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哈勃望远镜的图片是怎么修出来的
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哈勃望远镜的图片是怎么修出来的?

2020-07-08 13:28 主页 来源:未知
哈勃望远镜的图片是怎么修出来的?


“睁眼看宇宙”

毫无疑问,哈勃太空望远镜是人类目前为止最成功的宇宙观测设备。时至今日,服役达30年的哈勃太空望远镜拍摄了超过140万张精美的宇宙图片,每一次新照片的发布,都可以深深地震撼到我们。

哈勃望远镜的图片是怎么修出来的?当真是拍照一整天,修图一星期

 

(图片说明:刚刚公布的哈勃升空30周年纪念照片)

自从有了哈勃太空望远镜,人类的观测能力得到了大幅的提高。从此前可以观测到仅仅70亿光年,到现在134亿光年的视野,人类看到了最原始的宇宙。由于摆脱了大气的湍流和对宇宙射线的吸收,哈勃望远镜和任何一台地基望远镜相比,在观测能力方面都有至少10倍的优势。

科学家告诉我们,哈勃太空望远镜的分辨率极高,形象地比喻一下:一个站在北京的人,如果有哈勃望远镜的分辨率,将能清晰地将纽约两只距离不到3米的萤火虫区分出来。

不仅如此,哈勃望远镜还有着比人眼更宽广的电磁波接收范围。除了可见光以外,它还能观测到紫外线和一小段红外线,大大地扩展了人类的视野。但是,想要借助哈勃望远镜来观测宇宙,对人类来说并不是一件容易的事。

我们本不该看到的宇宙

就算哈勃望远镜能够观测、拍摄紫外线和近红外波段,但在我们的肉眼还是什么也看不到的。这就像自然界本就有紫外光,但只有蜜蜂、蝴蝶等动物看得见,人类却什么只能看见一片透明。可是,在哈勃望远镜传回来的照片里,这些波段的宇宙图景仍然可以生动地展现在我们眼前。

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(图片说明:人眼能够感受的可见光仅仅占了电磁波极小的一部分)

可以想到:这里面一定有科学家“动了手脚”。

另外,我们也曾经介绍过:哈勃太空望远镜拍摄到的照片,其实都是黑白照。但是,我们能够看到的,始终都是绚丽的彩色照片。

不论是超出可见光范围的宇宙图片,还是那些色彩绚烂的图片,都是我们“本不该看到的宇宙”。没错,这些图片都是科学家们精心修过的。那么,科学家们是怎么给哈勃望远镜传回来的照片进行修图的呢?今天,咱们来详细讲一讲这个过程。

首先,就要从哈勃望远镜的原理说起。

哈勃望远镜的原理

哈勃虽然名叫望远镜,但是和传统望远镜不同,因为人类是无法把眼睛放在目镜上直接观测宇宙的。因此,它观测到的图像,其实是以数据的形式传回到地面的。当光子或者其他一些特定的粒子射进来的时候,哈勃望远镜会以电信号的形式记录它们分别打在了哪些位置。

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也就是说,哈勃太空望远镜只是告诉我们它的哪些部位接收到了多少强度的光,然后以图片的形式展现给我们,而不是直接帮助我们用眼睛去观测。这就相当于你的手机可以统计你最近一个月经常点击屏幕的哪个位置,并且通过明暗来显示点击次数的多少,但是你到底在用什么软件的时候点击这个位置,就需要你自己分析了。

因此,哈勃太空望远镜传给地面的,其实类似于这样的一种“热力值图像”。所以说,这些直接传回来的图片都是黑白的,按说这时候应该贴一张图的,但是为了避免剧透咱们尽量忍忍。

对于哈勃望远镜来说,除了要把黑白或者可见光范围外的照片修成绚烂的宇宙图片之外,它的拍摄过程是非常辛苦的。我们说了,它的拍摄原理是通过接收光子形成“热力图”,传回给地面。由于它的主要使命就是拍摄遥远天体,而这些天体的光传到地球已经非常微弱,因此想要接收到足够的光子来成像,就需要更长的观测时间。

问题在于,为了不从天上掉下来,哈勃望远镜必须以8公里/秒的速度绕地球公转。在这样的速度下还能保持精准地观测宇宙同一个位置,对于哈勃望远镜的角度调整来说是个巨大的挑战。

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好在,科学家们利用一种叫做微导感应器的设备。微导感应器可以锁定一些明亮的天体,并且以每秒钟40次的频率校正方向,确保哈勃望远镜能够持续拍摄同一片区域,以完美的状态拍摄最遥远的宇宙照片。即使某些情况下需要对同一个位置拍摄数百次,哈勃望远镜也能在每一次都完美地对准那个区域。

不过,拍摄到了照片不是工作的结束,这才仅仅是个开始。

拍照一小时,修图一星期

这段小标题的时间未必准确,但是修图的麻烦程度可是一点不差。

  • 除“噪音”

首先,在哈勃望远镜所有传回的照片里,科学家都会首先进行一步最必要的操作:去掉干扰。

摆脱大气层有利也有弊,就像离开父母独自生活的孩子,虽然感受到了自由,却也体会到了生活的艰辛。由于没有大气层的阻碍,宇宙中的粒子可以随意地“轰击”哈勃望远镜,导致哈勃望远镜拍摄到的原始照片都是这样的——

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所以,首先科学家需要把这些“噪音”去掉,才有可能看到原本的图像。整个过程非常复杂,但是其中有一步大家很容易理解,那就是哈勃望远镜传回的多张照片连,科学家通过对比把仅仅在单独一张照片里出现的痕迹删除掉,就可以清理大部分宇宙射线的干扰。

  • 多频段照片整理

接下来,才是正式的修图过程。

在哈勃太空望远镜上,科学家安置了一块滤光轮,上面装有不同的滤光片,可以在需要的时候只允许特定波长范围内的电磁波射进来,如氢原子、硫离子或者电离氧所发出的光线。

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在每一个波段范围内拍摄到的照片,都是一张我们形容的黑白“热力图”。比如历史上最经典的照片——创生之柱,就是通过这样的方式拍摄到的。刚才那一张就是最原始的、还带有宇宙射线的照片,而这一张是去掉宇宙射线后的照片——

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这是哈勃太空望远镜在电离氧光谱下拍摄到的一张照片,就像我们比喻的那样,亮的地方就是接收到光谱比较多的意思,暗的地方接收得比较少,这就是那一片宇宙空间的电离氧分布图。

不过,一片宇宙空间显然不太可能只有这么一种元素,还会有其他的元素存在。也就是说,在不同的波段,我们能够看到的宇宙是完全不同的。

因此,哈勃望远镜就会通过切换不同的滤光片,对同一个位置的不同光谱进行反复的拍摄,这样就可以更完整地展现那一片宇宙区域到底是什么模样。

比如,这是氢原子光谱下拍摄到的创生之柱——

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这是硫离子的——

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然后,科学家就会把哈勃拍摄的所有照片叠加起来,这就是一张完整的图片了。

不过问题也来了:一对黑白照片叠在一起,不还是黑白的吗?

话是这样说没错,但是我们的脑筋是会急转弯的啊,要不然不是撞树上了吗?虽然哈勃望远镜传回来的照片是黑白的,但是我们可以给每一张照片渲染上不同的颜色啊!还是刚才举的那个手机的例子:虽然手机只能告诉你平时经常点击哪个位置,但是你自己为什么点这些位置难道心里没点数吗?如果手机显示你经常点击的是左上角和左下角,那九成的可能不是王者荣耀就是吃鸡喽。

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所以,科学家只要根据常识,就知道给哪一个波段拍摄下来的照片渲染什么颜色。

  • 上色、合成

比如说,当哈勃望远镜传回来一张在可见光波段拍摄到的图片,那么很简单:瞪眼睛看就知道那片星空是什么颜色,然后按照这个颜色渲染就可以——像不像小时候给简笔画上色的过程。

当然了,哈勃望远镜的观测范围远超过人类眼中的可见光,所以不多拍一拍近红外波段和紫外波段就有点暴殄天物了。那么,我们总不能用红外线或者紫外线去渲染吧?所以,科学家只好从可见光波段选择一些特定的颜色来为它们上色。

还是以创生之柱的照片为例,科学家用蓝色代表电离氧,绿色代表氢原子,红色代表硫离子,给三张图上色。

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接下来,只要将三张照片通过技术手段叠在一起,然后进行一些调整,历史上最经典的宇宙照片就诞生了——

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科学家们为图片上色,不仅仅是为了好看,也是为了“好(容易)”看。换句话说,这就是为了突出其中的一些特征,方便人们去研究。因此,虽然这些照片不是你亲眼看见的颜色,但它也是符合天文观测的数据的。

同样的,除了这几个波段之外,有的时候,科学家还会将红外波段、紫外波段、X射线等的多个波段的照片进行重叠,合成极其精美的宇宙图片,比如蟹状星云的这一张。

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总结

人类为了了解头顶上的星空,已经花费了数千年的时间。时至今日,我们终于可以用全新的眼光去探索这个宇宙。随着越来越多的观测设备和越来越先进的观测技术不断推出,我们终将把整个宇宙收入眼底。

我也很好奇,一百年后人类看到的宇宙图片,会比现在精美多少倍呢?