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那些漂亮的星云照片是怎么拍出来的?

来源:中科院物理所 2017-04-05     

  大家可能都以为如上图这些照片是直接拍摄出来的,那些星云原来就是这么的色彩丰富,令人惊艳。但其实每张图片从一开始的捕捉图像资料到最终出现到我们的彩色屏幕里,是经过很多层的加工和处理的。而那些外太空的巨人们,可能实际上并没有你想象的那么漂亮。

  图1是马头星云IC 434(右上)和NGC 2023星云(左下)的两张合照,上面一张和我们平常见到的大部分星云照片一样,是处理过的。而另一张是所谓的“自然色彩”(Natural Color)照片,基本纪录了马头星云由人眼观察时会看到的样子。

  对比了两张图片,大家可能会有点失望。想问说为什么科学家,媒体,要捏造图1当中这么绚丽的色彩来欺骗我们呢?其实不是这样的。细心的人可能发现了,这两张图包含的资讯是不同的。上图中左下角的NGC-2023星云明显多包含了很多细节。也就是说,上图并不是从下图修改过去的,我也可以很肯定的告诉你,多出来的细节不是人画出来的。

  那这些细节是从哪来的呢?还有下图中绚丽的紫色到上图怎么就消失了呢?这就得从颜色到底是什么说起了。

  所谓颜色,其实只是我们人眼对于光线,又称电磁波的波长的一种感知。我们把 620–750 纳米 (10-9m) 波长的光称为红色,570–590 纳米称为黄色,450–495 纳米称为蓝色,等等。而除此以外还有很多光的波长是超出我们肉眼能看到的范围的。比如说红外线,紫外线,等等。

  而对于天文学家来说,其他波长的光就跟可见光一样重要。且其他波长通常能提供可见光所不能提供的资讯,比如说黑洞,在可见光下是完全漆黑的,但在它边缘被高速加速的物质所释放的X光,就能被我们探测到。

  图1上面那张图,其实拍摄的时候是用三个近红外线窄带滤镜拍摄的。换句话说,这张图片的三个颜色,红绿蓝,其实分别代表了三个波长范围,但这三个波长范围并不是原来红绿蓝代表的三个波长范围,而是三个属于红外线的波长范围。

  所以其实第一张图并没有任何欺骗人的成分,只是因为它原来的三种颜色是我们看不到的,为了要让我们看到,就只能用红绿蓝来替代原来的颜色了。

  大部分星云照片在拍摄的时候,其实是分好几次拍摄的。每次拍摄会使用不同的滤镜,只让特定波长的光线通过,并分别得到一张灰度照片。从黑色到白色的灰度代表那一格的感光元件在照片曝光时探测到的光子数量,又叫光的强度(Intensity)。黑色代表完全没有任何光照射到那一格,白色则代表很大数量的光子被那一格的感光元件侦测到了。天文学家大部分时候都只分析这些灰度照片。图2显示了猎户座大星云在不同滤镜下的三张照片。

  乍看可能感觉差不多,但仔细看就会发现不同波长提供了不同的细节。图三列出了哈勃望远镜上装备的滤镜。

  所以每张我们看到的哈勃望远镜图片其实是好几张透过不同滤镜照出来的照片合成的。而这个合成的过程中,很重要也很主观的一步就是分别为不同的波长范围加上颜色,为了要达到最美观的效果,很多时候被分配的颜色不一定是红绿蓝,褐色和奶油色之类的也是有可能的。

  但是请千万不要为了你看到的颜色不是真正的颜色而感到沮丧。虽然颜色是后来加上去的,但单个滤镜照出来的照片绝对不会被分配两种颜色,且在同一张成品照片中,不同的颜色绝对是代表不同的波长范围的。也就是说成品图片表达的资讯还是和那些灰度图片一样的,只是表达的方法变的更被大众接受了。通过把不同的颜色加到不同的波长范围上来让我们看得到这些我们肉眼原来没办法直接看到的“颜色”,不也是一件很值得感到惊叹的事吗?

  拍摄星云的滤镜主要有分窄带(Narrowband)和宽带(Broadband)。星云发出的光线波长很特殊且固定,容易被从城市光害的光中区分开来。窄带滤镜指的是只让很小一段波长范围(通常小于22纳米)的光通过的滤镜。宽带滤镜允许的范围则大得多,但两种都可以很有效的排除掉卤素灯和荧光灯发出的光线。宽带滤镜没办法有效排除一些LED灯发出的光线,但对于一些比较暗淡的目标来说,在地面上进行观测时窄带滤镜提供的光线太少了,不足以成像。所以两者各有利弊。

  除了波长以外,在拍摄的过程中还有其他事情需要担心。首先,因为大部分要拍摄的物体都很暗淡,照片曝光时就需要更长的时间来让足够多的光子被感光原件所捕捉。但是因为地球在旋转,时间长了就会偏掉,为了要让望远镜一直对准同一个目标,就必须要让望远镜和物体一起移动。还有,为了减少光学色差,精确一点的望远镜如哈勃望远镜是没办法拉远拉近的,因为那样会改变镜片的排列,所以通常每次能照到的范围都是固定的,而这个范围通常很小,要得到一张大的就得用很多张小的拼接而成。

  你看,每张我们最终看到的成品图片都要经过很长时间的拍摄过程,并且拍摄后还要经过上色,拼接等后期处理。说了这么多,希望以后你看到那一张张的天文照片的时候,除了感叹宇宙的伟大及壮丽以外,也能看到背后人员所付出的努力。

  来源:NASA中文

[责任编辑:xujinghui]

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