很多人对天文感兴趣，是被一幅幅壮观绚丽的天文美图带入坑的。可你是否知道，这些美图都是后期做出来的？
部分朋友的反应可能是震惊脸，什么什么，天文学也玩网红那一套？退坑退坑……
别走啊，天文学“P图”可不是自拍完了套几个滤镜完事，而是既需要科学知识又需要艺术造诣的精细工作，还能帮助人们更直观地认识宇宙呢。接下来就通过几张著名的图片，跟大家聊聊天文美图“P图”基本功。
01
这张图，为啥形状那么怪？
以“旅行者1号”探测器拍的“太阳系全家福”为例，当时是1990年2月，“旅行者1号”已飞到64亿公里以外，它回望太阳系，拍摄制作了这张著名的图片。
太阳系全家福，1990年2月14日，“旅行者1号”拍摄。图源NASA
这图的造型为什么这么奇葩呢？那当然是因为拼图了。
图片的主体部分，实际上是由39张单独的照片拼接连缀而成。其中，每个标记字母的地方就是一颗（基本看不见的）行星，如J表示木星（Jupiter）、E表示地球（Earth）、V表示金星（Venus）等等。
有过拍合影经验的朋友可能会问，为什么这里不直接用广角镜头来张全家福呢？这是因为天文观测的视野通常非常非常小。能拍下这些照片还多亏了探测器要拍摄行星全身照，出发时带了个视野稍宽的相机，从天文观测的角度来说，每张小照片已经算是“广角”了！而周边的6张小彩图，是探测器在同样的位置，用视野更窄的相机拍摄的。
“旅行者1号”拍摄这一系列照片时，需要多次调整镜头指向、设置曝光参数。地面合成时，要忠实地复现这些变化，才能把图片拼接到正确的位置。
02
这些图，为啥右上角缺一块？
下面这些图，右上角都有个可疑的缺口，这是怎么回事呢？这事其实还是拼图的锅。
三图依次为：后发座M100、IC 2944（走鸡星云）、哈勃深空。图源NASA
有的拍摄任务并不需要改变太空望远镜的朝向，但因为设计或当时的技术限制，还是要拼图完成。例如“哈勃”望远镜，在1993年到2009年间，它使用第二代广域和行星相机（WFPC2），有4块800×800的CCD感光片。我们看到的最终照片，都是由四幅图片拼接而成的。
这4个CCD中，有1个与众不同，它的视野比其他几块小，但像素一样多，这样它就可以用来拍摄天体的某个局部，供天文学家研究细节。比如，鹰状星云“创世之柱”的照片，本来应该是下图这样：
“创世之柱”，1995年4月1日，“哈勃”望远镜拍摄。图源NASA
不过，向大众展现时，就得把这个用来放大局部的角缩小，才能和其他三个角拼接成一幅衔接流畅的照片，像下图这样，右侧星云柱上下接合完美：
有得必有失，图片衔接是流畅了，却造成了一个没有内容的缺口。天文学家是有底线的，不会造个虚假背景放在这里。所以，“哈勃”望远镜的许多照片，都有这个标志性的阶梯状暗角，直到2009年，它更新换代，使用了第三代广域相机（WFC3），这个暗角才消失不见。
03
这张图，直接拍相机会烧坏……
除了视野方面的问题，有时，图片拼接则是因为被摄对象条件太极端，无法一下子看全。
比如下面这幅日冕物质抛射，羽状抛出的物质是由SOHO太阳探测器的LASCO光谱仪拍摄的，但LASCO从来只敢遮着太阳观察日冕。因为假如它在无遮挡的情况下直接“看”一眼太阳，那就是最后一眼——设备会当场烧坏。而下图中间的太阳，是由探测器上的EIT望远镜在极紫外波段拍到的，比起正常尺寸放大了些，填到中间，以增强图片效果。这两台仪器，一个不敢看太阳，一个看不到外层日冕，各自拍一部分，拼到一起，就还挺美的。
日冕物质抛射，2002年1月8日，SOHO拍摄。图源NASA
正常尺寸图片中间的太阳小一圈 | 来源Credit: ESA/NASA/SOHO
04
给天文照片“磨皮”，绝对是力气活……
很多天文美图，看上去辽阔深远又通透清澈，但实际上，原图都是点点划划惨不忍睹的。
比如下图是笔者在2015年冬天拍摄的猎户座大星云，谈不上是张好片子，因为是户外随兴拍摄，手边只有一个白天拍鸟的长焦相机，也没有赤道仪用来消除地球自转造成的星光拉丝，只好把相机的感光度调得很高很高，以缩短曝光时间。但相机感光度一高，噪点就噌噌噌地上去了，让人无法分辨一些亮点究竟是真恒星呢，还是卫星或太空垃圾呢，还是相机自己的噪点呢？
这时，就需要叠图来增强信号抑制噪点了。
请留意图中圈出的4个光点。
猎户座大星云，2015年12月。曲炯拍摄
笔者拍了十几幅照片，选了几张质量不错的，仔细地在PS里把它们的亮星对齐，然后把上面几个图层设为“变暗”——也就是说，对于每个像素，只显示所有图层中最暗的那个。如果那里有一颗真恒星，它应该在所有的图层的同一位置都是亮的，最终会显示出来。如果那只是一颗卫星、一架飞机、一个高感光度造成的噪点，那么它就会被其他图层投票“拉黑”，消失在深色的背景中。
叠加合成的照片如下，画面干净许多，真星星都留下来了，上图圈出的亮点不见了。笔者检查了一下，每幅照片里都有它们，在恒星的背景下缓缓移动，可能是卫星吧。
叠图后的合成照片，是不是已经清爽了许多？
严肃的天文观测中，图像叠加技术当然要比这个“五分钟PS教程”复杂得多， 再以前面提过的哈勃深空为例，这张照片是1995年底拍摄的大熊座内一个极暗的天区。除了前景里的几颗银河系恒星之外，可看到的3000多个天体几乎全是遥远的星系，直抵百亿光年以外。如此遥远暗淡的星光，迫使“哈勃”望远镜用了10天时间，环绕地球150周，对着同一天区累计曝光141小时。最终，选取342张照片叠加，去除宇宙射线和地球散射光干扰，增强真正的信号，才合成了我们今天看到的哈勃深空图像。
哈勃深空（及按惯例缺失的右上角） | 图源NASA
05
给天文图片上色，既需要审美又需要知识
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？
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”。
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！
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。
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。
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？
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？！
“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”。
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。
看到这里，想必你对天文美图的制作心中有数了吧！是不是一点都没有失掉对浩瀚宇宙的兴趣，反而更愿意在其中徜徉了呢？
作者 | 曲 炯 科普作家
审核 | 刘 茜 北京天文馆研究员
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不代表中科院物理所立场
来源：科学辟谣
编辑：藏痴
