揭秘：一张“哈勃”照片的诞生

花棂

转载自 科学松鼠会
原地址 http://songshuhui.net/archives/14345.html
原作Jeff Hester
编译 Shea
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　自1990年发射上天以来，哈勃空间望远镜向世人奉献了无数壮观的宇宙画面。这些照片不仅被刊登在了报纸、杂志以及几乎每本天文学教科书上，它们还出现在了唱片封面、广告、T恤、咖啡杯以及电影场景中。这些照片也激起了公众对天文学的空前兴趣，由此产生的对世俗文化的冲击是近代其他任何一架天文仪器所无法比拟的。

　　那么，“哈勃”所拍摄的这些天体真的是如照片上一般色彩缤纷的吗？如果我们飞到这些天体周围，能看到和“哈勃”所拍到的同样景象吗？如果不是，那么是不是如少数人所说的那样，“哈勃”的照片已经被过度地“渲染”了呢？“哈勃”所看到的“真实”宇宙到底是什么样子？

　　请跟随我们一起来揭开“哈勃”照片诞生的秘密……

不仅是一张漂亮的照片

图1

　　1995年4月1日哈勃空间望远镜上的大视场和行星照相机2（WFPC2）拍摄了鹰状星云的照片。就像普通的数码相机一样，WFPC2也使用电荷耦合器件（CCD）而不是胶卷来记录影像。CCD是一个由光敏器件组成的阵列，其中最小的单元被称为“像素”。而它的作用则是把接收到的光信号转化成电信号。如下面会看到的，在得到最终绚丽图像的过程中最艰巨的工作就是从相机本身产生的干扰信号中分离出那些有用的信号，并且将这些信号转化成对天空中某一点的位置和亮度测量。

　　WFPC2的视场大约包含了1600×1600个像素，这使得它大致相当于一台250万像素的数码相机。而且WFPC2所拍摄的图像也不是真彩色的，不过它所能看到的景象比起彩色胶卷来更接近于肉眼。

　　在没有开始处理图像之前，让我们先来看一下最终处理完的图像（图1），并且来解释一下照片的右上角为什么会少了一块？

大小不一

图2

　　WFPC2事实上是由4架相机组成的——3架大视场照相机（WF）和1架行星照相机（PC1）。如图2所示，除了PC1之外，其余每架相机所拍摄的图像都占据了照片的四分之一。而PC1所拍摄的是局域的放大影像，这使得天文学家可以在右上角看到局部更微小的细节。但是如果最终的图像也采用这样一个不同的比例的话，就会显得非常奇怪了。因此必须先按比例把PC1所拍摄的图像缩小到和其他3架相机相同的程度（见图1）。这就是“哈勃”WFPC2所拍摄的照片总会缺个角的原因。

　　现在让我们备份一下图像，并且开始下面的操作。警告：“哈勃”的原始图像和最终的比起来简直“惨不忍睹”。

原始处理

图3

　　是的，我已经说过了，“哈勃”拍的原始照片是“惨不忍睹”的。为什么？首先，很显然宇宙线和其他噪音会出现在拍摄的照片中。这个我们下面会想办法把它们去掉。其次，我们现在看到仅仅是来自PC1的图像，一会儿还要处理3架WF相机的图像。再次，我们现在看到是每架相机能拍摄的4种颜色中的一种。就像电视机的色彩是由红、绿、蓝组成的一样，最终的照片也是综合不同颜色滤光片的照片而成的。

宇宙“涂鸦”

图4（上）、图5（下）

　　WFPC2的4架照相机每架都会使用它们的4块滤光片拍摄两张照片，以此来消除照片中的宇宙线。图4和图5中的“雪花”就是宇宙线和CCD相撞的时候所产生的，而宇宙线是以接近光速运动的原子核。每次宇宙线撞上CCD的时候就会留下一道痕迹，干扰我们想要拍摄的影像。幸运的是，宇宙线是随机的，因此它们在两张不同的照片上会留下不同的痕迹。所以只要比较两张不同的照片就可以去除这些恼人的宇宙“涂鸦”。

和宇宙线说再见

图6

　　图6就是清除完宇宙线之后的照片。那么具体的是怎么做的呢？首先在两张照片中找出那些只在其中某一张照片中才出现的宇宙线痕迹并且删除它们。然后合并这两张已经没有“雪花”的照片，以此来提高图像信噪比。当然与此同时还有一些诸如“暗流”、“平场”以及“电荷转移效率”等和仪器本身性质有关的改正需要做。不过目前还不需要去关心这其中的细节。尽管我本人也是制造这个相机的团队的成员，但也花了好几年的时间才搞清楚它的特性。

　　虽然已经做了这么多处理工作，不过还是会有一些宇宙线和瑕疵需要进一步的处理。

漏网之鱼

图7

　　寻找残留的宇宙线和其他瑕疵的一个办法是比较使用4个不同滤光片所拍摄的4幅图像。另一个方式则是把图像和恒星图像的轮廓进行比较。如果某个亮点的轮廓和恒星的不一样，那么就有可能是需要清除的漏网宇宙线或者是其他瑕疵。图7显示的就是用白色标记出的残留亮点，而之所以用红色背景是为了让它们更容易显现出来。

　　接下去的任务就是删除这些亮点。

彻底清理

图8

　　图8是彻底清理完之后的PC1照片。不过请记住，PC1会使用4个不同的滤光片拍摄4张照片。每张滤光片只能让来自观测目标——鹰状星云——的特定波长的光线通过。

　　不同的原子会在特定的波长上发出特有的辐射，因而具有特殊的颜色。这使得天文学家可以只拍摄某种原子所发出光线的照片。对于鹰状星云的照片，WFPC2使用的滤光片使得它可以拍摄来自氢原子、硫离子以及电离氧所发出光线的照片，而第4片滤光片则只能让恒星所发出的光通过。

　　我们刚才处理的图像正是PC1使用电离氧滤光片所拍摄的。下一步则是处理另外3张由WF相机使用电离氧滤光片所拍摄的照片。

第2张

图9

　　这是处理完的由WF2相机使用电离氧滤光片所拍摄的照片，是最终照片左上角的那一块。请注意，这张以及下面两张WF拍摄的照片已经经过了方向的调整，以便适应我们的视觉习惯。

第3张

图10

　　这是处理完的由WF3相机使用电离氧滤光片所拍摄的照片，是最终照片左下角的那一块。

第4张

图11

　　这是处理完的由WF4相机使用电离氧滤光片所拍摄的照片，是最终照片右下角的那一块。

　　现在就可以把这4张照片拼接到一起了。

拼接照片

图12

　　类似于透过放大镜看东西，每张照片都有不同程度的扭曲变形。为了把这4张由不同相机拍摄的照片精确地拼接成一幅图像，就必须要测量并且修正这些扭曲和变形。一旦完成这一步骤，4幅照片就可以完美地合成出一张鹰状星云在电离氧滤光片下的照片了。

　　图12是已经修正了像差之后的照片，现在就差最后一步了。

严丝合缝

图13

　　好了，现在让我们把图像之间的缝隙去掉。这里需要提醒的是，这张照片拍摄的仅仅是由电离氧所发出的光线。

　　对氢原子和硫离子所拍摄的照片也要进行类似地处理。它们之间会有细微的不同。比较不同原子所发出的光线使得我们不仅能得到一张漂亮的照片，还能告诉我们许多其中有用的物理细节。让我们在这里再多花1分钟时间。

花棂

照片比较

  


图14（上）、图15（下）

　　这里是两张鹰状星云的照片。图14拍摄的是氢原子所发出的光线，图15拍摄的是硫离子所发出的辐射。可以看出两者明显的不同。WFPC2上氢和硫滤光片只能分别让波长为6563埃和6725埃的光线通过。而相应的电离氧滤光片的波长则为5007埃。

　　现在我们已经有3幅图像，每幅都代表着不同原子所发出的辐射。那么为了体现出这些照片的不同，最好的办法就是不同的照片使用不同的颜色，这样也可以显现出鹰状星云不同区域物理性质的不同。

上色

图16（上）、图17（中）、图18（下）

　　我们分别用蓝色、绿色和红色来表征氧离子（图16）、氢原子（图17）和硫离子（图18）所发出的光。比较不同的照片，你会发现不同的颜色增强了照片中细微结构的差异。接下去就是把这3张处理过的照片合并起来，大功告成！

鹰状星云

图19

　　这就是1995年美国宇航局发布的鹰状星云最终处理完的照片。那么这张照片告诉了我们些什么呢？从大体上讲，我们看到的是鹰状星云中一部分浓密的氢分子气体和尘埃云。照片上下的跨度大约是4光年。

　　照片中手指状的气体柱中正在形成年轻的恒星。这些恒星胚胎会从周围的星云中汲取物质不断生长，但是（照片上方不可见的）新生恒星所发出的紫外光会“蒸发”星云中的气体，并且造就了这些柱状的结构。

　　如果你能回到45亿年前，看看太阳和太阳系的形成过程，那么你也许会看到和今天的鹰状星云非常相似的景象。虽然为了了解这其中气体的物理性质以及恒星形成的过程还有很多工作要做，但是通过“哈勃”拍摄的这张照片至少你立马就有了一个大致的印象。

WDragon

中国人能办到

beta1

{:4_111:} 好贴！！！

zzm

{:4_111:}臣地板

hyq1979

如果在这么一大块星云里飞行是什么样的效果，跟高空拍摄云彩的效果是否一样？还是稀薄到无法看到？

花棂

如果在这么一大块星云里飞行是什么样的效果，跟高空拍摄云彩的效果是否一样？还是稀薄到无法看到？
hyq1979 发表于 2009-5-30 15:08

应该是感觉不到任何异常。这些星云的成因往往是星际气体遮挡了更远处恒星的光而这些气体本身是非常稀薄的，就像是在稀释了许多许多倍的晨雾里一样，你看不到远处的东西，但是近处的东西是不受影响的……

FreeMagician

这个...
首先，很显然宇宙线和其他噪音会出现在拍摄的照片中。
这段...noise应该这里指噪点...
难道是google翻译...

chaoac

果然好看，壮观，谢谢楼主了

花棂

这个...
首先，很显然宇宙线和其他噪音会出现在拍摄的照片中。
这段...noise应该这里指噪点...
难道是google翻译...
FreeMagician 发表于 2009-5-31 00:53

两种不同的翻译方法而已吧……