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有哪些没有人工处理过的太空真实照片?

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和尚洗头用飘柔,太空梦患者
查看知乎原文

很多人看到的太空照片是酱婶儿的

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NGC 3603 银河系中距离太阳最近的星云 NASA, ESA and the Hubble Heritage

实际上哈勃太空望远镜拍出来的是酱紫的

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NGC 3603 和 NGC 3576 的合影

应大家要求,再来一组:

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船底座星云 Mystic Mountain,Credit:NASA, ESA, M. Livio and the Hubble 20th Anniversary Team (STScI)
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船底座星云, HH 901, HH 902,硫元素 673nm,Hubble Space TelescopeWFC3
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还是船底座星云 HH 901, HH 902,但是红外线波段。

是 NASA 在显摆自己的 ps,哦不,photoshop 的技能么?颜色又是怎么来的呢?

首先,我们人类的眼睛只能看到电磁波谱中很有限的一部分,从红到紫,称为“可见光谱”。

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目前主流学说认为正常的人眼存在 3 种含有不同感光色素的视锥细胞,分别对短、中、长波敏感,相对应就是大概蓝绿红 3 种颜色,三个颜色通过不同的搭讪组合,构成了人眼所见的色彩。

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这就是黑白照片的着色原则。

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光的三基色及其混合

一个例子

接下来举个例子

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上图是人类第一张彩色照片《苏格兰花格呢缎带》(Tartan Ribbon)by 麦克斯韦尔(名字有没有很耳熟?)。

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1861 年,他的摄影师托马斯·萨顿对着这条缎带拍摄了三幅同样的照片。然后用三部放映机同时将映像透射到银幕上,每部放映机镜头前都拧上不同颜色的滤镜。

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麦克斯韦尔提出用这三种色可以混合出世间的任意一种颜色,他的这个论断在这次放映试验上得到了验证——他得到了一张彩色的图片。

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但是有时候在拼的时候人手会抖,就变成了故障艺术的源泉。

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太空

哈勃望远镜也是差不多的道理,即窄带摄影法。它拍照时使用滤镜仅曝光某个窄波段甚至是 H O S 几种元素的宇宙辐射,所以传回的每张照片原始件都是黑白的,然后对几个通道分别添加理论色彩得到最后的彩色照片。

比如下面这张照片,将光分离成长、中、短波,根据它们在可见光谱中的位置,给 3 张照片上色,合成出来就是真实的颜色了。

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eso 510 G13

最著名的例子就是这张“创世之柱”。1995 年,美国太空总署用哈勃太空望远镜在对准 6500 光年以外的天鹰星云,拍下了被命名为“创世之柱(Pillars of Creation)”的照片。创世之柱所在的天鹰星云也被称之为“M16 星云”。

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20 年后,哈勃太空望远镜再次拍摄创世之柱,这回用的是在 2009 年所安装的新款照相机第三代广域照相机(Wide Field Camera 3)。解析度提升后,捕捉到气体星云的多种颜色、深色宇宙尘微弱的卷鬚,和赭色的象鼻状气体柱。

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the Eagle Nebula’s Pillars of Creation,NASA, ESA/Hubble and the Hubble Heritage Team

20 年间,颜色变好看了?然鹅,这不是它的真实色彩图像。

下图左边上方的三张为原始图,左下三张为人工着色图,右侧为人工合成图。

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Courtesy of NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

氧元素的窄波大图如下:

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那绿红蓝三个颜色是怎么指定的呢?

H 氢和 S 硫在红光可见,O 氧在蓝光可见。

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把它们着色再合成,就会得到下面这张图象。

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对视觉分析来说不是很有 hao 用 kan,因此科学家们就根据它们的顺序重新分配颜色,氧有最高频率,被指定为蓝色,氢低于氧但高于硫,便以绿色代表,硫以红色代表。

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给它们重新上色之后,得到的图像就是像下面这样的了。

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哈勃望远镜通过第四代 WFC3 的超宽波长范围、宽视场和高灵敏度的结合来提高其探查和发现能力。 WFC3 的主要优势是它的全色波长探测范围。通过将两个光学 / 紫外线 CCD 与近红外 HgCdTe 阵列相结合,WFC3 能够在 200 至 1700 nm 的整个波长范围内进行直接的高分辨率成像。

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比如创世之柱的红外图像看起来就非常不同。尘埃和气体云层挡住了可见光,但是较长波长的可以通过,就显示出了星团。

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创世之柱,红外 NASA

根据不同频率分配不同颜色,就能创造出不同用途的图像。

总结

天文学家必须选择如何以一种我们可以直接观察的方式来展现这些信息。有时他们会采用三基色自然对应长中短可见波的这种表现形式,有时他们会选择用三个颜色来对应那些看不见的元素,这有助于他们看到物体的不可见特征,例如只能在红外或紫外线下捕获的特征。有时,它们以一种超现实主义的颜色增强显示图像,可带来许多隐藏的微妙细节。

为了获取更丰富的星空信息,并让人眼更直观的了解和分析各种宇宙天体,哈勃望远镜会使用不同滤镜多次拍摄同一场景的黑白照片,然后后期转化成若干幅图像。每幅都代表着不同原子所发出的辐射。

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南风车星系,很像银河系,左为原始照片

为了体现出这些照片的不同,人为地给不同元素照片指定三基色标准,将宇宙更不真实的但更美妙直观地展现出来。这样也可以显现出星云不同区域物理性质的不同。因为色彩不仅让我们感受到宇宙的绮丽,还揭示出宇宙中我们看不见的部分。

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The Orion Nebula, M42, as imaged by NASA’s Wide-field Infrared Survey Explorer, or WISE, in January 2013. Infrared wavelength representations (blue = hotter, green/red = cooler)

所以天文爱好者不仅仅要学习好物理,PS 也是很重要的。

补充问答

问题一:有知友问,卡萨林式哈勃望远镜的 CCD 成像方式和我们手上的消费级彩色照相机的有什么不同?为什么用滤镜这么古老的方法?

答:CCD 工作原理差不多,不就是感光成像嘛。但也有一点不同,那就是如何探测颜色。

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CCD 无论是在手机上还是哈勃上,都是只计算处理光的强弱,无法直接探测到色彩。民用相机的 CCD 的原理如上图,通过在每个象素的感应器前方安置一个色彩滤镜来完成这个任务。除了大法外,通常是一半取(人眼额外敏感的)绿色,四分之一取红色,四分之一取蓝色。然后通过各种算法臆测重建图像色彩。这对拍私房拍风景是相当完美了,只要不放大是不会看到偶尔的色彩噪点颗粒的。

但对于天文学家来说,每一个象素都具有潜在的科学价值,一个噪点有时就能毁了整个观测。所以哈勃受用了将所需的单色滤镜置于所有像素感应器前。这样以来,相对于民用数码摄影,精确度有了大幅度提升。数码相机只能捕获到红绿蓝,而哈勃却可以用众多滤镜在不同波段(可见光、红外、紫外...)拍摄。

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天文学家眼中的照片

问题二:色彩有什么用?就为了好看?

答:色彩不仅告诉我们关于温度高低的信息,还可以告诉我们光是在何种介质中穿行,甚至告诉我们观测对象由什么元素或成分组成,特定光会和特定气体一一对应。

但由于全球科学家都在抢着用哈勃,所以用四个以上的滤镜拍摄同一观测目标是很奢侈的也很不常见的行为。

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NGC1512,从近红外到紫外

当然,可见光照片的色彩美丽但照片信息确实有限,摄谱仪则能在连续谱线上探查足够多的细节。几乎所有哈勃关于系外行星系统的发现都来自于摄谱仪。

更新问题三:那哈勃的彩照都是与我们实际看到的不一样的么?那宇宙用肉眼看到底是什么样子?

答:哈勃望远镜也通过宽带滤光片曝光,可以得到最接近“真彩色”图像的 HST 近似值,从而将可见光谱很好地切成三个相等的部分。这些切片与我们的眼睛的红色,绿色和蓝色反应严格匹配。拍出的照片比柯达胶卷更接近肉眼感觉。宽带滤光片包含多条可见光谱,但同时也减少了星云中固有的非可见光颜色,从而降低了对比度。所以当你看到一张照片的颜色相对不那么饱和且柔和的时候,有可能和肉眼接近。

实际上,黑暗的宇宙更接近下图的样子,但要比它暗很多很多。就算你穿越时空来到那些壮美的旋涡星系和色彩斑斓的星云前,你的眼睛依然难以捕捉到这些过暗的倩影。(从地球上看,仙女座有 6 个满月那么大,但你看不到,因为太暗)

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当然,如果离特定天体比较近,可以看到它的颜色,是的,它们是有颜色的。

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更新问题四:我们在地球用相机加望远镜也能拍出来这样的颜色么?

答:可以。首先,要去买三个窄带滤镜 Ha,OIII,SII,长得就类似下面这样(拒绝推荐具体品牌)

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滤镜分别代表氢α,氧 III 和硫 II 原子被激发而发出的光,大部分星云的主要组成元素就是氢原子,所以 Ha 通道会展现出很多星云的细节。OIII 和 SII 也是比较主要的星云发光源。

如果想接近肉眼观察的颜色。那么 Ha 波段做红色通道(通常拍出来就是红的),OIII 波段做绿色通道,SII 作蓝色通道。

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但如果想拍出上面那种梦幻般的彩色(被称为哈勃色),可以采用把 SII 作为红色,Ha 作为绿色,OIII 作为蓝色。相较上一种方法合成出的基本都是红红一片的照片,这种方法合成出的星云颜色更炫酷,所以被更广泛使用,但并不贴近星云实际的颜色

想要贴近实际颜色,可以拍宽带的 RGB 通道,然后再将 Ha(Ha 可以去光污染,提高信噪比从而提升照片质量,当然有时间有钱可以上全三种)窄带通道作为 L(亮度)通道,可得一幅最大还原星云原貌的照片。

如果不拍星云只拍星系的话,那只需用到 LRGB 通道就行,因为星系的光主要是恒星产生的,和星云不同。

更新问题五:哈勃望远镜有多少片滤镜?

光是勃望远镜的第三代广域照相机(WFC3),就有 N 多个滤镜。具体可见下图。UV 段 47 个加一个棱栅,IR 段 14 个加二个棱栅。

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欢迎提出好问题。


彩蛋

星云中的动物

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这是 what?
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远一点看,噢,上上图是哈勃拍到迄今为止最清晰马头状暗星云
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看到一只展翅的鹰了么?头就位于创世之柱的上方。
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这是什么鬼畜 (答案:船底座星云局部,艺术加工版,原版更像一头大象。。)
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飞翔的冬虫夏草?(船底座的顶端部分,旋转生成,艺术加工过)
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M78 and Reflecting Dust Clouds in Orion Credit & Copyright: Ignacio de la Cueva Torregrosa

本文参考

Extreme star cluster bursts into life in new Hubble image

NASACHINA.cnExtreme star cluster bursts into life in new Hubble imageNASACHINA.cn

https://www.vox.com

National Aeronautics and Space Administration

[The universe through the eyes of Hubble] -Oli Usher and Lars Lindberg Christensen 2014

hubblesite.org/resource

hubblesite.org/resource:NASA 的图片不受版权限制,美国联邦版权法拒绝对联邦政府的作品进行版权保护。————NASA Copyright Notification

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