Fotografie van planetoïde 5610/Balster

Gericht zoeken naar objecten onder de ruis

In dit document stel ik een methode voor om zeer zwakke zonnestelsel objecten fotografisch te registreren. De methode is gebaseerd op het proces dat ik gericht doorlopen heb om de zwakke planetoïde 5610/Balster (mag. 18,1) met succes te fotograferen met een relatief klein instrument. Hierbij heb ik gebruik gemaakt van een refractor van 20cm diameter met een brandpunt van 2000mm (f/10). De methode is eenvoudig op te schalen en daarmee ook geschikt te maken om onbekende zonnestelsel objecten te ontdekken.

De methode in fotobewerking is in essentie niet nieuw. Het is gebaseerd op hetzelfde proces dat je zou doorlopen om een komeet te stacken. Wat er hier anders aan is, is dat de planetoïde in deze afzonderlijk gemaakte foto's niet waarneembaar is. Om deze zichtbaar boven de ruis uit te krijgen, zijn de afzonderlijke foto's (subframes) net als bij het stacken van komeetfoto's getransleerd over elkaar gelegd en per pixel opgeteld. Bij zichtbare en verschoven objecten kun je de translatieparameters gemakkelijk uit de subframes bepalen. Omdat de planetoïde in de subframes onzichtbaar was, heb ik voor het stacken de translatieparameters bepaald uit de efemeriden van de planetoïde. Net als bij het stacken van komeetfoto's zal de resulterende foto de sterren als strepen weergeven, de planetoïde toont zich als een als een min of meer symetrisch stipje.

Deze methode biedt dus -in ieder geval in theorie- mogelijkheden om planetoïden of kometen te ontdekken die in subframes in de ruis verborgen zitten. Je zou steeds translatieparameters kunnen kiezen die bij planetoïden of kometen passen. Mocht er in de resulterende stack zich boven de ruis een symmetrisch bolletje aftekenen, dan is de kans groot dat het een ten opzichte van de sterren bewegend object is. Het zouden ook wat sterren/stelsels kunnen zijn die op regelmatige afstanden in dezelfde richting staan. Het zal veel rekenkracht vergen om de foto's op deze manier door te reken. Door op deze manier te compenseren voor beweging ten opzichte van de sterren kun je nu planetoïden met dezelfde grensmagnitude ontdekken als de grensmagnitude van de sterren.

Inleiding

De ontdekking van planetoïde 5610

De planetoïde 5610 is op 16 oktober 1976 ontdekt door het beroemde Leidse astronomen echtpaar Kees van Houten en Ingrid van Houten-Groeneveld . De fotografische glasplaat waarop deze ontdekking gedaan is, was afkomstig van de 48” Schmidt telescoop van het Mount Palomar Observatory . De uit Nederland afkomstige astronoom Tom Gehrels maakte vele platen op deze telescoop en stuurde ze naar Nederland voor onderzoek door dit echtpaar. Op de Universiteit Nijmegen was voor dit onderzoek een blink comparator gebouwd. Tegenwoordig is het 'blinken' een eenvoudig onderdeeltje van een computer programma, de blink comparator was destijds een kamer gevuld met dit precisie instrument. Harry Balster was betrokken bij de bouw en onderhoud van dit instrument, zijn zus Yvonne Balster was assistent bij het verrichten van de metingen aan die platen. Met dit instrument hebben het het drietal gevormd door Gehrels en het echtpaar van Houten uiteindelijk vele duizenden planetoïden ontdekt, voordat de geautomatiseerde systemen dit werk konden doen. De ontdekkers hebben broer en zus Balster geëerd voor hun inspanningen door deze planetoïde met dit relatief lage nummer naar hun te vernoemen.

Waarom heb ik dan 5610/Balster nu gefotografeerd? En waarom met een 20cm f/10 objectief?

Voor de liefhebbers van sterrenkunde in de omgeving van Nijmegen is Harry Balster een begrip. Al jaren organiseert hij voor de AKN de publieksrondleidingen tussen de telescopen van de Radboud Universiteit Nijmegen (RUN). In de wereld van zonnewaarnemingen is hij ook geen onbekende. Op 21-1-2011 had hij 6111 goed gestandaardiseerde waarnemingen van de Zon op zijn naam staan. Omdat ik zelf ook interesse heb in sterrenkunde, is het niet verwonderlijk dat ik Harry ook heb leren kennen. Eerst via de lezingen georganiseerd door Centaurus A, en nog beter doordat ik zelf mee ging doen bij de Astronomische Kring Nijmegen (AKN). Met name de reparatie van de 35cm telescoop die Harry en ik in de zomer van 2010 verrichtten was een erg leuke ervaring.

Mijn keuze om de planetoïde 5610/Balster te willen fotograferen is dus niet erg wetenschappelijk gemotiveerd en zeker niet willekeurig. Het is inderdaad een zeer persoonlijke keuze geweest. Op 21 januari 2011 is Harry met de VUT gegaan na 44 jaar werk. Het leek me leuk om een foto van de planetoïde te maken die de naam draagt van zijn zus en die van hem. En de telescoop waarmee ik de foto zou nemen zou de 20cm refractor moeten zijn waarop hij de meeste van zijn zonwaarnemingen gedaan heeft. De telescoop waaraan Harry nog in zijn jonge jaren bijgedragen heeft bij de 'elektrificatie' van de montering. De telescoop waarop vele jaargroepen studenten sterrenkunde hun practica gedaan hebben. De telescoop die het vandaag de dag nog uitstekend doet, en waarmee ik af en toe een foto kan maken. En zo dus ook deze foto.

De fotografie sessie. De avond van 9 januari 2011

Ik liep al ruim een jaar rond met het idee om 5610/Balster te fotograferen met de 20cm telescoop. Omdat deze planetoïde doorgaans niet helderder wordt dan magnitude 17,5 wist ik wel dat ik er wat meer voor zou moeten doen dan met de gewone astrofografie. Met gewone astrofoto's had ik met de gebruikte middelen al wel een grensmagnitude van ruim 19 gehaald, de grensmagnitude zou het probleem niet vormen. De beweging van de planetoïde ten opzichte van de sterren zou wel een probleem kunnen vormen. Onder gunstige omstandigheden volgt de 20cm telescoop maximaal 5 minuten lang goed. Bij langere opnames op een goed volgend systeem zouden de sterren steeds de zelfde pixels beschijnen. Langer belichten is hierdoor normaal gesproken gunstiger om tot een betere signaal ruisverhouding te komen. Maar omdat de planetoïde ten opzichte van de sterren beweegt, zou dat met een perfect op de sterren volgend systeem niet echt voordelen bieden. De planetoïde zal door deze beweging na verloop van tijd steeds een paar andere pixels belichten. Met de 5 minuten maximale belichtingstijd wilde ik het wel proberen.

Omdat een jaar in dit land maar weinig heldere nachten kent, is het er lange tijd niet van gekomen. De oppositie viel in een periode met veel bewolking. Toen ik bericht kreeg van de afscheidsreceptie van Harrys werk wist ik dat ik de eerste gelegenheid van helder weer aan moest grijpen. Maan of niet, gewoon proberen. Op zondag 9 januari was het eindelijk helder in combinatie met een lege agenda. Nu zou het moeten gebeuren.

Ik was mooi op tijd op de sterrenwacht en had de spullen vrij vlot klaar voor fotografie. Ik heb iets meer tijd dan gewoonlijk moeten besteden aan het opbouwen, de planetoïde was net door de meridiaan gegaan was. De telescoop moest ik dus omkeren om aan de westelijke, flink lichtvervuilde kant te gaan fotograferen. De Maan was op, en stond maar 36 graden westelijk van 5610/Balster. De oriëntatie en het scherpstellen had ik vlot afgerond. Nu nog het object opzoeken.

En daar begon een van de grote problemen die avond. Via de verdeelcirkels stelde ik positie in en maakte een test-opname van een minuut. De sterpatronen kwamen niet overeen met het beeld in het planetariumprogramma. Ook verder uitzoomen in het programma leverde niets bekends op. Opnieuw via de verdeelcirkels instellen, nog een testfoto en nog geen overeenkomst. En nog een keer. Ondertussen was Peter Willems op bezoek gekomen, die trok me over de streep om de verdeelcirkels opnieuw te ijken. Telescoop op Alpha Ari gericht, coördinaten overgenomen, en opnieuw naar 5610/Balster. Toen klopte de test-opname wel. Later las ik in het logboek dat een groep studenten eerder meenden dat de verdeelcirkel instelling niet klopte. Ik vrees dat ze toen met de verkeerde tijd hebben gewerkt en daarmee de boel opnieuw ingesteld hadden. Met dit geklooi om niets heb ik wel veel tijd verspeeld.

Nog meer tijd heb ik verspeeld met een brakke USB-seriëel kabeltje. Na wat geëtter kon ik toch foto's maken. Steeds maakte ik belichtingen van ieder 300 seconden. Bij de 13e opname ontdekte ik dat de belichtingen niet meer goed waren, vermoedelijk weer veroorzaakt door dat vervelende USB-kabeltje. Ik had er genoeg van. Van de 13 opnames waren er 11 inderdaad 300 seconden belicht, de rest niet meer. Ik besloot nog 9 darkframes te maken, gevolgd door nog 19 flats en 19 flatdarks om de belichtingen die ik had behoorlijk te kunnen calibreren. Dit keer gooide het kabeltje geen roet in het eten.

Na het nemen van alle opnames ontdekte ik dat van de 11 object belichtingen er maar 5 foto's waren die niet al te zeer bewogen waren. De lichtnetfrequentie vertoonde nogal wat afwijkingen van de nominale 50Hz en foto's met een belichtingstijd van 5 minuten laten dat direct zien. Omdat ik maar weinig opnames had, was er voor mij weinig andere keus dan ze toch allemaal maar te gebruiken in de uiteindelijke bewerkingen. In het resultaat bleek de zichtbaarheid van de volgfouten wel mee te vallen.

Overzicht van de gebruikte middelen

Telescoop:	20cm refractor RUN , f/10, fotografie in primaire focus.		Baanelementen catalogus:	MPCORB (MPCORB-2010-12-18.DAT)
Montering:	Aandrijving met synchroonmotoren uit lichtnet, geen guiding.		Sterrencatalogus:	PPMXL catalogus (sterren tot en met mag. 20)
Filters:	Geen.		Camera bedieningssoftware 1:	Canon Utilities (versie 2.9.0)
Camera:	Canon Eos 40D, ongemodificeerd. Belichtingen op iso800.		Camera bedieningssoftware 2:	Iris versie 5.59
Focuseermiddelen:	Bahtinov masker in combinatie met live view op laptop.		Fotobewerkingssoftware:	Iris versie 5.59
Laptop:	Fujitsu Siemens. Voor alle programmatuur..		Fotobrowser:	Irfanview (versie 4.27)
Besturingssysteem:	Windows XP, SP3.		Kabels:	USB, USB verleng, USB<>serial, serial<>sluiter
Planetariumsoftware:	Cartes du Ciel versie 3.2. (ontwikkelingsversie SVN 3.3-1629)		Overig:	230V voedingsadapter voor Canon Eos 40D

 

Zoekkaartje en het fotografisch resultaat na alle bewerkingen

Het zoekkaartje. Stilstaande sterren, het gele streepje: de animatie voor de planetoïde beweging gedurende een uur. Klik op het plaatje voor een volledige afbeelding.	Het fotografisch resultaat. Schuine strepen zijn hier de bewogen sterren, op het kruispunt van de rechte zwarte lijnen het zwakke stipje: de stilstaande planetoïde. Crop uit totaal beeld, binning 3x, negatief weergave. Klik op het plaatje voor een volledige afbeelding.

Details van dit fotobewerkingsproces

Van 5610/Balster heb ik tussen 20:17:43 en 21:11:20 (UT) 11 foto's genomen met een ongemodificeerde Canon Eos 40D camera op iso800. Ik heb de oriëntatie van de camera (oost-west in de breedte) nauwkeurig bepaald en gecontroleerd door de telescoop in de oost-west richting te bewegen en te zien dat een ster zich exact evenwijdig bewoog met het beeldveld. Van iedere foto was de belichtingstijd 300 seconden. De foto's heb ik genomen vanaf de noordelijke sterrenwacht van de RUN (51:49:24.1 NB; 5:52:06.8 OL). Ik heb geen gebruik gemaakt van filters, ook was de camera niet extra gekoeld. Het ruwe fotomateriaal is 14 bits. De bewerking en calibratie van de foto's is in 16 bits gedaan met het programma Iris. Om de 11 foto's voor hotpixels te kunnen calibreren heb ik direct na de 11 opnames nog 9 darks gemaakt, ook 300s bij iso800. Daarna heb ik 19 flatfields (iso100) genomen zodat ik voor de optische doorlaatkarakteristiek (vignetering en stof op de sensor) kan compenseren. De egaal witte achterzijde van een kunststof plaat in gebruik voor exposities heb ik voor dat doel in de koepel gezet en de telescoop op dit vlak gericht, met de verlichting in de koepel op volle sterkte. Om ongeveer 2/3 verzadiging bij een iso100 instelling te krijgen was het nodig om per flatfield 13 seconden te belichten. Om de flatfields zelf ook voor bias, hot pixels en eigen karakteristiek te kunnen calibreren heb ik ook 19 flat darks genomen.

Het bewerkingsproces heb ik grotendeels gebaseerd op deze beschrijving van Jim Solomon . De compensatie voor beweging in de stack heb ik gedaan zoals je een komeet zou stacken, hier beschreven op de Iris website . In de subframes is de planetoïde echter niet zichtbaar. Daarom heb ik hier de translatie parameters voor de planetoïdebeweging uit de animatie voor beweging in Cartes du Ciel afgeleid en op basis van de pixelschaal (0,5924 boogseconde/pixel) omgezet naar de getallen voor Iris.

De keuze voor belichtingen van 300 seconden is gedaan als compromis tussen het streven naar een goede signaal/ruisverhouding in de afzonderlijke subframes en het streven om zo min mogelijk beweging van de planetoïde in de subframes vast te gaan leggen. Langer dan 5 minuten belichten is vanwege de synchroonmotoraandrijving op deze telescoop niet aan te raden vanwege het frequent optreden van volgfouten.

De beweging op het moment van fotografie bedroeg ongeveer 22,7 boogseconden per uur onder een hoek van 75º (Gemeten vanuit noord over oost, de beweging is dus naar het oost-noord-oosten). Uit deze gegevens moet ik de translatieparameters voor het verschoven stacken van de subframes bepalen. Bij de pixelschaal van de EOS 40D camera van 0,5924 pixel*arcsec^-1 in de ruwe opnames is op basis van de stelling van Pythagoras uit te rekenen ( zie dit excel document , het tabje beweginsanalyse) dat dit overeenkomt met een verplaatsing van -37,0 pixels in de X- en 9,9 pixels in de Y-richting.

Wat is er nodig als je met deze methode planetoïden of kometen wilt ontdekken?

Ik heb nu gericht gestacked met translatieparameters voor een object waarvan nauwkeurig bekend was hoe het zou bewegen. Het object was in de individuele subframes onzichtbaar, maar ik heb de planetoïde door de gerichte stack net boven de ruisdrempel zichtbaar kunnen maken. Deze techniek moet dan ook toepasbaar zijn om andere -onbekende- zonnestelsel objecten boven de ruis van de individuele subframes uit te tillen. Het is dan een kwestie van de juiste translatieparameters te raden.

Het raden van de translatieparameters is niet alleen een kwestie van geluk. Om de kansen bij het raadproces te verhogen, kunnen we ons beperken tot een bereik van snelheden en hoeken dat veel voorkomt onder zonnestelselobjecten. En uiteraard moeten we rekening houden met de eigenschappen van de gebruikte telescoop en sensor. In de resulterende stack zullen alle sterren zich als strepen van gelijke lengte en hoek tonen. Wij moeten zoeken naar objecten die een afwijkende lengte en richting hebben van de sterstrepen. Idealiter (bij precies de juiste translatieparameters) zullen de zonnestelselobjecten in tegenstelling tot de sterren zich dan juist als een rond stipje vertonen.