2022 5月 01 By 科学探索家 0 comment
  • 文/邵思齐,现就读台大地质科学系,着迷於大自然的鬼斧神工。

现代的人们生活在充满明亮人造光源的城镇中,难以想像纯粹的夜空是什麽样子。对宇宙中天体的印象,多半来自各地天文台与太空望远镜所捕捉的绚丽星云、星团、星系。但这些影像中的颜色是真实的吗?如果我们能够用肉眼看到这些天体,它们的颜色真能如影像中如此的五彩缤纷吗?

色彩的起源:为什麽人眼能看到颜色?

电磁波跨越各种尺度的波段,有波长远小於 1 奈米的伽玛射线,也有波长数百公里长的无线电波。但人类眼睛中的的感光细胞仅能感测到波长介於 400-700 奈米之间的电磁波,也就是仅有这段电磁波能够以红到紫的色彩出现在人类的视野当中,所以我们对外界的认知就受限於这小一段称为可见光(Visible Light)的视窗。人之所以能够辨识不同的颜色,靠的是人眼中的视锥细胞。视锥细胞分成 S、M、L 三种,分别代表 short, medium, long,其感测到的不同波长的光,大致可对应到蓝色、绿色、红色。

肉眼可以,那相机呢?

在还没有电子感光元件的时代,纪录影像的方法是透过让底片中的银离子曝光、冲洗後,变成不透光的金属银(负片),但这样只能呈现出黑白影像。於是,历经长时间的研究与测试,有着三层感光层的彩色底片诞生了。它的原理是在不同感光层之间加上遮色片,让三层感光片能够分别接收到各自颜色的光线。最常使用的遮色片是蓝、绿、红三色。进入数位时代,电子感光元件同样遇到了只有明暗黑白、无法分辨色彩的问题,但这次,因为感光元件无法透光,不能像底片一样分层感光,工程师们只好另辟蹊径。

於是专为相机感光元件量身打造的拜尔滤色镜(Bayer Filter)诞生了,也就是由红色、绿色、蓝色三种方形滤光片相间排列成的马赛克状滤镜,每一格只会让一种颜色通过,如此一来,底下的感光元件就只会接收到一种颜色的光。接着,再把相邻的像素数值相互内插计算,就可以得到一张彩色影像。由於人的视锥细胞对绿色特别敏感,因此拜尔滤色镜的设计中,绿色滤光片的数量是其他颜色的两倍。

这种让各个像素接收不同颜色资讯的做法,虽然方便快速,却需要好几个像素才能还原一个区块的颜色,因此会大幅降低影像解析度。这对寸解析度寸金的天文研究来说,非常划不来,毕竟我们既想得知每个像素接收到的原始颜色,又想获得以像素为解析单位的最佳画质,尽可能不要损失任何资讯。

要怎麽让每个像素都能独立呈现接收到的光子,而且还能够完整得到颜色的资讯呢?最好的方法就是在整块感光元件前加上一块单色的滤色镜,然後轮流更换不同的滤色镜,一次只记录一种颜色的强度。然後,依照滤镜的波段赋予影像颜色,进行叠合,得到一张还原真实颜色的照片。如此一来,我们就能用较长的拍摄时间,来换取最完整的资讯量。以天文研究来说,这种做法更加划算。

另外,由於视锥细胞并不是只对单一波长的光敏感,而是能够接收波长范围大约数百奈米宽的光,因此若是要还原真实颜色的影像,人们通常会使用宽频滤镜(Broadband filter),也就是波段跨足数百奈米的滤镜进行拍摄。

美丽之外?滤镜的科学妙用

虽然还原天体的真实颜色是个相当直觉的作法,但既然我们有能力分开不同的颜色,当然就有各式各样的应用方法。当电子从高能阶跃迁回到低能阶,就会释放能量,也就是放出固定波长的电磁波。若是受到激发的元素不同,电子跃迁时放出的电磁波波长也会随之改变,呈现出不同颜色的光。

如果我们在拍摄时,可以只捕捉这些特定波长的光,那我们拍出的照片,就代表着该元素在宇宙中的分布位置。对天文学家来说,这是相当重要的资讯。因此,我们也常使用所谓的窄频滤镜(Narrowband filter),只接收目标波段周围数十甚至数个奈米宽的波长范围。常见的窄频滤镜有氢(H)、氦(He)、氮(N)、氧(O)、硫(S)等等。

有时候,按照原本的颜色叠合一组元素影像并不是那麽妥当,例如 H-alpha(氢原子)和 N II(氮离子)这两条谱线,同样都是波长 600 多奈米的红色光,但如果按照它们原本的波长,在合成影像时都用红色表示,就很难分辨氢和氮的分布状态。这时候,天文学家们会按照各个元素之间的相对波长来配制颜色。

以底下的气泡星云(Bubble Nebula, NGC7635)为例,波长比较长的 N II 会被调成红色,相对短一点的 H-alpha 就会调成绿色,而原本是绿色的 O III 氧离子则会被调成蓝色。如此一来,我们就可以相对轻松地在画面中分辨各个元素出现的位置。缺点是,如果我们真的用肉眼观测这些天体,看到的颜色就会跟图中大不相同。

当然,这种人工配制颜色的方法也可以用来呈现可见光以外的电磁波,例如红外线、紫外线等。举哈伯太空望远镜的代表作「创生之柱」为例,他们使用了两个近红外线波段,比较长波的 F160W 在 1400~1700nm,比较短的 F110W在900~1400nm,分别就被调成了黄色和蓝色。星点发出的红外光穿越了创生之柱的尘埃,与可见光叠合的影像比较,各有各的独特之处。

望远镜接收来自千万光年外的天体光线,一颗一颗的光子累积成影像上的点点像素,经过科学家们的巧手,成为烙印在人们记忆中的壮丽影像。有些天体按照他们原始的颜色重组,让我们有如身历其境,亲眼见证它们的存在;有些影像虽然经过调制,并非原汁原味,却调和了肉眼所不能见的波段,让我们得以一窥它们背後的故事。


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