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Die Astronomie-Seiten von Mario Weigand

H-Alpha Filter-Stacking (Doublestack)

Darstellung von zwei unterschiedlich breiten Hα-Filtern. Der schmalere (rechts) zeigt die Chomosphäre viel deutlicher.

Die Chromosphäre ist der spannendste Bereich bei der Beobachtung unserer Sonne. Hier zeigt sich ein hohes Maß an Dynamik: Protuberanzen, Flares und mehr – Veränderungen werden teilweise nach Minuten sichtbar.
Die beste Möglichkeit die Chromosphäre sichtbar zu machen, ist der Einsatz eines sehr schmalen Hα-Filters. Ein schmales Transmissionsfenster ist dabei entscheidend für ein kontrastreiches Bild. Die Breite eines Filters wird üblicherweise als Halbwertsbreite (FWHM), der Breite auf halber Höhe des Transmissionsfensters, angegeben.

Um auf der Hα-Linie beobachten zu können, muss das gesamte restliche Spektrum weg gefiltert werden. Der Filter soll bewirken, dass die viel hellere Photosphäre die dünne Chromosphäre nicht überstrahlt. Der Helligkeitsunterschied beträgt etwa sechs Größenordnungen! Man bedient sich dazu Interferenzfiltern, die bei 6562,8 Å dank konstruktiver Interferenz durchlässig sind und ansonsten blockierend wirken.

In der Abbildung oben ist die Hα-Absorptionslinie in Rot dargestellt. Abgesehen von der Emission, die am Sonnenrand zu sehen ist (Spikulen, Protuberanzen), dominiert auf der Sonnenscheibe die Absorption. Wasserstoffwolken in der Chromosphäre werden sichtbar, weil sie das Licht der Photosphäre auf dem Weg zu uns absorbieren. Die Durchlassbreite des Filters muss sich an der Breite der solaren Hα-Linie von FWHM ≅ 1,5 Å orientieren, um diese Abschwächung kontrastreich darzustellen. Handelsübliche Filter lassen mit FWHM < 1 Å nur den Hα-Linienkern durchgelassen.


Heute erhältliche Filter weisen typischerweise Durchlassbreiten von 1,0 Å bis 0,3 Å auf. (Bemerkung: Die in der Deep-Sky-Fotografie üblichen Filter sind viel breiter und völlig ungeeignet, niemals zur Sonnenbeobachtung verwenden!) In der ertsen Abbildung ist ein Beispiel für einen breiteren (ca. 0,6 Å) und einen schmaleren (ca. 0,3 Å) Filter zu sehen. Protuberanzen sind bereits mit einem breiten Hα-Filter gut zu beobachten, der die Himmelshelligkeit weitgehend eliminiert. Protuberanzenansätze kommen beispielsweise schon mit 1,5 Å aus. Bei den Strukturen auf der Scheibe zeigt sich jedoch ein anderes Bild, hier sind vernünftige Beobachtungen ab FWHM ≅ 0,7 Å. Schmalere Durchlassbreiten sind aber sehr vorteilhaft.

Zwei Filter kombinieren

Im Folgenden Bild sind die Durchlasskurven für verschiedene Szenarien dargestellt. Das breiteste Profil ist ein einzelner Hα-Filter mit 0,7 Å Halbwertsbreite. Viele der erschwinglichen Filter liegen in diesem Bereich. Das zweite Beispiel, ein Einzelfilter mit 0,45 Å ist schon deutlich teurer – bis zu 7000 Euro werden hier verlangt.
Zwei Filter hintereinander im Strahlengang könne aber auch eine geringere Halbwertsbreite erzeugen (dritter Fall). Hier wurden zwei Filter mit 0,7 Å kombiniert, die ebenfalls 0,45 Å erzeugen. Zusätzlich verändert sich auch die Form der Kurve. Die Transmission in den Linienflügeln der Hα-Linie werden stärker unterdrückt, als bei einem Einzelfilter der gleichen Breite. Ein Doublestack ist dadurch einem Einzelfilter gleicher Breite sogar geringfügig überlegen.


Die Änderung der Halbwertsbreite bei Kombination zweier Filter lässt sich berechnen. Wie sich die Änderung der Durchlassbreite verhält ist in der nächsten Abbildung in Abhängigkeit des FWHM-Verhältnisses beider Filter dargestellt. Für die handelsüblichen Filter (FWHM < 1,0 Å) kann man in jedem Fall. Jedoch ist nicht jede Kombination gleichermaßen gewinnbringend. Es wird deutlich, dass sich das Durchlassfenster am stärksten verändert, wenn zwei Filter gleicher Breite Kombiniert werden (FWHM-Verhältnis = 1). Zwei Filter mit FWHM = 1,0 Å erzeugen dann ein Fenster mit FWHM ≅ 0,65 Å.
Der wahrscheinlich schlechteste in der Praxis auftretende Fall wäre die Kombination eines 0,5-Å-Filters mit einem 1,0-Å-Filter (FWHM-Verhältnis = 2). Dabei erreicht man nur eine minimale Verbesserung auf FWHM = 0,42 Å.


Anbei der Formalismus zur Berechnung des Reduktionsfaktors für die Halbwertsbreite:


Dabei ist V das FWHM-Verhältnis von breitem zu schmalem Filter.

Kontrastgewinn vs. Helligkeitsverlust

Bei der ganzen Thematik sollte noch beachtet werden, dass kein Hα-Filter auf der zentralen Wellenlänge 100% Transmission erreicht. Dies bedeutet, dass ein Hα-Doublestack nicht nur ein kontrastreicheres, sondern auch ein über die stärkere Begrenzung des Wellenlängenbereichs hinaus dunkleres Bild erzeugt. Ist der Kontrastgewinn aufgrund einer Ungünstigen Filterkombination nur minimal (siehe Abschnitt vorher), dann dürfte der Nachteil des Helligkeitsverlustes schwerer wiegen.

Filter-Abstimmung

Ebenfalls ausschlaggebend für ein zufriedenstellendes Ergebnis ist die Abstimmung beider Filter. Liegen die Transmissionsmaxima der beiden Filter nicht genau übereinander verringert dich die Bildhelligkeit schnell. Außerdem stellt ich auch kein Kontrastgewinn ein. Das Beispiel unten zeigt einen Doublestack aus zwei 0,5-Å-Filtern ohne und mit einer Verstimmung von 0,3 Å. Ein Filter liegt zentral auf der Hα-Linie, der zweite auf dem roten Flügel der Linie. Die Transmission verringert sich auf weniger als die Hälfte und das Durchlassfenster wird breiter.

Zusammenfassung

Zum Abschluss noch einmal eine Liste der wichtigsten Punkte, die sich aus der obigen Diskussion heraus kristallisieren:

Einzelfilter
Doublestack


[20.01.2018]