什么?天文照片全是PS过的?!
2022/3/8 科学辟谣

     很多人对天文感兴趣,是被一幅幅壮观绚丽的天文美图带入坑的。可你是否知道,这些美图都是后期做出来的?

     部分朋友的反应可能是震惊脸,什么什么,天文学也玩网红那一套?退坑退坑……

     别走啊,天文学“P图”可不是自拍完了套几个滤镜完事,而是既需要科学知识又需要艺术造诣的精细工作,还能帮助人们更直观地认识宇宙呢。接下来就通过几张著名的图片,跟大家聊聊天文美图“P图”基本功。

     01

     这张图,为啥形状那么怪?

     以“旅行者1号”探测器拍的“太阳系全家福”为例,当时是1990年2月,“旅行者1号”已飞到64亿公里以外,它回望太阳系,拍摄制作了这张著名的图片。

    

     太阳系全家福,1990年2月14日,“旅行者1号”拍摄。图源NASA

     这图的造型为什么这么奇葩呢?那当然是因为拼图了。

     图片的主体部分,实际上是由39张单独的照片拼接连缀而成。其中,每个标记字母的地方就是一颗(基本看不见的)行星,如J表示木星(Jupiter)、E表示地球(Earth)、V表示金星(Venus)等等。

     有过拍合影经验的朋友可能会问,为什么这里不直接用广角镜头来张全家福呢?这是因为天文观测的视野通常非常非常小。能拍下这些照片还多亏了探测器要拍摄行星全身照,出发时带了个视野稍宽的相机,从天文观测的角度来说,每张小照片已经算是“广角”了!而周边的6张小彩图,是探测器在同样的位置,用视野更窄的相机拍摄的。

     “旅行者1号”拍摄这一系列照片时,需要多次调整镜头指向、设置曝光参数。地面合成时,要忠实地复现这些变化,才能把图片拼接到正确的位置。

     02

     这些图,为啥右上角缺一块?

     下面这些图,右上角都有个可疑的缺口,这是怎么回事呢?这事其实还是拼图的锅。

    

     三图依次为:后发座M100、IC 2944(走鸡星云)、哈勃深空。图源NASA

     有的拍摄任务并不需要改变太空望远镜的朝向,但因为设计或当时的技术限制,还是要拼图完成。例如“哈勃”望远镜,在1993年到2009年间,它使用第二代广域和行星相机(WFPC2),有4块800×800的CCD感光片。我们看到的最终照片,都是由四幅图片拼接而成的。

     这4个CCD中,有1个与众不同,它的视野比其他几块小,但像素一样多,这样它就可以用来拍摄天体的某个局部,供天文学家研究细节。比如,鹰状星云“创世之柱”的照片,本来应该是下图这样:

    

     “创世之柱”,1995年4月1日,“哈勃”望远镜拍摄。图源NASA

     不过,向大众展现时,就得把这个用来放大局部的角缩小,才能和其他三个角拼接成一幅衔接流畅的照片,像下图这样,右侧星云柱上下接合完美:

    

     有得必有失,图片衔接是流畅了,却造成了一个没有内容的缺口。天文学家是有底线的,不会造个虚假背景放在这里。所以,“哈勃”望远镜的许多照片,都有这个标志性的阶梯状暗角,直到2009年,它更新换代,使用了第三代广域相机(WFC3),这个暗角才消失不见。

     03

     这张图,直接拍相机会烧坏……

     除了视野方面的问题,有时,图片拼接则是因为被摄对象条件太极端,无法一下子看全。

     比如下面这幅日冕物质抛射,羽状抛出的物质是由SOHO太阳探测器的LASCO光谱仪拍摄的,但LASCO从来只敢遮着太阳观察日冕。因为假如它在无遮挡的情况下直接“看”一眼太阳,那就是最后一眼——设备会当场烧坏。而下图中间的太阳,是由探测器上的EIT望远镜在极紫外波段拍到的,比起正常尺寸放大了些,填到中间,以增强图片效果。这两台仪器,一个不敢看太阳,一个看不到外层日冕,各自拍一部分,拼到一起,就还挺美的。

    

     日冕物质抛射,2002年1月8日,SOHO拍摄。图源NASA

    

     正常尺寸图片中间的太阳小一圈 | 来源Credit: ESA/NASA/SOHO

     04

     给天文照片“磨皮”,绝对是力气活……

     很多天文美图,看上去辽阔深远又通透清澈,但实际上,原图都是点点划划惨不忍睹的。

     比如下图是笔者在2015年冬天拍摄的猎户座大星云,谈不上是张好片子,因为是户外随兴拍摄,手边只有一个白天拍鸟的长焦相机,也没有赤道仪用来消除地球自转造成的星光拉丝,只好把相机的感光度调得很高很高,以缩短曝光时间。但相机感光度一高,噪点就噌噌噌地上去了,让人无法分辨一些亮点究竟是真恒星呢,还是卫星或太空垃圾呢,还是相机自己的噪点呢?

     这时,就需要叠图来增强信号抑制噪点了。

     请留意图中圈出的4个光点。

    

     猎户座大星云,2015年12月。曲炯拍摄

     我拍了十几幅照片,选了几张质量不错的,仔细地在PS里把它们的亮星对齐,然后,我把上面几个图层设为“变暗”——也就是说,对于每个像素,只显示所有图层中最暗的那个。如果那里有一颗真恒星,它应该在所有的图层的同一位置都是亮的,最终会显示出来。如果那只是一颗卫星、一架飞机、一个高感光度造成的噪点,那么它就会被其他图层投票“拉黑”,消失在深色的背景中。

     叠加合成的照片如下,画面干净许多,真星星都留下来了,上图圈出的亮点不见了。我检查了一下,每幅照片里都有它们,在恒星的背景下缓缓移动,可能是卫星吧。

    

     叠图后的合成照片,是不是已经清爽了许多?

     严肃的天文观测中,图像叠加技术当然要比这个“五分钟PS教程”复杂得多, 再以前面提过的哈勃深空为例,这张照片是1995年底拍摄的大熊座内一个极暗的天区。除了前景里的几颗银河系恒星之外,可看到的3000多个天体几乎全是遥远的星系,直抵百亿光年以外。如此遥远暗淡的星光,迫使“哈勃”望远镜用了10天时间,环绕地球150周,对着同一天区累计曝光141小时。最终,选取342张照片叠加,去除宇宙射线和地球散射光干扰,增强真正的信号,才合成了我们今天看到的哈勃深空图像。

    

     哈勃深空(及按惯例缺失的右上角) | 图源NASA

     05

     给天文图片上色,既需要审美又需要知识

     图片拼完叠完,还不够,上颜色也是很重要的。因为各种探测器和太空望远镜拍到的照片,其实原图是黑白的,如果要看彩照,就要后期上色。

     那为什么照片原图是黑白的呢?这不是因为技术落后,能采集到的信息贫乏,事实正好相反,是因为信息量太大了。因为电磁波谱十分宽广,而人眼和大脑能认知的色彩十分有限。超出可见光波段的,一概“伸手不见五指呀”。仪器在可见光以外的波段拍到的图像,该称之为什么颜色呢?

    

     所以,探测器干脆只用明暗来表达它看到的东西,附上波长信息,打个包丢给人类:“喏,这张是微波波段的,这张是红外波段的,这是红光区的,这是绿光区的,蓝光区的,紫外波段的,X射线波段的,都是黑白片儿,你自己慢慢看吧,只要能分清楚就行。”

     那上色的时候要怎么上呢?在天文照片里,每个像素的颜色都要有根据,可不像过去影楼里处理老照片那样,抹个红脸蛋,涂个红嘴唇就完事了。

     上色的时候,要推敲三个问题:真实吗?科学吗?漂亮吗?三个问题的答案,分别对应一种上色方法,并且有(jīng)时(cháng)会冲突,下面具体讲讲。

     如果照片本来就是在可见光波段拍摄的,上色就十分简单。太阳系各大行星和周边卫星的彩照大多如此,只要把蓝绿红三原色各自对应的黑白片挑出来,各自渲染成蓝绿红三色,再一叠加,一张“跟真的一样”的彩照就出来了。这种可见光波段的上色,叫做“自然色”。

    

     土星,2013年7月19日,“卡西尼号”拍摄。图源NASA

     可见光以外,就得用物理+哲学的思路。比如,下面这个太阳极紫外图像四联张,是在17.1nm、19.5nm、28.4nm、30.4nm等波段分别拍摄的太阳。紫外线原本谈不上颜色,但为了快速辨认这些波段,我们不妨按照可见光的波长顺序,从蓝到红为它们赋色。这个色彩顺序符合电磁物理,所以非常易懂易记,而且,相当美丽!

    

     太阳极紫外图像,2021年12月31日,SOHO拍摄。图源NASA

     真实吗?科学吗?漂亮吗?当后两个答案完胜时,就可以拿来挑战第一个问题:就算我们觉得不真实,那也是因为我们眼界太窄,带宽不够……

     换句话说,人类不惜代价把那么多仪器送上天,是为了科学研究,而不是观光游览。可见光的狭隘色彩,在整个电磁波谱里,是没有意义的。只要能表达科学信息,就可以抛开天体的可见光色,对它赋予完全不同的色彩。这时,我们给照片上的是“代表色”。

     还拿“创世之柱”为例,它的原图,本来是3个波段的黑白照片。

    

     其中,左图是氧的502nm蓝绿色辉光,中图是氢和氮的657nm红色辉光,右图是硫的673nm深红色辉光,分别用相应波长的滤镜获得。之所以检测这些波长,是因为这些元素是构成天体的重要成分。

    

     那么问题来了,一个蓝绿色和两个红色叠加配色,结果会是怎样?

    

     结果就是这个样子,它也许更接近天体的真实模样,但这样真实的一片血红,在科学层面上,却没有信息量。

     天文学家们追求的,是一目了然。前面说过,为了传递科学信息,我们可以抛弃天体的“本色”。这样,我们把波长最短的氧定义为蓝,把氢+氮定义为绿,把波长最长的硫定义为红(硫:我本来就红……),再做一次图片,忽然就感动得想哭有没有?!(前文说过,哈勃2009年升级了相机,于是右上角缺的那一块就给补上了 )

    

     “创世之柱”,2014年10月29日,“哈勃”望远镜拍摄。图源NASA

     不但图片的色彩更加缤纷绚烂,它也方便传递科学信息。我们知道蓝绿红三原色和各元素的对应关系之后,就能直接解读“创世之柱”的各部位的元素分布状况,比“真实”的“血肉之柱”要轻松多了。

     还有一些上色法,既不真实,也不是为了科学。比如下图的NGC1850,它背后的星云本来发射着氢α线的红光。如果按红色来染,并不妨碍科学表达,但修图师很任性,就是乐意用蓝色来表达。这种调和有个人审美品味的,叫做“增强色”。

    

     NGC1850,2001年7月10日,“哈勃”望远镜拍摄。图源NASA

     回顾一下,上色三拷问:

     真实吗?如果真实,我们把它叫做“自然色”。

     科学吗?如果科学,我们把它叫做“代表色”。

     漂亮吗?如果漂亮,我们把它叫做“增强色”。

     总结一下,为了获得一张美貌与科学并重,艺术与真实兼备的天文照片,往往要在天文学家和艺术家共同的努力下,经过拼图、叠图、上色几大步骤,才能完成。

     这里还要再补充一下,有些很美的图片,比如第三视角看到的探测器接近行星,或者群星纷飞的超光速旅行情景,这些都是艺术家们创作的概念图,并不是天文照片。

     看到这里,想必你对天文美图的制作心中有数了吧!是不是一点都没有失掉对浩瀚宇宙的兴趣,反而更愿意在其中徜徉了呢?

     作者 | 曲 炯 科普作家 作品发表于国家博物馆、国家航天局等

     审核 | 刘 茜 北京天文馆研究员 科普影片编导和科普作家

     责编 | 丁 崝

     本文由“科学辟谣平台”(ID:Science_Facts)出品,转载请注明出处。

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