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.
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 Місяць, а згодом — і Сонце, використовуючи дагеротипи. 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 році, 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 році.
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.
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.
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 Шварцшильда. 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.
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 спеціальною формулою, 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 набувати 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 цифровий профіль, 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.
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 протуберанці, 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.
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.