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Vierfach-Quasar im Amateurfokus


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 11/2018 vom 12.10.2018

Das Objekt J 014709+ 463037im Sternbild Andromeda wurde erst im Jahr 2017entdeckt: Ein Quasar, der sein Licht vor elf Milliarden Jahren auf die Reise geschickt hat und dank des Gravitationslinseneffekts gleich vierfach am Himmel zu sehen ist! Mit Hilfe von raffinierten Methoden konnte ein Amateurastronom den Quasar mit dem Spitznamen »Andromedas Fallschirm« ablichten.


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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 11/2018

Zoom auf den Vierfach-Quasar

Der Vierfachquasar J014709+463037, auch Andromedas Fallschirm genannt, mit einer maximalen Helligkeit von 15 mag liegt zentral im Sternbild Andromeda (ganz links). Am besten orientiert man sich anhand des ...

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... 2,3 mag hellen Sterns Alamak (γ And) und des 3,6 mag hellen Sterns Nembus (51 And); Andromedas Fallschirm befindet sich nahe der Mitte zwischen diesen beiden Sternen, unweit des 6 mag hellen Sterns HIP 8370.

Die Pan-STARRS Aufnahme (kleines Bild rechts unten) zeigt die vier Abbilder des Quasars A, B, C und D, sowie die scheinbare Position der unsichtbaren Linse. Im Bild des Amateurastronomen Peter Bresseler (oben) sind die Komponenten A, B und C deutlich voneinander getrennt zu erkennen und sogar Komponente D lässt sich erahnen.

In der Umgebung massereicher Objekte ist die Raumzeit so stark gekrümmt, dass Lichtstrahlen abgelenkt werden. Solche Gravitationslinsen sorgen – neben wichtigen astrophysikalischen Erkenntnissen – immer wieder für spektakuläre Bilder. Die Ablenkung von Licht durch massereiche Objekte wurde im Jahr 1919 bei einer Sonnenfinsternis vom britischen Astrophysiker Sir Arthur Eddington (1882 – 1944) bestätigt, was ein großer Erfolg für die Akzeptanz von Einsteins Relativitätstheorie war. Dass massereiche Galaxien, die im Vordergrund von Quasaren stehen, als Gravitationslinse wirken und auch Mehrfachbilder erzeugen können, wurde 60 Jahre später, nämlich anhand des Zwillingsquasars Q0957+561, nachgewiesen. Seitdem sind mehrere solcher Mehrfach-Quasare entdeckt worden, etwa das Einsteinkreuz Q2237+030.

Als Amateurastronom und Astrofotograf lichte ich vor allem Deep-Sky-Objekte ab; nun wollte ich mich der Herausforderung stellen, einen solchen Mehrfachquasar selbst zu fotografieren. Dabei stellt sich die Frage: Ist es überhaupt möglich, mit Amateurausrüstung solche kosmologischen Objekte einzufangen und selbst Gravitationslinsen zu beobachten?

Andromedas Fallschirm

Am 11. Juli 2017 wurde im Rahmen der Durchmusterung Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System) ein Gravitationslinsensystem mit vier Abbildungen eines weit entfernten Quasars entdeckt. Pan-STARRS besteht zurzeit aus zwei 1,8 Meter-Teleskopen auf Hawaii; das ältere der beiden, mit dem die Entdeckung des Vierfachquasars gelang, besitzt durch sein spezielles Kamerasystem ein großes Gesichtsfeld von 7,7 Grad.

Das neu entdeckte Gravitationslinsensystem im Sternbild Andromeda erhielt die offizielle und weniger einprägsame Bezeichnung J014709+463037, welche die genauen Koordinaten verrät. Aufgeschlüsselt in Rektaszension und Deklination lauten sie:α = 01h47m09s beziehungsweiseδ = +46°309370.

Die vierfache Darstellung des Quasars ähnelt einem Fallschirm, insbesondere die drei oberen Bilder, wes- halb sich der Eigenname »Andromedas Fallschirm« (englisch: Andromeda’s parachute) etabliert hat.

Erste Amateurbeobachtungen von Andromedas Fallschirm gab es bereits im September 2017, wenige Monate nach der Entdeckung. Eine visuelle Identifizierung ist für den geübten Beobachter mit einem Teleskop mit zwölf Zoll Öffnung (rund 30 Zentimeter) möglich – aber um die vier Komponenten des Quasars tatsächlich aufzulösen, bedarf es Öffnungen von mindestens 24 Zoll. Die wenigen mir heute bekannten Amateuraufnahmen zeigen nur punktähnliche oder längliche, verwaschene Objekte.

Der Rechner addiert Bilder

Es reicht nicht, wenige Einzelbilder mit langer Belichtungszeit aufzunehmen, um Andromedas Fallschirm detailliert aufzulösen. Vielmehr musste ich eine spezielle Aufnahme- und Bildbearbeitungstechnik einsetzen, um das Zielobjekt hochaufgelöst darzustellen:

Die Deep-Sky-Astrofotografie wie im vorliegenden Fall nutzt die computergestützte Addition von vielen Einzelaufnahmen (englisch: Stacking), die in der Summe einige Stunden Belichtungszeit ausmachen können. Diese Einzelaufnahmen sind in der Regel von unterschiedlicher Belichtungsdauer, typischerweise zwischen 60 und 600 Sekunden, je nach eingesetzter Ausrüstung. Damit ist sichergestellt, dass ein Objekt eine entsprechende fotografische Tiefe erreicht und schwache Strukturen noch abgebildet werden können. Werden diese Aufnahmen bei großer Luftunruhe (englisch: Seeing) gewonnen, ist die Auflösung allein schon hierdurch begrenzt. Mit aufwändiger Bildnachbearbeitung lassen sich zwar einige Details noch reproduzieren, allerdings können grundsätzlich nur diejenigen Bildinformationen sichtbar gemacht werden, die auch in den Rohdaten der Kamera stecken.

Wegen meines Hamburger Standorts und der lokalen Gegebenheiten sind die Voraussetzungen für die klassische Astrofotografie mit langen Belichtungszeiten nicht ideal: Die freie Sicht ist durch Bäume und eine enge Bebauung sehr eingeschränkt. Einzelne Beobachtungsfenster sind zwischen den Bäumen gegeben, allenfalls im Zenit wäre eine ungestörte Beobachtung möglich. Dies führt dazu, dass ich meinen Schwerpunkt auf helle und kompakte Objekte lege, die keine langen Belichtungszeiten voraussetzen.

Lucky Imaging

Für meine Beobachtungen nutze ich eine spezielle Aufnahme- und Verarbeitungstechnik, um hochaufgelöste Deep-Sky- Astrofotografie zu ermöglichen: Lucky Imaging. Mit diesem Verfahren hatte ich bereits 2013 erste Erfahrungen gesammelt. Beim Lucky Imaging werden zunächst eine Vielzahl von Einzelbildern mit Hilfe einer speziellen Aufnahmesoftware aufgenommen, in meinem Fall Firecapture (www.firecapture.de ). Die Belichtungszeiten sind hierbei deutlich kürzer als oben beschrieben, nämlich im Bereich von 500 Millisekunden bis zu einer Sekunde. Im späteren Verlauf übernimmt eine weitere Software wie Deep Sky Stacker (deepskystacker.free.fr ) oder Autostakkert (www.autostakkert.com ) die weitere Verarbeitung. Dabei führt die Software eine Qualitätsanalyse durch und selektiert gut gelungene Einzelbilder. Danach addiert sie die besten Einzelbilder zu einem Summenbild. Eine solche Aufnahme kann aus mehreren tausend kurzbelichteten Einzelaufnahmen bestehen. In Momenten ruhiger Luft ergeben sich die schärfsten Bilder: Diese werden in dem Verarbeitungsprozess automatisch ausgewertet. Im Idealfall entspricht das so gewonnene Ergebnis dem theoretisch erreichbaren Auflösungsvermögen des Teleskops.

Die Nachbereitungssoftware nutzt das so genannte Drizzle-Verfahren zur Bildoptimierung. Drizzle, auch bekannt unter dem Namen »Variable-Pixel Linear Reconstruction«, ist eine von der NASA ursprünglich für das Weltraumteleskop Hubble entwickelte Methode. Der Algorithmus verfügt über eine breite Palette von Möglichkeiten, mit denen die Auflösung eines aufaddierten Bildes im Vergleich zu den verwendeten Einzelaufnahmen enorm verbessert wird, während die eigentlichen Eigenschaften des Bildes wie Farbe und Helligkeit erhalten bleiben. Dabei tastet der Algorithmus jede einzelne Aufnahme unmittelbar vor dem Aufaddieren ab, vergrößert sie, aber projiziert sie auf ein gleichbleibendes Pixelraster. Als Folge davon vergrößert sich die Seitenlänge des fertigen Bildes um diesen Drizzling-Faktor, und kleine Details im Bild, die vorher nur einige wenige Pixel eingenommen haben, bedecken eine viel größere Menge an Pixeln. Der Nachteil dieser Methode liegt darin, dass der benötigte Speicherplatz auf der Festplatte und im Arbeitsspeicher im Vergleich zum Originalbild um das Quadrat des Drizzling- Faktors steigt.

Ans Werk!

Um Details kleiner Objekte hochaufgelöst darzustellen, benötigt man Brennweiten von mindestens 800 Millimetern. Meine Aufnahmen wurden mit einem Celestron C8, einem Schmidt-Cassegrain-Teleskop mit 203 Millimeter Öffnung, gewonnen. Das theoretische Auflösungsvermögen beträgt 0,57 Bogensekunden: Damit kann der Beobachter im Idealfall zwei in dieser Winkeldistanz stehende Sterne noch als getrennte Objekte wahrnehmen. Voraussetzung ist allerdings eine sehr gute Justage der Optik. Meine Montierung, eine Sky-Watcher HEQ5 Pro, lässt sich vom Computer aus ansteuern und trägt die acht Kilogramm schwere Ausrüstung sicher.


»Deep-Sky-Aufnahmen sind auch in urbanen Umgebungen gut möglich.«


Das Kamerasystem sollte zum Teleskop passen, damit das Auflösungsvermögen optimal genutzt wird. Ich verwende hier eine ASI 290mm, die über einen CMOS-Sensor mit 2,1 Megapixeln verfügt. Die Sensorgröße beträgt 5,6 Millimeter mal 3,2 Millimeter, damit ist die Pixelgröße mit 2,9 Mikrometer Kantenlänge vergleichsweise fein. Die Kamera wiegt nur 60 Gramm, weniger als manches 1¼-Zoll- Okular; Astrofotografie ist also genügsam, was stabile Okularauszüge angeht. Mögliche Belichtungszeiten der Kamera sind 32 Mikrosekunden bis 1000 Sekunden, und die Bitrate, also die Differenzierungsstufen, mit denen die Helligkeitswerte gespeichert werden, beträgt bis zu zwölf Bit. Die Quanteneffizienz des Sensors ist größer als 80 Prozent, also werden mehr als acht von zehn aller ankommenden Photonen auch elektronisch registriert und können ausgelesen werden. Dass der Sensor ein geringes Grundrauschen hat, bietet eine ideale Voraussetzung für Aufnahmen mit kurzer Belichtungsdauer.

Aus astrofotografischer Sicht wird die Auflösung von der Feinheit der Pixel und der verwendeten Brennweite bestimmt. Damit die lichtschwachen Objekte nicht zu weit auf dem Sensor ausgebreitet sind, betreibe ich am Celestron einen Fokalreduktor, der die Brennweite des C8 von etwa 2000 Millimetern auf rund 1000 Millimeter verringert. Für die Abbildung auf dem Sensor ergibt sich dann ein Maßstab von ungefähr 0,59 Bogensekunden pro Pixel. Dies ist allerdings nur die theoretisch optimale Auflösung, denn die Luftunruhe, Nachführfehler, eine Dejustierung der Optik und eine falsche Anwendung der Aufnahmesoftware können die Bildqualität verschlechtern.

Den Vierfachquasar abgelichtet

Anfang Februar 2018 n ahm i ch B ildserien mit Belichtungszeiten von 500 Millisekunden bis einer Sekunde auf. Die Rohbilder zeigten die hellsten Anteile des Vierfach-Quasars nur schemenhaft, die Komponente D war gar nicht sichtbar. In einer Aufnahmesequenz von etwa 150 Einzelaufnahmen mit jeweils einer Sekunde Belichtungszeit schienen bei der ersten Sichtung der Rohaufnahmen mehr Details zu stecken als in späteren oder früheren Aufnahmesequenzen: Das Seeing war in diesem Zeitraum offenbar optimal. Nach dem Drizzling zeigten sich die einzelnen Komponenten A, B und C des Mehrfachquasars getrennt, die Komponente D war leider immer noch nur schemenhaft erkennbar – für eine Aufnahme mit einem Teleskop mit acht Zoll Öffnung trotzdem ein Riesenerfolg.

Hochauflösende Astrofotografie ist grundsätzlich eine Frage der Teleskopgröße. Es müssen sowohl die technischen Voraussetzungen als auch die Wahl der richtigenSoftware zueinander passen. Der zentrale Störfaktor in diesem Gebiet ist dennoch die Luftunruhe. Man kann mit Hilfe von Lucky Imaging zwar dagegen ankämpfen, trotzdem lässt er sich niemals vollständig beseitigen. Das angewandte Verfahren bietet von meinem Hamburger Standort eine gute Chance, sinnvoll Deep-Sky-Aufnahmen zu gewinnen. Wenn man sich bei der Wahl der Beobachtungsziele auf helle, kompakte und kontrastreiche Objekte konzentriert, sind entsprechende Beobachtungen auch aus urbanen Umgebungen gut möglich.

PETER BRESSELER studierte Informatik in Lüneburg. Seit 1998 ist er Mitglied der Vereinigung der Sternfreunde e. V., hält Fachvorträge, veröffentlicht im VdSJournal und in »Sterne und Weltraum« regelmäßig Beiträge aus dem Bereich der Astrofotografie und Astrotechnik. Aktuelle Ergebnisse werden regelmäßig auf seiner Webseite (pixlimit.com ) dokumentiert.


Gravitationslinsen und Mehrfachbilder

Der Gravitationslinseneffekt kann Mehrfachbilder erzeugen: Wegen der gekrümmten Bahn um die Linse kommen mehrere Lichtstrahlen der Lichtquelle (im Fall von J014709+463037 ein Quasar) auf verschiedenen Wegen beim Beobachter an, was dieser dann als Mehrfachbild am Himmel interpretiert.


SuW-Grafik

Bei einem einfachen Gravitationslinsensystem liegt zwischen dem irdischen Beobachter und einer weit entfernten Lichtquelle ein drittes Objekt, das als Schwerkraftlinse wirkt. Es kann sich etwa um einen Planeten, einen Stern oder sogar einen Galaxienhaufen handeln. Solche Materiekonzentrationen lenken die Lichtstrahlen weiter entfernter Lichtquellen vom »geraden« Weg ab: Der Beobachter auf der Erde kann dadurch ein Objekt doppelt oder mehrfach sehen, obwohl es in Wirklichkeit natürlich nur einmal existiert. Bei einer solchen Konstellation spricht man vom starken Gravitationslinseneffekt. Ist die Materiekonzentration nicht sehr kompakt oder steht die Quelle nicht genau hinter der Linse, führt die Lichtablenkung zu weniger dramatischen Konsequenzen. Die Linse verzerrt das Bild – in diesem Fall eine weit entfernte Galaxie – nur leicht, was als schwacher Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Bis heute sind den Astronomen einige Dutzend Beispiele von Doppel-, Dreifach- oder Vierfachquasaren bekannt. Da die Winkelablenkungen beim Gravitationslinseneffekt meistens nur wenige Bogensekunden betragen, sind normalerweise Teleskope an Standorten mit geringer Luftunruhe nötig, um die Mehrfachbilder überhaupt auflösen zu können.

Andromedas Fallschirm ist für einen so weit entfernten Quasar mit 15,4 bis 17,7 mag relativ hell. Er hat sein Licht vor ungefähr 11,3 Milliarden Jahren ausgesandt – sein Spektrum weist eine Rotverschiebung vonz = 2,377 auf. Die Gravitationslinse, wahrscheinlich eine im Vordergrund befindliche Galaxie, ist etwa zwei Gigaparsec (z = 0,57) von uns entfernt. Von dieser Art von Vierfach-Bildern ist bislang nur eine Handvoll Beispiele bekannt.

Gravitationslinsen können zu spektakulären Bildern führen: Im Jahr 2006 entdeckte man den ersten fünffach abgebildeten Quasar im Galaxienhaufen SDSS J1004+4112. Dieses Bild des Weltraumteleskops Hubble zeigt deutlich vier Bilder des Objekts, wobei sich das fünfte hinter dem Zentrum des Galaxienhaufens versteckt (siehe gelbe Kreise).


European Space Agency, NASA, Keren Sharon (Tel-Aviv University) and Eran Ofek (CalTech) (https://spacetelescope.org/images/heic0606b/) / CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode)

Literaturhinweise

Anton, R.: Doppelsterne mit »Lucky Imaging « messen. In: Sterne und Weltraum 4/2011 S. 78 – 84
Berghea, C. T. et al.: Discovery of the First Quadruple Gravitationally Lensed Quasar Candidate with Pan-STARRS. In: The Astrophysical Journal 844, S. 90 – 98, 2017
Dosche, C.: Lucky Imaging für alle Lebenslagen. In: Sterne und Weltraum 3/2012, S. 82 – 89
Rubin, K. H. R. et al.: Andromeda’s Parachute: A Bright Quadruply Lensed Quasar atz = 2.377. In: The Astrophysical Journal 859, S. 146 – 154, 2018

Dieser Artikel und Weblinks unter:
www.sterne-und-weltraum.de/artikel/ 1593200