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如何解读一幅天文影像

05 06月
作者: 大宝 |分类:天文资料 | 转载时间:2020年06月05日
【特别声明】 本文摘自网络,原文 作者/网站: 大宝



如何解读一幅天文影像

      这是写给普通大众的一篇文章,对专业的天文工作者或资深天文爱好者没有太大的意义。

      最新天文发现的公布往往会以强大的视觉冲击为出发点。原因嘛当然是为了普罗大众更加容易理解科学家们都做出了什么成果。这总比放一堆艰深难懂的名词、公式和眼花缭乱的数据要好得多。“有图有真相”说得就是对于普通民众而言,图像是最容易接受的。其实就是这么个理。但对于科学家来说恐怕就没那么简单了。把复杂的科学信息和数据用明白易懂的图片向外界传递,这样的工作倒是有点像敦煌莫高窟的画师们要把晦涩的经文以“经变画”的形式传递给佛教信众。
      天文观测其实也有点类似。对于进入多信使时代的天文观测来说,肉眼是个不太好用的信息接收器件。一方面她不能进行长时间曝光,对于暗弱的天体“熟视无睹”;另一方面她只能感知电磁波谱中极其微小的一部分信号——可见光。然而大多数天体或者天文事件的电磁辐射却是全频域的。更不要说“引力波”这个非电磁波信号,肉眼完全无法感知。天文学家们只有借助各式各样的仪器来代替肉眼进行观测。即便是在可见光频域内,为了观测需要也往往会采取一些特殊的观测手段。这样带来的问题可能就是需要把相应的观测数据可视化,或者叫“可视化渲染”。
      在深空天体的照相观测中就有一个很常见的例子——窄带摄影。日常生活中我们很难看到颜色非常单一的光。激光笔发射出来的激光(红色或者绿色)是为数不多的例子。除此以外都是很多颜色的光混合在一起,或者说是很多不同频率的光混合在一起。当然也可以通过例如分光棱镜或者分光光栅把这些不同频率的光分开,这样我们就可以看到一条由红色到蓝色的彩色光带。对于天体的观测来说,如果我们只需要观测其中某一个频率的光(或者说某个单一颜色的光),最简单的方法就是使用一种装置。它只允许我们需要的频率(颜色)透过,而其他频率的光则不能透过。这样的装置就是窄带滤镜。业余天文爱好者经常配置的窄带滤镜包括Hα(氢α)滤镜、OIII(氧III)滤镜和SII(硫II)滤镜,它们能够透过的光的波长和颜色如下图:


如何解读一幅天文影像

       对于专业的天文学家来说,他们望远镜上的窄带滤镜会更多。这种窄带观测有一个天文学的术语——分光观测。分光观测可以干啥?比如当天文学家要测量一颗恒星的表面温度时,就可以利用分光观测法。

      再说回深空天体的照相观测。如果我们使用的是前面所说的三个频率的滤镜来拍摄天体的影像,那么这样得到的是三幅反映天体在不同频率下的黑白影像。事实上,对于天文学家来说,这样的影像已经足够了。不过对于大众来说这样的影像一方面看起来不美观,再一方面还需要配合艰深难懂的术语来说明。于是科学家们自然就想到了“可视化渲染”。例如可以给Hα波长的影像赋予红色、OIII波长的影像赋予蓝色、SII波长的影像赋予绿色。然后再把三幅赋予了色彩的影像进行合成,这样的结果看起就舒服多了。当然,每个频率的影像应该赋予什么样的颜色并没有什么规定。完全出自科学家或者爱好者自己的喜好。在发布这样的影像时只要说明一下每个波长的影像所赋予的颜色就可以了。


如何解读一幅天文影像

       上面两张位于鹰状星云中心的“创生之柱”都是哈勃空间望远镜拍摄的。两张影像相差20年。其中颜色的差别绝非天体本身的变化,而是由后期渲染的不同导致。我们也可以用地面的小型望远镜搭配彩色相机拍摄这个天体,颜色又不一样了(下图)。


如何解读一幅天文影像

      那是不是说如果我们抵近用肉眼观测就是上面照片的景象呢?很遗憾依旧不是。即便这是一幅彩色相机拍摄的影像,由于相机对各个频率光的响应与肉眼相差较大,肉眼看到的“创生之柱”可能也不是这样的色调。而且由于这里分布了很多年轻的恒星,耀眼的星光可能使你根本看不到背景的星云

     说了这么多,其实就是想告诉各位,天文影像中的色彩往往是代表了天体在某一个频率向外辐射能量的状态。这个颜色可以是相机拍摄到的,也可以是科学家们赋予它的。这些颜色并不代表天体的真实色彩。
     对于可见光频域以外的观测更是如此了。射电天文观测本身接收的就不是天体的可见光信息,当然不可能得到可见光的影像。但是出于可视化的需要,在发布观测成果时往往会对观测数据进行“可视化渲染”。这个是很有必要的,因为它可以使我们看到这些天体在非可见光频率下的形态。射电天文观测数据的“可视化渲染”远比处理一幅图像复杂的多得多。这需要有针对性的专用算法和程序。最近的成果发布就是人类拍摄到的第一张黑洞照片(下图)


如何解读一幅天文影像

      这是欧洲南方天文台ESO发布M87黑洞照片的网页。一个类似甜甜圈的橘红色黑洞影像。不过请注意下方蓝色部分的说明,这幅影像是在1.3mm波长观测到的M87黑洞的形态。显然可见光的波长范围大约在400nm~700nm,1.3mm波长已经远远超出了这个范围,所以这个“甜甜圈”是什么颜色已经不重要了。因为这个颜色是科学家后期渲染的结果。我们只需要通过照片上明暗的变化来判断这个天体在1.3mm波长上的辐射强弱就可以了(辐射越强的地方亮度越高)。

     好了,看了这篇文章之后,你是不是对解读天文影像有了些许了解呢?


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标签:天文影像 解读 大宝
深空天体摄影中的“采样”与“过采样” 口径、焦距和焦比,深空天体摄影必须要弄明白的概念!

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