Csillagok és ködösségek színei a CCD felvételeken (Sky and Telescope, 07/2003, D.S. Goldman írásának fordítása)

Szín a csillagászatban az égitestek fizikai és vegyi tulajdonságairól tesz tanúságot, mint pl. a sárga-narancs sárga csillagok az öreg galaxismagokban, a fiatal forró kék csillagok a spirális karokban vagy a vörösen fénylő gázok a ködökben. Az amatőr csillagász igyekszik eme színeket megörökíteni igaz valójukban – igazszínű felvételek elkészítésére törekszik.

A háromszín leképezés a vörös, zöld és kék filterek segítségével történik, az RGB színezés. Ahhoz, hogy a fekete-fehéren működő CCD kamerákkal színes felvételeket tudjunk előállítani, három fekete-fehér felvételt kell elkészíteni ugyanazon objektumról az RGB filtereken keresztül, majd az így elkészített R, G és B felvételt digitálisan össze kell rakni és megkapjuk az objektum színes képét.

Mivel a mélyég objektumok fénye nem elegendő arra, hogy aktiválja a szemünk színéslátás centrumát, ezért ezek fekete-fehéren tűnnek fel. Nem született még olyan ember, aki közvetlenül észlelte volna a Dumbbell köd kékes magját és vöröses peremét vagy az M31 sárgás magját és kékes korongját. Ezért az igazszínek definíciója a következő is lehetne: az igazszín az a szín, amelyben a megfigyelt égitestet akkor látnánk, ha az elég fényes volna ahhoz, hogy a szemünk színeslátás centrumát aktivizálni tudná.

Ami befolyásolja a színt

A megfigyelt objektumot elhagyó fotonok először is a Földünk légkörén hatolnak át: ha közel a horizonthoz érik a légkört, vastagabb rétegeken kellnek át és mivel a légkör a kék fényt hatékonyabban szórja mint a vöröset, ezért az égitest is vörösebb színt vesz fel a horizont közelében. Ez a légköri extinkcióként ismert jelenség és ennek köszönhetjük a csodaszép vörös naplementéket is.

A távcsőbe beérkező fotonok, amelyek közt bőven akadnak földi eredetűek is, gyakran az optikákat védő visszaverő rétegeken haladnak át, amelyek nem egyformán engedik át az egyes hullámhosszakat-színeket. Egyesek maximum átengedése a zöldben van de a kék és vörös tartományban erősebben nyelnek el. Ezután következnek az RGB filterek és itt kellnek életre a filterek különböző tulajdonságai, majd jön a film vagy a CCD kamera érzékelője. Ahogy a filterek sem egyformák, úgy a CCD kamera és a film sem. A CCD kamera érzékenységét a quantum hatékonysága fejezi ki (QE), amely a hullámhossz függvénye és értéke általában 60-90% a vörös tartományban, a kékben gyorsan csökken.

A fent felsorolt „változók” a végén sokszorozódnak és ennek eredményeként egy ugyanazon objektum felvétele más és más színű lesz.

A széles-keskeny sáv keverése

Sok mély-ég objektum színe sok esetben két fényforrás keveréke. A csillagok a látható fény tartományában széles skálán keresztül sugároznak és a hőmérsékletük ezen kisugárzás (emisszió) voltát határozza meg, ebből kifolyólag a színüket is. Planetáris ködök, szupernova maradványok és csillagbölcsőhelyek a galaxisokban keskeny sávban sugároznak, amelyet ionizált elemek produkálnak (főleg hidrogén és oxigén).

A H_α (hidrogén alfa) emissziós vonal a 656.3 nm hullámhosszon a jóval vörös filter átengedési küszöbén belül van. A gond az OIII (két oxigén vonal) vonalnál kezdődik (közel az 500 nm-hez), amely épp abban a tartományban sugároz, ahol a kék és zöld filterek átengedési görbéi találkoznak és fedik egymást (1.kép). Különböző RGB filterek különböző színekben fogják mutatni az M57 vagy a Dumbbell ködöt.

Szemléletként két RGB filter készletet hasonlítunk össze: Astronomik RGB II filtereket (www.astronomik.com) és Custom Scientific filtereket (www.customscientific.com), amelyeket általában a SBIG CCD kamerákhoz tartozó filter kerékkel árusítanak.

Az astronomik.com kék filtere a OIII vonalakat (500.7 nm) 42%-ban, míg a zöld filtere 58%-ban engedi át. A customscientific.com ezen filterei 44% és 93%-os értékeket mutatnak! D.S. Goldman saját mérései alapján pl. az IDAS (Japán) III típusú RGB filterek kék és zöld filtereinek ezen értékei 52% és 40%!

Mind a három filter típus kíváló minőségű, de ahogy az értékek is mutatják, különböznek pedig egy azon filerekről van szó.

Az RGB szín ellentét

Richard Berry és James Burnell (The Handbook of Astronomical Image Processing, 2000) szerint az RGB filterek készítése egy 50:50 OIII keverést kíván elérni a kék és zöld filterekben a fehér pont (white-point) igazítás után. A fehér pont igazítás arra törekszik, hogy megfelelő szín egyensúlyt érjünk el a csillagok szélessávú sugárzásában. Berry és Burnell egy nap-hasonló (solar-analog) eljárást javasolt e célra, amely egy a napunkhoz hasonló csillagot vesz számításba (színkép osztály G2V) azzal a feltevéssel, hogy a napfényét fehérnek lássuk (S and T, December 1988, 142. oldal). Ehhez egy nap-hasonló csillagot kell találni, az RGB filtereken keresztül lefényképezni (az eljárás alapján), majd megfelelő keverés arányt használva „fehérítsük ki” a csillag képét. A megtalált exp. arányt utána RGB felvételek elkészítésére lehet felhasználni.

Ez azonban a probléma egyik felét oldja meg, a szélessáv problémát, de nem érinti a OIII keskenysáv kérdését.

Vegyük például a következő RGB expozíciós arányt, amely 1:1:1.6 (nap-hasonló mérésekből kapva) és amely jó fehér pont igazítást nyújt. Tételezzük fel továbbá, hogy a kék filter az OIII emisszió 50%-át engedi át 500 nm hullámhosszon és a zöld filter 60%-át. Beszorozva a kék filter 50%-át 1.6-al 80%-ot kapunk. Ha ezen értékeket vesszük a fehér pont beállításához, a planetáris köd képe láthatóan kékes lesz, mert az OIII emisszió 80%-a a kék felvételeken lesz, míg a zöld filteren keresztül készült felvételeken csak a 60%-a lesz felfogva.

Ez egy fundamentélis probléma, amelyet a cikk írója „RGB szín ellentétnek” nevezett el: allítsd be a megfelelő RGB exp. arányokat a csillagok leképezéséhez (szélessávú felvételek) és máris gondok vannak az OIII vonallal (keskenysávú felvételek). És ne feledjük, minden RGB filter készlet más-más tulajdonságú! Továbbá a CCD kamerák is más és más érzékenységűek és ha épp egy megfelelő RGB filtert készletet szereztünk be magunknak (a kék-zöld szűrők 50:50 arányban engedik át az OIII emiszióját), egy másik CCD kamerán ez az arány több mint valószínű felbomlik.

Az RGBO eljárás

D.S. Goldman egy újabb módszerrel állt elő, az RGBO eljárással, amely megoldja az OIII gondot. RGBO = vörös, zöld, kék és OIII vagy LRGBO, ha beszámítjuk a kép fényességi komponensét is, az L-t (S and T, Július 2001, 133. oldal).

A lényeg az, hogy a fehér pont igazítás után apró javítást követünk el az OIII kék és zöld egyensúlyában anélkül, hogy a csillagok szélessávú színét lényegesen megváltoztatnánk. Ezt egyszerűen úgy lehet elérni, hogy egy negyedik felvételt is elkészítünk egy OIII filteren keresztül és ezt hozzáadjuk a kék vagy zöld részhez. Így a „szín-hiba” csak 10-20% lesz. Egy keskenysávú OIII szűrő, amely legfeljebb 15 nm széles, a csillagok színét csak nagyon kismértékben fogja befolyásolni. A csatolt diagramokból kitűnik, hogy a színváltozások az 500 nm-es régióban nagyon drasztikusak, ezért bármilyen mozgás a kékből a zöldbe és fordítva csak nagyon kevés változást igényel.

Megjegyzendő, hogy bizonyos OIII szűrők (OIII köd szűrő) vizuális megfigyelésekhez készültek és átengedik nem csak az OIII, de a H_α emissziót is. Az RGBO eljáráshoz egy olyan OIII szűrő kell, amely csak az 500 nm hullámhosszú két OIII vonalat engedi át!

Összehasonlítások

D.S. Goldman az M27-est vette például és készített el több felvételt róla, hogy szemléltesse a színezés különbségeit.

Ehhez a következőket használta: 28cm-es Celestron (Schmidt-Cassegrain), egy Finger Lake Instr. (FLI) MaxCam CCD kamerát (CM10-2ME, amely egy kékben megerősített Kodak KAF-3200ME érzékelőt tartalmaz, 6.8 μm/pixel, 2184x1472 csipp), 1.25” RGB szűrők (IDAS Type 3, Custom Scientific és Schüler RGcBc szűrő készletek).

Ezzel a felszereléssel 8 kétperces felvételt készített az M27-ről az egyes szűrőkön át, majd a Maxim DL programot használva összerakta a képeket.

A nap-hasonló eljáráshoz egy 6 mag csillagot használt – SAO 31898 (16 Cygni A) és az expozíciós árányok kiszámításához az AIP4WIN programot használta (70 fokos magásságot használva a légköri extinkció számításához).

A végső felvételeket a csatolt képeken lehet összehasonlítani. Minden felvétel alatt az arány látható, a százalékos értékek a felvételeken belül az OIII átengedési értékét mutatja 500.7 nm hullámhosszon (a fehér pont igazítás után) – az eredeti átengedési érték szorozva a megfelelő aránnyal.

Mivel a számítások a zöld szűrőhöz lettek viszonyítva, ez az érték mindig 1.

A Custom Scientific szűrők kb. 20%-al zöldebbek, mert már eleve 93% átengedési indexel vannak gyártva (az OIII emisszió átengedéséről van szó). Az IDAS szűrők épp az ellenkezőek: a kékben 52% átengedést mutatnak, ami a javítások után 74%-a ugrik fel (a zöld 41%).

A Schüler RGcBc szűrők értékei csaknem egyenlőek (a fehér pont javítás után).