การถ่ายภาพทางดาราศาสตร์

ภาพถ่ายเนบิวลานายพราน เป้าหมายยอดนิยมของการนักถ่ายภาพทางดาราศาสตร์

เฮนรี เดรเปอร์กับกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงที่ติดตั้งระบบถ่ายภาพ ถ่ายในทศวรรษ 1860

การถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ (astrophotography) เป็นการถ่ายภาพวัตถุทางดาราศาสตร์ ได้แก่ ดาวเคราะห์ ดาวบริวาร ดาวฤกษ์ กลุ่มดาว ดาวหาง เนบิวลา กระจุกดาว ฯลฯ

ดาราศาสตร์ถือเป็นสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์สาขาแรก ๆ ที่ได้นำเทคโนโลยีการถ่ายภาพมาใช้เพื่อช่วยในงานวิจัย และมีการพัฒนาไปอย่างมาก

ภาพรวม

ความแตกต่างระหว่างตาเปล่ากับการถ่ายภาพ

ช่วงของสี (ความยาวคลื่น) ที่สามารถรับรู้ได้ด้วยตาเปล่าและการถ่ายภาพนั้นมีความแตกต่างกัน และยังใช้ระยะเวลาในการรวบรวมแสงต่างกันด้วย

เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วในการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์นั้นวัตถุเป้าหมายจะมืดมาก ความเร็วชัตเตอร์ที่จำเป็นต้องใช้จึงมักจะต้องช้ามาก กล่าวคือ ระยะเวลาการเปิดรับแสงจะนานขึ้น แสงดาวเมื่อมองด้วยตาเปล่าว่าจะเห็นได้แค่ในชั่วพริบตาตอนนั้น แต่การถ่ายภาพสามารถบันทึกข้อมูลระยะยาวโดยการเปิดรับแสงเป็นเวลานาน นอกจากนี้ยังสามารถถ่ายภาพวัตถุที่มืดจนไม่สามารถระบุได้ด้วยตาเปล่า หรือถ่ายภาพที่ให้ความรู้สึกถึงการไหลไปตามเวลาด้วยการทำให้สว่างขึ้นหรือรวมค่าเฉลี่ยจากหลาย ๆ ภาพ

นอกจากนี้ เส้น Hα ซึ่งมีอยู่มากมายในอวกาศน้นอยู่ค่อนไปทางอินฟราเรด ซึ่งตาเปล่าของมนุษย์สามารถมองเห็นได้เพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับแสงสีอื่นเช่นสีเขียว แต่ ฟิล์มถ่ายภาพ, CCD, CMOS สำหรับการถ่ายภาพนั้นมีความไวต่อแสงในแต่ละช่วงพอ ๆ กัน ดังนั้น ด้วยความที่ปริมาณข้อมูลเพิ่มขึ้น สีและรูปร่างของดาวฤกษ์และเนบิวลาในภาพถ่ายทางดาราศาสตร์จึงต่างไปจากที่มองเห็นด้วยตาเปล่า

เป้าหมายการถ่าย

เมื่อทำให้กล้องถ่ายภาพอยู่นิ่งและเปิดรับแสงนาน การหมุนของโลก (การเคลื่อนที่ในรอบวัน) ซึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของวัตถุท้องฟ้าจะปรากฏเป็นเส้นลากยาวต่อกันไปเรื่อย ๆ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องหันกล้องไล่ตามการเคลื่อนที่ของวัตถุท้องฟ้าเพื่อจะถ่ายภาพดาวให้ได้เป็นจุดเดียว อย่างไรก็ตาม เมื่อทำเช่นนี้ก็จะทำให้ทิวทัศน์บนพื้นดินจึงเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ ตามกลางหมุนของกล้อง ดังนั้นภาพที่ได้จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับว่าการเคลื่อนไหวของกล้องสอดคล้องกับการเคลื่อนที่ของดวงดาว หรือให้อยู่นิ่งตามบนพื้นดิน จะใช้การถ่ายภาพแบบไล่ตามดาว หรือการถ่ายภาพแบบอยู่นิ่งนั้นขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์

การถ่ายภาพไล่ตามดาว

วิธีการถ่ายภาพโดยติดตามการเคลื่อนที่ของวัตถุท้องฟ้านั้นโดยทั่วไปจะติดตั้งกล่องบนฐานตั้งเฉพาะที่เรียกว่าฐานตั้งระบบศูนย์สูตร โดยให้แกนการหมุนเป็นขั้วท้องฟ้าเหนือหรือขั้วท้องฟ้าใต้ เนื่องจากทรงกลมท้องฟ้าเคลื่อนที่หมุนประมาณ 15 องศาต่อชั่วโมงเมื่อเทียบกับพื้นโลก กล้องจึงจำเป็นต้องเคลื่อนที่หมุนไปตามการเคลื่อนที่นี้ ในยุคสมัยใหม่ การติดตามอัตโนมัติโดยฐานตั้งระบบศูนย์สูตรแบบใช้มอเตอร์ถือเป็นเรื่องปกติ นอกจากนี้แล้วยังมีกล้องถ่ายภาพเฉพาะ เช่น แอสโตรเทรเซอร์ ของเพนแท็กซ์ ซึ่งมีกลไกที่ช่วยให้สามารถติดตามวัตถุโดยอัตโนมัติ โดยการเปิดใช้งานเซ็นเซอร์ถ่ายภาพ

ระหว่างการถ่ายภาพไล่ตามดาว ยิ่งกำลังขยายของภาพที่จะบันทึกสูง ปริมาณแสงก็จะยิ่งลดลง และความคลาดเคลื่อนในการเคลื่อนไหวก็เพิ่มขึ้น จึงยิ่งจำเป็นต้องการฐานตั้งระบบศูนย์สูตรที่มีความทนทานและความเที่ยงตรงมากขึ้น

การถ่ายภาพแบบตั้งกล้องนิ่ง

การถ่ายภาพจันทรุปราคาเต็มดวงโดยตั้งกล้องนิ่งแล้วเปิดหน้ากล้องเป็นเวลานาน

การถ่ายภาพโดยให้ตัวกล้องอยู่นิ่งไม่ต้องหมุนไปไหนโดยตั้งกล้องไว้ที่พื้นหรือบนฐานตั้งระบบขอบฟ้าเป็นวิธีที่สามารถทำได้ง่ายเพราะไม่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษแยกต่างหากที่ซับซ้อนดังเช่นฐานตั้งระบบศูนย์สูตร ระหว่างการถ่ายภาพแบบตั้งกล้องนิ่งจะเห็นว่าวัตถุท้องฟ้ามีเคลื่อนที่เนื่องจากการหมุนของโลก ดังนั้นการเปิดรับแสงเป็นเวลานานจึงส่งผลให้เกิดภาพปรากฏเป็นเส้นทางแสงเส้นโค้งวงกลม วิธีการนี้จะทำให้ได้ภาพทิวทัศน์พร้อมกับดวงดาวที่สวยงาม

การใช้อุปกรณ์ช่วย

การถ่ายภาพทางดาราศาสตร์อาจใช้กล้องถ่ายภาพเพียงอย่างเดียว หรืออาจถ่ายโดยขยายโดยใช้อุปกรณ์ เช่น กล้องโทรทรรศน์ เพื่อจุดประสงค์ในการเพิ่มกำลังการรวบรวมแสง และความละเอียดเชิงแสง สำหรับอุปกรณ์พกพา เช่น กล้องคอมแพค โทรศัพท์มือถือ ฯลฯ ที่ไม่สามารถเปลี่ยนถอดเลนส์มาตรฐานของกล้องออกได้ ก็อาจใช้วิธีการถ่ายภาพอย่างง่าย โดยถ่ายภาพที่สะท้อนอยู่ในเลนส์ใกล้ตาของกล้องโทรทรรศน์ตามที่เป็นอยู่

จากภาพฟิล์มสู่ภาพดิจิทัล

ในสมัยที่การถ่ายภาพด้วยฟิล์มเป็นกระแสหลักนั้น การถ่ายภาพดวงดาวมักจะต้องใช้เวลาจำนวนมาก โดยอาจใช้เวลาหลายชั่วโมงในการถ่ายภาพหนึ่งภาพ นั่นเป็นเพราะความไวแสงของฟิล์มต่ำ ซึ่งทำให้เป็นไปไม่ได้ที่จะได้ภาพดวงดาวที่เพียงพอในช่วงเวลาสั้น ๆ ตัวอย่างเช่น ในยุคแรก ๆ ของยุคฟิล์ม จำเป็นต้องพยุงกล้องเป็นเวลาหลายสิบนาทีเพื่อถ่ายภาพบุคคลแม้ว่าจะเป็นในสภาพแวดล้อมที่สว่างจ้าในตอนกลางวันแสก ๆ นอกจากนี้ การถ่ายภาพด้วยฟิล์มยังอาจต้องประสบกับปรากฏการณ์ที่ความไวแสงไม่ได้แปรตามเวลาเปิดรับแสง โดยความไวแสงจะลดลงอย่างมากเมื่อเปิดรับแสงเป็นเวลานาน ปัญหาเหล่านี้ได้รับการแก้ไขอย่างรวดเร็วด้วยวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วของการถ่ายภาพแบบอิเล็กทรอนิกส์และการจัดองค์ประกอบภาพ เช่น กล้องดิจิทัล

ตั้งแต่ช่วงปี 2010 เมื่อกล้องดิจิทัลได้รับความนิยม ความไวแสงในการถ่ายภาพของกล้องดิจิทัล นั้นสูงกว่ากล้องฟิล์มมาก และเป็นไปได้ที่จะถ่ายภาพดวงดาวได้ในเวลาอันสั้น

ในทางกลับกัน การเปิดรับแสงนานจะเพิ่มสัญญาณรบกวนให้กับภาพ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติที่จะเปิดรับแสงในช่วงเวลาสั้น ๆ แล้วจึงทำการสังเคราะห์รวมภาพ อาจใช้วิธีที่เรียกว่า การถ่ายภาพกล้องเย็น ซึ่งช่วยลดสัญญาณรบกวนแม้หลังจากเปิดรับแสงเป็นเวลานาน ใช้สำหรับถ่ายภาพวัตถุท้องฟ้าที่จาง ๆ ได้

สำหรับวิธีการถ่ายภาพแบบไล่ตามดาวนั้น เมื่อถ่ายภาพวัตถุท้องฟ้าจาง ๆ เช่น เนบิวลาและกระจุกดาว จะใช้ดาวนำทางเป็นตัวอ้างอิง เพื่อให้ฐานตั้งระบบศูนย์สูตรเคลื่อนที่ไปอย่างต่อเนื่องได้โดยไม่เบี่ยงเบนไป อุปกรณ์ที่นำทางอัตโนมัติโดยใช้กล้อง CCD ได้รับความนิยม นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์โดยใช้ตัวหมุนภาพบนฐานตั้งระบบขอบฟ้า เหมือนอย่างเช่น กล้องโทรทรรศน์ซูบารุของหอดูดาวแห่งชาติญี่ปุ่นที่ฮาวาย หรือ ซีรีส์ Meade LX200

นอกจากนี้ยังมีการหาทางระบายความร้อนของกล้องและ CCD เพื่อลดสัญญาณรบกวน

ภาพถ่ายดาวเสาร์จากการถ่ายวิดีโอแล้วเอามาประกอบ

สำหรับการถ่ายภาพดวงจันทร์หรือดาวเคราะห์ อาจใช้วิธีการบันทึกในรูปแบบวิดีโอโดยใช้กล้องวิดีโอ แล้วจึงนำมาสร้างเป็นภาพถ่ายอีกที หากดูดวงจันทร์หรือดาวเคราะห์ด้วยกำลังขยายสูง ภาพจะมีการกระเพื่อมอย่างเลี่ยงไม่ได้เนื่องจากการบิดเบี้ยวของชั้นบรรยากาศ สามารถทำการบันทึกเป็นภาพเคลื่อนไหวทั้ง ๆ ที่กระเพื่อมอยู่แบบนั้น แล้วค่อยไปประมวลผลบนคอมพิวเตอร์ โดยสามารถเลือกภาพที่มีการบิดเบี้ยวเพียงเล็กน้อยหรือแก้ไขการบิดเบี้ยวเพื่อสร้างภาพถ่ายที่ชัดเจนได้ เทคนิคนี้ไม่จำเป็นต้องใช้ฐานตั้งระบบศูนย์สูตรที่มีราคาแพงและแม่นยำ เพราะสามารถทำการประมวลผลด้วยคอมพิวเตอร์ในภายหลังได้ บางคนก็อาจถ่ายภาพดาวเคราะห์ด้วยฐานตั้งระบบขอบฟ้าราคาไม่แพง

ในกรณีของการสังเกตการณ์ดาวตก สามารถบันทึกความเร็วในการเคลื่อนที่จากเส้นทางการเคลื่อนที่ของดาวตกเป็นช่วง ๆ โดยการวางชัตเตอร์แบบหมุนเหมือนใบพัดหมุนที่หน้าเลนส์กล้อง

วัตถุประสงค์ในการถ่ายภาพ

การถ่ายภาพทางดาราศาสตร์แบ่งออกเป็นการถ่ายภาพเพื่อวัตถุประสงค์ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ และการถ่ายภาพเป็นงานอดิเรก มีช่างภาพดาราศาสตร์มืออาชีพไม่มากนัก ตัวอย่างเช่น มีบางกรณีที่มีการถ่ายภาพดวงดาวที่หอสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ แต่เป็นเพียงการสนับสนุนการวิจัยเท่านั้น และมีคนไม่กี่คนที่ถ่ายภาพเป็นอาชีพ ส่วนใหญ่คนที่ถ่ายภาพดาราศาสตร์เป็นช่างภาพมือสมัครเล่น

โดยทั่วไปแล้ว ดาราศาสตร์สมัยใหม่มีค่าใช้จ่ายแพงมากและผลลัพธ์ที่ได้นั้นไม่สามารถเข้าถึงได้โดยมือสมัครเล่น อย่างไรก็ตาม นวัตกรรมทางเทคนิคล่าสุดจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายภาพดวงดาวที่กล่าวถึงข้างต้นนั้นเป็นผลงานของนักดาราศาสตร์สมัครเล่น ในด้านการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ ปัจจุบันมีการพยายามคิดค้นนวัตกรรมต่าง ๆ และอุปกรณ์สำหรับการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์และโปรแกรมสำหรับการประมวลผลภาพมีความซับซ้อนมากขึ้น และระดับคุณภาพของการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ที่ตีพิมพ์ในนิตยสารดาราศาสตร์ ก็ดีขึ้นมากเมื่อเทียบกับในอดีต

นอกจากนี้ แม้แต่ในนิตยสารภาพถ่ายทั่วไป จำนวนภาพถ่ายที่มีการถ่ายภาพดวงดาวก็เพิ่มขึ้น แม้ว่าส่วนใหญ่จะเป็นภาพถ่ายแบบตั้งกล้องนิ่งก็ตาม ซึ่งนี่อาจเป็นเพราะว่าการถ่ายภาพดาราศาสตร์ด้วยกล้องดิจิทัลสามารถทำได้ง่ายขึ้นมาก

การประมวลผลภาพ

ในทศวรรษ 1980 วิธีการถ่ายภาพ เช่น การเพิ่มความไวต่อแสง หรือ ปรากฏการณ์ซาบาตีเย ถูกนำมาใช้ในการประมวลผลภาพ แต่พอถึงทศวรรษที่ 1990 คอมพิวเตอร์เริ่มแพร่หลาย จึงนิยมนำภาพที่ถ่ายด้วยเครื่องกราดภาพแบบฟิล์มมาประมวลผลโดยใช้ซอฟต์แวร์ประมวลผลภาพดิจิทัล เช่น อะโดบี โฟโตชอป เป็นต้น

การควบคุมจากระยะไกล

ตั้งแต่ทศวรรษที่ 1990 ด้วยการแพร่กระจายของอินเทอร์เน็ต ทำให้มีความเป็นไปได้ที่จะใช้งานกล้องโทรทรรศน์จากอีกด้านหนึ่งของโลกซึ่งขณะนั้นเป็นเวลากลางวันได้