璀璨绚丽的星云图片，是真的吗？（之二：哈勃的图片是如何制作的？）
2014-05-08 15:03阅读：
《科学世界》第5期“宇宙奇观”栏目向大家展示了“
哈勃的新发现”。绚丽多彩的图片让人惊叹于宇宙的鬼斧神工，同时也提出一个问题：这些图片是真的吗？那么，让我们一起来看看，这些图片到底是真是假。
昨天我们了解了，人眼有许多局限，“眼见不一定为实”。同时，“眼不见，不一定不为实”。因为，大部分光线（电磁波），无法被人看见，却能被其他动物和望远镜捕捉到。这些看不见的光，包含了大量的信息。
今天就让我们来看看，科学家是如何将望远镜捕获到的信息，变成绚丽多彩的图片。
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【原始图片是黑白的】
你知道吗，这些色彩斑斓的图片，其实原始版本都是黑白的。为什么要使用黑白相机呢？这是因为黑白相机比彩色相机能达到的敏感度更高。如果要拍摄彩色照片，光探测器就必须把红色、绿色和蓝色的元素放在同一区域，这会影响图片的分辨率。而黑白照片，可以让哈勃望远镜捕捉到更多的细节。
射入相机的光线需要经过若干个不同的滤镜，每个滤镜对应一张黑白照片。这些滤镜装在一个可以旋转的轮状结构上，称为滤镜轮（Filter
Wheel）。就像下面这样子。这个是哈勃的NICMOS（近红外照相机和多目标光谱仪）的滤镜轮，每个滤镜轮有20个位置，装有19个滤镜以及1个空位。
哈勃NICMOS滤镜轮示意图
下面这个则是即将于2018年发射的詹姆斯•韦伯空间望远镜（James Webb Space
Telescope）上的近红外照相机的滤镜轮。看起来很高大上。
即将发射的James webb望远镜的近红外相机滤镜轮示意图
【黑白的宇宙如何变彩色？】
通过滤镜拍摄的几张黑白照片，进行上色后，再进行混合，就变成了彩色图片。
我们来看一个例子——
NGC1512。
NGC1512是时钟座的一个螺旋星系，发现于1826年。它流传于世的照片非常惊艳：暗色的悬臂，盘绕在金色的主体，边缘则闪烁着令人目眩的紫色光芒。其实，这张图片是由7张照片组合而成，分别由以下三个聚焦在不同波段的相机拍摄：
1，FOC：暗天体照相机（Faint Object Camera）
2，WFPC2：第二代广域和行星照相机（Wide Field and Planetary Camera 2）
3，NICMOS：近红外照相机和多目标光谱仪（Near Infrared Camera and Multi-Object
Spectrometer）
原始图片
它们拍摄的照片和大致波段如下图所示
三个相机拍摄的7张照片的波段示意图
上色
然后科学家给这几张图片上色。为了保持图像的真实和自然，红外部分会用最红的颜色表示，而紫外部分会用最紫和最蓝的颜色表示。为了将不可见光的波段压缩到窄窄的可见光波段中，势必会改变可见光部分的色彩，比如，肉眼所见的红色，这里被涂成了黄色。
上色以后的图
组合
然后再把这几张图片组合起来，就形成了下面这张绚丽多姿的图片。
组合以后的图
【颜色是分析工具】
哈勃望远镜的科学家会用三种方式来给图片上色：后两种其实都是伪彩色。
1，
自然色（Natural
color）：对光线太弱，肉眼难以看清的物体，会采用这种方式。最终的色彩与肉眼看上去的差别不大。
2，
代表色（Representative
Color）：主要针对肉眼看不见的物体，比如发出红外光和紫外光的物体。科学家会用不同的颜色来代表不同的波段，然后进行合成。
3，
增强色（Enhanced
Color）：用颜色来突出那些容易被忽略的部分。
下面我们就通过几个例子来具体看看这三种方式：
1，自然色：
Galaxy ESO
510-G13：这个星系的图片由哈勃望远镜于2001年拍摄，它以一种侧向的姿态面对我们，展示了它扭曲的盘面。它刚刚经历了一场星系碰撞，重力扭曲了星系中的恒星、气体和尘埃，形成了这种纠结的形状。
下图左侧是波谱。可以看到，三张黑白照片处于不同的波段。三张照片上色混合以后，形成了右侧的最终图片。这张图片和肉眼所见的差别不大。
Galaxy ESO 510-G13图片的生成过程
2，代表色
还记得“卡西尼探测器”拍摄的这张宛若彩虹的土星光环吗？这就是一张代表色图片，肉眼所见的土星光环并不是这样的。图中蓝绿色部分是较纯净的冰，红色部分的冰成分更加复杂。
土星光环的代表色图片
下面我们来看一张土星的代表色图片。这是一张色彩十分诡异的土星伪彩色照片，由哈勃望远镜的NICMOS拍摄于1998年，公布于哈勃望远镜8岁生日之际。
我们印象中的土星都是浅黄色的，而这张照片竟然出现了紫色、蓝色、绿色……可真是绚丽呢，但是美得有点不真实——这与肉眼所见的土星色彩差别也忒大了。那这张照片有什么意义呢？它的意义就在于，有助于科学家分析土星的大气。
从左侧的波谱中可以看到，这三张原始的黑白照片，都是红外波段的图像。我们用
蓝色代表波长最短的红外光，
红色代表波长最长的红外光，
绿色代表波长适中的部分。而组合之后出现彩色条纹的原因，是由于土星上层大气的化学组成不同，导致对太阳光的反射方式不同。
土星代表色图像的生成过程
3，增强色
我们来看看哈勃于1995年拍摄的这张著名的“创生之柱”吧！
“创生之柱”位于老鹰星云。在这里，浓密的尘埃中正孕育着恒星。星云附近的新生恒星辐射出强烈的紫外线，使得星云发出可见光。
原始的三张黑白图片是用了三个窄带滤光镜拍摄所得，分别对应硫、氢、氧三个元素。在星云发出的可见光中，氢和硫发出
红光，氧发出
绿色（如下图所示，左侧波谱中，上面两张黑白图片所对应的两个波段都位于可见光的红色区域）。
由于氢原子和硫离子都发出红光，如果用自然色来处理，将无法把二者分辨开。因此，科学家用
绿色来代表本来发红光的氢原子；更红的是带有两个单位负电荷的硫离子，这部分保持
红色；而发出绿光的双电离氧用
蓝色来代替。这样处理之后，从视觉上增强了细节，不同元素的分布一目了然。
在最终这张宏伟的图片中，“创生之柱”周围弥漫着的蓝绿色薄雾代表氢和氧，而三根柱子略带红色，代表着其中密集的硫元素，创造出这幅美不胜收的图片。
“创生之柱”增强色图像的生成过程
对比一下，不经过增强处理的图是下面这样。真是“万里江山一片红”啊，完全看不出氢和硫的分布范围。
增强色处理前后的“创生之柱”图像对比
所以说，哈勃望远镜公布的这些图片，和肉眼看到的并不完全一样。许多图片都经过了伪彩色处理。色彩，就是科学家的分析工具，让我们更好的了解宇宙中这些壮观的存在。
今天就到这里~
明天，我们将不仅限于哈勃望远镜，而是一同去看看，同一个星云，在不同的相机眼中，将是怎样不同的景致。
明天请继续关注
：“璀璨绚丽的星云图片，是真的吗？”之三：
不同望远镜眼中的螺旋星云。
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《科学世界》2014年第5期——“哈勃”的新发现
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