手機鏡頭都能拍彩照,為什麼天文望遠鏡卻只拍黑白照片?

网瘾少女 2022/03/12 檢舉 我要評論
 

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無論是古代人,還是現代人,對星空總是充滿著敬畏。因為夜空中的星星實在是太多了,數都數不過來,這浩瀚無垠的宇宙中總是存在著無數的神秘和可能,遠超人類的想象。

在1609年的時候,義大利科學家伽利略製作出了世界上第一台望遠鏡,並用它來觀測星空。在人類探索宇宙的征程中,望遠鏡的發明無疑是偉大的,它能讓人類發現一些不一樣的,僅憑肉眼難以發現的東西。

在所有望遠鏡中,大家最熟悉的絕對是美國宇航局(NASA)于1990年發射的哈勃太空望遠鏡。在30多年的時間裡,哈勃給大家帶來了非常多的精美太空照片。敢問哪個天文愛好者手中沒有幾張哈勃拍攝的精美照片呢?

說到這些照片,現在網上傳播的很大一部分太空照片都來源于NASA,並且絕大多數照片都是彩色的,顏色十分絢麗,那現實世界中的太空真有這麼美嗎?

事實上,現實世界中的太空並沒有那麼絢麗多彩。

這麼說,NASA發佈的彩色太空照片難道都是假的?我們被騙了?

其實,我們在網上看到的很多太空宇宙類的照片都是處理過的。簡單來說就是給照片美化了一翻,因為天文望遠鏡拍攝的照片絕大多數都是黑白的。

不過,這並不意味著這些照片都是假的,只是因為我們看到的並不是原始照片。

NASA發佈到網上的照片都是經過一系列標準的技術流程處理過的,處理方式包括疊加、拼接、去噪、上色、矯正等。

現在手機攝像頭都能拍攝彩色照片,那為什麼太空望遠鏡拍攝的照片很多都是黑白的?

這要從顏色的本質和彩色照片的拍攝方法說起。

牛頓最早通過三菱鏡發現了顏色的秘密,發現太陽光是幾種色光的混合,比如紅、綠、藍三種色光混合之後就會形成白光。而黑色、白色以及介于黑與白之間的灰色也是顏色,只是僅包含這三種顏色的照片並不屬于彩色照片。

能夠被人眼看見的光被稱為可見光。可見光只是電磁波譜上很窄的一段電磁波,頻率在380~750太赫之間,波長在400~780納米之間。

而顏色就是根據人眼對可見光的分辨能力進行劃分的。不同的顏色,對應著不同頻段的可見光。從數學角度而言,自然界中應該有無數種顏色。只是人眼內分辨顏色的視錐細胞只有三種,它們能夠分別感知紅綠藍三種色光。根據三種色光的強弱程度,疊加後就能形成五顏六色。如果人眼多一種感知顏色的視錐細胞,那麼我們將會看到色彩更豐富的世界。

世界上第1台照相機誕生于19世紀,最初就只能拍攝黑白照片,直到後來才誕生了彩色照相機。

在過去,膠捲相機要拍攝彩色照片必須同時拍攝紅、綠、藍三張底片,然後再疊加,最終沖洗出彩色照片。

在數碼相機時代,則是利用感光晶片拍攝數位照片。一塊感光晶片上會被劃分出一定數量且尺寸相同的圖元。圖元是基本的成像單元,一個圖元單元包含若干個感光元件構成的感光點,它們只能像人眼中的視杆細胞那樣感知光線的強弱變化,並不能分辨光的波長或者頻率。

要想拍攝彩色數碼照片,通常採用拜爾濾光法。

這種方法比較簡單,只需要在感光晶片上加上濾光層。每一個感光點都對應著一個濾光層中的濾光通道,每一個濾光通道通常只允許紅綠藍三種光線中的其中一種通過。這些濾光通道按照一定的規律按網格排列,通過計算就能得知每一個圖元點究竟是什麼顏色,這樣感光晶片最終就能輸出一幅彩色照片。一般來說,圖元單元的尺寸越大,感光能力也就越強。現在的智慧手機上的感光晶片雖然都有幾千萬圖元,但每個圖元單元的尺寸也就1微米多。

至于天文望遠鏡為何總是拍黑白照片,並不是拍不了,主要還是為了研究,畢竟科學家要的就是細節和真實。

天文望遠鏡所要拍攝的對象通常距離十分遙遠,那些遙遠天體發出的光,經過一段時間的傳播,已經衰減得很弱,有時就算進行很長時間的曝光,也只能收集到少量的光線。

捨棄濾光層,雖然拍不出彩色照片,但卻能夠讓感光元件捕捉到所有可能接收到的光子。也就是說,拍攝黑白照片可以獲得比彩色照片更高的清晰度、對比度等。而拍攝彩色照片不僅涉及到大量計算,還會丟失掉部分細節。畢竟天文望遠鏡拍攝照片是為了研究,而不是為了視覺體驗。

此外,天文望遠鏡的鏡頭不僅能感知到可見光,還能感知到紫外光、紅外光、X射線、伽馬射線等。

對于這些不屬可見光頻段的電磁波,對它們的觀測其實很重要。比如有些天體雖然在可見光波段不可見,但在紅外光波段卻是可見的。為了研究,有時就需要將可見光、紅外光等多個頻段的光波合成一張照片。只是這些頻段的電磁波人眼無法感知到,因此在現實世界中並沒有對應的顏色。對于這類照片,則需要人為地賦予顏色,這樣合成的彩色照片是偽彩色。只有可見光領域才能拍出真彩色照片。

有些執行近距離探測任務的探測器或者衛星,就攜帶有彩色照相機,能夠拍攝彩色照片,只是很多時候顏色並沒有那麼鮮豔,後期照片都會經過處理調整,才會向公眾展示。

如果把天文望遠鏡拍攝的原始照片直接發佈到網上,相信很多人都看不明白,也並不喜歡,因為這些照片很多都是黑白的,還有很多噪點,看著既不震撼,也缺少美感。只有通過色彩對比,才能讓照片中的天體結構分明、輪廓清晰,這樣才能讓普通人看明白。

NASA之所以要不遺餘力地向公眾展示美化後的太空照片,有兩個原因,首先還是為了傳播天文知識;其次會因為這些美麗的太空照片博得更多的關注,這樣能爭取到更多的研究經費。這絕對是一件雙贏的事。

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