许多人对天文学感兴趣,被壮观美丽的天文图片所吸引。 但你知道这些美丽的图画都是后来拍的吗?

 

有的朋友可能会一脸震惊,“这到底是天文学也跟网红玩一样的把戏吗?” 出坑了,出坑了……

别走开,天文“P图”不仅仅是加了几张滤镜的自拍照,而是一件既需要科学知识又需要艺术造诣的细致工作,还可以帮助人们更直观地认识宇宙。 接下来我就通过几张名图和大家聊聊美文字图的“P图”基本功。

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为什么这张照片的形状这么奇怪?

以旅行者一号探测器拍摄的“太阳系全家福”为例。 那是 1990 年 2 月,航海者一号已经飞行了 64 亿公里。 它回望太阳系并拍下了这张著名的照片。 的图片。

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太阳系全家福,航海家一号于1990年2月14日拍摄。图片来源 NASA

为什么这张照片的形状这么奇怪? 这当然是因为谜题。

图片的主体部分实际上是由39张单独的照片拼接而成。 其中,每个标记的字母都是一颗(基本看不见的)行星,比如J代表木星,E代表地球,V代表金星,等等。

有拍合影经验的朋友可能会问,为什么我们不直接用广角镜头来拍全家福呢? 这是因为天文观测的视野通常非常非常小。 我们之所以能够拍摄这些照片,是因为探测器想要拍摄这颗行星的全身照片。 出发的时候我们带了一台视野稍微宽一点的相机。 从天文观测的角度来说,每张小照片都算“广角”! 周围的六张小彩色图片是探测器在同一位置用视场较窄的相机拍摄的。

航海者一号在拍摄这一系列照片时,需要多次调整镜头指向和设置曝光参数。 在合成地面时,必须忠实地再现这些变化,以便将图片拼接到正确的位置。

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为什么这些图片的右上角缺少一块?

下图中,右上角有一个可疑的缺口。 到底是怎么回事? 这件事其实都是Jigsaw的错。

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这三张照片分别是:M100 Coma、IC 2944(鸡星云)和哈勃深空。 图片来源NASA

有些拍摄任务不需要改变太空望远镜的方向,但由于当时的设计或技术限制,拼图仍然需要完成。 例如,哈勃望远镜在1993年至2009年期间使用了第二代宽视场行星相机(WFPC2),该相机有四片800×800 CCD感光胶片。 我们看到的最终照片都是由四张图像拼接在一起的。

这四种 CCD 中,有一种是不同的。 它的视场比其他的要小,但具有相同的像素数,因此可以用来拍摄天体的某一部分,供天文学家研究细节。 例如,鹰星云中“创生之柱”的照片应该是这样的:

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《创世之柱》,哈勃望远镜于1995年4月1日拍摄。图片来源 NASA

不过,在向公众展示时,需要缩小用于放大局部区域的角度,以便与其他三个角拼接成平滑的照片。 如下图,右侧星云柱上下完美连接:

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有得也有失。 图片之间的衔接很流畅,但却造成了没有内容的间隙。 天文学家有底线,不会在这里制造虚假背景。 因此,哈勃望远镜拍摄的许多照片都具有这种标志性的阶梯式渐晕。 直到2009年更新并使用第三代广角相机(WFC3)后,这种暗角才消失。

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如果你直接拍这张照片,你的相机会烧坏的……

除了视野问题之外,有时候图片拼接也是因为拍摄对象的条件太过极端,无法一下子看清。

比如下图中的日冕物质抛射,喷射出来的物质羽流是由SOHO太阳探测器的LASCO分光仪拍摄到的,但LASCO从来只敢于遮住太阳来观察日冕。 因为如果它在没有任何遮挡的情况下直接“看”太阳,那将是最后的看——设备会当场烧毁。 下图中间的太阳是探测器上的EIT望远镜在极紫外波段拍摄的。 与正常尺寸相比放大并填充在中间,以增强图片的效果。 这两种仪器,一种不敢直视太阳,另一种则看不到外日冕。 各取一部分,拼凑起来,相当漂亮。

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日冕物质抛射,2002 年 1 月 8 日,拍摄于 SOHO。 图片来源NASA

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正常尺寸图片中间的太阳较小 来源:ESA/NASA/SOHO

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天文照片的“磨皮”绝对是一项费力的活……

很多美丽的天文图片看起来浩瀚、深远、透明,但实际上,原来的图片只是一些惨不忍睹的点和划。

比如下图是作者在2015年冬天拍摄的猎户座星云,这张照片并不是很好,因为是在户外随便拍的。 我手头只有长焦相机,白天用来拍鸟,也没有赤道仪来消除地球自转。 由此产生的星光变得模糊,所以我不得不将相机的感光度调得很高,以缩短曝光时间。 但随着相机灵敏度的提高,噪点也会增加,从而无法辨别一些亮点是真正的恒星、卫星还是太空碎片,还是相机本身的噪点。

这时就需要对图像进行叠加来增强信号并抑制噪声。

请注意图中圈出的4个光点。

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猎户座星云,2015 年 12 月。摄影:曲炯

我拍了十几张照片,挑选了几张质量好的,并在PS中仔细对齐了它们明亮的星星。 然后,我将上层设置为“变暗” – 也就是说,对于每个像素,仅显示所有层中最暗的一个。 如果那里有一颗真正的星星,它应该在所有图层的同一位置都很亮并最终出现。 如果只是一颗卫星、一架飞机,或者是高灵敏度引起的噪音,那么它就会被其他层“遮蔽”,消失在黑暗的背景中。

叠加后的照片如下。 画面干净多了,真正的星星还保留着,上图中圈出的亮点也消失了。 我查了一下,每张照片里都有它们,在星星(也许是卫星)的背景下缓慢移动。

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叠加后的合成照片是不是干净了很多?

在严肃的天文观测中,图像叠加技术当然比这个“五分钟PS教程”要复杂得多。 我们以前面提到的哈勃深空为例。 这张照片是1995年底在大熊座天空区域拍摄的一张极其黑暗的照片。 除了前景中的几颗银河系恒星外,这3000多个可见物体几乎都是遥远的星系,远达数百亿光年。 如此遥远而昏暗的星光迫使哈勃望远镜在 10 天的时间里绕地球 150 圈,在同一片天空区域总共暴露了 141 个小时。 最终选择了342张照片进行叠加,去除宇宙射线和地球散射光的干扰,增强真实信号,合成了我们今天看到的哈勃深空图像。

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哈勃深场(以及像往常一样丢失的右上角) 图片来源NASA

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天文图片上色需要审美和知识

仅将图片放在一起并折叠起来是不够的。 色彩也非常重要。 因为各种探测器和太空望远镜拍摄的原始照片实际上都是黑白的。 如果您想看到彩色照片,则需要稍后对其进行着色。

那么为什么原始照片是黑白的呢? 这并不是因为技术落后、可收集的信息少。 其实恰恰相反,是因为信息量太大了。 由于电磁波谱非常宽广,人眼和大脑能够识别的颜色非常有限。 任何超出可见光波段的东西都是完全不可见的。 我们应该将仪器在可见光以外的波段捕获的图像称为什么颜色?

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因此,探测器干脆用明暗来表达它所看到的东西,附加上波长信息,扔到一个包裹里扔给人类:“这里,这是微波波段,这是红外波段,这是红光区是的,这些是绿光区、蓝光区、紫外线波段、X射线波段的,都是黑白胶片,你慢慢看,只要你能分辨清楚就可以了。 ”

那么如何应用颜色呢? 在天文照片中,每个像素的颜色必须有一个基础。 不像以前照相馆处理的老照片,贴上红腮红唇就可以了。

着色时,需要考虑三个问题:它是真的吗? 科学吗? 漂亮吗? 这三个问题的答案各对应一种涂色方法,有时(jīng)(cháng)会冲突。 下面我们来详细说说。

如果照片最初是在可见光波段拍摄的,着色就很简单。 太阳系主要行星及周围卫星的彩色照片大多都是这样的。 只要将蓝、绿、红三基色对应的黑白照片挑出来,渲染成蓝、绿、红,然后叠加,一张“跟实物一样”的彩色照片就来了出去。 。 这种可见光波段的着色称为“自然色”。

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土星,卡西尼号于2013年7月19日拍摄。图片来源 NASA

除了可见光之外,还得用物理+哲学。 例如,下面四张太阳的极紫外图像是在17.1nm、19.5nm、28.4nm、30.4nm等波段拍摄的。 紫外线本来是没有颜色的,但为了快速识别这些波段,我们不妨按照可见光波长的顺序给它们分配颜色,从蓝色到红色。 这个颜色序列符合电磁物理,所以非常容易理解和记忆,而且相当漂亮!

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太阳的极紫外图像,SOHO于2021年12月31日拍摄。图片来源 NASA

这是真的吗? 科学吗? 漂亮吗? 当后两个答案获胜后,我们就可以挑战第一个问题:即使我们觉得它不真实,那是因为我们的视野太窄,我们的带宽不够……

也就是说,人类不惜一切代价将这么多仪器送上天是为了科学研究,而不是为了观光。 可见光的窄光谱在整个电磁光谱中没有任何意义。 只要能够表达科学信息,就可以抛开天体的可见光颜色,赋予它完全不同的颜色。 这时候我们在照片上放的就是“代表色”。

以《创世之柱》为例。 它的原始图像原本是三个乐队的黑白照片。

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其中,左图是氧的502nm蓝绿光,中图是氢和氮的657nm红光,右图是硫的673nm深红光,这是使用相应波长的滤光片获得的。 检测到这些波长是因为这些元素是天体的重要组成部分。

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那么问题来了,一颗蓝绿和两颗红色叠加起来会是什么结果呢?

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结果是这样的。 或许更接近天体的真实面貌,但如此真实的血红色却没有科学层面的信息。

天文学家追求的是清晰度。 前面说过,为了传达科学信息,我们可以抛弃天体的“本来面目”。 这样我们把波长最短的氧定义为蓝色,氢+氮定义为绿色,波长最长的硫定义为红色(硫:我本来就是红色的……)。 当我再次制作这张照片时,我突然感到很感动。 你哭了吗? ! (前面提到哈勃在2009年升级了相机,所以右上角缺失的一块被替换了)

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《创世之柱》,哈勃望远镜于2014年10月29日拍摄。图片来源 NASA

不仅图片的色彩更加丰富多彩,也有利于科学信息的传递。 一旦我们知道了蓝、绿、红三基色与各个元素的对应关系,我们就可以直接解读“创世之柱”各个部分的元素分布情况,这比“真实”的“创世之柱”容易多了血肉之躯”。

还有一些着色方法既不现实也不科学。 比如下图中的NGC 1850,它背后的星云原本是由氢α射线发出红光的。 如果染成红色,并不妨碍科学表达,但修图师很任性,很乐意用蓝色表达。 这种混合具有个人审美趣味,被称为“增强色”。

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NGC1850,哈勃望远镜于2001年7月10日拍摄。图片来源 NASA

回顾一下,给三种酷刑上色:

这是真的吗? 如果属实,我们称之为“自然色”。

科学吗? 如果科学的话,我们称之为“代表色”。

漂亮吗? 如果它很漂亮,我们称之为“增强颜色”。

综上所述,要想获得一张兼具美与科学、艺术与现实的天文照片,往往需要天文学家和艺术家通过拼图、叠加、着色等几个步骤共同努力才能完成。

这里我想补充一点,一些美丽的图片,比如探测器接近行星的第三人称视角,或者星际间超光速旅行的场景,都是艺术家创作的概念图,而不是天文照片。

看到这里,你一定知道如何创作美丽的天文图片了吧! 你是否对浩瀚的宇宙完全失去了兴趣,反而更愿意在其中徜徉?

作者 曲炯,科普作家,作品发表于国家博物馆、国家航天局等。

评论 刘谦 北京天文馆研究员、科普电影导演、科普作家

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