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天体写真（天体画像とも呼ばれる）は、天体、天体現象、または夜空の領域を撮影または画像化することである。天体（月）の最初の写真は1839年に撮影された[ 1 ]が、詳細な星の撮影が可能になったのは19世紀後半になってからの技術進歩によるものであった。現代の天体写真は、月、太陽、惑星などの広がりを持つ天体の詳細を記録できるだけでなく、暗い星、星雲、銀河など、人間の目の可視スペクトル外の天体を画像化する能力も備えている。これは、フィルムカメラとデジタルカメラの両方が長時間にわたって光子を蓄積して加算できるため、長時間露光を行うか、光子を特定の波長に制限する特殊な光学フィルターを使用することによって実現される。
長時間露光を用いた写真撮影は、プロの天文学研究の分野に革命をもたらし、人間の目には見えない何十万もの新しい星や星雲を記録した。特殊で大型の光学望遠鏡は、写真乾板に画像を記録するための巨大なカメラとして開発された。天体写真は、初期の頃は天体調査や星の分類において重要な役割を果たしていたが、時を経て、より高度なイメージセンサーや、特定の分野向けに設計されたその他の機器や技術が用いられるようになった。
今日の観測天文学のほぼ全てが写真撮影を利用しているため、「天体写真」という用語は通常、科学的なデータよりも美的魅力のある画像を追求するアマチュア天文学における天体写真の利用を指す。アマチュアは多種多様な特殊機器や技術を用いる。
天体写真撮影では、いくつかの例外を除き、長時間露光が用いられます。これは、フィルムとデジタル画像装置の両方が、長時間にわたって光子を蓄積できるためです。また、使用する主光学系（対物レンズ）の直径を大きくすることで、フィルムや検出器に当たる光量を増やすことができます。都市部では光害が発生するため、天体撮影を行う機器や観測所は、フィルムや検出器が迷光に侵食されることなく長時間露光ができるように、人里離れた場所に設置されることがよくあります。
地球は常に自転しているため、望遠鏡や機器は、頭上の星の見かけの動き（日周運動と呼ばれる）を追うために、反対方向に回転します。これは、地球の自転に合わせて天体を中央に保つために、赤道儀またはコンピューター制御の経緯台式望遠鏡架台を使用することで実現されます。すべての望遠鏡架台システムは、モーター駆動の不完全性、望遠鏡の機械的なたわみ、大気による屈折などにより、追尾誤差が生じます。追尾誤差は、選択した照準点（通常はガイド星）を露光時間全体にわたって中央に保つことで補正されます。彗星の場合のように、撮影対象が動いている場合、望遠鏡をその対象に常に中央に保つ必要があります。このガイドは、ガイドスコープと呼ばれる2台目の同軸望遠鏡、またはオフアクシスガイダー（プリズムまたは光ビームスプリッターを備えた装置で、撮影している望遠鏡と同じ画像を観測者が見ることができる）を介して行われます。以前は、観測者が望遠鏡のそばに立ったり、望遠鏡の中に入ったりして、ガイド星に十字線が合うように調整しながら、露光中ずっと手動でガイドを行っていた。しかし、コンピュータ制御システムの登場以来、プロ用機器はもちろん、アマチュア用機器でも、この作業は自動システムによって行われるようになった。
天体写真は、科学写真の最も初期のタイプの 1 つです[ 2 ]であり、その始まりから、星図作成、位置天文学、恒星分類、測光、分光、偏光測定、小惑星、流星、彗星、変光星、新星、さらには未知の惑星などの天体の発見など、それぞれ特定の目標を持つ下位分野に多様化しました。これらには、精密な画像化、広い視野 (シュミットカメラなど)、または特定の波長の光での作業用に設計された望遠鏡などの特殊な機器が必要になることがよくあります。天体 CCD カメラは、熱雑音を低減し、検出器が赤外線天文学などの他のスペクトルで画像を記録できるようにするために、センサーを冷却する場合があります。特定の波長で画像を記録するために、特殊なフィルターも使用されます。
天体写真が科学的ツールとして発展したのは、19 世紀半ばに主に実験家やアマチュア天文学者、いわゆる「紳士科学者」（ただし、他の科学分野と同様に、必ずしも男性とは限らなかった）によって先駆的に行われた。比較的暗い天体を撮影するには非常に長い露光時間が必要だったため、多くの技術的な問題を克服しなければならなかった。これには、露光中に焦点がずれないように望遠鏡を十分に頑丈にすること、望遠鏡架台を一定の速度で回転させることができる時計駆動装置を作ること、望遠鏡を長期間にわたって固定点に正確に向け続ける方法を開発することなどが含まれていた。初期の写真撮影プロセスにも限界があった。ダゲレオタイププロセスは、最も明るい天体以外を記録するにはあまりにも時間がかかりすぎ、湿板コロジオンプロセスは、プレートが湿った状態を保てる時間だけ露光時間が制限されていた。[ 4 ]
天体写真撮影の最初の試みは、ダゲレオタイプ技法の発明者であり、その名を冠するルイ・ジャック・マンデ・ダゲールによるもので、1839年に月を撮影しようと試みた。長時間露光中に望遠鏡を誘導する際のトラッキングエラーのため、写真はぼやけた点としてしか写らなかった。ニューヨーク大学の化学教授であり、医師であり、科学実験家でもあったジョン・ウィリアム・ドレイパーは、1年後の1840年3月23日に、 5インチ（13cm）反射望遠鏡を用いて20分間のダゲレオタイプ画像を撮影し、月の最初の写真撮影に成功した。[ 5 ]
太陽が最初に撮影されたのは、1845年にフランスの物理学者レオン・フーコーとイポリット・フィゾーによってダゲレオタイプで撮影された可能性がある。イタリアの物理学者ジャン・アレッサンドロ・マジョッキは、1842年7月8日に故郷ミラノで起こった皆既日食の際に、その写真を撮影しようと試みたが失敗に終わった。彼は後にその試みと撮影したダゲレオタイプ写真について次のように記している。
皆既日食の前後数分間に、ヨウ素化乾板をカメラで細い三日月状の光に露光したところ、鮮明な画像が得られたが、皆既日食中にコロナの光に2分間露光した別の乾板には、写真作用の痕跡は全く見られなかった。皆既日食中に、臭化銀で準備した紙に、レンズで集光したコロナの光を2分間照射しても、写真の変化は生じなかった。[ 6 ]
太陽コロナが初めて撮影に成功したのは、1851年7月28日の日食の時だった。ケーニヒスベルク天文台の所長、アウグスト・ルートヴィヒ・ブッシュ博士は、地元のダゲレオタイプ写真家、ヨハン・ユリウス・フリードリヒ・ベルコフスキーに日食を撮影するよう指示した。ブッシュ博士自身はケーニヒスベルク（現在のロシア、カリーニングラード）にはおらず、近くのリクスホーフトから日食を観測することを選んだ。ベルコフスキーが使用した望遠鏡は、 6 + 1/2インチ（17cm ）のケーニヒスベルク・ヘリオメーターに取り付けられており、口径はわずか2.4インチ（6.1cm ）、焦点距離は32インチ（81cm ）だった。皆既日食が始まってすぐ、ベルコフスキーは望遠鏡の焦点でダゲレオタイプ乾板を84秒間露光し、現像してコロナの画像を得た。彼はまた、2枚目の乾板を約40～45秒間露光したが、太陽が月の後ろから現れたため失敗に終わった。[ 7 ]太陽のより詳細な写真研究は、1861年からイギリスの天文学者ウォーレン・デ・ラ・ルーによって行われた。[ 8 ]
太陽以外の星の最初の写真は、天文学者のウィリアム・クランチ・ボンドとダゲレオタイプ写真家で実験家のジョン・アダムズ・ウィップルが、1850年7月16日と17日にハーバード大学天文台の15 インチ大屈折望遠鏡で撮影した星ベガのダゲレオタイプ写真である。[ 9 ] 1863年、イギリスの化学者ウィリアム・アレン・ミラーとイギリスのアマチュア天文家サー・ウィリアム・ハギンズは、湿式コロジオンプレート法を用いて、星シリウスとカペラの史上初の写真スペクトル図を取得した。[ 10 ] 1872年、ジョン・ウィリアム・ドレイパーの息子であるアメリカの医師ヘンリー・ドレイパーは、吸収線を示す星（ベガ）の最初のスペクトル図を記録した。[ 10 ]
天体写真が本格的な研究ツールとなったのは、乾板写真法が導入された19世紀後半になってからのことである。 [ 11 ] 1876年、ウィリアム・ハギンズ卿とその妻マーガレット・リンゼイ・ハギンズが、天体のスペクトルを記録する作業で初めて乾板写真法を使用した。1880年、ヘンリー・ドレイパーは、アルバン・クラーク[ 12 ]が製作した写真補正された11インチ（28cm ）屈折望遠鏡を用いて、オリオン星雲を51分間露光し、史上初の星雲の写真を撮影した。天体写真における画期的な出来事は1883年に起こった。アマチュア天文家のアンドリュー・エインズリー・コモンが、ロンドン郊外イーリングの自宅の裏庭に自作した36インチ（91cm ）反射望遠鏡を用いて、同じ星雲を最大60分間露光して複数枚撮影し、乾板写真法で記録したのである。これらの画像は、人間の目では見えないほど暗い星を初めて示した。[ 13 ] [ 14 ]
全天写真による天体位置測定プロジェクト「天体カタログと星図」は1887年に開始されました。このプロジェクトは20の天文台によって実施され、いずれも「通常アストログラフ」と呼ばれる統一設計の特殊な写真望遠鏡が使用されました。これらの望遠鏡はすべて口径約330mm 、焦点距離3.4mで、2 ° ×2°の視野をカバーしながら、写真乾板上に約60秒角/mmの均一なスケールで画像を作成するように設計されていました。このプロジェクトは14等級までの天体を正確にマッピングすることを目的としていましたが、完成には至りませんでした。
20世紀初頭には、屈折望遠鏡や、写真撮影専用に設計された高性能な大型反射望遠鏡が世界中で建設された。世紀半ばには、パロマー天文台の口径200インチ（5.1メートル）のヘール望遠鏡 や、口径48インチ（120センチ）のサミュエル・オシン望遠鏡といった巨大望遠鏡が、フィルム写真の限界を押し広げていた。
写真乳剤の分野や、ガスの過感作、極低温冷却[ 15 ]、光増幅の技術においてある程度の進歩が見られましたが、1970年代にCCDが発明されて以来、プロとアマチュアの天文台では写真乾板が徐々に電子イメージングに置き換えられていきました。CCDははるかに光に敏感で、フィルムのように長時間露光で感度が低下することはなく（「相反則不整合」）、はるかに広いスペクトル範囲で記録することができ、情報の保存も簡素化されています。現在、望遠鏡では、以前は10～14インチ（25～36cm）の写真乾板を使用していた望遠鏡の焦点面をカバーするように設計された、1億ピクセルに相当するCCD素子の線形アレイや大きなモザイクなど、多くの構成のCCDセンサーが使用されています。
20世紀後半には、巨大な多鏡望遠鏡や分割鏡望遠鏡の建設など、新しいハードウェアの形で天体画像技術が進歩しました。また、ハッブル宇宙望遠鏡のような宇宙望遠鏡も登場しました。ハッブル宇宙望遠鏡は、大気の乱流、散乱光、天候の影響を受けずに動作するため、直径2.4メートル（94インチ）の鏡で30等級までの星を記録することができ、これは1949年に5メートルのパロマー山ヘール望遠鏡が記録できた明るさの約100分の1です。
天体写真は、写真家やアマチュア天文家の間で人気の趣味です。撮影技術は、三脚にフィルムカメラやデジタルカメラを装着する基本的なものから、高度な画像処理のための方法や機材まで多岐にわたります。アマチュア天文家やアマチュア望遠鏡製作者は、自作の機材や改造した装置も使用します。
画像は、一眼レフカメラ、35mmフィルム、120フィルム、デジタル一眼レフカメラ、アマチュアレベルおよびプロレベルの市販の天体観測用CCDおよびCMOSカメラ、ビデオカメラ、さらにはLuckyイメージングに使用される市販のウェブカメラなど、多くの種類のメディアおよびイメージングデバイスに記録されます。
従来から市販のフィルムは天体写真に広く用いられてきました。フィルムの露光時間は数秒から1時間以上に及びます。市販のカラーフィルムは長時間露光時に相反則不整合を起こし、露光時間の増加に伴い、異なる波長の光に対する感度が異なる速度で低下するため、画像の色ずれや全体的な感度の低下が生じます。これはフィルムを冷却することで補正、あるいは少なくとも軽減できます（「低温カメラ撮影」を参照）。また、プロの天文学で用いられるのと同じ手法、すなわち異なる波長で撮影した画像を合成して正しい色画像を作成する方法を用いることでも補正できます。フィルムはデジタルセンサーよりも感度が低いため、トラッキングのわずかな誤差は最終画像にほとんど影響を与えずに補正できます。しかし、デジタル写真の低コスト、高感度、利便性といった利点から、フィルム天体写真は次第に人気を失いつつあります。
1990年代後半以降、アマチュア天文家はプロの天文台に倣い、天体撮影にフィルムからデジタルCCDカメラへの移行を進めてきました。CCDはフィルムよりも感度が高く、露光時間を大幅に短縮でき、光に対する応答も直線的です。短い露光を複数回行うことで、合成的な長時間露光画像を作成できます。また、デジタルカメラは可動部品がほとんど、あるいは全くなく、赤外線リモコンやコンピュータテザリングによる遠隔操作が可能で、振動も抑えられます。ウェブカメラなどのシンプルなデジタル機器も、焦点面へのアクセスを可能にするように改造でき、数本の配線を切断するだけで長時間露光撮影も可能です。デジタルビデオカメラも使用されています。デジタル一眼レフカメラ（DSLR）や基本的なコンパクトカメラを望遠鏡に取り付けるための技術や市販の機器も数多く存在します。一般消費者向けのデジタルカメラは長時間露光時に画像ノイズが発生するため、極低温冷却など、カメラを冷却するための様々な技術が開発されています。天体機器メーカーも、ハードウェアと処理ソフトウェアを備えた、天体撮影専用のCCDカメラを幅広く提供しています。市販されている多くのデジタル一眼レフカメラは、長時間露光と連続（タイムラプス）画像を組み合わせる機能を備えており、写真家は夜空の動画を作成できます。アマチュア分野では、CMOSカメラがCCDカメラに取って代わりつつあります。[ 16 ]最新のCMOSセンサーは、市販のCCDセンサーよりも高い量子効率、低い熱ノイズと読み出しノイズ、そして高速な読み出し速度を提供します。[ 17 ]
デジタルカメラで撮影した画像も、スキャンしたフィルム画像も、通常は画像処理ソフトウェアで調整され、何らかの形で画質が向上します。コンピュータ上で画像を明るくしたり、色を調整したり、コントラストを高めたりすることができます。より高度な技術としては、複数の画像（時には数千枚）を撮影し、加算合成によって画像を鮮明化することで、大気による視界のぼやけを克服したり、追跡の問題を解決したり、信号対雑音比の低い微弱な天体を鮮明にしたり、光害を除去したりすることが挙げられます。
デジタルカメラの画像は、長時間露光による画像ノイズを低減するために、さらに処理が必要になる場合があり、これには「ダークフレーム」の減算や、画像スタッキングまたは「シフトアンドアッド」と呼ばれる処理が含まれます。天体写真画像処理専用の商用、フリーウェア、および無料ソフトウェアパッケージが利用可能です。 [ 18 ]
「ラッキーイメージング」は、標準的な長時間露光写真ではなく、対象物のビデオを撮影する二次的な技術です。ソフトウェアは、その後、最も高品質の画像を選択して重ね合わせることができます。[ 19 ]これは通常、惑星を観測する際に使用され、大気条件を克服するのに役立ちます。
天体観測写真や宇宙探査写真などの天体画像は、天体や現象をさまざまな色や明るさで表現し、多くの場合、合成画像として作成されます。これは、異なる特徴を強調したり、さまざまな状況を反映させたりするために行われ、これらの状況を注記する必要が生じます。
天体や現象の真の色や外観を再現しようとする画像では、人間の目の働きなど、多くの要素を考慮する必要があります。特に大気条件が異なる場合、火星[ 20 ] 、金星[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] 、タイタンなどの表面からの宇宙ミッションの画像のように、分析可能または代表的な画像を生成するために、いくつかの要素を評価する必要があります。
アマチュア天文家が使用する天体写真撮影機材は、美的感覚を重視した写真を撮影する一般の写真家から、科学研究のためにデータを収集する本格的なアマチュア天文家まで、その種類が多岐にわたるため、非常に幅広くなっています。趣味としての天体写真撮影には、従来の写真撮影やプロの天文学で通常遭遇する課題とは異なる、克服すべき多くの課題が存在します。
ほとんどの人が都市部に住んでいるため、機材は持ち運び可能でなければならず、都市の光害を避けるために大都市や町の明かりから遠く離れた場所に持ち運ぶ必要があります。都市部の天体写真家は、特殊な光害フィルターや狭帯域フィルター、高度なコンピューター処理技術を使用して、画像の背景にある都市の周囲の光を軽減することがあります。また、太陽、月、惑星などの明るいターゲットの撮影に限定することもあります。アマチュアが光害を避けるために使用するもう1つの方法は、暗い空の場所に設置された遠隔操作望遠鏡をセットアップするか、時間を借りることです。その他の課題としては、正確な追尾のためのポータブル望遠鏡のセットアップと調整、市販の機材の制約内での作業、監視機材の耐久性、そしてさまざまな気象条件下で長時間露光しながら天体を手動で追尾することなどが挙げられます。
カメラメーカーの中には、天体写真撮影用カメラとして使用できるよう製品を改造しているところもある。例えば、キヤノンのEOS 60Daは、EOS 60Dをベースに、赤外線フィルターを改良し、低ノイズセンサーと水素アルファ感度を高めて、赤い水素輝線星雲の撮影性能を向上させている。[ 24 ]
市販のイメージセンサーをベースにした、アマチュア天体写真撮影専用に設計されたカメラも存在する。これらのカメラは、長時間露光時の熱ノイズを低減するためにセンサーを冷却したり、RAW画像を読み出したり、コンピュータから制御して自動撮影を行ったりする機能を備えている。RAW画像を読み出しることで、元の画像データをすべて保持できるため、後々の画像処理がより効率的になり、スタッキング処理と組み合わせることで、暗い深宇宙天体の撮影にも役立つ。
非常に暗い場所での撮影能力に優れた特定のウェブカメラモデルが、太陽、月、惑星の撮影に人気があります。これらのカメラは、一般的に普及しているCMOSセンサーではなくCCDセンサーを搭載した手動フォーカス式のカメラがほとんどです。これらのカメラのレンズを取り外し、望遠鏡に取り付けて画像、動画、またはその両方を記録します。新しい技術では、非常に暗い天体の動画を撮影し、動画の中で最も鮮明なフレームを「重ね合わせる」ことで、十分なコントラストを持つ静止画像を取得します。Philips PCVC 740KとSPC 900は、天体写真家に好まれる数少ないウェブカメラです。長時間露光が可能なスマートフォンであればどれでも使用できますが、一部のスマートフォンには、複数の露光画像を合成する天体写真撮影専用モードが搭載されています。
最も基本的な天体写真は、固定位置または三脚に取り付けられた標準的なカメラと写真レンズを使用して撮影されます。前景の物体や風景が写真に写り込むこともあります。撮影対象は、星座、興味深い惑星配置、流星、明るい彗星などです。地球の自転により星像が細長い線にならないように、露光時間は短く（1分未満）する必要があります。カメラレンズの焦点距離は通常短く、焦点距離が長いレンズでは数秒で像が残像します。500ルールと呼ばれる経験則では、星像を点状に保つには、
絞りやISO 設定に関係なく。[ 25 ]例えば、APS-Cセンサーに 35 mm レンズを装着した場合、最大時間は 500 / 35 × 1.5 ≈ 9.5 秒です。より正確な計算では、ピクセル ピッチと偏角を考慮します。[ 26 ]
数分から数時間にも及ぶ長時間露光で、星が意図的に細長い線状に写るようにする技法は、「星の軌跡」と呼ばれ、時折用いられる芸術的な手法である。
地球の自転を補正する望遠鏡架台は、被写体がぼやけることなく長時間露光を行うために使用されます。これには、市販の赤道儀架台や、バーンドアトラッカーや赤道プラットフォームなどの自作の赤道儀装置が含まれます。架台は、ギアのバックラッシュ、風、不完全なバランスにより不正確になる可能性があるため、これらの不正確さを補正するための閉じたフィードバックシステムとして、オートガイドと呼ばれる技術が使用されます。[ 27 ]
追尾架台には、単軸型と二軸型の2種類があります。単軸型架台は、一般的にスター・トラッカーと呼ばれています。スター・トラッカーは、赤経軸を駆動するモーターを1つ搭載しています。これにより、地球の自転を補正することができます。スター・トラッカーは、二次的な赤緯軸の補正ができないため、露光時間が制限され、ユーザーが架台を高精度で極軸合わせする必要があります。
デュアルアクシスマウントは、2 つのモーターを使用して赤経軸と赤緯軸の両方を同時に駆動します。このマウントは、スター トラッカーと同様に、赤経軸を駆動することで地球の自転を補正します。ただし、オートガイド システムを使用すると、二次赤緯軸も駆動できるため、極軸合わせの誤差を補正し、露光時間を大幅に長くすることができます。[ 28 ]
ピギーバック式天体写真撮影とは、赤道儀に取り付けられた天体望遠鏡にカメラとレンズを搭載する撮影方法です。望遠鏡はガイドスコープとして機能し、露光中に視野の中心を維持します。これにより、カメラはより長い露光時間やより長い焦点距離のレンズを使用したり、主望遠鏡と同軸の撮影用望遠鏡に取り付けたりすることが可能になります。
このタイプの写真撮影では、望遠鏡自体がカメラのフィルムまたはCCDに光を集める「レンズ」として使用されます。望遠鏡の倍率と集光力は使用できますが、これは最も難しい天体写真撮影方法の1つです。[ 29 ]これは、狭い視野で非常に暗い物体を中央に配置して焦点を合わせることの難しさ、拡大された振動とトラッキングエラーへの対処、および機器の追加費用（十分に頑丈な望遠鏡マウント、カメラマウント、カメラカプラー、オフアクシスガイダー、ガイドスコープ、照明付き十字線、または主望遠鏡またはガイドスコープに取り付けられたオートガイダーなど）によるものです。アマチュア天文望遠鏡にカメラ（取り外し可能なレンズ付き）を取り付ける方法はいくつかあり、次のとおりです。[ 30 ] [ 31 ]
カメラレンズを取り外せない（または取り外せない）場合、一般的に用いられる方法はアフォーカル撮影（アフォーカル投影とも呼ばれる）です。この方法では、カメラレンズと望遠鏡の接眼レンズの両方が取り付けられています。両方を無限遠に焦点を合わせると、両者間の光路は平行（アフォーカル）になるため、カメラは基本的に観察者が見ることのできるあらゆるものを撮影できます。この方法は、月や明るい惑星の画像、星や星雲の狭視野画像の撮影に適しています。アフォーカル撮影は、多くのモデルがレンズを取り外せない仕様であったため、20世紀初頭の一般消費者向けカメラで一般的でした。また、ほとんどのモデルがレンズを取り外せない仕様であるため、ポイントアンドシュート式のデジタルカメラの登場とともに人気が高まっています。
撮影は、ユーザーの所在地や使用する望遠鏡の種類に関係なく行うことができます。望遠鏡によって収集されたデジタルデータは、インターネットを介してユーザーに送信され、表示されます。インターネットを介して一般向けに運用されているデジタル遠隔望遠鏡の例としては、バレケット天文台が挙げられます。
1850年、明るいベガという星を撮影した史上初のダゲレオタイプ写真が、W.C.ボンドの下で働いていたJ.A.ウィップルによって撮影された。