Parte 12: Controlo de seguimento durante uma exposição longa
Objetos celestes de fraca luminosidade no céu noturno requerem um tempo de exposição longo. Mesmo na era da fotografia digital, em vez de uma única exposição muito longa, são feitas várias exposições mais curtas que são posteriormente somadas por um software de processamento de imagem, quando se utilizam distâncias focais longas para a captura, a seguir a um montagem astronómico automático não é suficientemente preciso para produzir fotos nitidamente nítidas de forma confiável.
Assim, é necessário controlar o movimento da montagem durante as exposições e, se necessário, intervir corretamente. Este processo é conhecido como controlo de seguimento ou por vezes também como "Guiding", sendo a ação de fazê-lo designada de "guia". Quando uma câmara especial assume este processo, é chamada de câmara de seguimento, de "Autoguider". O controlo de seguimento é necessário quando, apesar do seguimento motorizado da montagem, as estrelas são representadas na foto não como pontos exatos, mas sim como linhas ligeiras.
As causas dessa imprecisão podem ser diversas:
• A execução mecânica da montagem não está à altura das exigências;
• A montagem não foi suficientemente bem orientada (ver Parte 9 da série de tutoriais "Fotografia Astronómica e Celeste" - Manuseamento de uma montagem astronómica);
• A velocidade de seguimento motorizado não corresponde exatamente à velocidade da rotação aparente do céu;
• O efeito de prisma da atmosfera terrestre (refração atmosférica) faz com que as estrelas não estejam exatamente onde deveriam estar;
• Movimentos no sistema, como o ligeiro desvio do extensor do ocular durante a exposição;
• O erro periódico do parafuso sem fim, que cada parafuso de acionamento produz em relação à cremalheira acionada ao longo de uma rotação;
• A irregularidade da cremalheira acionada pelo parafuso sem fim.
Enquanto muitos destes pontos podem ser controlados através de uma montagem cuidadosa, pelo menos os dois últimos pontos mencionados continuam a ser problemáticos. Qualquer mecanismo, mesmo um muito bom e caro, terá pequenas variações em relação ao estado ideal, o que afetará mais cedo ou mais tarde as fotos de longa exposição. Um simples cálculo mostra a precisão de seguimento teoricamente necessária.
Vamos tomar como exemplo um telescópio com uma distância focal de 1500mm, ao qual uma câmara digital reflex é conectada. Vamos assumir que o tamanho do pixel do sensor é de 5,7 micrómetros, ou seja, 5,7 milésimos de milímetros, um valor que se aplica, por exemplo, às câmaras Canon EOS 400D ou EOS 1000D. Vamos assumir ainda que a turbulência atmosférica desloca a posição de uma estrela ao longo de uma extensão de quatro segundos de arco (1 grau = 60 minutos de arco = 3600 segundos de arco), o que corresponde a condições boas a médias na Alemanha.
Isso significa que durante a exposição, devido à agitação do ar, cada estrela forma um círculo com um diâmetro de quatro segundos de arco. Portanto, não conseguiremos representar as estrelas de forma mais nítida.
Agora é necessário calcular o ângulo que um pixel do sensor de captação representa. Isso é feito com a seguinte fórmula.
Fórmula para calcular um ângulo de imagem Alpha. Neste caso, "L" é o comprimento da aresta do pixel e "f" é a distância focal. Ambos os valores devem ser especificados na mesma unidade (neste caso, metros).
Para o controle manual de rastreamento, você precisa dos seguintes itens:
• a) Luneta guia
A qualidade da imagem não é crucial, então até mesmo uma luneta barata pode servir como luneta guia. O importante é que a distância focal não seja muito curta. Idealmente, a distância focal deve ser o dobro da distância focal da câmera de imagem. O uso de uma lente Barlow (um sistema de lentes semelhante a um teleconversor) pode estender a distância focal efetiva da luneta guia. O portaoculares da luneta guia deve ser estável e não balançar, caso contrário a precisão de rastreamento necessária não será alcançada.
• b) Ocular com retículo
Os modelos simples têm dois fios em um ângulo de 90 graus; para o controle de rastreamento, são especialmente úteis os tipos com retículo duplo, nos quais a estrela guia em sua posição central não desaparece atrás dos fios. Certifique-se de que ele é iluminável. Isto é, que o retículo é iluminado por um LED vermelho alimentado por baterias, para que possa ser visto mesmo em um céu noturno escuro. Geralmente, o dispositivo de iluminação é ajustável.
Em um ocular com retículo simples (esquerda), o retículo cobre a estrela guia. Um ocular com retículo duplo (direita) evita essa situação.
Um ocular com retículo de iluminação ajustável (seta vermelha). As baterias de botão internas fornecem a tensão necessária para um LED vermelho:
• c) Possibilidade de montagem para a luneta guia
A luneta guia deve ser fixada o mais firmemente possível ao telescópio principal. Torções durante o tempo de exposição arruinarão o controle de rastreamento. Uma solução elegante são as garras da luneta guia mencionadas acima. Procedimento: Primeiro, alinhe o telescópio principal com a câmera conectada ao motivo celestial. Se necessário, otimize o enquadramento girando a câmera no portaoculares. Agora, faça todas as configurações necessárias na câmera. Em seguida, o foco é feito, para o qual, se necessário, é preciso apontar para uma estrela brilhante perto do trecho celeste escolhido.
Após focalizar, verifique novamente o enquadramento, o que é facilitado em objetos de baixa luminosidade com uma exposição de teste com talvez um minuto de tempo de exposição, sem necessidade de rastreamento. Só então a luneta guia com o ocular de retículo é movida em suas garras de luneta guia até que uma estrela suficientemente brilhante esteja no centro do retículo. Agora, o ocular com retículo é girado em seu estojo até que os dois fios correspondam exatamente à direção de movimento dos dois eixos de montagem (eixos de ascensão reta e declinação). Para isso, a velocidade de movimento dos motores no controle é ajustada para cerca de 16 vezes a velocidade e a montagem é movimentada para frente e para trás em torno do eixo de ascensão reta. O ocular deve ser girado até que a estrela guia se mova ao longo de um fio no ocular com retículo.
Vista através de um ocular com retículo com estrela guia (esquerda). A direção de movimento dos eixos de montagem é marcada por setas azuis claras. Girando o ocular no portaoculares, é possível garantir que a direção de movimento corresponda ao retículo (direita).
O sistema de motores da montagem traz a estrela guia para o centro do retículo e a velocidade dos motores é reduzida novamente, idealmente para uma velocidade simples (1x) ou metade (0,5x) da velocidade estelar. Em seguida, é importante memorizar exatamente quais botões no controle devem ser pressionados para mover a estrela para a esquerda, direita, para cima e para baixo, a fim de compensar imediatamente e de forma direcionada qualquer desvio que surja do centro do retículo. Após um curto período de treinamento, esse estado deve ser alcançado. Então, é hora: A exposição começa. Após abrir o obturador da câmera, a estrela guia deve ser constantemente observada.
Se ela se deslocar para fora do centro do retículo, pressione imediatamente o botão correto no controle para trazê-la de volta ao centro. Em montagens com boas características de rastreamento, ajustes corretivos podem ser necessários apenas raramente, em montagens com acionamentos relativamente imprecisos, correções podem ser necessárias em intervalos de poucos segundos. Nesse caso, o controle manual de rastreamento se torna um trabalho que exige alta concentração a longo prazo.
Os quatro botões decisivos no controle da montagem para o controle manual de rastreamento. Através deles, a estrela no portaoculares pode ser movida em qualquer direção para compensar desvios percebidos da estrela guia.
Devido à alta ampliação do ocular com retículo e à longa distância focal da luneta guia, mesmo as menores divergências do estado ideal se tornam visíveis antes que levem a uma imagem estrelada na captura. Ou seja, nem toda pequena divergência da estrela guia de sua posição central no centro do retículo estraga imediatamente a foto. No entanto, é claro que é sensato responder imediatamente a qualquer imprecisão observada com movimentos corretivos adequados. Somente após o término da exposição o controle de rastreamento pode ser interrompido.
Se várias fotos devem ser tiradas, é possível fazer uma breve pausa entre as exposições para descansar os olhos. Com um pouco de prática e experiência, o controle manual de rastreamento permitirá alcançar longos tempos de exposição ao conectar a câmera a um telescópio de longa distância focal. A inevitável imprecisão da montagem durante o rastreamento motorizado é compensada pela técnica do controle manual de rastreamento, de modo que, idealmente, as estrelas são representadas de forma precisa e pontual na foto. O tempo máximo de exposição viável ao usar câmeras DSLR é de cerca de 15 a 20 minutos, dependendo do modelo da câmera. O controle manual de rastreamento ao longo desse período pode ser desgastante. Portanto, certifique-se de ter um ângulo de visão confortável no ocular com retículo e uma altura de visão agradável, se possível. Para muitos objetos celestes, uma única foto com o tempo máximo de exposição mencionado não é suficiente. Nesse caso, várias fotos devem ser feitas e depois somadas (veja o número 16 da série "Fotografia Astronômica e Celestial": "Controlando a imagem eletrônica de ruído").
Dica: Nas lojas especializadas, são oferecidos guias fora do eixo como substitutos para uma luneta guia. Esses dispositivos são montados entre o telescópio e a câmera e contêm um pequeno espelho que desvia a luz de uma estrela muito longe do eixo ótico, fora do campo de visão da câmera, em um ângulo de 90 graus. Teoricamente, isso permite usar o telescópio principal durante a exposição como luneta guia. Infelizmente, a qualidade da imagem da maioria dos telescópios fora do eixo é bastante ruim, então nenhuma imagem limpa de uma estrela guia é visível. Além disso, a busca por uma estrela guia com um guia fora do eixo se torna uma verdadeira odisséia, geralmente terminando inadvertidamente com a necessidade de alterar o enquadramento escolhido para encontrar uma estrela guia. Mesmo assim, a posição de visualização muitas vezes é desconfortável, às vezes apenas alcançável com contorções. Em tal postura, o controle manual de rastreamento se torna uma tortura física.
Portanto, desaconselho a aquisição e uso de um guia fora do eixo.
2. Controle de rastreamento automático
Olhando mais de perto, o controle manual de rastreamento é um trabalho bastante estúpido. Rapidamente surge a convicção de que essa atividade deveria ser possível de ser automatizada por instrumentos técnicos. A boa notícia é que funciona, e isso é feito por meio de câmeras digitais especiais, chamadas de "Autoguider". A má notícia: soluções plug-and-play não existem na área de autoguiamento, ou seja, apenas conectar e ligar não é suficiente para fazer um Autoguider fazer o que se espera dele.
No autoguiamento, o ocular de mira do telescópio guia é substituído por uma câmera de rastreamento (Autoguider).
Deve-se ter em mente uma fase inicial em que as astrofotografias ainda não são produzidas, mas o Autoguider precisa ser colocado em funcionamento com a montagem utilizada. Sem experiência, esse processo pode levar várias horas ou até mesmo noites! Tecnicamente, o autoguiamento funciona da seguinte maneira: é utilizada uma câmera digital especial ou uma câmera de vídeo ou web como Autoguider. O sensor dessas câmeras é geralmente muito pequeno, com baixa contagem de pixels. Uma estrela é projetada no sensor do Autoguider, cuja posição é determinada por um software. Em intervalos curtos, o sensor do Autoguider é lido e a posição da estrela é medida novamente.
Se a estrela guia se afasta de sua posição original, o software é capaz de acionar os motores da montagem para executar um movimento contrário e trazer a estrela de volta à sua posição desejada. Para isso, é necessário conectar o Autoguider ou o computador de controle por meio de um cabo à montagem. Por sua vez, o controle da montagem deve ter uma interface para Autoguider, ou seja, uma possibilidade de conexão.
Exemplo de conexão de cabos (esquemático). A DSLR está conectada ao PC com um cabo USB (vermelho escuro, 2). O Autoguider utiliza mais uma interface USB do computador para transmissão de imagem (azul, 3). Para que o software de controle do guia possa executar movimentos corretivos na montagem, é necessário mais um cabo (vermelho, 1), neste caso, uma conexão serial (COM1). Como os laptops modernos frequentemente não possuem mais uma interface serial, apenas um adaptador USB-Serial ajuda. Dependendo da montagem utilizada e do Autoguider empregado, a conexão pode variar deste esquema.
O que parece bastante trivial na teoria acaba se revelando uma tarefa bastante desafiadora na prática. Tudo começa com o fato de que as interfaces de Autoguider não são padronizadas e é necessário, primeiramente, garantir que um cabo compatível esteja disponível. Além disso, a disposição dos pinos não é fixa; uma compatibilidade quase padrão é com o Autoguider "SBIG ST-4", identificado, por exemplo, como "interface de Autoguider compatível com ST-4".
Interface de Autoguider para controle da montagem (à direita) com o cabo de Autoguider correspondente (à esquerda).
Este controle (à esquerda) tem um conector completamente diferente para a conexão do Autoguider e, portanto, requer um cabo diferente (à direita):
"Autoguiders autônomos", ou seja, dispositivos que não precisam de um computador conectado, são praticamente inexistentes no mercado. Geralmente, a operação é possível apenas com um computador (para uso em campo, um laptop). Os seguintes passos são então necessários para a inicialização:
a) Localizar a estrela guia no telescópio guia e trazê-la para o centro do campo de visão com a ajuda do ocular de mira.
b) Substituir o ocular de mira pelo Autoguider.
Aqui, o "Lunar-Planetary Imager" da Meade é usado como Autoguider. Para aumentar o comprimento focal do telescópio guia, uma lente de Barlow com um fator de aumento de cinco vezes está sendo utilizada.
c) Focar a estrela guia através do software do Autoguider no laptop.
d) Escolher uma baixa velocidade de motor na montagem (por exemplo, velocidade de movimento estelar 1x).
e) Posicionar a estrela guia aproximadamente no centro do campo de visão.
f) Iniciar uma "rotina de calibração" do software de orientação, que move os motores da montagem em todas as direções, determina a direção do movimento da estrela guia e "aprende", dessa forma, como deve acionar a montagem para desviar a estrela guia na direção desejada.
Tela do software "MaxIm DSLR" (http://www.cyanogen.com) durante a rotina de calibração. Antes do início, a estrela estava na posição marcada pela seta verde à esquerda. Durante a calibração, os dois eixos da montagem se movem motoricamente em uma direção (setas azuis) e depois retornam. Depois disso, a estrela está mais ou menos de volta à sua posição original (seta verde à direita). O fato de não retornar exatamente ao local original é devido à folga nas engrenagens (folga). Após a calibração, o software sabe quais movimentos deve fazer para desviar a estrela guia na direção desejada.
g) Iniciar a função de autoguiamento: se todos os passos forem executados corretamente, o Autoguider captura rapidamente uma imagem após a outra, dependendo do tempo de exposição selecionado. O tempo de exposição ideal varia entre dois e cinco segundos e depende principalmente do brilho da estrela guia.
El deve ser evitada a superexposição, para evitar que o sensor do Autoguider atinja a saturação na posição da estrela guia. Por outro lado, a estrela deve ser suficientemente nítida para que o software possa determinar sua posição exata.
Um tempo de exposição muito curto apresenta o risco de a estrela guia ser desviada devido à turbulência atmosférica e o guia tentar seguir esse "movimento nervoso". Um tempo de exposição muito longo impede que o guia reaja rapidamente a uma imprecisão súbita de rastreamento da montagem.
O software determina a posição da estrela guia com precisão subpixel após cada exposição e pode reagir a pequenas variações em relação à posição desejada. Portanto, ao autoguia, um telescópio guia com menor comprimento focal é suficiente. Se o tubo guia tiver metade do comprimento focal do telescópio principal, isso será suficiente se o Autoguider estiver funcionando corretamente.
Se o software detectar um desvio na posição da estrela guia, ele comanda os motores da montagem na direção oposta e compensa a imprecisão do rastreamento. Após iniciar a função de orientação, é aconselhável dar ao sistema cerca de um minuto para alcançar um estado estável.
Ao observar a exibição que apresenta as discrepâncias da estrela guia, quer em forma de uma sequência de números ou graficamente. Se as discrepâncias estiverem dentro do esperado, as exposições podem ser iniciadas.
Exibição na tela do software MaxIm durante o guiamento. No canto superior direito, é exibida uma imagem atual do guia com cruz de mira. Abaixo, um gráfico mostra as discrepâncias encontradas da estrela guia em relação à sua posição desejada em ambos os eixos.
Infelizmente, dentro do escopo de um tutorial, não é possível redigir um guia passo a passo mais preciso, pois o procedimento varia consideravelmente nos detalhes, dependendo da câmera autoguiadora utilizada. Portanto, é necessário consultar o manual de operações dos respectivos modelos de câmeras.
No entanto, aqui estão algumas dicas gerais para um autoguiamento bem-sucedido:
a) Muitas câmeras autoguiadoras funcionam melhor quando são instaladas de modo que a direção de movimento dos eixos de montagem coincida com as linhas e colunas de pixels.
b) O ponto de calibração listado acima em f) deve ser repetido sempre que o telescópio é apontado para uma região diferente do céu.
c) Em muitos casos, dentro do software, é necessário definir por quantos segundos a câmera autoguiadora deve mover os eixos durante o processo de calibração antes de reavaliar a posição da estrela guia. Esse intervalo de tempo deve ser calculado de modo que a estrela não saia da área do sensor, mas ao mesmo tempo experimente uma mudança de posição suficiente para que o software possa determinar claramente a direção e qualquer folga na engrenagem da montagem não afete significativamente. Idealmente, a estrela guia seria movida da posição central do sensor para perto da borda através da rotina de calibração.
No MaxIm, com os campos "Calibration Time", é determinado por quantos segundos o software deve deixar os motores da montagem funcionando durante a rotina de calibração:
d) O software de controle de muitas câmeras autoguiadoras contém diversos parâmetros para otimizar o guiamento. Um ponto importante é a "Aggressivität". Ela determina se, quando ocorrer um desvio na estrela guia, na próxima etapa será tentado trazê-la de volta ao local original ou se o software deve tentar se aproximar do valor desejado em passos menores. Com uma Aggressivität configurada muito alta, o sistema pode oscilar e a estrela guia pode ficar girando em torno do valor desejado, devido a reações exageradas. Se configurada muito baixa, um desvio contínuo em uma direção pode ser difícil de compensar. Portanto, é necessário encontrar, através da experiência prática, um meio-termo que depende das características da montagem usada e da distância focal do telescópio guia.
Configuração da "Aggressivität" no módulo de guiamento do MaxIm. O valor "8" significa que um desvio da estrela guia de sua posição desejada será corrigido em 80% na próxima etapa. Uma correção de 100% muitas vezes faz com que o sistema oscile.
Quais câmeras são adequadas como autoguiadores?
Quem procura um autoguiador independente que não necessite de um computador conectado, para um dispositivo novo, tem basicamente uma opção: Baader LVI-SmartGuider, http://www.baader-planetarium.de/sektion/s21/s21.htm.
O "LVI SmartGuider" é um autoguiador independente que não requer PC/laptop para operar.
Não se pode ignorar o fato de que se trata de um produto recém-lançado e que ainda não há experiências práticas fundamentadas. Até o momento, não posso nem recomendar nem desencorajar o uso deste dispositivo.
Os seguintes autoguiadores requerem um computador para operar:
Alccd ALccd 5 Autoguider http://www.astrolumina.de
Imaging Source: DMK 21AU04.AS e outros modelos, módulos de vídeo http://www.astronomycameras.com.
Câmera de vídeo DMK da ImagingSource. Nos pacotes para astrofotógrafos, há um adaptador para o telescópio (canto superior direito), no entanto, não há software incluído para usar a câmera como autoguiador.
SBIG ST-402ME: Câmera CCD http://www.sbig.de
Meade DSI 2 Deep Sky Camera,
Câmera CCD, modelos diversos http://www.meade.de
Deep Sky Imager PRO II da Meade é uma câmera CCD para astrofotografia, embora o sensor seja pequeno em comparação com o de uma DSLR. Aqueles que desejam usá-lo como autoguiador ficarão felizes, pois o software necessário está incluído.
Antes de adquirir um destes modelos de câmeras, é necessário verificar os cabos e, principalmente, o software que pode ser necessário adicionalmente para usar como autoguiador. A vantagem dessas câmeras é que não apenas funcionam como autoguiadores, mas também como câmeras especialmente para fotografia planetária (ver Episódio 14 da série "Fotografia Astronômica e do Céu": "Capturando planetas com a webcam").
Os clássicos autoguiadores independentes são os modelos SBIG ST-4 e SBIG ST-V, que infelizmente não são mais fabricados. No entanto, como compra de segunda mão, ambos são altamente recomendados!
Apenas disponível como equipamento usado: o SBIG ST-4, um autoguiador autônomo antigo, mas confiável. A tela de seis dígitos é a interface austera que pode ser bastante estranha no início.
Exemplos de gravações
Six metros de distância focal foram necessários para capturar o aglomerado globular "Messier 13" na constelação de Hércules no sensor de uma Canon EOS 450D. Foi exposto durante dez minutos a ISO 400. O acompanhamento foi feito por um tubo guia e uma câmera autoguiadora SBIG ST-4.
Esta foto da Nebulosa de Orion foi tirada com uma Canon EOS 400D modificada para astrofotografia. O tempo de exposição total foi de uma hora e meia a ISO 800. A distância focal era de 600 milímetros com uma abertura de 1:6,0. Um objetivo de 300 milímetros foi usado em vez do tubo guia, ao qual foi ligada uma câmera autoguiadora SBIG ST-4.
Esta imagem da Galáxia de Andrómeda também foi capturada com a EOS 400D modificada. A ótica utilizada foi um telescópio refrator com apenas 60 milímetros de abertura e 350 milímetros de distância focal. Foi exposto durante uma hora e 40 minutos a ISO 400. Devido à falta de um autoguiador, o acompanhamento foi feito manualmente através de um tubo guia com ocular de cruzeta.
