天文はかせ三段目

天文はかせ三段目(仮)

仙台高専(旧・宮城高専)天文部の活動記録です

シーイング悪いと,どのくらいボケるか。

3月26日の夜,宮城県はかなりシーイングが悪いようでした。自宅からのIR撮影でM104を撮影しましたら結果はボヤボヤで処理する気にならず,画像はそのままお蔵入りです。

しかしソンブレロはどうしても撮影しておきたい。

数日後の4月1日に再度挑戦しましたら,今度はシンチレーションも小さく良い結果が得られました。期せずして,全く同じ光学系で南中付近のM104を撮影したことになりましたので,シーイングの差で星像や暗黒帯のディテールにどれくらいの差が出るか直接比較してみましょう。

 

焦点距離1200mmF6のMT200(補正レンズなし)にASI294MC-proを取り付けてIR720フィルターを通して撮影してます。露出は一枚あたり240秒,スタック後の画像をPixinsightのAutoHistgramで同じ強度のストレッチをかけた後,中心部分を切り出しました。

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26日は22枚,1日は25枚のスタックで,どちらも子午線ごえ前後で撮影しています。GIFアニメにしてみると,以下の様な感じです。

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また次の画像は微光星の様子を比較したものです:

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特に微光星の潰れが激しいです。目の子で比較してみると,少なくとも直径で10pxは星像が肥大している様に見えます。

294MCのセンサーサイズは4.67μmで,焦点距離は1200mmですから,画像上の10pxは8秒角になります。たった2晩の比較ではありますけれど,これが典型的なシンチレーションの振幅であると思うことにしてみます。

 

さて,気になるのは「シーイングの悪さはどのくらいの焦点距離の撮影から影響が出てくるのか?」という点です。そこで10秒角のシンチレーションの大きさが,センサー上においてどのくらいの大きさに投影されるか,を各焦点距離ごとにグラフにしてみました。

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シーイングの悪化による,星像の肥大。どのくらい大きくなると

「今夜はあかんなあ」

と残念な気持ちになってしまうか。これは個人の好みによるところではりますけれど,だいたい4~5pxも膨らんでくると厳しくなってくるのではないでしょうか。例えばセンサーサイズが5μmほどのカメラで撮影しているとすると,そのような影響が現れてくるのは焦点距離500mm程度以上ということになりますね。

反対に申せば,500mm以下での撮影なら,シーイングは気にしなくていいということになります。

また余談ですけど,最近タカハシから発表されたε130Dの専用エクステンダーは,焦点距離650mmでスポットダイアグラムの直径が2μmだそうです。そのくらいの焦点距離だと,シーイングによって20μmくらいも像がぼやけるわけですから,シャープな光学系を活かすのもなかなか大変そうです。

 

 

 

 

 

 

 

 

ソンブレロ・チャレンジ2021

ソンブレロチャレンジとは

表題の「ソンブレロ・チャレンジ」とは顧問の造語で、M104銀河の円盤にある波状の紋様を映し出す挑戦のことです。何のことか伝わらないかもしれませんので、拙作で説明します。

まず下の写真は7年以上前、我々の部ではじめて撮影したM104です

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当時は円盤状の構造と暗黒帯が写って満足していました。

しかし様々な作例を見てみますと、その円盤部分にも構造があることに気づきます。それをハッブル宇宙望遠鏡による画像で見てみましょう:

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Wikipediaより。引用者によりクロップ

あー、目に毒ですけどこの海岸に寄せるさざ波のような暗黒帯の構造です。これに萌えるのです。我々もなんとかこの構造を写出せないか挑戦をしようというわけです。

これまでの成果

うえのM104を撮影してから2年後に、2回目の撮影を試みています。

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うーん、だみですね。銀河がちょっと太ったという程度です。M104は南中高度が低くて、緯度の高い地方から高い解像度で映し出すのはそれほど簡単ではないのです。

3回目の挑戦は昨年の5月。原町フラワーランドにてで挑戦しました。

そのときの結果はコチラ:

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MT-200にコマコレクターを取り付けて焦点距離1600mmとし、フォーサーズセンサで撮影しています。その中心部分のクロップです。このころからDeconvolutionを覚えて、スタック後にははっきりしなかった構造を画像処理で浮かび上がらせることができるようになりました。

以上で前置き終わり。この結果を超えることを目指して、今年もチャレンジした次第です。

ソンブレロチャレンジ2021

今年の作戦は

  1. MT-200の補正レンズを外して、ニュートン光学系のシャープな中心像だけを用いること
  2. IR720フィルターと取り付けて、近赤外でL画像を取得すること

の二点です。光学系を純粋な反射のみにすることで、補正レンズによる赤外の収差が問題にならなくなるのがポイントです。

4月1日は比較的シーイングが良さそうでした。自宅の庭から南中前後に2時間ほど撮影できました。

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こちらはスタック後の画像に仮ストレッチをかけたものです。まず、傾斜カブリがほとんどないということに驚かされます。SQM=20.01の空で月明かりの影響があったにもかかわらず。感覚的には一級の暗い空で撮影しているのと変わりません。

Deconvolutionして処理した結果がこちら:

M104 from backyard by near-infrared imaging

Date:2021-4-1
Location: natori, miyagi(SQM20.01)
Optics: Takahashi MT-200 sightron IR720 filter
Camera: ASI294mc-pro
Exposure: 240s x 25flames(gain 120) -10 deg.

 

わかりにくいので、中心部分をクロップします:

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どうでしょうか。解像感は出ているものの、円盤部分の構造は昨年の例のほうが、はっきりしているかも。赤外では暗黒帯のコントラストが落ちるという話もあって

(おそらく暗黒帯はチリがレイリー散乱で光を遮っているので、同散乱の影響を受けにくい長波長の光は暗黒帯を透過している?)そのせいかもしれません。

というわけで、ソンブレロチャレンジは一進一退でした。スッキリしないので、今年のIR画像に昨年のカラー情報を重ねた結果を貼っておきます

M104 IR-RGB image

そして中心部分のクロップ(サムネ用)

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以上です。

来年は、IRフィルタを外して遠征地で撮影してみましょう。それか高地で赤外という手もあるかもしれません、



 

ASI2600MC-proのファーストライト

昨年の暮れ、KyoeiOsakaのクリスマスセールでASI2600MC-proを手に入れておりました。

ファーストライトは、Zeiss Apo Sonnerを取り付けてスカイメモRに搭載してのお気楽撮影としました。

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レンズは1段絞ってF2.5。1フレーム180秒露光の予定なので、スカイメモRのノータッチで十分ガイドできるでしょう。

M100を撮影していた未明、90分ほどかけて青い馬星雲を撮影しました。下はフラット補正とダーク減算だけを施し、レベル補正だけを行った一枚画像です。

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gain=0, Brightness=20の設定で撮影しました。中心部のピクセル等倍像は以下の通り

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30枚撮影して処理してみました。

The blue horse head nebula (IC4592)

Date: 2021-3-9
Location: Kamiwari-saki, Miyagi, Japan
Camera: ASI2600MCpro
Lens: Zeiss Aposonner 135mm F2(F2.5)
Exposure: 180s x 30flames(gain 0, offset 20)
Processing: Pixinsight, Photoshop

おー、結構写りました。
あとAPS-Cって使いやすいなと改めて感じました。普段はフルサイズにF2.8で使用しているApo Sonner、今回はF2.5と開放側で使ってみました。それだけで画角当たりの明るさ約25%アップです。こういう扱いができるのもAPS-Cのよいところですね。近いうち、 RASAに取り付けるのが楽しみでござる。

 

純ニュートン直焦点+ IRフィルターで自宅から黒目銀河を撮影してみる

はじめに

木星土星の接近のときに購入していたIRパスフィルタを、自宅からの銀河撮影に使ってみました。

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サイトロンジャパン製、アメリカンサイズのIR720フィルタです。

なぜ銀河にIRパスか

IRパスフィルターを銀河撮影に使う理由は、光害カットとシンチレーションのキャンセルの効果を期待するからです。銀河は広い波長帯で光っていますから、Hα線で光る星雲を撮影するのとは違って、通常の光害カットフィルタがそれほど有効ではありません。一方で、近赤外の光は大気に散乱されにくいという性質があります。ですので、その波長で見た空は、可視光よりも暗いためにコントラストが上がりやすくなります。実際、下の写真は低空のソンブレロ銀河を近赤外で撮影したものです

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光害地からの撮影にもかかわらず、カブリがほとんどないことには驚きました(四隅はフィルターによるケラレです)。

このようなIRでの撮影、結構以前から行われているようです。古くは

では改造したα7Sを利用して、天の川を撮影されてます。最近は赤外に感度を持つ天体用CMOSが手に入りやすくなり、都会撮影の大御所であるHIROPON氏もためされたようです。

氏をして「ゲームチェンジャーかも」と言わしめたこの方法、顧問も試してみました。

 M64黒目銀河を撮影

今回の作戦

後追いですから、ちょっとは自分なりの工夫を施したいところです。そこで「純ニュートンの直焦点」で撮影することにしました。

使ったのはタカハシのMT200です。通常はコマコレクターを取り付けて撮影していますが、今回はこれをあえて外します。コマコレクターに限らず、通常の補正レンズは必ずしも赤外領域での補正精度を保証していませんし、中心像に限定すればコマコレクターを外した直焦点の方がシャープなはずだからです。

カメラはいつもの294mc-proを使います。294mcは、RGBの各チャンネルが等しく赤外に感度を持ってますので、そのまま撮影して、結果をモノクロ画像として扱うことにします。

リザルト

それでは早速結果をご覧ください。

M64 from backyard by near-infrared imaging

M64 from backyard by near-infrared imaging

Date:2021-3-19
Location: natori, miyagi(SQM20.01)
Optics: Takahashi MT-200 sightron IR720 filter
Camera: ASI294mc-pro
Exposure: 240s x 36flames(gain 120) -10 deg.

 

じつは黒目銀河の撮影は初めてで実感がないのですけど、これはかなり解像しているようです。中心部のアップがこちら

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淡いところがザラザラなのは、光量の少ないIR撮影なので仕方ないところです。中心像は暗黒帯の構造がしっかり出ていて、良いのではないでしょうか。

自宅でまったり撮影、電視観望ライブ配信も!

自宅でまったり撮影すると言うのも悪くないなー、と今回とても感じました

自宅のwifi環境を利用して、庭に置いたパソコンの画面をYoutubeライブ配信。リビングのソファでウイスキーを飲みながら、テレビにうつしだしてまったり監視しました。しかもそのライブ配信を一般公開とし、アドレスをTweetしておりましたところ物好き(失礼!)な方々が数人集まってくれました。PHD2のグラフが動いているだけの動画なんですけど、マルチスターガイドやプレートソルブ のことなどチャットで会話しながらの楽しい撮影となりました。 

 その際の動画はこちら、

www.youtube.com

また撮影前に、ミニ電視観望会も行ってました。

お品書きは以下の通りで、ほとんど春の銀河を見尽くしています。酔っぱらった顧問の喋りが酷い上に無編集ですが、もしご興味あれば。

0:00 start(NGC3507、無言)

8:29 獅子座の三つ子銀河のうちの二つ(M66とM65)

11:10 ハンバーガー銀河(NGC3628)

12:33 マルカリアンチェーン

15:28 黒目銀河(M64)

20:19 ひまわり銀河(M63) 電柱の向こう側で見えず

21:19 双子銀河(M51) 電線の向こう側でイマイチ

22:00 回転花火銀河(M101)

26:19 NGC4725

32:02 NGC4631

34:10 M100

37:26 M87

40:05 M44(プレセペ)家の壁に隠れて見えず

42:01 M3

45:48 NGC4565

48:28 M104

52:04 フクロウ星雲(M97)赤外ではほとんど見えず

55:18 M108

56:21 M109



 

M100銀河を力合わせて18時間露光

先日に撮影したM100にはある程度満足していました。

M100

 

じつはこのあと、Twitterでのやりとりで「天体写真初級編 ぼちぼち星空眺めましょ」のタカsiさん

から17時間分のM100のL画像を提供いただきました。これを上の画像に合成してさらに上を目指そうというわけです。私のが4.3時間で、合計18.6時間になります。

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左がタカsiさんの17時間データ、右が私の6時間データのL画像です。これを合成する場合、ブレンド比が問題になります。天リフの100時間企画では、露光時間と光学系の明るさからウエイトを決めているようでしたが、ここではちょっと違う方法を撮ってみました。

まず両画像の同じ背景位置を抽出して、pixinsightのstatisticsでデータを取ります

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これも左がタカsiさんのデータ、右が私です。44850ピクセルの平均輝度(mean)や揺らぎの標準偏差(stdDev)に着目して、両者の比(stdDev/mean)が最小になるようにブレンド比を決めました。それぞれの画像の配合比を変えながら,ブレンドした結果の(stdDev/mean)を縦軸にとると下のようにブレンド比が4:6のところに明確な最小が生じます。

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この比でブレンドした画像を,再び処理することにしました。

ただ,やった後にこの方法はあまりうまくないかもなと気づきました。平均輝度と揺らぎの比を取ってはいるものの,この指標は空の暗さに依存してしまいそうだからです。気づいたのが,画像処理を終えた後だったので,しかたなし。そのまま進みました。

 

M100_ver2

M100
The datas obtained by two different photographers (naga & takashi) stacked to form a single image.

naga:
Date: 2021-3-9
Location: Kamiwari-saki, Miyagi
Optics: Takahashi MT-200 1200mm F6, MPCC Koma Correcter, UV-IR Cut filter
Camera: ASI294MC pro
Exposure: 240s x 65, gain120 (total 4.3h)

takashi:
Date: 2021-3-8
Location: (A)Uda-city, Nara, (B)Nishinomiya, Hyogo
Optics: (A)μ-250CRS, (B)C11+0.72RD+IR Filter
Camera: (A)(B)ASI2600MM-pro
Exposure: (A)300s x 68 (gain100), (B)300s x 104 total 14.3h

Processing: Pixinsight, Photoshop

編集していて驚いたのは,二つの画像の光条がバッチリ一致していたことです。先に私の画像をみていたタカsiさんが職人技で一致させてくれたのだろうかとビビりましたが,単なる偶然だったようです。ひょっとして相性がいいのかも?「仮想敵国」とか言ってごめんなさい(はぁと)

さておき,ブレンドの結果として画像は滑らかになったと思います。ただトータル19時間近くものデータの素性を引き出せていないような気もします。そーなのかーさんが追加露光をしてくれていますので,再々処理を行う予定です

 

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サムネ用の銀河中心部アップ


 

 

 

 

 

 

Deconvolution

Teams勉強会

昨年末、ほしぞloveログのSamさんの呼びかけで、Teams上の画像処理座談会が行われたことがありました。テーマは「デジカメのノイズ」。もともとSamさんはノイズの専門家だそうですし参加者にはあぷらなーと氏、天リフの編集長、タカsiさん、Kagayaさん、kさんなど有名な方々だけでなく、有名会社でデジカメのセンサーを開発されている方とかが集まって相当にインパクトが強い「学会」でした。

この「学会」は一回限り。それではもったいないということで、ダボさん (関東で大学院生していて、天体写真をテーマにした研究をされている)の呼びかけて小さな画像処理研究会が組織されました。月に一回、満月の頃にTeamsのミーティングをやっています。

今月、その3回目のミーティングがありました。テーマは"deconvolution"。プレゼンターはブログ

を管理されているkさんです。お分かりの方なら「おお!」と思われたのではないでしょうか?21cmのニュートンと決して最新型ではない冷却CCDの組み合わせで、けっこうマイナーな銀河をしかも光害地から撮影されています。その画像はすさまじく、天文ガイドの入選もほぼ毎月という方です。最優秀賞も複数回受賞されているのではないでしょうか(確認してませんが)。

そのkさんが、銀河の"deconvolution"について話してくださるというのですから、顧問は3日くらい前から興奮していました。しかも私とそーなのかー氏が合作で撮影したNGC2903を例に処理の仕方やマスクの掛け方を話していただけました。

ちなみに下の写真が、私が一生懸命に処理したNGC2903です。

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同じソースを使って、kさんが処理をおこなうと次のようになります。

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 ・・・(無言

今回のエントリは、ミーティング得た内容をもとにして、上のイマイチなNGC2903を再処理した過程について、紹介したいと思います。

そもそもDeconvolutionとは

もし究極の望遠鏡とカメラがあったとしたら、それで撮影した星は1ピクセルの点として記録されるはずです。そのとき星雲や銀河はどんな姿なのか想像するだけでヨダレがでそうです。実際の天体写真では、星はぼんやりした楕円に写っています

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こんな感じです。しかし,この星像には

「理想的には1ピクセルの点であるはずの星が、光学系と大気の揺らぎでどれだけぼやけるか?」

という貴重な情報が含まれているわけです。画像上での座標を(x,y)とすれば,これらの星を平均した輝度の分布は2変数の関数

 p(x-x_0,y-y_0)

で表すことができます。これはPSF(Point Spread Function)と呼ばれていて、 (x_0,y_0)にある点光源の星が(x,y)の位置にどれだけの輝度を与えるか?つまり画像のボケ具合を表しています。この関数はおおよそ下のようなフォルムをしているはずです。

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さて、究極のレンズとカメラがないと撮影できない「真の」天体像の輝度の分布を仮にF(x,y)とし、顧問の普通のカメラとレンズで撮影した「ぼやけた」天体像の輝度の分布をg(x,y)とします。それらの間には余計なノイズなどを度外視すれば

g(x,y)=\displaystyle \int_0^{L_x}\int_0^{L_y} p(x-x_0,y-y_0)F(x_0,y_0)~dx_0dy_0~~~~~(1)

という関係があります(この右辺は畳み込み(convolution)積分と名前がついています)。 L_x,~L_yは画像の大きさを表しています。

いまg(x,y)p(x,y)がわかっているので、原理的にはこの式を逆に辿ればF(x,y)をもとめることができるはず、というのが"deconvolution(逆たたみこみ)"の考え方です。PSF関数を星の画像そのものから得られるこの方法は,天体写真にとって最適なシャープ化の手法といえるかもしれません。

(1)式からF(x,y)を解く方法はいくつか提案されていて、中でも"Regularrized Richardson-Lucy" というのがその標準的な手法のようです。たとえば

の解説が比較的わかりやすいです。顧問も完全には理解できていないのですが、要は反復法とよばれる逐次近似計算によって、適当に仮定した近似解を,漸近的に本当の解へ収束させることをおこなっているようです。

Pixinsightでの操作法、パラメターの意味

Pixinsightには"deconvolution"の機能が搭載されています。

まず"Dynamic PSF"という機能で星の平均値からPSF関数を作った後,それを"deconvolution"に渡して計算を行います。その手続きはおなじみNiwaさんのブログ

にわかりやすく説明されていますので,ご覧ください。

いかではそのときに設定するパラメータの意味を考えてみます。下はDeconvolutionのウインドウです。右上の小さなウインドウは"Dynamic PSF"で得られた星像。ウインドウの最上段"PSF"のタブのところで,この星像を指定しています:

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次に2段目の"Algorithm"です。

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1行目では,(1)式を解くための複数の手法のうちいづれか(ここでは標準的なRichardson-Lucyを選んでます)を指定しています。つぎの"Iteration"は、上記の反復計算の回数ですね。基本的にはたくさん繰り返せばより真のF(x,y)へ画像が近づいていくはずですが、画像にノイズなどが含まれていると、繰り返しを増やしすぎることによって、そのノイズが増幅されてしまったり、または数値振動を起こしたりと不具合も起こります(ちなみにkさんは100回を基本にしているとのことでした)。具体的な値は元画像との相談になるようですが,20~30回くらいがよいようです。

次に重要なのが、3段目の"Deringing"の設定です。どうしても生じてしまう星の周りに位落ち込みが生じるのを防ぐのが目的です。

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local supportに星マスクを与えて、Local amountでその強度を調整するというのはNiwaさんのブログにあるとおりです。

Global BrightとGlobal Darkは、Deconvolution処理による輝度の修正の上限値と下限値を与えているもと思われます(これはちゃんとしたソースを見つけることができておらず、顧問の推測です)。つまりGlobal Dark=0.01とした場合、Deconvolutionの解の輝度が0.01以下になるとしたら、そこで強制カットオフして輝度を0.01以下にならないようにしていると予想しています。

kさんは、このGlobal Darkを基本的には0とし、最大限暗部を強調する手法をとられているようです。代償として生じるリンギングはマスク処理によって徹底的に排除されているようでした。書籍Inside Pixinsightや、Light Vortex Astronomy をみてもGlobal Darkを有限の値で調整してリンギングを防ぐと書いてあるので、これを0にしてしまう発想はありませんでした。ここが重要です。 

NGC2903の再処理

ここからはあっさりめに行きます。上記の方針でDeconvolutionをやってみましょう。下は、スタック後にカラーバランスだけ調整して仮ストレッチしたものです。

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これに対して、適当にPSFを作った後とくにマスク処理せずにIteration=50, GlobalDark=0としてDeconvolutionをかけてみます。するとこんな感じ

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銀河中心部の解像”感”は劇的に上がっています。驚くほどです。これ、Global Darkを有限にしてしまうと、とくに暗黒帯のディーテールが浮かび上がってきません。ですが星の周りは強烈なリング、背景部分もモヤモヤとしたアーティファクトが浮かんでしまいます。これはマスクで防ぐことになるわけです。

Pixinsightでマスク作るのって簡単でないんですが、がんばって下のようなものをこさえました

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銀河の中心部だけを選択し、中の微光星は黒抜きで保護します。これを適当にボカしながら元画像に適用し、再度Deconvolutionを行いました。

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大体良さそうです。もう一度元画像と比べてみます。

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細かく見ると、周辺の星像がまだ変になっているので、その辺はもっとマスクの精度を上げる必要がありそうです。もうちょっと修行が必要ということで、今回はこのへんにしたいと思います。疲れた。

 

 

 

銀河シーズン、第二回目はM100を撮影しました

この時期、街が寝静まる時間帯になりますと、獅子座、かみのけ座、乙女座といった比較的地味な星座が頭上に並びます。ちょうど、天の川銀河の円盤に対して垂直の方向にある星座たちで、星が少ない領域でもあります。変わりにたくさんの系外銀河見えていて、例えばかみのけ座の方向を200mm程度のレンズで撮影してみますと、こんな写真が撮れます。

Virgo cluster

 数え切れないくらいの銀河が映り込んでいるのが分かりますでしょうか?

この写真の右上あたりに綺麗な渦巻状の銀河があります。M100と番号づけられた渦巻銀河です。

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今回の神割崎遠征では、これを撮影しました。

 

前回のはやま湖遠征の失敗がありましたから、 顧問は山籠りの修行をしておりました。何回かの予行練習を重ねた甲斐あって、APTのプレートソルブ などを大体使えるようになり(そーなのかーさんに大変お世話になりました)。おかげさまで、機材を設置してから撮影に入るまでのプロセスがだいぶん楽になり、トラブルもだいぶん排除できてきました。

現在、撮影までの流れはこんな感じです:

  • 機材を設置
  • iPolarで極軸あわせ
  • ハンドコントローラーからOne star Alignを実行(基準星方向に移動)
  • APTを起動してプレートソルブ >シリウス導入>One star Alignを終了
  • APTからM100へgoto
  • プレートソルブ>M100が中心に
  • PHD2のキャリブレーション
  • SharpCapで撮影

NJP赤道儀で手動導入していた頃に比べると、圧倒的に楽になりました。心にも余裕がてできて #天文なう 写真が捗ります

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こちらはオートガイドの様子を確認する顧問です。相変わらず星空みてません。

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明け方に天の川なんか撮影してみたり。

 

目的のM100はたっぷり6時間ちかく露光しました。その結果はこちらです

M100

Date: 2021-3-9
Location: Kamiwari-saki, Miyagi
Optics: Takahashi MT-200 1200mm F6, MPCC Koma Correcter, UV-IR Cut filter
Camera: ASI294MC pro
Exposure: 240s x 65, gain120
Processing: Pixinsight, Photoshop

 

ここ最近、teamsで行っていた勉強会にてdeconvolution処理について学んだことが多くあって、この画像でその成果を出すことができました。詳しくは次回以降にまとめたいと思います。