给天文图片上色,主要靠艺术家审美?
来源:科学辟谣

流言:天文照片其实本来是黑白的,主要还是靠艺术家审美高,上了色才漂亮。

真相:的确有很多天文照片都需要上色,但这个上色过程本身也是科学严谨的,是科学家和艺术家共同努力的结果。

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?

 

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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”。

 

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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!

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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。

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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。

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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?

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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 )

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 “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”。

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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。

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曲炯 科普作家 作品发表于国家博物馆、国家航天局等
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刘茜 北京天文馆研究员 科普影片编导和科普作家
时间:2022-02-17 17:31
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