Астрофотографія — це спеціалізована галузь фотографії, яка пов'язана із фотографуванням небесних тіл та великих ділянок нічного неба. Перший знімок небесного тіла (Місяця) — був виконаний у 1840 році; але справді високої деталізації зоряних фотографій вдалося досягти лише наприкінці XIX століття, завдяки значному прогресу технології. Окрім здатності фіксувати на знімках деталі найближчих астрономічних об'єктів (таких як Місяць, Сонце та планети), астрофотографія дає змогу робити знімки і непомітних для людського ока небесних тіл, таких як тьмяні зорі, туманності, та галактики. Такі фотографії робляться шляхом довготривалого експонування, адже плівкові та цифрові фотокамери здатні вбирати та накопичувати фотони світла протягом ось таких тривалих періодів часу. Астрофотографія стала революційним проривом для професійних досліджень у галузі астрономії завдяки тривалим експозиціям, які фіксували сотні тисяч нових зірок та туманностей, невидимих для людського ока. Це привело до створення все більш вузькоспеціалізованих та все масивніших оптичних телескопів, які по суті були гігантськими «камерами», призначеними для накопичення світлової інформації, яка потім записувалася на плівку у вигляді зображення. Пряма астрофотографія на початковому етапі свого існування застосовувалась для спостережень за нічним небом та для класифікації зірок, але з ходом часу вона дала поштовх до створення набагато витонченіших видів обладнання та методів, які розроблялися для спеціалізованих напрямків наукових досліджень. До того ж плівка (а пізніше — астрономічні ПЗЗ-камери) з часом стала всього лиш «одним із багатьох» типів світлочутливих сенсорів.
Астрофотографія є великою субдисципліною любительської астрономії, у якій вона використовується радше для створення естетично привабливих зображень, аніж для наукових досліджень. Проте їй доступний увесь асортимент обладнання та методів, які тільки можуть використовуватися в діяльності такого типу.
Загальний огляд
В більшості випадків у техніці астрономічної фотографії використовується довготривале експонування, оскільки плівкові та цифрові фотокамери здатні вбирати та накопичувати фотони світла протягом тривалого періоду часу. Обсяг світла, яке потрапляє на плівку або сенсор — збільшується разом із збільшенням діаметра основної оптичної системи (об'єктива), яка використовується. Освітлення міст стає причиною світлового забруднення, тому устаткування, та й самі обсерваторії, що займаються астрофотографією, встановлюються у віддалених місцевостях, що дозволяє робити тривалі експозиції без небезпеки проникнення на плівку, чи світлочутливі сенсори, розсіяного світла із джерел штучного освітлення.
Оскільки Земля постійно обертається, телескопи та інше устаткування повинні обертатися у протилежному напрямку, аби рухатись слідом за наявним обертанням небесної сфери відносно Землі. Цього досягають, використовуючи або екваторіальне, або контрольоване комп'ютером азимутальне монтування телескопа, для того щоб зробити розміщення небесних об'єктів зафіксованим в межах кадру, незважаючи на обертання Землі. Всі типи систем монтування телескопів піддаються вимушеним помилкам під час стеження та навігації, внаслідок недосконалих приводів двигуна, а також механічного зношення телескопа. Похибки стеження можна виправляти шляхом дотримування вибраної цільової точки, зазвичай яскравої зірки-дороговказу, яка утримується в центрі кадру протягом всього часу експонування. Іноді об'єкт який треба сфотографувати, рухається (як у випадку з кометами), тому телескоп налаштовують так, щоб він постійно залишався сфокусованим на цьому об'єкті. Таке наведення виконується із допомогою додаткового телескопа на єдиному (з основним) монтуванні. Такий телескоп називають «прицільним», або «навідним». Це пристрій із призмою, або оптичним розділювачем променя, який дозволяє спостерігачеві бачити те ж зображення, яке обробляється і основним телескопом. Раніше наведення виконувалося вручну під час експонування, коли спостерігач стояв біля телескопа, або перебував всередині нього та вносив корекції в його рух, утримуючи приціл оптики на зірці-дороговказі. Але разом з появою комп'ютерно-керованих систем, цю роботу стали виконувати автоматизовані системи — як у професійному, так і в аматорському устаткуванні.
Астрофотографія є одним із найбільш ранніх видів наукової фотографії, і майже від самої своєї появи, вона була розподілена на субдисципліни, кожна з яких має специфічну мету і завдання. До них належать астрокартографія, астрометрія, класифікація зірок, фотометрія, спектроскопія, поляриметрія, а також відкриття таких астрономічних об'єктів як астероїди, метеори, комети, змінні та нові зорі, і навіть нові, невідомі досі планети. Для всього цього необхідне спеціалізоване обладнання, наприклад, телескопи — сконструйовані для високої деталізації фотознімків, для широкого поля зору (як телескоп Шмідта), або для роботи із специфічною довжиною хвиль світла. В Астрономічних ПЗЗ-камерах може використовуватись кріогенне охолодження для послаблення теплового шуму, та щоб дати сенсору можливість записувати зображення і в інших спектрах, як у інфрачервоній астрономії. Для виконання знімків при специфічній довжині світлових хвиль також використовуються спеціальні фільтри.
Історія
Розвиток астрофотографії як наукового інструменту, був започаткований в середині XIX століття астрономами-аматорами, або так званими «джентльменами науки» (хоча, як і в інших галузях науки, цими «джентльменами» не обов'язково були чоловіки («men»)). Для фотографування відносно тьмяних астрономічних об'єктів необхідні були довготривалі експозиції. А для досягнення цього існувало безліч технічних перешкод, таких як: потреба зробити телескопи достатньо стійкими, щоб вони не зміщувалися та не втрачали фокусу в процесі експонування знімка; потреба в створенні двигунів із годинниковим механізмом, щоб обертати основу телескопа зі сталою швидкістю; потреба у створенні механізмів для точного наведення та відстеження телескопом певного об'єкта протягом тривалих проміжків часу. Ранні методи фотографії теж мали свої обмеження. Праця з дагеротипом була надто повільною для виконання знімків будь-чого, окрім найяскравіших об'єктів: метод вологих колодієвих пластин вимагав витримок не довших, аніж час висихання пластин.
Перша спроба зробити астрознімок належить Луї Даґеру (Louis Jacques Mandé Daguerre) — винахідникові процесу дагеротипії (який названо його іменем), який спробував зробити фотографію Місяця 1839 року. Похибки стеження при націлюванні телескопа під час тривалої витримки призводили до відображення розмитої, нечіткої плями на фото. Джонові Вільяму Дрейперу — професорові хімії у Нью-Йоркському університеті, фізикові та науковому експериментатору — вдалося виконати перший успішний знімок Місяця через рік після невдалої спроби Даґера — 23 березня 1840 року. Дагеротипне зображення супутника Землі стало результатом 20-хвилинного експонування у 5-дюймовому (13 см) рефлекторі.
Вважається, що Сонце вперше було сфотографоване у 1845 році двома французькими фізиками — Леоном Фуко та Іпполітом Фізо. Невдалу спробу сфотографувати повне затемнення Сонця зробив італійський фізик Gian Alessandro Majocchi під час сонячного затемнення, яке відбувалося у його рідному місті — Мілані, 8 липня 1842 року. Пізніше він написав звіт про цю спробу та отримані дагеротипні знімки, у якому він зазначив:Andrew Ainslie Common & Albert Taylor, ‘Eclipse Photography’, American Journal of Photography, 1890, pp 203—209
Перший успішний знімок корони Сонця був виконаний протягом сонячного затемнення 28 липня 1851 року. Керівник Кенігсбургської обсерваторії доктор Август Людвіг Буш дав вказівку місцевому дагеротипісту на прізвище Берковскі (ім'я невідоме), зробити фотознімок сонячного затемнення. Сам Буш не був присутнім у Кенігсбургу (зараз Калінінград, Росія), а вирішив вести спостереження над затемненням із сусіднього Ріксгофта. Телескоп, який використав Берковскі, був приєднаний до 6 ½-дюймового Кенігсбургського геліометра і мав апертуру завширшки всього 2.4 дюйми (6.1 см) та довжину 32 дюйми (81.2 см). Ставши до роботи як тільки наступило повне затемнення, Берковскі насвітлював дагеротипну пластинку протягом 84 секунд за допомогою телескопа, і результатом стало очікуване зображення сонячної корони. Він почав опромінювати ще одну пластинку, але після 40-45 секунд експонування сонячне світло спалахнуло з-за диску Місяця, і пластинка була зіпсована.‘On the Berkowski daguerreotype (Konigsberg, 1851 July 28): the first correctly-exposed photograph of the solar corona’, Reinhard E. Schielicke, Jena, and Axel D. Wittmann, pp. 128—147. Development of Solar Research / Entwicklung der Somienforschung, A.D.Wittmann, G. Wolfcchmidt and H.W. Duerbeck (cds), 2005 Докладніші фотодослідження Сонця робилися британським астрономом Ворреном Де ла Рю починаючи із 1861.
Першим фотознімком зорі став дагеротип зірки Веґа, виконаний астрономом Вільямом Бондом спільно з фотографом-дагеротипістом, експериментатором Джоном Віплом 16-17 липня 1850 року із використанням 15-дюймового (38.1 см) Великого рефрактора Гарвардської обсерваторії. У 1863 році англійський хімік Вільям Аллен Міллер та англійський астроном-аматор сер Вільям Гаґґінс застосували метод вологої колодієвої пластини для отримання першої у світі фотографічної спектрограми зірки, а саме — Сіріуса та Капелли. У 1872 році Американський фізик Генрі Дрейпер, син Джона Вільяма Дрейпера, записав першу спектрограму зірки (Веґа) для демонстрації спектральних ліній.
Астрофотографія не змогла стати серйозним методом дослідження — аж до кінця XIX століття та появи технології сухих фотопластин. Ця технологія була вперше застосована сером Вільямом Гаґґінсом та його дружиною Марґарет Ліндсі Гаґґінс у 1876 у їхній праці над записом спектрів астрономічних об'єктів. У 1880 Генрі Дрейпер використав сухі фотопластини в роботі із налаштованим на фотознімання 11-дюймовим (28 см) рефрактором, виготовленим Алваном Кларком; як результат — появився на світ перший фотознімок галактичної туманності — туманності Оріона. Прорив у астрофотографії стався 1883 року, коли астроном-любитель Ендрю Ейнслі Коммон застосував технологію сухих фотопластин для запису декількох знімків тієї ж туманності із майже 60-хвилинними витримками, при цьому використавши власноруч зібраний телескоп-рефлектор, встановлений на задньому подвір'ї його будинку в Ілінгу, за межами Лондону. На цих знімках вперше були зафіксовані зорі, досі невидимі для людських очей.
У 1887 світ побачив Астрографічний каталог та «Карту неба» (Carte du Ciel), перший фотопроєкт у галузі астрометрії, який охоплював всю небесну сферу. Участь у цьому проєкті взяли 20 обсерваторій. Усі вони використовували спеціальні фотографічні телескопи із особливим дизайном під назвою звичайні астрографи, кожен з яких мав 13-дюймову (33 см) апертуру та фокальну відстань — 11 футів (3.4 м). Ці телескопи були розроблені так, щоб створювати на фотопластинах знімки однакового масштабу у 60 секунд/мм, в той час як покривалося 2° × 2° поля зору. Метою проєкту було точне мапування небесної сфери аж до 14-ї зоряної величини, але проєкт так і залишився незавершеним.
Початок XX століття було ознаменовано повсюдним спорудженням рефракторів та складних великих рефлекторних телескопів, розроблених спеціально для фотозйомки. Ближче до середини століття гігантські телескопи, такі як 200-дюймовий (5 м) телескоп Гейла та 48-дюймовий (1.2 м) телескоп Самуеля Ошина у Паломарській обсерваторії, випробовували можливості плівкової фотографії.