很多人對天文感興趣，是被一幅幅壯觀絢麗的天文美圖帶入坑的。可你是否知道，這些美圖都是後期做出來的？
部分朋友的反應可能是震驚臉，什麼什麼，天文學也玩網紅那一套？退坑退坑……
別走啊，天文學“P圖”可不是自拍完了套幾個濾鏡完事，而是既需要科學知識又需要藝術造詣的精細工作，還能幫助人們更直觀地認識宇宙呢。接下來就通過幾張著名的圖片，跟大家聊聊天文美圖“P圖”基本功。
01
這張圖，為啥形狀那麼怪？
以“旅行者1號”探測器拍的“太陽系全家福”為例，當時是1990年2月，“旅行者1號”已飛到64億公里以外，它回望太陽系，拍攝製作了這張著名的圖片。
太陽系全家福，1990年2月14日，“旅行者1號”拍攝。圖源NASA
這圖的造型為什麼這麼奇葩呢？那當然是因為拼圖了。
圖片的主體部分，實際上是由39張單獨的照片拼接連綴而成。其中，每個標記字母的地方就是一顆（基本看不見的）行星，如J表示木星（Jupiter）、E表示地球（Earth）、V表示金星（Venus）等等。
有過拍合影經驗的朋友可能會問，為什麼這裡不直接用廣角鏡頭來張全家福呢？這是因為天文觀測的視野通常非常非常小。能拍下這些照片還多虧了探測器要拍攝行星全身照，出發時帶了個視野稍寬的相機，從天文觀測的角度來說，每張小照片已經算是“廣角”了！而周邊的6張小彩圖，是探測器在同樣的位置，用視野更窄的相機拍攝的。
“旅行者1號”拍攝這一系列照片時，需要多次調整鏡頭指向、設定曝光引數。地面合成時，要忠實地復現這些變化，才能把圖片拼接到正確的位置。
02
這些圖，為啥右上角缺一塊？
下面這些圖，右上角都有個可疑的缺口，這是怎麼回事呢？這事其實還是拼圖的鍋。
三圖依次為：后髮座M100、IC 2944（走雞星雲）、哈勃深空。圖源NASA
有的拍攝任務並不需要改變太空望遠鏡的朝向，但因為設計或當時的技術限制，還是要拼圖完成。例如“哈勃”望遠鏡，在1993年到2009年間，它使用第二代廣域和行星相機（WFPC2），有4塊800×800的CCD感光片。我們看到的最終照片，都是由四幅圖片拼接而成的。
這4個CCD中，有1個與眾不同，它的視野比其他幾塊小，但畫素一樣多，這樣它就可以用來拍攝天體的某個區域性，供天文學家研究細節。比如，鷹狀星雲“創世之柱”的照片，本來應該是下圖這樣：
“創世之柱”，1995年4月1日，“哈勃”望遠鏡拍攝。圖源NASA
不過，向大眾展現時，就得把這個用來放大區域性的角縮小，才能和其他三個角拼接成一幅銜接流暢的照片，像下圖這樣，右側星雲柱上下接合完美：
有得必有失，圖片銜接是流暢了，卻造成了一個沒有內容的缺口。天文學家是有底線的，不會造個虛假背景放在這裡。所以，“哈勃”望遠鏡的許多照片，都有這個標誌性的階梯狀暗角，直到2009年，它更新換代，使用了第三代廣域相機（WFC3），這個暗角才消失不見。
03
這張圖，直接拍相機會燒壞……
除了視野方面的問題，有時，圖片拼接則是因為被攝物件條件太極端，無法一下子看全。
比如下面這幅日冕物質拋射，羽狀丟擲的物質是由SOHO太陽探測器的LASCO光譜儀拍攝的，但LASCO從來只敢遮著太陽觀察日冕。因為假如它在無遮擋的情況下直接“看”一眼太陽，那就是最後一眼——裝置會當場燒壞。而下圖中間的太陽，是由探測器上的EIT望遠鏡在極紫外波段拍到的，比起正常尺寸放大了些，填到中間，以增強圖片效果。這兩臺儀器，一個不敢看太陽，一個看不到外層日冕，各自拍一部分，拼到一起，就還挺美的。
日冕物質拋射，2002年1月8日，SOHO拍攝。圖源NASA
正常尺寸圖片中間的太陽小一圈 | 來源Credit: ESA/NASA/SOHO
04
給天文照片“磨皮”，絕對是力氣活……
很多天文美圖，看上去遼闊深遠又通透清澈，但實際上，原圖都是點點劃劃慘不忍睹的。
比如下圖是筆者在2015年冬天拍攝的獵戶座大星雲，談不上是張好片子，因為是戶外隨興拍攝，手邊只有一個白天拍鳥的長焦相機，也沒有赤道儀用來消除地球自轉造成的星光拉絲，只好把相機的感光度調得很高很高，以縮短曝光時間。但相機感光度一高，噪點就噌噌噌地上去了，讓人無法分辨一些亮點究竟是真恆星呢，還是衛星或太空垃圾呢，還是相機自己的噪點呢？
這時，就需要疊圖來增強訊號抑制噪點了。
請留意圖中圈出的4個光點。
獵戶座大星雲，2015年12月。曲炯拍攝
筆者拍了十幾幅照片，選了幾張質量不錯的，仔細地在PS裡把它們的亮星對齊，然後把上面幾個圖層設為“變暗”——也就是說，對於每個畫素，只顯示所有圖層中最暗的那個。如果那裡有一顆真恆星，它應該在所有的圖層的同一位置都是亮的，最終會顯示出來。如果那只是一顆衛星、一架飛機、一個高感光度造成的噪點，那麼它就會被其他圖層投票“拉黑”，消失在深色的背景中。
疊加合成的照片如下，畫面乾淨許多，真星星都留下來了，上圖圈出的亮點不見了。筆者檢查了一下，每幅照片裡都有它們，在恆星的背景下緩緩移動，可能是衛星吧。
疊圖後的合成照片，是不是已經清爽了許多？
嚴肅的天文觀測中，影象疊加技術當然要比這個“五分鐘PS教程”複雜得多， 再以前面提過的哈勃深空為例，這張照片是1995年底拍攝的大熊座內一個極暗的天區。除了前景裡的幾顆銀河系恆星之外，可看到的3000多個天體幾乎全是遙遠的星系，直抵百億光年以外。如此遙遠暗淡的星光，迫使“哈勃”望遠鏡用了10天時間，環繞地球150周，對著同一天區累計曝光141小時。最終，選取342張照片疊加，去除宇宙射線和地球散射光干擾，增強真正的訊號，才合成了我們今天看到的哈勃深空影象。
哈勃深空（及按慣例缺失的右上角） | 圖源NASA
05
給天文圖片上色，既需要審美又需要知識
圖片拼完疊完，還不夠，上顏色也是很重要的。因為各種探測器和太空望遠鏡拍到的照片，其實原圖是黑白的，如果要看彩照，就要後期上色。
那為什麼照片原圖是黑白的呢？這不是因為技術落後，能採集到的資訊貧乏，事實正好相反，是因為資訊量太大了。因為電磁波譜十分寬廣，而人眼和大腦能認知的色彩十分有限。超出可見光波段的，一概“伸手不見五指呀”。儀器在可見光以外的波段拍到的影象，該稱之為什麼顏色呢？
所以，探測器乾脆只用明暗來表達它看到的東西，附上波長資訊，打個包丟給人類：“喏，這張是微波波段的，這張是紅外波段的，這是紅光區的，這是綠光區的，藍光區的，紫外波段的，X射線波段的，都是黑白片兒，你自己慢慢看吧，只要能分清楚就行。”
那上色的時候要怎麼上呢？在天文照片裡，每個畫素的顏色都要有根據，可不像過去影樓裡處理老照片那樣，抹個紅臉蛋，塗個紅嘴唇就完事了。
上色的時候，要推敲三個問題：真實嗎？科學嗎？漂亮嗎？三個問題的答案，分別對應一種上色方法，並且有（jīng）時（cháng）會衝突，下面具體講講。
如果照片本來就是在可見光波段拍攝的，上色就十分簡單。太陽系各大行星和周邊衛星的彩照大多如此，只要把藍綠紅三原色各自對應的黑白片挑出來，各自渲染成藍綠紅三色，再一疊加，一張“跟真的一樣”的彩照就出來了。這種可見光波段的上色，叫做“自然色”。
土星，2013年7月19日，“卡西尼號”拍攝。圖源NASA
可見光以外，就得用物理+哲學的思路。比如，下面這個太陽極紫外影象四聯張，是在17.1nm、19.5nm、28.4nm、30.4nm等波段分別拍攝的太陽。紫外線原本談不上顏色，但為了快速辨認這些波段，我們不妨按照可見光的波長順序，從藍到紅為它們賦色。這個色彩順序符合電磁物理，所以非常易懂易記，而且，相當美麗！
太陽極紫外影象，2021年12月31日，SOHO拍攝。圖源NASA
真實嗎？科學嗎？漂亮嗎？當後兩個答案完勝時，就可以拿來挑戰第一個問題：就算我們覺得不真實，那也是因為我們眼界太窄，頻寬不夠……
換句話說，人類不惜代價把那麼多儀器送上天，是為了科學研究，而不是觀光遊覽。可見光的狹隘色彩，在整個電磁波譜裡，是沒有意義的。只要能表達科學資訊，就可以拋開天體的可見光色，對它賦予完全不同的色彩。這時，我們給照片上的是“代表色”。
還拿“創世之柱”為例，它的原圖，本來是3個波段的黑白照片。
其中，左圖是氧的502nm藍綠色輝光，中圖是氫和氮的657nm紅色輝光，右圖是硫的673nm深紅色輝光，分別用相應波長的濾鏡獲得。之所以檢測這些波長，是因為這些元素是構成天體的重要成分。
那麼問題來了，一個藍綠色和兩個紅色疊加配色，結果會是怎樣？
結果就是這個樣子，它也許更接近天體的真實模樣，但這樣真實的一片血紅，在科學層面上，卻沒有資訊量。
天文學家們追求的，是一目瞭然。前面說過，為了傳遞科學資訊，我們可以拋棄天體的“本色”。這樣，我們把波長最短的氧定義為藍，把氫+氮定義為綠，把波長最長的硫定義為紅（硫：我本來就紅……），再做一次圖片，忽然就感動得想哭有沒有？！
“創世之柱”，2014年10月29日，“哈勃”望遠鏡拍攝。圖源NASA
不但圖片的色彩更加繽紛絢爛，它也方便傳遞科學資訊。我們知道藍綠紅三原色和各元素的對應關係之後，就能直接解讀“創世之柱”的各部位的元素分佈狀況，比“真實”的“血肉之柱”要輕鬆多了。
還有一些上色法，既不真實，也不是為了科學。比如下圖的NGC1850，它背後的星雲本來發射著氫α線的紅光。如果按紅色來染，並不妨礙科學表達，但修圖師很任性，就是樂意用藍色來表達。這種調和有個人審美品味的，叫做“增強色”。
NGC1850，2001年7月10日，“哈勃”望遠鏡拍攝。圖源NASA
回顧一下，上色三拷問：
真實嗎？如果真實，我們把它叫做“自然色”。
科學嗎？如果科學，我們把它叫做“代表色”。
漂亮嗎？如果漂亮，我們把它叫做“增強色”。
總結一下，為了獲得一張美貌與科學並重，藝術與真實兼備的天文照片，往往要在天文學家和藝術家共同的努力下，經過拼圖、疊圖、上色幾大步驟，才能完成。
這裡還要再補充一下，有些很美的圖片，比如第三視角看到的探測器接近行星，或者群星紛飛的超光速旅行情景，這些都是藝術家們創作的概念圖，並不是天文照片。
看到這裡，想必你對天文美圖的製作心中有數了吧！是不是一點都沒有失掉對浩瀚宇宙的興趣，反而更願意在其中徜徉了呢？
作者 | 曲 炯 科普作家
稽核 | 劉 茜 北京天文館研究員
轉載內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
來源：科學闢謠
編輯：藏痴
