Astrofotografie - Von den Anfängen (1839)
bis zu CCD und Detektoren

• Zwei Jahrhunderte Fotografie -- 1825 machte Joseph Nicéphore Niépce (1765--1833) das erste Foto mit seinem "heliografischen Verfahren". Im Jahr 2026 (wenn die Proceedings veröffentlicht werden) wurde das älteste erhaltene Foto vor 200 Jahren aufgenommen (Belichtungszeit von mindestens acht Stunden).
• 200. Geburtstag vom US-amerikanischen Astronomen George Phillips Bond (20. Mai 1825--1865), Direktor des Harvard College Observatory (HCO), der 1850 (also vor 175 Jahren) die erste Daguerreotypie eines Sterns (Wega) herstellen konnte.
• Vor 150 Jahren wurde Jules Janssen (1824--1907) Direktor des neuen Astrophysikalischen Observatoriums in Meudon bei Paris. Er entwickelte den "Photographischen Revolver" (1874) mit 12 Verschlüssen (shutter) zur Bewegungserfassung in einer Bildsequenz -- erstmals zur Serienfotografie des Venustransits verwendet.
• Seit 50 Jahren Serienfertigung von CCDs.

Im Jahr 1839 verkündete D. François J. Arago (1786--1853) in der Akademie der Wissenschaften in Paris die Erfindung der Fotografie, der Daguerreotypie. Johann Heinrich von Mädler (1794--1874) prägte 1839 den Begriff "Photographie" (Lichtzeichnung). Dieser erste erfolgreiche Versuch, ein fotografisches Bild zu erzeugen, wurde von Louis Jaques Mandé Daguerre (1787--1851) vorgelegt -- basierend auf den Ideen von Joseph Nicéphore Nièpce (1765--1833). Das Bild wurde auf einer silberbeschichteten Kupferplatte fixiert, die mit Joddampf lichtempfindlich gemacht wurde; als Entwickler diente Quecksilberdampf. Zum Fotografieren verwendete Daguerre ein einfaches achromatisches Landschaftsobjektiv, das vom französischen Optiker Charles Chevalier (1804--1859) entwickelt wurde. Alphonse Giroux baute mit diesem Objektiv eine Holzkamera. Im selben Jahr 1839 wurde von William Henry Fox Talbot (1800--1877) das Negativ-Positiv-Verfahren vorgestellt, das es ermöglichte, Abzüge von Papiernegativen herzustellen (Kalotypie oder Talbotypie), vgl. 40ft-Teleskop von William Herschel in Slough von John Herschel (1839). Josef Max Petzval (1807--1891) berechnete 1840 eine verbesserte lichtstarke Linse (genannt "Portraitobjektiv", weil es erstmals Portraits mit Belichtungszeiten von 30 oder 40 Sekunden im Sonnenlicht erzeugen konnte) (Wolfschmidt 2005). Die Kamera wurde 1841 von Peter Wilhelm Friedrich Voigtländer (1812--1878) in Wien konstruiert.
Ab 1851 setzte sich eine neue Methode durch: die Erfindung der Nasskollodiumplatten durch Frederick Scott-Archer (1813--1887), bei der eine Glasplatte unmittelbar vor der Belichtung mit einer lichtempfindlichen Schicht beschichtet wurde. Dadurch reduzierte sich die benötigte Belichtungszeit auf wenige Sekunden. Im Jahr 1873 entdeckte Hermann Wilhelm Vogel (1834--1898), Professor für Photochemie in Berlin, in Berlin die Farbstoffsensibilisierung (orthochromatisch). Doch die Fotografie blieb ein komplizierter Vorgang bis zur Erfindung des Gelatine-Trockenplattenverfahrens durch Frederick Scott Archer (1813--1857), das von Richard Leach Maddox (1816--1902) in London (1871) verbessert wurde. Der Durchbruch kam mit der Einführung des Zelluloidfilmträgers im Jahr 1887 und der George Eastman KODAK Nr. 1-Boxkamera in Rochester, New York, 1888, die mit dem Werbespruch "Sie drücken den Knopf, wir erledigen den Rest" wirbt. In Europa wurden Trockenplatten seit den 1880er Jahren von Agfa angeboten. 1891 kündigte Gabriel Lippmann (1845--1921) ein "Verfahren zur fotografischen Farbwiedergabe" an.

Frühe Astrofotografie und Durchmusterungen mit Astrographen

So konnte sich die Fotografie in den 1880er Jahren endlich als Hilfsmittel für die astronomische Forschung durchsetzen - sie wurde zu einem mächtigen neuen Werkzeug; fotografische Platten konnten Licht über lange Belichtungszeiten sammeln und so schwächere Objekte sichtbar machen als bei der Beobachtung mit bloßem Auge. Darüber hinaus ist die Fotografie eine objektivere Methode, und die Messung der Helligkeit von Sternen auf Platten kann wiederholt werden, sogar von verschiedenen Astronomen. Photoplatten sind ein wertvolles Archiv für spätere Entdeckungen wie Novae oder Supernovae, sowie Analyse der Lichtkurven und Spektren (Groote 2014, z.B., Nova Gemini 1912).
Bald entstanden die ersten Fotos des Mondes (John William Draper (1811--1882), New York, 1840), der Sonne (Léon Foucault (1819--1868) und Hippolyte Fizeau (1819--1896), Paris, 1845), der Korona während einer Sonnenfinsternis (Julius Berkowski (1816--1897), Königsberg, 1851) [Schielicke & Wittmann 2005] und einiger heller Fixsterne: G.P. Bond & John Adams Whipple (1822--1891), Harvard (Wega, Castor, 1850) sowie eine Chromolithografie des Sternhimmels, Paris, 1865. George Philipps Bond (1825--1865) gelang es 1857, die Entfernung der Doppelsterne (Mizar und Alcor) zu messen. Das erste Kometenfoto (Donati) wurde 1858 vom englischen Fotografen William Usherwood (1820--1916) zusammen mit William Cranch Bond (1789--1859) aufgenommen. Warren De la Rue (1815--1889), Kew Observatory, erfand den Photoheliographen, der von A. Ross, London (1856) hergestellt wurde, um täglich die Photosphäre mit den Sonnenflecken zu fotografieren (1858 bis 1872, insgesamt 1724 Fotoplatten). Die erste Fotografie des Spektrums eines Sterns (Wega, 1872) und des Sonnenspektrums (1873) wurde von Henry Draper (1837--1882) präsentiert, der Fotografie und Spektroskopie zur Spektrographie als Teil der aufkommenden Astrophysik (seit 1860) kombinierte. Bei den Venustransits 1874 und 1882 wurde die Fotografie intensiv getestet [Wolfschmidt 2013]. Schon John Herschel (1792--1871) erkannte die Bedeutung der Fotografie für lichtschwache Nebel, vgl. Milchstraße (1900) und Nebel wie Schwan (1893) oder Nordamerikanebel (1891) von Max Wolf (1863--1932) mit Portraitobjektiven [Wolfschmidt 1998], deren Vorteile ihre Geschwindigkeit und ihr großes Sichtfeld sind [Heidelberg Fotoplatten-Sammlung, Mandel 2017]. Dunkle Wolken wie der Dunkelnebel Barnard 92 fotografierte Edward Emerson Barnard (1857--1923), Yerkes, später Lick Observatory. Viele neue Objekte wurden entdeckt, vgl. Barnard ein neuer Komet (1892/93). Eugen von Gothard (1857--1909) entdeckte den Zentralstern im Ringnebel (1886) in Heréy Observatory, Szombathely, Ungarn. Kleinplaneten und viele Veränderliche Sterne wurden auf fotografischen Platten mit dem Zeiss Stereokomparator entdeckt, der 1901 von Carl Pulfrich und Max Wolf erfunden wurde. Der erste Asteroid, der mithilfe von Fotoplatten entdeckt wurde, war Phoebe im Jahr 1898. Auch Pluto wurde mithilfe von Fotoplatten in einem Blinkkomparator entdeckt (1930).

1887 wurde anlässlich des Astrofotografischen Kongresses in Paris eine internationale Kooperation "Carte du ciel" [Wolfschmidt 2020] ins Leben gerufen, um den Himmel fotografisch zu kartografieren -- inspiriert von David Gill (1843--1914), Observatorium am Kap (1879 bis 1907), und Benjamín Apthorp Gould (1824-1896), Observatorium am Cordoba, Argentinien (1870 bis 1884). Im Rahmen dieses von den Brüdern Henry in Paris initiierten Carte du Ciel-Projektes begann Edward Charles Pickering (1846--1919), Observatorium am Harvard College in Cambridge/Mass., den südlichen Himmel in Arequipa, Peru zu fotografieren (seit 1890). Astrographen [Wolfschmidt 2020] wurden von den Brüdern Henry in Paris eingeführt (1885); sie entwickelten einen Standard-Astrographen: Objektivdurchmesser 34cm, Brennweite 3,4m (1:10). Vor der Erfindung der Fotografie wurden Refraktoren speziell für visuelle Beobachtungen korrigiert (achromatisch). Die neuen Astrographen erzeugten scharfe Bilder bei blauen Wellenlängen. Max Wolf erhielt den 40cm großen Bruce-Astrographen (1897), den Lippert-Astrographen, der von Zeiss in Jena in der Hamburger Sternwarte hergestellt wurde (1911) und den Zeiss AG-Astrographen in Pulkovo/St. Petersburg, Bonn und Hamburg (1924). Die Ära der astronomischen Durchmusterungsprojekte begann. Die grössten Fotoplattenarchive sind in Cambridge/Mass. (Harvard Observatory, 500.000 plates) [Harvard Plate Stacks, https://platestacks.cfa.harvard.edu/], Sonneberg (270.000 Fotoplatten) [cf. Kroll et al. 1999], Bamberg [Edelmann et al. 2015, Hudec 2015] sowie Hamburg [Groote 2014]. Ziel des APPLAUSE-Projektes (Archives of Photographic PLates for Astronomical USE, https://www.plate-archive.org/) ist die Digitalisierung der 85.000 Fotoplatten in den Archiven der Sternwarten Hamburg, Bamberg und Potsdam, ausserdem "Karl Schwarzschild Observatorium" Tautenburg bei Jena und Vatikanische Sternwarte.

Photographische Photometrie und Schmidtspiegel

Karl Schwarzschild (1873--1916) führte den "Schwarzschild-Effekt" ein; dies war eine Revolution für die fotografische Photometrie zur präzisen Erfassung der Helligkeit von Sternen auf Fotoplatten, die in den Proceedings des letzten Jahres (Nuncius Hamburgensis; Vol. 59) erörtert wurde [Wolfschmidt 2024].

1930 erfand Bernhard Schmidt (1879-1935) das Schmidt-Teleskop, ein optisches System mit kurzer Brennweite, basierend auf seinen Berechnungen und Experimenten [Wolfschmidt 2009, 2011] - eine herausragende Erfindung des 20. Jahrhunderts für Astrofotografie. Sein größter, unübertroffener Vorteil ist das große Sichtfeld mit verzerrungsfreier Abbildung. Um die kometenartigen Bilder (Koma), die ein Parabolspiegel erzeugt, zu vermeiden, verwendete Schmidt einen sphärischen Spiegel. Die "sphärische Aberration" wurde mithilfe einer speziellen Korrekturplatte entfernt, die im Krümmungszentrum des sphärischen Hauptspiegels angebracht war. Spiegelteleskope waren wichtig für Durchmusterungen: der "Hamburg Quasar Survey" (HQS), 1989 bis 1999 mit dem Grossen Hamburger Schmidtspiegel, Calar Alto Observatory, Spanien, durchgeführt [Engels 2014], oder der "Palomar Observatory Sky Survey" (POSS) der 1950er Jahre, sowie der nachfolgende "POSS-II-Survey" der 1990er Jahre und die britische Schmidt-Teleskop-Durchmusterung des südlichen Himmels.

Digitale Revolution mit CCDs und Detektoren

1974 begann mit der digitalen Bildgebung eine Revolution: Nach der Erfindung des CCD-Sensors durch Willard Boyle and George Smith, Bell Labs (1969), brachten Fairchild Semiconductor (Sunnyvale, Kalifornien, 1957--2016) den ersten großformatigen CCD-Chip mit ladungsgekoppelten Bauelementen auf den Markt, der aus 100 Reihen und 100 Spalten mikroskopisch kleiner, lichtempfindlicher Pixel besteht. Jedes Pixel erhält eine elektrische Ladung, die der Lichtmenge entspricht, die auf es fällt. Die CCDs wurden in den folgenden Jahrzehnten immer empfindlicher. 1981 führten Sony und Philips die Compact Disc (CD) ein, um analoge Medien zu ersetzen. 1986 erfanden Wissenschaftler von Kodak den weltweit ersten Megapixel-Sensor. Moderne elektronische Sensoren/Detektoren sorgen dafür, dass kein einziges Photon verloren geht.
Beispiel: Die 32-CCD-OmegaCAM mit 256 Millionen Pixeln des 2,6m VLT Survey Teleskops am Cerro Paranal in Chile ist mit ihrer hohen Empfindlichkeit und dem großen Sichtfeld eine der größten astronomischen Kameras der Welt.
Sensoren können keine Farben erkennen, sie messen nur die Lichtmenge; das Ergebnis ist ein Schwarzweißbild. Für Farbbilder müssen mindestens drei Bilder, aufgenommen durch einen Rot-, Grün- und Blaufilter, kombiniert werden. Auch Filterräder für den infraroten oder ultravioletten Farbbereich können verwendet werden. Detektoren verschiedener Art werden z.B. für die Neutrinoastronomie oder für die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 verwendet; es zerfällt im ATLAS-Detektor des Teilchenbeschleunigers LHC (Large Hadron Collider) des CERN in vier Myonen. Weltraumkameras arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Flachbettscanner, vgl. die MOMS-Kamera (Modular Optoelectronic Multispectral Scanner), die Farb- und Stereobilder der Erdoberfläche aufnahm und während der deutschen Spacelab-Mission D2 im Jahr 1993 eingesetzt wurde. Als Bildaufzeichnungsmedien werden Halbleiterchips verwendet. Diese Satellitenbildsysteme werden Sensoren genannt, weil sie über eine komplizierte Technologie verfügen und einen weiten Spektralbereich abdecken.

Es werden eventuell auch Vorträge zu anderen Themen akzeptiert, die aber dann nicht in die Proceedings kommen.

English Version: Astrophotography - From the Beginnings (1839) to CCD and Detectors
on the occasion of the anniversaries (2025):

• Two centuries of photography -- in 1825, Joseph Nicéphore Niépce (1765--1833) made the first photograph with his "heliographic process". In 2026, (when the Proceedings are published): the earliest surviving photograph 200 years ago (exposure time of at least eight hours).
• 200th birthday of the US astronomer George Phillips Bond (20 May 1825--1865), director of the Harvard College Observatory (HCO), who was able to produce the first daguerreotype of a star (Vega) in 1850 (175 years ago).
• 150 years ago, Jules Janssen (1824--1907) became director of the new Astrophysical Observatory in Meudon near Paris. He developed the "photographic revolver" (1874) with 12 shutters for capturing movement from a sequence of images, used for the first time for the Venus Transit photography in 1874.
• CCDs have been mass-produced for 50 years.

In 1839, D. François J. Arago (1786--1853) announced in the Academy of Sciences in Paris the invention of photography, the daguerreotype. Johann Heinrich von Mädler (1794--1874) coined the term "photography" in 1839. This first successful attempt to produce a photographic image was presented by Louis Jaques Mandé Daguerre (1787--1851) -- based of the ideas of Joseph Nicéphore Nièpce (1765--1833). The image was fixed on a silver-coated copper plate, which has been made photosensitive with jodide vapor; as developer mercury vapor was used. For photographing, Daguerre used a simple achromatic landscape lens, developed by the French optician Charles Chevalier (1804--1859). Alphonse Giroux built a wooden camera with this lens. In the same year, 1839, the negativ-positive-procedure was announced by William Henry Fox Talbot (1800--1877), which allowed prints to be made from paper negatives (calotype or talbotype), cf. 40ft-telescope of William Herschel in Slough by John Herschel (1839). Josef Max Petzval (1807--1891) calculated in 1840 an improved powerful lens (called "portrait objective" because it could produce portraits for the first time with exposure times of 30 or 40 seconds in sunlight) (Wolfschmidt 2005); the camera was constructed by Peter Wilhelm Friedrich Voigtländer (1812--1878) in Vienna in 1841.
From 1851, a new method gained acceptance, the invention of wet collodion plates by Frederick Scott-Archer (1813--1887) in which a glass plate was coated with a light-sensitive layer immediately before exposure. This reduced the required exposure time to a few seconds. In 1873, Hermann Wilhelm Vogel (1834--1898), Professor for Photochemistry in Berlin, discovered dye (orthochromatic) sensitization in Berlin. But photography remained a complicated procedure until the invention of the gelatine dry plate process by Frederick Scott Archer (1813--1857), improved by Richard Leach Maddox (1816--1902) in London (1871). The breakthrough was the introduction of the celluloid film base in 1887, and the George Eastman KODAK nø1 box camera in Rochester, New York, 1888, advertising "You press the button, we do the rest". In Europe, dry photographic plates were offered by Agfa since the 1880s. In 1891, Gabriel Lippmann (1845--1921) announced a "method of reproducing colours photographically".

Early Astrophotography and Surveys with Astrographs

Thus in the 1880s, photography could finally assert as resource for astronomical research -- it became a powerful new tool; photographic plates could collect light over long exposure times and thus receal fainter objects than by observing with the naked eye. In addition, photography is a more objective method, and the measurement of brightness of stars on plates can be repeated, even by different astronomers. Photographic plates are a valuable archive for later discoveries like novae or supernovae, as well as analysis of light curves and spectra [Groote 2014, e.g., Nova Gemini 1912].

Soon, the first photos of the Moon (John William Draper (1811--1882), New York, 1840), the Sun (Léon Foucault (1819--1868) and Hippolyte Fizeau (1819--1896), Paris, 1845), the corona during a solar eclipse (Julius Berkowski (1816--1897), Königsberg, 1851) [Schielicke & Wittmann 2005], and of some bright fixed stars were made: G.P. Bond & John Adams Whipple (1822--1891), Harvard (Wega, Castor, 1850), and a chromolithography of the starry sky, Paris, 1865). George Philipps Bond (1825--1865) succeeded to measure the distance of the double stars (Mizar and Alcor) in 1857. The first cometary photo (Donati) was received by the English photographer William Usherwood (1820--1916) with William Cranch Bond (1789--1859) in 1858. Warren De la Rue (1815--1889), Kew Observatory, invented the Photoheliograph, made by A. Ross, London (1856), for daily photographing the photosphere with the Sun spots (1858 to 1872, a total of 1724 photographic plates). The first photograph of the spectrum of a star (Vega, 1872) and of the solar spectrum (1873) by Henry Draper (1837--1882) was presented, combining photography and spectroscopy to spectrography as part of the rising astrophysics (since 1860). For the Venus Transits in 1874 and 1882, photography was tested intensively [Wolfschmidt 2013]. Already John Herschel (1792--1871) detected the importance of photography for the faint nebulae, cf. Milky Way (1900) and nebulae like Cygnus (1893) or North America Nebula (1891) by Max Wolf (1863--1932) with portrait objectives [Wolfschmidt 1998], their advantages are their speed and their large field of view [Heidelberg Photographic Plate Collection, Mandel 2017]. Dark clouds like the dark nebula Barnard 92 were photographed by Edward Emerson Barnard (1857--1923), Yerkes, later Lick Observatory. New objects were discovered, cf. Barnard a new comet (1892/93). Eugen von Gothard (1857--1909) discovered the central star in the Ring Nebula (1886) in Heréy Observatory, Szombathely, Hungary. Minor planets and many variable stars were discovered on photographic plates by the Zeiss Stereo Comparator, invented by Carl Pulfrich and Max Wolf in 1901. The first minor planet discovered using photographic plates was Phoebe in 1898. Pluto was discovered using photographic plates in a blink comparator (1930).

In 1887, an international cooperation (Wolfschmidt 2020) on the occasion of the astrophotographic congress in Paris was started "Carte du ciel" in order to cartograph the sky photographically -- inspired by David Gill (1843--1914), Cape Observatory (1879 to 1907), and Benjamín Apthorp Gould (1824--1896), Cordoba Observatory, Argentina (1870--1884). In the framework of this Carte du Ciel project, initiated by the brothers Henry in Paris, Edward Charles Pickering (1846-1919), Harvard College Observatory in Cambridge/Mass., started to photograph the southern sky in Arequipa, Peru (since 1890). Astrographs [Wolfschmidt 2020] werde introduced by the brothers Henry in Paris (1885); they designed a standard astrograph: objective diameter 34cm, focal length 3,4m (1:10). Prior to the invention of photography, refractors were specially corrected for visual observations (achromatic). The new astrographs produced sharp images at blue wavelengths. Max Wolf got the 40cm Bruce Astrograph (1897), Lippert Astrograph, made by Zeiss of Jena in Hamburg Observatory (1911), and Zeiss AG Astrograph in Pulkovo/St. Petersburg, Bonn, and Hamburg (1924). The era of astronomical survey projects started. The largest photographic plate archives are in Cambridge/Mass. (Harvard, 500,000 plates) [Harvard Plate Stacks, https://platestacks.cfa.harvard.edu/], Sonneberg [cf. Kroll et al. 1999], Bamberg [Edelmann et al. 2015, Hudec 2015] and Hamburg [Groote 2014]. The APPLAUSE (Archives of Photographic PLates for Astronomical USE, https://www.plate-archive.org/) project aims at digitizing the 85.000 photographic plates in the archives of Hamburg, Bamberg, and Potsdam observatories, including "Karl Schwarzschild" Tautenburg near Jena, and Vatican Observatory.

Photographic Photometry and Schmidt Telescopes

Karl Schwarzschild (1873--1916) introduced the "Schwarzschild Effect"; this was a revolution for the photographic photometry for getting the precise brightness of stars on photographic plates, discussed in the proceedings of last year, Nuncius Hamburgensis; Vol. 59 [Wolfschmidt 2024].

In 1930, the Schmidt telescope, a short focal length optical system, was invented by Bernhard Schmidt (1879--1935), based on his calculations and on his experiments [Wolfschmidt 2009, 2011] -- an outstanding invention of the 20th century for astrophotography. Its greatest, unsurpassed advantage is the large field of view with distortion-free imaging. In order to avoid the comet-like images (coma), produced by a parabolic mirror, Schmidt used a spherical mirror. "Spherical aberration'' was removed with a special correction plate mounted in the centre of curvature of the spherical primary mirror. Schmidt telescopes were important for surveys; the "Hamburg Quasar Survey" (HQS) was carried out from 1989 to 1999, using the Large Hamburg Schmidt Mirror, Calar Alto Observatory, Spain [Engels 2014], or the "Palomar Observatory Sky Survey" (POSS) of the 1950s, the follow-up "POSS-II survey" of the 1990s, and the UK Schmidt Telescope survey of the southern sky.

Digital Revolution with CCDs and Detectors

A revolution started with digital imaging in 1974: After the invention of the CCD by Willard Boyle and George Smith, Bell Labs (1969), Fairchild Semiconductor (Sunnyvale, California, 1957--2016) releases the first large image forming charged coupled device CCD chip with an array of 100 rows and 100 columns of microscopic light -sensitive pixels. Each pixel acquires an electrical charge corresponding to the amount of light that falls on it. The CCDs became more and more sensitive in the following decades. In 1981, Sony and Philips introduced the compact disc (CD) to replace analogue media. In 1986, Kodak scientists invented the world's first megapixel sensor. Modern electronic sensors / detectors ensure that not a single photon gets lost.
Example: The 32-CCD-OmegaCAM with 256 million pixels of the 2,6m VLT Survey Telescope at Cerro Paranal in Chile with high sensivity and large field of view is one of the largest astronomical cameras on the world.
Sensors cannot recognise colours; they measure only the amount of light; the result is a black and white image. For color images, at least three images, taken through a red, green and blue filter, must be combined. Filter wheels for the infrared or ultraviolet colour range can also be used. Detectors of different kind are used e.g. for neutrino astronomy or for the discovery of the Higgs Boson in 2012; it decays in four muons in the ATLAS detector at the LHC (Large Hadron Collider) particle accelerator of CERN. Space cameras work on the same principle like a flatbed scanner, cf. MOMS (Modular Optoelectronic Multispectral Scanner) camera, that captured colour and stereoscopic images of the Earth's surface, used during the German Spacelab Mission D2 in 1993. Semiconductor chips are used as image-recording media. These satellite imaging systrems are called sensors because they have a complicated technology and cover a wide range of spectral range.

Gudrun Wolfschmidt

Die Vorträge der Tagung werden in den Proceedings publiziert: