韋伯望遠鏡只能探測不可見紅外光,那壯觀照片是怎麼生成的

10月11日消息,詹姆斯·韋伯太空望遠鏡所探測到的只是肉眼不可見的窄帶數據。為了讓觀眾看到能產生共鳴的可視化圖像,研究人員會使用調色板賦予不同元素各種顏色,經過雜色清除、剪裁翻轉等一系列處理,最終生成漂亮的天體圖像。

在韋伯太空望遠鏡最早公布的一批照片中,船底座星雲的驚人外觀在很大程度上要歸功於阿麗莎·帕甘(Alyssa Pagan)。作為太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope science Institute)的一名科學視覺開發人員,帕甘的工作是將韋伯望遠鏡捕捉到的數據轉化為漂亮的可視圖像。

帕甘稱這項工作是數據、經過幾十年科學研究建立起來的美學原則和主觀品味之間的“結合”。望遠鏡與被觀測物體之間相隔甚遠。為了觀測宇宙中的遙遠天體,韋伯望遠鏡使用的是肉眼不可見的紅外光譜。像帕甘這樣的研究人員必須選擇如何將這些數據轉換成可視圖像。

例如,顏色是帕甘經常遇到的問題。韋伯望遠鏡收集到經過多次曝光的窄帶數據,這意味着所探測天體的紅外光譜波長範圍非常小,與氫、硫和氧等特定元素的存在相關。帕甘會根據一種叫做彩色排序的原則進行上色,比如其中波長較短的氧用的就是波長較短的藍色。然後不同顏色疊加形成整幅圖像的基礎。

然而,由於氫和硫的波長都與紅色相關,氫的顏色通常偏黃一些,為的是讓最終畫面呈現更清晰的細節。這就是“哈勃調色板”的由來。

這些圖像有時被稱為偽色。但是帕甘強調,這些顏色都是真實數據的代表。例如,在韋伯望遠鏡拍攝的船底座星雲圖像中,下方的紅色部分主要由氫和硫組成,而上方的藍色部分主要由氧組成。

韋伯望遠鏡只能探測不可見紅外光,那壯觀照片是怎麼生成的

圖片來源:NASA

帕甘說,只有在塗上這些基本色之後,對天體圖像的處理才會變成“品味問題”。她可能會把整個調色板沿光譜向上或向下移動,使藍色顯得偏紫一些,反之亦然。這樣一來,不同元素的對比度可能會增強。此外,還要清除望遠鏡產生的散射光等等。但不同的處理方式就會得到完全不同的圖像。帕甘說:“我特別喜歡讓事物變得更加飄渺和神奇。”“我的方法有點異想天開——因為這是太空!”

帕甘們之所以這麼做,部分原因也是為喚起人們對太空圖像的共鳴。視覺文化學者伊麗莎白·凱斯勒(Elizabeth Kessler)在《描繪宇宙》一書中調查了哈勃團隊視覺開發人員如何讓人們更容易理解宇宙的浩瀚圖景,用圖像喚起人們對未知的敬畏感。

這種做法在韋伯望遠鏡項目中得到了延續。哈勃望遠鏡所拍攝的船底座星雲圖像名為《丘陵和山谷》。韋伯望遠鏡拍攝的新圖像稱為《宇宙中的懸崖》。

不過,以這種方式呈現船底座星雲也是從美學角度考慮。凱斯勒特意強調了剪裁和朝向的重要性。“星雲內許多區域都可以看到恆星的誕生。但他們選擇了這個區域,並用雲邊形成地平線的方式組合起來,”她說。

要知道,太空中沒有“向上”的概念,雖然從地面拍攝的圖像通常有上北下南的說法,但對太空中的軌道望遠鏡來說,“北”沒有任何意義。凱斯勒指出,船底座星雲的圖像方向可能是翻轉過來的,為的是把塵埃雲變成觀眾所熟悉的東西。

帕甘說:“畫面的朝向在一開始就決定了,因為這樣感覺最自然。”“它需要接地氣。這樣就感覺是一座山。”

帕甘的工作目的就是讓這些宇宙圖像對普通觀眾來說更“易於理解”,同時保持吸引力。凱斯勒說,圖像處理“真的很有幫助。我們所看到的巨大規模超出了人類的理解。在我們的體驗中,最接近我們的就是這些高聳在我們頭頂的山脈。”

這種方法在地面天體攝影中也很受歡迎。根據科普工作者迪倫·奧唐奈(Dylan O’Donnell)的說法,部分原因是使用窄帶方法有助於避免光污染問題。奧唐奈說,地面相機會被建築物和街道的光線淹沒。但是,通過保留非常小的波段,“這可以讓位於城市中心的人們拍攝到與哈勃圖像相似的圖像。”當然,處理圖像時可以使用各種各樣的調色板來對窄帶數據進行解釋。例如,另一種流行方法是以加拿大法國夏威夷望遠鏡命名的“CFHT調色板”。

哈勃調色板和CFHT調色板的區別主要來自於色度排序的複雜性。哈勃根據不同波長,讓氫呈現出紅偏黃的顏色,而CFHT調色板卻將硫推到了光譜上端,產生了突出不同細節的綠紫色星雲。“這不會改變科學,”CFHT天文學家海瑟·弗盧埃林(Heather Flewelling)說,“只是讓某些特徵更明顯。”

不同探測波長和調色板都有許多種組合,所有這些都會產生不同的數據顯示方式以及完全不同的審美體驗。

選擇什麼樣的調色板是個人喜好問題。儘管奧唐奈說大多數人更喜歡儘可能地保持自然,但他自己的工作也強調了使用偽色來展現細節的好處。他曾拍攝了兩張鷹狀星雲照片,一張使用真色,另一張使用哈勃調色板進行處理。通過比較,後者更能展現出星雲結構和深度。在哈勃調色板的藍色背景下,黃白色的塵埃顯得非常突出細緻,而在真色版圖像中,各種深淺不一的粉色顯得更平淡,也更難分辨細節特徵。

但奧唐奈說,由於太多人使用哈勃調色板,導致這種色調的圖像看起來“有點濫”。

韋伯望遠鏡只能探測不可見紅外光,那壯觀照片是怎麼生成的

圖片來源:NASA

韋伯望遠鏡團隊也在用人們意想不到的顏色製作圖像。最近公布的幾張木星照片之一中的木星看起來是藍色的。雖然哈勃拍攝的木星圖像同時呈現藍色和紅色,但在最新發布的照片中,由於陽光的反射作用,著名大紅斑看起來都是白色的。帕甘說,圖像處理中用的調色板很可能是為了突出木星極光。

對凱斯勒來說,這表明韋伯的圖像處理可能不會繼續過於接近哈勃。她說:“我很好奇這會產生什麼結果。”“如果有更多的人朝這個方向走的話。”

韋伯圖像的方向將是數據和人共同做出的決定,是幾個世紀的視覺文化和光在太空中旅行幾十億年的結合。