Tutorial de Astrofotografía

La astrofotografía es un hobby que está ganando popularidad rápidamente gracias al rápido avance de la tecnología de sensores CMOS. Hace más de una década, el material de registro de la luz empleado en la astrofotografía era principalmente una emulsión química. Su baja sensibilidad hace que sea muy difícil grabar la señal débil del espacio profundo. Además, la falta de retroalimentación en tiempo real es una gran fuente de frustración para los principiantes. Los errores de funcionamiento, como por ejemplo el desenfoque, sólo se pueden producir después de varias noches de duro trabajo después del revelado de la película. A mediados de los años 90, el advenimiento de las cámaras CCD refrigeradas proporcionó soluciones tanto a los problemas de sensibilidad como a los de retroalimentación en tiempo real. Sin embargo, sus altos precios y sus áreas de sensores miserablemente pequeñas limitaron sus usos a unos pocos tipos de astrofotografía y a astrofotografos muy entusiastas. Aunque los CCD revolucionaron la investigación astronómica, esta tecnología nunca ha cambiado realmente el panorama de la astrofotografía amateur. El verdadero punto de inflexión tuvo lugar en 2002. Después de que Fujifilm anunciara su cámara DSLR FinePix S2Pro y mostrara las increíbles imágenes astronómicas tomadas por esta cámara, la gente empezó a explorar seriamente las DSLR para la astrofotografía. Las DSLR pueden proporcionar información en tiempo real, lo que es muy importante para los principiantes. Tienen sensibilidades no mucho peores que las CCD, y las DSLR con sensores grandes (APS-C) son bastante asequibles hoy en día. El panorama actual de la astrofotografía está conformado por una serie de DSLR basadas en CMOS de Canon, pero las DSLR y las cámaras sin espejo basadas en sensores de Sony están ganando popularidad muy rápidamente.

Debido a mi trabajo, tengo la oportunidad de utilizar una amplia gama de instrumentos de imagen, desde cámaras CCD multimillonarias en grandes telescopios profesionales hasta cámaras CCD y DSLR amateurs. Mi formación en investigación astronómica también me proporciona conjuntos de herramientas para evaluar cuantitativamente el rendimiento de los sensores y conocer sus verdaderos límites. Esto ayuda no sólo a mi investigación, sino también a mi pasatiempo de toda la vida, la astrofotografía. Por el lado de los aficionados, utilizo principalmente las DSLR (Canon 5D Mark II y Nikon D800 ) por su alto rendimiento y precios asequibles. Para obtener los mejores resultados de astrofoto, los filtros internos de las DSLRs se modifican para tener un mayor rendimiento en el rojo profundo, por lo que pueden ser más eficientes en el registro de la luz roja del gas hidrógeno ionizado en el universo. Aparte de esta modificación de filtro, las DSLR utilizadas para la astrofotografía no son diferentes de las DSLR que utilizamos a diario.

Una preocupación muy común sobre el uso de DSLRs en astrofoto es el ruido térmico generado por los sensores. Las cámaras CCD refrigeradas a -20 o incluso -40 grados C no tienen estos problemas. Sin embargo, todos los sensores CMOS producidos en los últimos cinco años tienen un ruido térmico muy bajo. Bajo la misma temperatura de sensor, su ruido térmico es en realidad mucho más bajo que los CCDs comunes en las cámaras astronómicas. Otro factor importante que muchas personas pasan por alto son las fuentes de ruido distintas del calor en el sensor, una de las cuales es el ruido fotónico generado por el propio cielo. Con los últimos DLSRs bajo muchas circunstancias, el ruido del fotón del cielo a menudo sobrecarga el ruido térmico, haciendo innecesario el enfriamiento. Sólo en lugares calurosos y oscuros (como los desiertos del suroeste de los EE.UU.), se necesita enfriamiento para explotar plenamente el cielo oscuro.

<   Esta es la configuración de imágenes que uso a menudo. La DSLR está conectada al extremo del telescopio primario, que actúa como un teleobjetivo gigante (1100mm, f/7.3). Es un refractor APO, con una gran lente correctora delante del plano focal para corregir la curvatura del campo y el astigmatismo. El campo corregido es lo suficientemente grande para cubrir un sensor de formato 67. El telescopio se asienta sobre una montura ecuatorial, que es impulsada por un motor y puede seguir el movimiento este-oeste de las estrellas en el cielo para permitir largas exposiciones. Por encima del alcance primario hay otro alcance más pequeño con una pequeña cámara CCD conectada a él. Este pequeño sistema de alcance y cámara puede monitorear el seguimiento de la montura ecuatorial cuando el alcance primario toma exposiciones. Guiará automáticamente la montura para corregir sus errores de seguimiento en tiempo real. Todo el sistema (montura ecuatorial, DSLR y sistema de guiado) está controlado por un portátil.  Esta es mi configuración cuando sólo quiero tomar imágenes gran angular. Esto se parece más a lo que un principiante puede usar. La cámara y el objetivo están unidos a una montura ecuatorial a través de un cabezal de bola. Para tomas de gran angular, el seguimiento de la montura no necesita ser súper preciso, por lo que no se requiere un sistema de guiado en tiempo real. Como regla general, cuando la distancia focal es inferior a 200 mm, es relativamente fácil tomar fotografías de larga exposición sin utilizar una montura ecuatorial de fantasía y un sistema de guía. Las cosas empiezan a ponerse difíciles cuando la distancia focal es superior a 300 mm.

Procedimiento general

El flujo de trabajo en astrofotografía es muy diferente al de la fotografía a plena luz del día. Debido a que nuestros objetivos son muy débiles, necesitamos exponer durante unos minutos o incluso unas horas, para recoger suficiente señal fotográfica de nuestros objetivos. Sin embargo, el fondo del cielo suele ser tan alto que saturará la imagen cuando la exposición sea superior a 10 minutos más o menos (esto es especialmente cierto bajo un cielo contaminado por la luz). Por lo tanto, lo que hacemos es dividir la exposición larga en muchas más cortas (de unos pocos a 10 minutos) para evitar la saturación, y luego apilar (promedio) las imágenes de exposición corta en post-procesamiento para combinar su señal. Esto da un resultado que equivale a una exposición muy larga.

En el telescopio, una vez que la montura ecuatorial está montada y alineada con el Polaris, lo que normalmente hacemos es usar primero una estrella brillante para enfocar. Esta solía ser una tarea muy complicada, pero ahora es muy fácil con la función de visualización en directo de DSLR. Luego movemos nuestro telescopio/lente para apuntar a nuestro objetivo. Normalmente podemos ver muy fácilmente nuestra constelación de objetivos a través del visor de la cámara si utilizamos un objetivo de gran angular o un teleobjetivo corto. Por otro lado, si utilizamos un teleobjetivo largo o un telescopio para disparar a objetos de cielo profundo, los objetivos suelen ser demasiado débiles para ser vistos directamente. Algunas exposiciones cortas de prueba con un ISO muy alto pueden ayudar a verificar nuestro encuadre. Una vez hecho esto, simplemente disparamos muchas exposiciones largas a través de una computadora o de un disparador con temporizador. Como se mencionó anteriormente, los tiempos de exposición típicos van de unos pocos a 10 minutos, dependiendo de lo rápido que sea nuestro objetivo y de lo oscuro que sea el cielo. Una ISO muy utilizada es la 1600. Sin embargo, con las recientes DSLRs con sensores Sony, es posible utilizar ISO 800 o incluso 400 y obtener muy buenos resultados después del postprocesamiento. La ventaja de las ISO más bajas es, por supuesto, su mayor rango dinámico. Ni que decir tiene que siempre rodamos en RAW.

Además de las exposiciones en el cielo, también tomamos muchas imágenes de “calibración” para eliminar la señal no deseada del cielo, la óptica y la cámara. Por ejemplo, tomamos exposiciones sobre objetos con brillo uniforme (como un cielo diurno o crepuscular sin nubes, o un gran panel de LEDs) posteriormente. Estas imágenes (llamadas “campo plano”) pueden utilizarse para corregir el viñeteado causado por la lente/telescopio en las imágenes del cielo, para restaurar el brillo uniforme del fondo. Al principio o al final de la noche, cubrimos completamente el objetivo/telescopio y tomamos exposiciones “oscuras” cuando la cámara está a la misma temperatura que las tomas en el cielo. Estas imágenes oscuras se pueden utilizar para eliminar la señal térmica en las imágenes del cielo. Esto es esencialmente lo mismo que la reducción de ruido de larga exposición en la cámara de la mayoría de las DSLRs, pero lo hacemos manualmente para evitar desperdiciar el valioso tiempo nocturno. También tomamos exposiciones extremadamente cortas (1/8000 seg.) cuando la lente está completamente cubierta, para tener en cuenta cualquier señal que genere la cámara cuando no hay luz y tampoco hay tiempo para que se acumule la señal térmica. Al igual que las exposiciones en el cielo, tomamos múltiples (de unas pocas a varias decenas) exposiciones planas, oscuras y sesgadas y las promediamos para reducir cualquier ruido aleatorio en las imágenes y mejorar la calidad de la señal. Hay muchos paquetes de software (como DeepSkyStacker, que es gratuito) que pueden procesar las imágenes en el cielo, de campo plano, oscuras y sesgadas, y apilar las imágenes calibradas en el cielo para formar una imagen muy profunda, limpia y de alto rango dinámico. Todo esto tiene que hacerse desde archivos RAW, ya que las imágenes JPEG no son lineales y no permiten la eliminación precisa de esas señales no deseadas.

 (a) es un archivo sin procesar convertido directamente en Photoshop y con cierto margen de contraste. Aquí vemos indicios de nebulosas rojas en la imagen, pero la característica más prominente de esta imagen es el patrón de viñeteo causado por el telescopio y la cámara. (b) es una imagen de “campo plano” tomada con el mismo telescopio hacia el cielo crepuscular. Es una imagen que no contiene nada más que el patrón de viñeteo. Matemáticamente, dividimos (a) con (b) para eliminar el patrón de viñeteo y este cálculo se llama “corrección de campo plano”. (c) es el resultado de dicha corrección, además de fuertes estiramientos de contraste y saturación. Podemos ver que sin la corrección de campo plano, no hay esperanza de sacar las nebulosas débiles por todas partes en la imagen de (a). Por cierto, la corrección de viñeteo incorporada en la mayoría de los programas de procesamiento de imágenes no astronómicos (como Photoshop o Lightroom) no es lo suficientemente precisa para la astrofotografía, incluso si nuestro objetivo está en la base de datos del software. Es por ello que tenemos que llevar a cabo la corrección de campo plano por nosotros mismos utilizando un software diseñado para la astrofotografía.

Después de la calibración básica y el apilamiento de imágenes, utilizamos software como Photoshop para procesar las imágenes apiladas. Por lo general, se necesita una curva muy fuerte y un estiramiento de la saturación para sacar a relucir los detalles tenues en una imagen astronómica apilada. También requiere muchas habilidades y experiencia para lograr esto mientras se mantiene un color preciso y una apariencia natural de una imagen. Es esencialmente como procesar manualmente una imagen RAW desde cero, sin depender de ningún motor de procesamiento. No es raro que pasemos más tiempo procesando una imagen que su tiempo de exposición, y el post-procesamiento es a menudo lo que separa a los astrofotofotógrafos de primera clase de los de la media.

Ejemplos de campo amplio

 Esta foto de Orion se toma con la lente Sigma 50mm f/1.4 Art y Nikon D800 . Es un compuesto de más de 60 exposiciones de 4 minutos a ISO 800 y f/3.2 a f/4.0. El tiempo total de exposición de más de 4 horas aquí es bastante extremo. Para tomas de constelaciones como ésta, normalmente sólo tardamos de 0,5 a 1,5 horas. Sin embargo, la exposición extremadamente larga aquí conduce a una mejor calidad de imagen y permite detectar nebulosas muy débiles alrededor de Orión. Para capturar eficientemente las nebulosas rojas en Orion, se necesita una DSLR modificada. Sin embargo, con una sin modificar, todavía podemos obtener el hermoso color de las estrellas en las constelaciones. Así que las constelaciones de campo amplio son grandes objetivos para los principiantes que no están listos para enviar sus cámaras para la cirugía.  Esta imagen de la Vía Láctea de verano se toma con un telescopio de 500mm f/2.8 y el Canon 5D Mark II. Es un mosaico de 110 imágenes, por lo que su campo de visión es comparable al de un objetivo de 50 mm. Soy un gran fan de las imágenes en mosaico. A menudo lo llamo la cámara de gran formato de los pobres. Un panorama de mosaico loco como este contiene ricos detalles que superan con creces lo que se puede capturar con el respaldo digital de formato medio más sofisticado. El precio es que toma mucho tiempo tomar y procesar las imágenes.  Esta es una versión ampliada de la imagen de Orión. Muestra el Gran Triángulo de Invierno y la Vía Láctea que atraviesa el triángulo. Se toma con Nikon 28-70mm f/2.8D a 50mm f/4 y Nikon D800. Es un mosaico de cuatro imágenes, por lo que el campo de visión es cuatro veces mayor que un campo de visión de 50 mm. Cada uno de los marcos de mosaico contiene 16 exposiciones de 5 minutos a ISO 400.  Este es un mosaico de dos imágenes tomado con un objetivo Mamiya 645 45mm f/2.8 a f/4.0 y Canon 5D Mark II. El mosaico de dos imágenes permite capturar no sólo la constelación de Cygnus, sino también la Vía Láctea a gran escala. Cada marco de mosaico individual contiene 16 exposiciones de 4 minutos a ISO 1600. En el post-procesamiento, apliqué una capa para difuminar la luz de las estrellas brillantes de modo que la forma de la constelación sea más aparente. El mismo efecto se puede conseguir con un filtro difuso delante de la lente. Los filtros comúnmente usados para este propósito incluyen Kenko Softon A y Cokin P830.

Ejemplos de Deep-Sky

 La galaxia de Andrómeda (Meissier 31) es un blanco que ningún astrofotografo ha pasado por alto. Esto es tomado por el telescopio con mi primera configuración y el Canon 5D Mark II. Es un mosaico de dos marcos. Cada fotograma contiene aproximadamente 40 exposiciones de 5 minutos a ISO 1600. Las DSLR no modificadas pueden tomar fotos decentes de objetivos de galaxias como ésta. Sin embargo, si miramos la imagen cuidadosamente, podemos ver muchos pequeños objetos rojos a lo largo de los brazos espirales de la galaxia de Andrómeda. Estas son las nebulosas gigantes de gas que contienen hidrógeno ionizado. Para capturar eficientemente la luz roja de estas nebulosas, se requiere una DSLR modificada.  La Nebulosa Cabeza de Caballo se encuentra justo al lado del cinturón de Orión y es parte de la imagen de Orión presentada anteriormente. Se puede ver a través de telescopios moderadamente grandes bajo un cielo oscuro. Esta imagen tomó más de 4 horas de exposición en el Canon 5D Mark II en el telescopio desde mi primera configuración. El color rojo de la imagen proviene del hidrógeno ionizado. Requiere una DSLR modificada para registrar eficientemente la luz roja.  La Nebulosa Norteamericana está en Cygnus, y es parte de la imagen de Cygnus mostrada arriba. Es una nebulosa bastante grande y encaja perfectamente en el campo de visión de un objetivo de 400mm (FF). Esta imagen ampliada fue tomada con el telescopio desde mi primera configuración y el Canon 5D Mark II. Es un mosaico de 4 cuadros, y la exposición total de cada cuadro es de 2,5 horas. La nebulosa no está completamente roja. También hay componentes azules incrustados en la luz roja, que proviene del oxígeno ionizado. Si se utiliza una DSLR no modificada, la nebulosa aparecería morada o rosada.  Meissier 22 es un cúmulo globular en Sagitario. Contiene aproximadamente 300.000 estrellas. Se sitúa frente a la Vía Láctea de verano, por lo que también hay numerosas estrellas en el fondo de esta imagen. Esta imagen es tomada con el telescopio desde mi primera configuración y Nikon D800. El tiempo total de exposición es de 1,5 horas. Para el clúster en sí, este tiempo de exposición es innecesariamente largo, ya que el clúster es relativamente brillante. Pasé más tiempo en este campo para capturar el gran número de estrellas de fondo tenue que pertenecen a la Vía Láctea. Los objetivos estelares como este no requieren una DSLR modificada. Una no modificada puede hacerlo igualmente bien.  La Galaxia Molinete (Meissier 101) es una galaxia cercana y por lo tanto parece relativamente grande en el cielo en comparación con la mayoría de las otras galaxias. Sin embargo, sigue siendo muy pequeño. Su parte más brillante tiene un tamaño que es aproximadamente media luna llena. Esta foto es tomada con el telescopio desde mi primera configuración y el Canon 5D Mark II. Está recortado, y el campo de visión recortado es equivalente al de un objetivo de 3000 mm. Contiene un total de 8,5 horas de exposiciones normales, más otras 3 horas de exposiciones bajo un filtro de banda estrecha de hidrógeno alfa (656,3 nm). La imagen del filtro de banda estrecha es para realzar los pequeños parches de nebulosas rojas a lo largo de los brazos en espiral. Desafortunadamente, esta no es una forma muy eficiente de usar una DSLR, ya que sólo una cuarta parte de los píxeles están recibiendo fotones activamente bajo un filtro rojo tan profundo. En el fondo de esta imagen, podemos ver muchos pequeños puntos amarillos. Esas son numerosas galaxias muy distantes. Algunas de las galaxias están tan lejos que el tiempo que tarda la luz en viajar desde esas galaxias hasta nosotros es mayor que la edad de nuestro Sol.