Das Algol-Minimum am 1./2. Dezember 2016

 

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Robert Nufer
 

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Neugierig auf die Animation? Sie kann auf youtube betrachtet werden.

 

Links: Algol bei "normaler" Helligkeit am 1. Dezember 2016 um 18:00 MEZ. Während der meisten Zeit ist Algols Helligkeit vergleichbar mit derjenigen von Mirfak.

Rechts: Algol im Helligkeitsminimum am 2. Dezember 2016 um 00:00 MEZ. Aber alle 2.9 Tage fällt Algols Helligkeit auf diejenige von Per.

 

 

Die hellsten Sterne im Sternbild Perseus sind Mirfak (Per) und Algol (Per). Alle 2.9 Tage fällt die Helligkeit von Algol innerhalb von etwas mehr als vier Stunden von Magnitude 2.0 auf Magnitude 3.2 ab, um nach weiteren vier Stunden wieder die normale Helligkeit  zu erreichen. Während dem Helligkeits-Minimum erscheint Algol so leuchtschwach wie Per, was von Auge leicht zu beobachten ist. Algol-Minima eignen sich gut, um Besuchern von Astronomie-Vereinen gezeigt zu werden. Denn in der nächsten Nacht, wenn Algol wieder in "normaler" Helligkeit strahlt, können die Besucher den deutlichen Helligkeitsunterschied von zuhause selber beobachten.

 

Hier beschreibe ich meinen ersten Versuch, die komplette Lichtkurve eines Algol-Minimums mit Hilfe einer parallaktisch montierten Digitalkamera aufzuzeichnen. Die Idee dahinter war, jede Minute ein Bild des Sternbildes Perseus zu schießen und aus den Hunderten von Weitwinkel-Aufnahmen eine Zeitraffer-Animation zu erstellen, in Kombination einer grafischen Darstellung der gemessenen Algol-Helligkeiten im Laufe der Nacht.

Für diesen ersten Versuch habe ich ganz auf Farb- oder andere Kalibrierungen verzichtet. Im Folgenden bezeichne als "Helligkeit" einfach für jeden Stern die Summe seiner Pixel-Werte im Rot-, Grün- und Blau-Kanal der Kamera nach Abzug des Dunkelwertes und nach grober Flatfield-Korrektur. (Vignettierungs-Korrektur).

 

 

Planung

 

Algol-Minima finden alle 2.9 Tage statt - oder alle drei Tage minus drei Stunden. Wird ein Minimum aus irgendeinem Grund verpasst (Wetter...), kann das Nächste in der überübernächsten Nacht beobachtet werden. Dann allerdings drei Stunden früher. Wird auch dieses verpasst, bietet sich erst zwei oder drei Wochen später wieder eine Gelegenheit, je nach bevorzugter Beobachtungszeit.

Algol-Minima in den frühen Abendstunden sind praktisch für "public viewing", aber natürlich kann dann der Beginn des Lichtabfalls nicht beobachtet werden.

Die folgenden Bedingungen müssen für eine komplette Algol-Minimum-Beobachtung erfüllt sein:

  • Das Algol-minimum findet um Mitternacht herum statt.

  • Zum gleichen Zeitpunkt muss das Sternbild Perseus hoch am Himmel stehen (in oberer Kulmination).

  • Die Sonne muss weit unterhalb des Horizonts stehen.

  • Idealerweise sollte der Mond nicht am Himmel stehen - vielleicht höchstens drei Tage vor oder nach Neumond.

  • Optimale Wetterbedingungen für die ganze Nacht.

Die Kombination der ersten vier Bedingungen ergibt sich nur etwa drei bis vier Mal im Jahr zwischen September und Dezember.

Die folgende Planungstabelle wurde aus den Algol-Minimum-Elementen in der Dezember-Ausgabe 2016 von Sky and Telescope erstellt.

 

 

Excel Spreadsheet für das Planen einer "kompletten" Algol-Minimums-Beobachtung. Die weissen Kolonnen in der Mitte zeigen Höhe der Sonne (AltS) und des veränderlichen Sterns (AltV) Algol zum Zeitpunkt des vorausgesagten Minimums. Die Kolonne (Bed.) rechts neben der Zeit zeigt an, wie optimal die Bedingungen zu dem Zeitpunkt sind. Sie kann bis 12 Sterne enthalten, wenn die Sonne weit unter dem Horizont und Algol hoch über dem Horizont steht. Die grünen und roten Kolonnen (Start, Ende) zeigen die Situation 4.5 Stunden vor und nach dem vorausgesagten Minimum. Komplette Algol-Minimums-Lichtkurven können nur beobachtet werden, wenn alle Kolonnen Start, Minimum und Ende Sterne enthalten.

 

 

Optimale Bedingungen wiederholen sich nach 8 Perioden oder 23 Tagen minus 90 Minuten. Für dieses Experiment wurde das Algol-Minimum vom 1./2. Dezember 2016 ausgewählt. Das Experiment wurde in einer Nebenhütte der Regio-Sternwarte Metzerlen Metzerlen/SO durchgeführt. Dort sind die Beobachtungsbedingungen für die nördlichen Himmelsregionen optimal.

 

 

Setup

 

 

Zwei Digital-Kameras (Canon EOS 5D Mark II und Canon EOS 400D) wurden eingesetzt. Eine davon als Reserve. Sie wurden auf einer Halterung für zwei Kameras montiert, die zusätzlich mit einem Gewicht beladen wurde, um während der ganzen Nacht optimal ausbalanciert zu sein. Für die Stromversorgung der Kameras wurden originale 220 V Adapter von Canon verwendet. Diese sind aber für den Einsatz in einer kalten Nacht nicht besonders brauchbar. (Steifes Kabel, schlechter elektrischer Kontakt!)

Um das Beschlagen der Linsen zu verhindern, wurden Taukappen aus schwarzem Filz gebastelt und angebracht. Trotzdem setzten sich nach Mitternacht Tautröpfchen fest, die nach und nach zu einer Eisschicht gefroren, leider. Das Experiment mit der Canon EOS 400D ist misslungen, aber die Bilder der Canon EOS 5D Mark II waren zum Teil brauchbar, auch wenn durch die Eisschicht nur ein Zehntel des Sternenlichtes auf den Bildsensor fiel. Mehr dazu später.

Die Kameras wurden jede Minute ausgelöst. Dazu wurden Remote-Kontroller Modell TM-A and TM von Enjoy Your Camera.com verwendet.

 

 

Kamera-Einstellungen

EOS 5D Mark IIEOS 400D
Canon Zoom-ObjektivEF 28-135 mm 1:3.5-5.6 ISEF-S 17-85 mm 1:4-5.6 IS USM
Belichtungszeit (Sek.)20 (30 für einige Bilder)20
Blende3.54
ISO400400
Brennweite (mm)2817
BildqualitätRAWRAW
Fokusmanualmanual
Rauschunterdrückung für lange Belichtungszeitenonon

Belichtnugsintervall (min)

11

 

 

 

Die Nacht

 

 

Nachdem das Setup der Kameras beendet war, bereitete ich das Feldbett und den Schlafsack vor, denn es lag eine lange und kalte Nacht vor mir. Auf der Westseite der Montierung hing ich ein Bettlaken auf, das den leichten kalten Luftstrom aus Nordwesten mindern sollte. Gleichzeitig wurde damit das Licht von vorbeifahrenden Autos gedämpft.

Bevor das Experiment gestartet wurde, hatte ich zehn Bias-Bilder mit der kürzest möglichen Belichtungszeit (1/8000 Sek., resp. 1/4000 Sek.) und geschlossener Optik aufgenommen.

Sonnenuntergang war um 16:40 MEZ, und eine Stunde später war es dunkel genug, um das Experiment zu starten. Die Nachführung wurde eingeschaltet und die Kamera-Remote-Kontroller begannen, jede Minute eine Aufnahme zu machen. Es wurde keine zusätzliche Korrektur der Nachführung gemacht, weil ja Weitwinkel-Aufnahmen belichtet wurden. Ab und zu versicherte ich mich, dass die Kameras immer noch auf das Sternbild Perseus ausgerichtet waren. Weil es sehr kalt war, ging ich jeweils ins Bett und kontrollierte nur etwa jede halbe Stunde, ob alles in Ordnung sei. Alles lief gut, der Himmel war wolkenlos und dunkel, also hing ich nach Mitternacht das Bettlaken auf die Ostseite der Instrumentierung, da die Kameras von jetzt an mehr und mehr nach Westen schauten. Die Frontlinsen waren frei von Tau, und so ging ich endgültig zu Bett und schlief gut bis am nächsten Morgen.

Dann kam der Schock: Das feuchte Laken nochmals zu verwenden und auf der Ostseite in den Wind zu hängen war ein grosser Fehler! Ich vermute, dass der Wind die Feuchtigkeit vom Laken auf die Instrumentierung blies. Immerhin hatte die blinde Nachführung in Rektaszension problemlos geklappt, aber die Frontlinsen beider Kameras waren mit einer Eisschicht belegt!

Für die weiteren Analysen wurden deshalb nur die Bilder der Canon EOS 5D Mark II verwendet, wo die Vereisung etwa um 00:30 MEZ begann. Die fotografierte Lichtmenge der Sterne fiel auf weit unter 20 Prozent, aber grobe Helligkeits-Schätzungen waren trotzdem möglich.

Für mich war es nun eine Herausforderung, trotz diesem Missgeschick doch irgendwie brauchbare Daten zu gewinnen.

 

 

Datenverarbeitungsschritte

 

Für den Zeitraum von 17:56:15 MEZ am 1. Dezember 2016 und 04:28:18 MEZ am 2. Dezember 2016 befanden sich total 573 Bilder (im Canon RAW Format .CR2) auf der Speicherkarte deer Canon EOS 5D Mark II.

Die erwartete Anzahl war eigentlich 633, aber einige offensichtlich unbrauchbare Aufnahmen wurden gleich gelöscht.

Kurz nach dem Start des Experiments hatte ich die Belichtungszeit irrtümlicherweise auf von 20 auf 30 Sekunden erhöht, nachdem die Kamera wegen eines Kontaktfehlers der Speisung ausgeschaltet worden war. Weil die Rauschunterdrückung aktiv war, was die Zykluszeit auf eine Minute erhöhte, fehlten jeweils einige Aufnahmen. Um 23:30 MEZ hatte ich die Belichtungszeit wieder auf 20 Sekunden eingestellt.

 

Im ersten Schritt wurde die exif-Information aller Bilder mit Hilfe der Freeware exiftool v10.36 von Phil Harvey ausgelesen. (C:\> exiftool -t -list -csv -r *.CR2 >CR2.csv) Die Ausgabedatei enthält die gesamte technische Information für jedes Bild wie Belichtungszeit, Blende, ISO, Datum, Zeit...

 

Im zweiten Schritt wurden alle Bilder dupliziert und ins PPM-Format umgewandelt. Dafür wurde die Freeware dcraw v9.16 von Dave Coffin benutzt. (C:\> for %a in (*.CR2) do dcraw -4 -t 3 %a). Die PPM-Dateien sind sehr praktisch für weitere Bildverarbeitung, weil die volle 16-Bit-Information der Bilder für alle drei Farbkanäle (Rot, Blau, Grün) mit einer einzigen Leseinstruktion erhalten werden kann.

 

Alle weiteren Bild- und Datenverarbeitungsschritte wurden mittels selbst geschriebener Borland® Delphi® Pascal Programme erledigt, welche ich je nach Bedarf schrieb. Zwischentabellen und Grafiken wurden mit Microsoft® Excel® 2010 erzeugt, einem ässerst wertvollem Tool für diese Art von Datenverarbeitung.

 

Um die genaue Ausrichtung jedes Bildes zu berechnen, wurde aus allen PPM-Aufnahmen ein mittleres Bild berechnet, ohne jegliche Ausrichtung. Das Resultat ist im linken Teil des unteren Bildes zu sehen. Während der Nacht drifteten alle Sterne gleichmässig über einen kleinen Bereich des Bildfeldes, aber nur so weit, dass die helleren Sterne jederzeit eindeutig zu finden sind.

 

 

Links: Gemitteltes Bild aller 573 Aufnahmen ohne jegliche Ausrichtung.

Rechts: Gemitteltes Bild aller 573 Aufnahmen, mit korrigierter Ausrichtung der einzelnen Aufnahmen.

 

 

 

Für die hellsten Sterne wurde die genaue Position (Schwerpunkt) gefunden, indem der hellste "Fleck" innerhalb der verwischten Region in den einzelnen Bildern abgesucht wurde.

Der Helligkeitswert der Sterne in jedem Bild wurde durch Summierung der Pixel-Werte in den drei Farben (Rot, Blau, Grün) berechnet. Davon wurde die Helligkeit des Himmelshintergrundes abgezogen.

Schliesslich wurden die Helligkeitswerte auf eine Belichtungszeit von einer Minute normiert und für den Flat-Field-Wert (Vignettierung) der Sternposition im Bild korrigiert.

Das Flat-Field-Bild wurde am nächsten Morgen bei klaren, wolkenlosen Bedingungen erzeugt. Die Kamera zeigte dafür zum Zenit und während ich mich einmal um meine Körperachse drehte, wurden zehn Bilder aufgenommen. Für das Flat-Field-Bild wurden dann die Helligkeiten dieser zehn PPM-Bilder summiert. Die Flat-Field-Korrekturfaktoren wurden bestimmt, indem die Helligkeit im Flat-Field-Bild an der Position der jeweiligen Sterne durch die maximale Helligkeit im Flat-Field-Bild dividiert wurde.

 

 

 

Pixel-Koordinaten und Flat-Field-Werte für die untersuchten Sterne im Experiment. Die Bias-Werte wurden nicht weiter benutzt.

 

 

Resultate

 

Idealerweise hätten aus den Bildern Helligkeits-Werte für Mirfak, Algol, und einigen weiteren hellen Sternen gefunden werden sollen, aus denen dann das Algol-Minimum hätte bestimmt werden können. Aber nach etwa 00:30 Uhr MEZ begann sich Eis auf der Frontlinse zu bilden, womit absolute Helligkeitsmessungen nicht mehr bestimmbar wurden.

Glücklicherweise sind aber auch diese "vereisten" Bilder zum Teil brauchbar. Auch nach 03:00 MEZ ist die relative Helligkeit der weiteren Sterne im Vergleich zu Algol etwa konstant, während sich die Helligkeit von Algol etwa wie erwartet derjenigen von Mirfak annähert.

 

 

Etwa ab 00:30 MEZ begann sich auf der Frontlinse eine Eisschicht zu bilden. Absolute Helligkeits-Werte können damit ab diesem Zeitpunkt nicht mehr verwendet werden.

 

 

Trotzdem sind die relativen Helligkeits-Werte zu einem gewissen Grad brauchbar. Eine grobe Abschätzung des Algol-Minimums um etwa 00:00 MEZ ist möglich.

 

 

Der Film (Animation)

 

Das Ziel dieses Experiments war das Erstellen eines Zeitraffer-Films eines "kompletten" Algol-Minimums aus echten Fotografien in Kombination einer grafischen Lichtkurve.

 

Ein Algol-minimum zu beobachten ist einfach, aber doch nicht ganz so einfach wie das Erkennen eines Sternbildes wie z. B. des Orions, da die Sterne im Perseus nicht so hell scheinen. Ungeübten Beobachtern muss erst gezeigt werden, wo sich Perseus mit seinen hellsten Sternen a und b Per, Mirfak und Algol, am Himmel befindet. Die meiste Zeit leuchtet Algol fast so hell wie Mirfak, aber im Minimum fällt seine Helligkeit deutlich sichtbar ab, so dass er nur noch so schwach leuchtet wie Per in der gedachten Verlängerungslinie von Mirfak zu Algol.

Durch die Eisbildung auf der Frontlinse wurden die Sterne ab diesem Moment dunkler (und unschärfer) abgebildet, weil das Licht durch die Eisschicht absorbiert und gestreut wurde.

Für den Film wurde die Helligkeit aller Bilder so justiert, dass die Summe der Helligkeiten der sieben hellsten Sterne (natürlich ohne Algol) konstant ist. Deshalb ist das Rauschen der späteren Zeitpunkte deutlich höher, aber immerhin doch noch einigermassen brauchbar.

Auf scharfen Himmelsaufnahmen erscheinen Sterne als kleine Punkte und es ist schwierig, Helligkeitsunterschiede zu erkennen, besonders, wenn keiner der helleren Sterne zu einer Farbsättigung führen soll  (Bild A unten).  Ich habe mich deshalb entschlossen, die Bilder absichtlich deutlich unscharf zu machen, indem jedes Pixel auf eine Fläche von 5x5 Pixel aufgebläht und entsprechend aufgehellt wird. Die relative Helligkeit der Sterne untereinander ändert sich mit diesem Schritt nicht (Bild B unten).

Für die 12 hellsten Sterne im Bildfeld, das sind etwa die Sterne, die von blossem Auge das Sternbild Perseus ausmachen, wurde zusätzlich folgende Prozedur durchgeführt: Eine Fläche von 15x15 Pixel um den Stern wurde ausgeschnitten, auf eine Fläche von 30x30 Pixel vergrössert, mit der entsprechenden Bayer-Bezeichnung oder dem Eigennamen (Mirfak und Algol) angeschrieben und wieder an die originale Stelle im Bild kopiert. Zusätzlich wurden die so behandelten Sterngebiete mit einer feinen grauen Linie umrandet, damit ersichtlich ist, welche Sterne so hervorgehoben wurden (Bild C unten). Die so behandelten Bilder wurden dann für die Animation verwendet.

In dieser Animation ging es eigentlich nur darum, den Helligkeitsunterschied von Algol im Vergleich von Mirfak im Laufe der Nacht zu dokumentieren. Natürlich ist auf jedem Bild viel mehr Information zu schwächeren Sternen vorhanden, was in Bild D unten mit starker Aufhellung schön zu erkennen ist.

 

 

 

Bildbearbeitungs-Schritte:
A:Original Bildausschnitt mit den Sternen Algol und Per. Die Sterne sind zu fein, um leicht erkennbar zu sein.
B:Gleicher Bildausschnitt nach 5x5 Pixel-Unschärfe-Maskierung und 5-facher Aufhellung. Die Sternhelligkeiten sind so viel besser erkennbar.
C:Für den film wurden ein Gebiet um die zwölf hellsten Sterne um einen Faktor 2 vergrössert, mit einem grauen Rahmen versehen, angeschrieben, und wieder an die originale Stelle ins Bild kopiert.
D:Um den Detail-Reichtum der Bilder zu demonstrieren, wurde der Kontrast aus Bild C deutlich erhöht. Damit würde natürlich Algol hoffnungslos "überbelichtet" und solche Bilder wären für den Film nicht brauchbar.

 

 

 

Repräsentatives Bild der Animation um 19:00 MEZ. Die zwölft hervorgehobenen Sterne sind mit einem grauen Quadrat umrandet und mit der entsprechenden Bayer-Bezeichnung oder dem Eigennamen (Mirfak und Algol) angeschrieben. Der rote Punkt zeigt an, zu welchem Zeitpunkt in der Nacht vom 1. zum 2. Dezember 2016 das Originalbild aufgenommen wurde.

 

Lade die Algol-Minimum-Animation (34 MB)   herunter oder betrachte sie auf youtube.

 

 

Copyright ©2017 Robert Nufer Therwil (Schweiz)