da Terra, de forma que a câmera fique parada em relação às estrelas. O mecanismo mais simples seria um desses aqui: Barn door tracker - Wikipedia . O conceito original usa um parafuso controlado manualmente e estende a exposição de uns poucos segundos até cerca de um minuto. Depois disso, erros inerentes ao mecanismo provocam divergência.

Um conceito mais refinado funciona com um relógio mecânico. Um desses já permite exposições de vários minutos:

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Para se conseguir exposições de vários minutos, é necessário um alinhamento cuidadoso com o eixo de rotação da Terra. Isto é conseguido por meio de alinhamento polar, que é auxiliado por meio daquele tubinho preto, mostrado em primeiro plano acima. Aquilo é um telescópio polar. Normalmente ele possui marcações que, de acordo com a data e hora, prevê a exata localização do polo, seja no hemisfério Norte ou Sul. Isso é o que se vê quando se olha por dentro de um telescópio polar:


Neste caso, o círculo, Cassiopeia e Big Dipper são visíveis no hemisfério Norte, e as Octans são (mal) visíveis no hemisfério Sul. O alinhamento polar é essencial para o sucesso deste tipo de fotografia.

É necessário também um cuidadoso controle da rotação do mecanismo, de forma a seguir o movimento dos astros. Notar que um dia não possui 24 horas exatas, mas sim 23 horas, 56 minutos e 4.09 segundos. Este controle pode variar de controle manual, baseado no ponteiro dos segundos do relógio até motores dedicados, com câmeras auxiliares que seguem as estrelas pixel a pixel (chamadas auto-guide).

Acima das montagens manuais e mecânicas, há as elétricas, com motores de passo e entradas para a tal câmera auxiliar citada acima. Estas são classificadas, entre outras coisas, pela capacidade de carga. Montagens mais simples, como essa aqui, possuem capacidade de carca de 3 a 5 kg, não contando com o contrapeso. Na foto, meu SkyWatcher Star Adventurer, câmera Fuji X-H1 e telescópio refrator SkyWatcher Evostar 72ED. Este conjunto já está no limite da capacidade deste tipo de equipamento.

Esta montagem possui um motor para rotação (que acompanha o movimento da Terra) e um mecanismo manual para declinação (perpendicular à rotação da Terra). Possui ainda funções de avanço “rápido” (que é bem lento, na verdade, só pra movimentações precisas), acompanhamento solar e planetário. Mas boa parte do enquadramento e acompanhamento é puramente manual.

Acima deste tipo, tem as montagens equatoriais computadorizadas (go-to equatorial mount). Eu uso uma Celestron AV-X, com capacidade de carga de 30 libras, ou cerca de 13.6 kg. Isso é suficiente para um telescópio de 8” (203mm) de diâmetro com câmeras, viewfinder e auto-guide.

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Este tipo de montagem tem um banco de dados e, quando alinhado e calibrado corretamente, depois pode apontar pra maioria dos corpos celestes já catalogados. A calibração neste caso significa que, após o alinhamento, a montagem pede que se apnte pelo menos uma estrela e se centralize com o equipamento ótico (câmera, ocular, etc) para que a montagem defina as correções das coordenadas celestes para todos os astros.

Mesmo montagens caras não acompanham, por si só, a rotação da Terra com precisão. Ruído elétrico, tolerâncias mecânicas e até mesmo uma leve brisa podem fazer com que a montagem erre no rastreio dos astros. Este pequeno erro em uma exposição de 4 minutos (por exemplo) significa 4 minutos perdidos na exposição geral. Este problema é resolvido com um auto-guider, que é o próximo assunto.

#3

O auto-guide pode controlar a montagem equatorial diretamente, por uma porta dedicada que usa um conector chamado ST-4, ou via portas USB de um computador. Ele é basicamente uma câmera pequena, de baixa resolução e boa sensibilidade, acoplada a um pequeno telescópio, fixado ao telescópio principal.

Existem kits prontos para isso, como esse aqui, que são leves e muito bons:

Eu comprei um kit igual ao acima em abril que ainda não chegou, e nem saiu da China até hoje (18/6). Como solução “barata”, mas que funcionou surpreendentemente bem, fiz um arranjo que consiste em um módulo de câmera Sony IMX290, montado em um case impresso em impressora 3d, cinza brilhoso (projeto meu, muito obrigado), e acoplada ao telescópio por um encaixe Vixen (também projetado por mim, branco e cinza brilhoso), um padrão de rabo-de-andorinha muito usado em equipamento de astronomia):

O equipamento completo fica assim:

O auto-guide (ou auto-guider, ou autoguider) permite exposições de duração indefinida, desde que não hajam perturbações, tais como ventos fortes ou nuvens. Enquanto a câmera principal fica capturando a imagem desejada durante vários minutos, a câmera auxiliar do auto-guide faz fotos muito mais curtas (1 a 2 segundos) e, a cada mudança de posição detectada das estrelas, ele faz as correções necessárias, por meio de software rodando em um PC, conectado tanto à câmera quanto ao mount:


A linha azul mostra os desvios na rotação paralela à Terra, e a linha vermelha, em relação ao eixo perpendicular. As barras mostram as correções feitas pelo software. No arranjo que mostrei acima, mostrando meu PC, digitar levemente no computador já causa aumento significativo das correções. No alto, a imagem mostrada pela câmera do auto-guide.

#4

Finalmente, vamos falar sobre as câmeras!!!

A princípio, qualquer câmera moderna pode ser usada pra astrofoto. Como já visto, bom desempenho em ISO elevado não é necessariamente importante, embora facilite em tornar a atividade mais rápida. Mais importante é a sensibilidade ao espectro de luz. A maioria das câmeras normais é sensível ao espectro visível (do vermelho ao violeta), e capta bem as estrelas; isso inclui boa parte das galáxias (Via Láctea inclusive). Porém existe uma grande quantidade de objetos celestes cuja cor está no limite do espectro visível, pois é emitida por partículas de hidrogênio-alfa (hα), que é a transição entre dois níveis específicos de energia dos átomos de hidrogênio, e compõe a maior parte das nebulosas. Este fenômeno ocorre quando matéria (átomos de hidrogênio) se forma a partir de prótons e elétrons. Quando eles começam a “dançar” juntos, luz é emitida.

Para capturar esta luz específica, ou se usa câmeras full-spectrum, cujo filtro passa-banda é removido na frente do sensor, em conjunto com filtros especiais; ou câmeras dedicadas. Canon e Nikon possuem câmeras dedicadas para este tipo de fotografia; estas câmeras permitem uma passagem maior de luz na cor vermelha/infra-vermelho.

https://which-canon-camera.com/wp-content/uploads/2013/01/60DA-Sample.jpg

Pode-se usar câmeras comuns também, mas a capacidade de absorver esta luz específica é menor que em uma câmera dedicada. Ao usar uma câmeras dedicada no “mundo real”, a cor da imagem será avermelhada, sendo necessário usar um filtro específico para o uso destas câmeras para fotografia normal.

Desta forma, é necessário saber o que se quer fotografar para usar a melhor combinação câmera e filtros. O telescópio Hubble, por exemplo, fez duas fotos dos Pilares da Criação, em luz visível e em infravermelho. Olha a diferença:
Infravermelho:


Hidrogênio (vermelho), Oxigênio (azul) e Sódio (amarelo):

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Além dos aspectos de imagem da câmera, há os aspectos de controle da mesma. Aqui na verdade está a maior diferença entre as marcas. A Canon está claramente à frente neste assunto, fornecendo farta base para controle da câmera por um computador. É possível automatizar as rotinas de fotos por software, e é possível analisar as imagens para indetificar astros e auxiliar no enquadramento de objetos distantes: imagine ter que enquadrar corretamente uma imagem usando um telescópio de 2500mm de distância focal sem analisar as imagens…

A Fuji, que eu uso, está bastante atrás neste aspecto. Apesar de permitir o tethering, este é bastante dificultado: ao fazer tethering, não consigo usar o intervalômetro embutido, e o modo bulb não funciona. Além disso, o sensor X-Trans é rico em verde, em detrimento do azul e vermelho das outras marcas. Há relativamente pouco verde no Universo. A Nikon está em algum lugar no meio: não tem tanta flexibilidade quanto a Canon, mas definitivamente mais que a Fuji.

Depois continuo, falando sobre tipos de telescópios e sobre técnicas de processamento de imagens.

#5

Show Felipe !

É bom para mostrar pra galera queAstrofoto não é simplesmente apontar a camera para o céu !

#6

Éhhh e quem sabe o meu amigo Antonio se anima pra colocar um pouco do que sabe pra fora, não???
:ok:

#7

Muito bom Felipe, tenho que ler com calma, muita informação, obrigado!!!

#8

Haha não sou nenhum expert na área e já tem anos que não brinco mais com essas coisas, fiz bastante coisa em filme mas deu fungo em tudo, fazia em Petrópolis onde é úmido pra caramba. Fiz só umas brincadeiras com digital, mais de campo amplo.

Tive três telescópios, um refrator japonês de 60mm de diâmetro com CF de 900mm que era ótimo para observações planetárias, depois um refletor Meade de 114mm / 600mm que era uma bosta e o último foi um Celestron C90 Mak bem compacto mas muito fresco para ajustar. Os dois primeiros eu dei, e o último vendi, mais por morar no Rio e aqui ser impossível ver alguma coisa, muita luz, poluição e névoa marítima.

De vez em quando vou la para o planalto de Itatiaia e assim dá para fotografar alguma coisa interessante mesmo com digital.

Um objeto bem desafiador, que pode ser fotografado com uma teleobjetiva é a nuvem molecular de rho ophiucus. Com uma 150mm 2.8 já dá para conseguir imagens interessantes. Quando saem direitas são de um colorido incrível ! Tem dois aglomerados globulares bem na ponta da cauda do escorpião bem bacanas mas aí já precisa de uma ampliação bem maior ou um crop.

Meus “alvos favoritos”

  • M45 (Pleiades, em Touro)
  • M32 (Galáxia de Andromeda)
  • M42 (Neb. de Orion)
  • M8 (Neb. Lagoa)
  • NGC 3372 (Neb. Carina)
  • M6, M7 (Aglomerados globulares, cauda do escorpiao)
  • NCG5139 (Omega Centauri)
  • 47 Tuc

Hoje em dia com stacking fica relativamente fácil de fotografar.

#9

Tem alguma coisa que possa ser fotografado de uma cidade grande como Sampa???

#10

Muito bacana, parabéns pela iniciativa. :clap:

Acompanharei atentamente. :slight_smile:

#11

Ter, tem. Mas é bem difícil, fotografia em banda estreita. Como entra pouca luz, é difícil focar, enquadrar e as exposições são mais demoradas.

#12

Muito bacana Felipe!! Ótima iniciativa e parabéns pelo conteúdo de alto nível :clap:

#13

Fora o pós processamento depois. Acho muito trabalho para pouco resultado. Em grandes cidades geralmente tem o problema de poluição atmosférica, névoa, etc.

Se morar em prédio então, aí tem vibração garantida.

#14

Muitos anos atrás cheguei a fazer alguns dos meus instrumentos mas é algo que demanda muito tempo e técnica, cheguei a preparer espelhos e lentes.

Um amigo da minha mãe, falecido em 2018 era engenheiro ótico e foi alto funcionário da DF Vasconcellos. Me ensinou várias coisas, cara legal. Ele tinha em casa equipamento para polir lentes, espelhos e uma câmara de vácuo e evaporador para coating, uns brinquedinhos interessantes. Mas o equipamento já não estava mais em condições de uso, nem sei o que a família fez com essas coisas depois.

Tem uma turma DIY braba em astronomia, que faz tudo que usa, mas aí tem que ter uma grana preta. Fora a parte ótica, que eu compraria pronta em partes, tem toda a parte eletrônica e mecânica que eles fazem, tipo peças feitas em equipamento CNC, corte a laser e por ai vai.

A parte ótica eu gostava muito desses caras aqui: https://www.edmundoptics.com/
Eles fabricam espelhos, lentes, suportes e tem umas oculares tipo RKE excelentes.

Resumindo dá para se divertir muito, mas exige tempo e grana.

#15

Estranho a gente nunca ter se esbarrado na faculdade (pra quem não sabe, eu e o AFShalders fomos da mesma faculdade, em cursos parecidos, na mesma época). Eu cheguei a propor um projeto final conjunto: eu iria propor uma máquina pra polir espelhos, e um amigo iria propor um sistema go-to pro telescópio que iríamos fazer. No final das contas, fizemos projetos mais fáceis, pra sair logo da faculdade.

Hoje em dia eu fabrico vários dos meus adaptadores, mas nada ótico. Tudo em impressora 3d.

#16

Felipe:
Obrigado por compartilhar tanta informação interessante!

#17

muito massa esse tópico… parabéns Felipe!

Só não entendi porque ele está aqui no Papo Furado e não no Arte Fotográfica…

#18

Era pra ir pra área de artigos e tutoriais, mas ainda não foi… Tenho que continuar escrevendo, mas tenho estado ocupado com outras atividades.

#19

Haha pra sair de lá, melhor não complicar !!!

Meu sonho de consumo nos anos 80 era um Questar de 3.5", pequeno mas com uma resolucão absurda. Dá uma olhada nos preços hoje em dia no ebay…

#20

Hora boa para falarmos um pouco sobre processamento. Astrofoto normalmente se vale de empilhamento, de forma que o sinal se some (ou se confirme), e ruído se anule.

Objetos de espaço profundo têm luz fraca, necessitando de vários minutos de exposição pra capturar luz. Neste caso também o software que faz o empilhamento se vale da posição das estrelas pra alinhar corretamente as várias exposições. Já objetos do sistema solar são muito mais claros. Essa Lua aí (ver a foto no tópico da citação do Gabriel), por exemplo, foi “fotografada” com quadros de 1/1000 e ISO 200. Então uma maneira prática de se capturar dados de maneira rápida e eficiente é filmar o astro e depois extrair/empilhar os quadros.

Um exemplo interessantíssimo de foto planetária está nessa página aqui. Veja o comparação do vídeo de entrada com a foto de saída. É impressionante como tanto dado pode sair de uma filmagem tremida:

O processo básico é mais ou menos esse:

  1. Captura
  2. Pré-processamento
  3. Empilhamento
  4. Edição final.

A captura é mais ou menos como esperado: faça-se as fotos, usando o ISO mais baixo possível para capturar sinal suficiente. Uma regra prática é que o pico do histograma fique entre 1/3 e 1/2 da faixa, do lado mais escuro. Em caso de foto planetária (inclusive a Lua), como as exposições são muito rápidas (1/200 a 1/2000), fica conveniente fazer um filme com várias exposições em poucos segundos. A mesma técnica vale pra fotografar relâmpagos: pode-se filmar por vários minutos, depois separar e empilhar os quadros que contêm raios.

O pré-processamento depende de alguns fatores: por exemplo, os raws das minhas câmeras Fuji têm um pouco de problema com o conversor de raw, então eu prefiro converter meus raws pra tiff, e então empilhar os tiffs. Durante o pré-processamento também são aplicados dark, flat e bias frames. O que é cada um desses?

Dark frames são fotos feitas com mesma duração, mesmo ISO e
mesma temperatura
 dos quadros de luz (light frames, que contêm corpos celestes), porém com a câmera tampada, de forma a não entrar luz nenhuma. Estes também são empilhados, a fim de fazer um perfil de
ruído de leitura de sinal
 (veja “bias frames” abaixo) da câmera, naquelas condições. Equivale a fazer fotos com “long exposure noise reduction”; porém os dark frames são usados pra não perder tempo útil de captura de luz durante a noite. Note que o ruído varia com a temperatura; logo, os dark frames devem ser tirados na mesma temperatura dos quadros de luz.

Flat frames são feitos com o equipamento ótico completo, no mesmo ajuste focal, contra um fundo branco uniforme. Estes são usados pra compensar vinheta na foto, de forma que a imagem fique toda uniforme. Eu normalmente uso o fotômetro no zero pra esses quadros.

Os bias frames são um tiquinho mais difíceis de explicar, mas vou explicar a partir dos dark frames: estes são usados pra remover o ruído de leitura do sensor. Os bias frames têm por objetivo remover ruído elétrico do circuito. Quando se faz uma foto, o sensor é energizado, daí começa a exposição, termina a exposição e o sinal é amplificado e tratado pra virar arquivo. Durante esta amplificação, também há introdução de ruído, embora de natureza diferente. Então, os bias frames são feitos com mesmo ISO dos quadros de luz, porém com a câmera tampada (igual aos dark frames), porém com a velocidade mais alta possível. Exemplo de um bias frame, em que eu aumentei a exposição em 12 pontos do quadro bias original:

Pode-se ver que há áreas, especialmente na base da imagem e na área dos sensores de foco, onde a imagem ficou diferente. O objetivo dos bias frames é compensar estas diferenças.

Ufa, falamos só do pré-processamento até agora! Depois vem o empilhamento, que consiste em sobrepor as imagens, baixando ainda mais o ruído e aumentando o nível de detalhe.

Finalmente, a imagem empilhada é processada a fim de melhorar a cor e contraste da imagem final. Sobre o processamento, é uma longa história. Eventualmente eu chego lá.