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美麗的太空圖片怎麽來的?

2024-04-18資訊

這些居然是假的?

這是三根形狀類似於從洞穴底部伸出的石筍的「柱子」。它們高聳於廣袤的宇宙間,以至於你無法想象它們有多麽巨大——即使是光線,也需要數年時間,才能從這些煙柱頂端傳到底部。它們的三個尖頂從綠色的霧靄中顯露出來,就像童話裏的城堡中的塔樓一樣,頂部噴射出藍色的光帶。明亮的星星透過氣態的縫隙發光,這些星星的輪廓就像是一個個亮黃色的用來裝飾物體的邊框,格外耀眼。

這三根「柱子」其實是星際氫氣和塵埃的混合體,它們是新恒星的孵化器——在柱子內部及其表面上,天文學家發現了由較密的瓦斯結成的小球——蒸發氣態小球(簡稱為EGG),其中一些EGG內部正在形成恒星。所以,這三根柱子被科學家命名為「創生之柱」,它們就像是巨大的恒星托兒所,創造並培養出一顆顆的新恒星。

「創生之柱」位於鷹狀星雲中(星雲是稀薄的瓦斯或塵埃構成的天體之一,包含了除行星和彗星外的幾乎所有延展型天體),鷹狀星雲距離地球約7000光年。但距離人類如此遙遠的星雲,我們是如何如此清晰的了解到它的外表特征的呢?其實,以上有關「創生之柱」的所有描述,均來自一張由哈柏望遠鏡拍攝的照片。該照片拍攝於1995年4月1日,它被評定為哈伯太空望遠鏡所拍攝照片的前十名的之一。目前,「創生之柱」照片是如此的受人追捧,它被廣泛的印在各種不同的生活用品上,不管是在體恤衫還是在咖啡杯中,你常常能看到它。

「創生之柱」是如此的美麗,令人向往。有人問,如果我登上太空船,朝著它所在的方向航行足夠長的時間,並到達適宜的觀測地點,我能親眼看到它的美麗嗎?非常遺憾,答案是否定的。人類肉眼的觀察下,「創生之柱」其實是一片紅色的模糊的畫面。這麽說,「創生之柱」圖片根本就不是「創生之柱」本來的樣子,哈柏望遠鏡欺騙了我們?直觀上確實是這樣的,「創生之柱」照片是根據「創生之柱」中不同元素發出的光制成的,這些元素在合成影像中顯示為不同的顏色:藍色表示氧氣,紅色表示硫,綠色表示氮和氫。這些顏色只是能讓我們更清晰的了解「創生之柱」的構成成分和形狀,肉眼其實看不到真實的光,因為它們的波長已經超出人類所能看到波長範圍——人的眼睛只能看到380~740奈米的波長的光。

不僅如此,目前我們見過的許多極具代表性的太空影像都不是真實的,都是經過處理過的。其實,對於大部份太空圖片來說,其主要價值不是為了觀賞,而是為了回答科學問題和進行宇宙研究。人類可以利用那些看不到的光,制作出一張十碎形象的圖片,讓我們看到了我們本來看不到的東西。這其實是一個巨大的科技提升,說起來還是一件十分不容易的事。

從肉眼到哈柏望遠鏡

幾千年來,天文學一度只研究我們能看到的東西。天文學家首先用肉眼,然後借助原始望遠鏡觀測衛星、行星和恒星,並將它們分類。我們之所以能看到這些離我們非常遙遠的物體,是因為它們主動或者被動的,發出了我們能看到的光,使我們能夠在黑暗的夜空中辨認出這些細小的亮點。1800年和1801年,紅外線和紫外線分別被發現。這兩種不可見光的發現,使得人們開始意識到太空中的黑暗其實不是真正意義上的黑暗。其實它充滿了光,只是以我們看不見的形式存在。

現在我們已經知道了,宇宙中的天體發出的光的波長範圍很廣,橫跨整個電磁光譜(人眼可接收到的電磁波,稱為可見光,可見光是電磁波的小部份)——黑洞燃燒發出Gamma射線,Gamma射線的波長是十億分之一公釐長,而恒星發出微波放射線,其波長卻能達到一米。我們說眼睛是世界的視窗,然而現在我們體會到,我們一直以來窺視世界的視窗是如此的狹小。各種各樣隱藏在我們面前的電磁波,能夠告訴我們遙遠的太空發生過的各種事件,這些事件也許正在發生,也許早已經結束。敘說著這些事件的電磁波就像一筆埋在我們腳下的土地下面的一筆財富,一直以來,我們卻絲毫沒有察覺,更提不上去開發。

19世紀後,人類已經能使看不見的電磁波變得可見,各個國家也陸續建設了許多能探測來自太空中的電磁波的十分巨大的望遠鏡。但大氣中各種粒子會與天體發出的放射線產生交互作用(主要是吸收和反射),使得大部份波段範圍內的天體放射線無法到達地面——大氣層成為了人類觀測太空的一大障礙。天文學中最具變革性的儀器、人類第一個投入地球軌域上的宇宙望遠鏡——哈柏望遠鏡的出現,彌補了地面觀測的不足。哈柏望遠鏡於1990年4月發射,其軌域距離地球540千米,由4個主要的照相機構成,它們分別在紫外線、可見光和近紅外波段拍攝影像,哈柏望遠鏡的覆蓋率大得驚人——它賦予了人類能夠在以前無法想象的,在數十億光年的距離之外窺視天體的諸多細節的能力。

哈柏望遠鏡如何處理圖片?

1666年,著名的英國物理學家、經典物理學的奠基人牛頓將白色的日光透過三棱鏡,發現了紅、橙、黃、綠、青、藍、紫共七種單色光,說明太陽光其實是混合體。大自然中的物體,都是處於相同的日光照射下,為什麽它們會呈現不一樣的顏色呢?這其實就與這七種單色光有著直接的關系——透明物體的顏色由它透過的單色光決定的,不透明物體的顏色是由它反射的單色光決定。意思就是,在日光照射下,物體未吸收哪一種光,它就呈現那個顏色。有些物體呈現黑色,是因為它們吸收了所有的光。

人們還發明了濾光片,顧名思義,濾光片起到了過濾掉某些顏色的光的作用,目的是留下我們所想要的光。例如,當我們要拍攝一片綠葉的時候,為了避免天空的藍光所幹擾,就往我們的網路攝影機前面加一個透綠光的濾光片,就是排出十分清晰的綠葉的圖片。

但是,以上的所有討論,都是在可見光的範圍內定義的,如果是不可見光,我們怎麽知道它們是什麽。換句話說,不可見光是什麽顏色的?

很顯然,不可見光是沒有顏色的。顏色是由我們的感官定義,我們都感覺不到的東西,我們怎麽能夠知道它們是什麽顏色呢?所以,你就能容易地理解一個事實:哈柏望遠鏡拍攝的宇宙的原始圖片,其實是黑白的!對於哈柏望遠鏡所接受到的所有的光來說,可見光只是占了一小部份的比例,而且其實哈柏望遠鏡的相機是無法直接辨識入射光的顏色的。所有的光,它都「一視同仁」,並將這些光的資訊保存在黑白的原始圖片中。

不過,雖然哈柏望遠鏡無法辨識各種光,但是它配備了許多種不同的濾光片,這些濾光片能夠幫助科學家們挑選出它所需要的光。有時候,如果天文學家們有確定的研究物件,並且需要排除其他光的幹擾,那麽他們可以在拍攝影像之前,選擇將一些特定濾光片放置在哈柏望遠鏡的前面。例如,正值壯年的恒星會發出獨特的藍光,如果天文學家想尋找這類恒星,就得需要放置一個特殊的濾光片來捕捉它們獨特的藍光。而氫氣雲則會發出的特定波長的紅光,如果想觀測氫氣雲,就需要放置另一種紅光濾光片。當然了,即使沒有特殊的研究目的,科學家也可以使用濾光片來探究所拍攝的光的成色。

對於同一物體,科學家們可以在望遠鏡前加各種濾鏡分別進行拍攝,這樣可以獲得多種不同顏色、不同資訊的影像。最後將這些含有不同的顏色的影像根據色光的合成原理,且經過人性化處理,最終才得到為全彩色清晰的合成影像。

為了讓圖片更具科學性和觀賞性,有些處理甚至是不符合事實的,例如當有些可見光的波長距離太近,我們的眼睛無法分辨他們的區別,則科學家們往往用其他的差別較大的可見光代替,這就意味著科學家們為了顯示差異,已經改變了真實的顏色。

將科學和感覺結合起來

不過,以上仍然是對可見光進行的處理。對於那些不可見光,怎麽在彩色圖片上進行標註呢?事實上,你見到的漂亮的太空圖片,其中的一些顏色代表的正是肉眼看不到的不可見光。那對這些不可見光進行著色的依據是什麽呢?

顏色,和我們的感覺息息相關。綠色,給人以生機勃勃的感覺,能舒緩我們的內心,能使處於消極狀態的我們變得積極;黃色則容易讓我們想到幹燥、荒涼;紅色卻能使我們感受到溫度和熱,其他的顏色也能給人不同的感覺。所以,科學家們處理圖片的時候,是十分講究顏色和感覺相對應的。例如,當需要繪制一張可以直觀感受到某一星球溫度的圖片時,即使那個星球本來不呈現紅色,但是科學家們還將溫度很高的地方,用紅色來進行著色。

除了感覺標準,第二個便是從可見光總結出來的科學標準。對於可見光的七個單色光來說,它們按照波長大小的排序為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫,所以我們看到的光中,最長波長的為紅光,最短波長的光為紫光。而由於波長越長,能量越小,意味著七個單色光的能量順序為紫、藍、青、綠、黃、橙、紅,所以我們看到的光中,能量最大的為紫光,能量最小的為紅光。給不可見光的著色,我們往往也是參照以上標準,波長越長,所賦予的顏色越靠近紅色,能量越大,所賦予的顏色越靠近紫色。例如在一張含有恒星形成區域和塵埃區域的太空圖片中,恒星形成的區域能量較高,往往顯示為藍色,而塵埃區域則往往被標為紅色。

總之,我們看到的各種各樣的美麗的太空圖片,是科技進步的結果,更是結合了天文學家的聰明才智的結果。正是這些圖片,給了我們對宇宙的感性認識。