□ 宋 喬

淺談天文圖片和色彩

□ 宋 喬

哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的恒星形成區(qū)（S106）多波段合成圖（圖片來(lái)源：NASA & ESA）

天文圖片常以其斑斕的色彩和宏大的氣勢(shì)吸引眾人的目光，很多人在使用精美天文圖片做電腦、手機(jī)的桌面壁紙的同時(shí)，也會(huì)探求其背后的科學(xué)含義。本文將對(duì)天文圖片及其色彩做一下簡(jiǎn)要介紹，澄清一些常見(jiàn)的誤解，和大家一起探索天文圖片背后的科學(xué)。

天文學(xué)研究的對(duì)象——天體和天體系統(tǒng)（比如行星、恒星、星系等），往往非常巨大和遙遠(yuǎn)，以至于“天文數(shù)字”成為了巨大的代名詞。距離的阻隔使得我們無(wú)法靠近拍攝大部分天體，只能在地球附近接收遙遠(yuǎn)天體在幾百甚至上億年前發(fā)出的光。對(duì)于人類(lèi)現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)，即使能跨越距離的障礙，很多天體也是極端危險(xiǎn)而無(wú)法靠近的。為了讓人能更好地理解科學(xué)概念，天文中常常使用示意圖和想象圖。有時(shí)這兩種圖上帶有各種注釋?zhuān)瑫?huì)被誤認(rèn)為是真實(shí)拍攝的照片或者是像地圖一樣有嚴(yán)格比例尺的圖片。

示意圖通常包含真實(shí)的科學(xué)數(shù)據(jù)，但由于條件所限只表達(dá)主要概念，而忽略主要概念以外的細(xì)節(jié)信息。

圖1 ：太陽(yáng)系八大行星（來(lái)源：維基百科）

比如描述太陽(yáng)系八大行星的圖就大多屬于示意圖（圖1）。這類(lèi)圖的主要目的是介紹太陽(yáng)系的主要成員，并對(duì)其特點(diǎn)做直觀的描述。這些特點(diǎn)包括木星的斑紋、土星的光環(huán)等，大部分是根據(jù)望遠(yuǎn)鏡和行星探測(cè)器拍攝到的真實(shí)照片繪制而成。對(duì)于行星軌道和行星大小，一般卻不會(huì)嚴(yán)格按照比例畫(huà)。八大行星中最外側(cè)的海王星，即使離太陽(yáng)最近的時(shí)候也有44多億千米遠(yuǎn)，而太陽(yáng)半徑只有不到70萬(wàn)千米，前者比后者大6000多倍。也就是說(shuō)，如果把海王星軌道定為60厘米（約一張報(bào)紙大?。?，那太陽(yáng)本身就會(huì)變成只有不到0.1毫米的小點(diǎn)，更別提直徑比太陽(yáng)小很多的金星、水星等行星了。

如果想要嚴(yán)格按照比例表現(xiàn)相差極大的尺度該怎么辦呢？天文學(xué)上一般采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，直徑100萬(wàn)千米的恒星和直徑10萬(wàn)光年的星系可以按照比例畫(huà)在同一張圖上。更直觀的方式則是通過(guò)動(dòng)畫(huà)等多媒體方法，比如那些恒星大小比較、宇宙到底有多大的視頻，令人驚嘆地展示了宇宙的遼闊壯麗。

很多天體無(wú)法近距離拍攝，缺乏直接的觀測(cè)圖像，就會(huì)使用想象圖（“artist's concept”或者“artist impression”）來(lái)幫助大家理解。正如英文名里的“artist”（美術(shù)家）所述，想象圖是在科學(xué)指導(dǎo)下的藝術(shù)創(chuàng)作和電腦特效的產(chǎn)物，除了要把關(guān)鍵的科學(xué)概念表達(dá)出來(lái)，還要具有美感從而讓人印象深刻。

雖然想象力可以像脫韁的野馬，但是這匹馬總會(huì)有個(gè)出發(fā)點(diǎn)。一輩子生活在北極的因紐特人很難想象熱帶的亞馬孫雨林是什么樣子，我們也總是會(huì)從熟悉的事物出發(fā)來(lái)展開(kāi)想象，天文報(bào)道中的想象圖則多是在科學(xué)基礎(chǔ)上的合理想象。

比如圖2這張類(lèi)星體的想象圖，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是明亮的噴流和較暗的吸積盤(pán)。而圖3超大質(zhì)量黑洞的想象圖也同樣強(qiáng)調(diào)了噴流和吸積，但是顏色選擇和圖2就有較大不同，這種配色的差別部分是由于藝術(shù)上的原因。

圖2 類(lèi)星體（圖片來(lái)源：NASA）

圖3 超大質(zhì)量黑洞（圖片來(lái)源：NASA）

仔細(xì)看圖4這張編號(hào)為HAT-P-7b的系外行星和它所圍繞的恒星的圖片，你會(huì)發(fā)現(xiàn)后面黃色的恒星表面畫(huà)得有些像我們的太陽(yáng)，而前面有斑紋的行星則像木星。HAT-P-7b被認(rèn)為是一顆巨大的“熱木星”，圍繞著一顆比太陽(yáng)溫度更高的恒星運(yùn)行。圖4是以太陽(yáng)系的觀測(cè)圖像為基礎(chǔ)而畫(huà)出來(lái)的想象圖，并不是真實(shí)拍攝的圖像。因?yàn)橐晕覀兡壳暗挠^測(cè)技術(shù)，除太陽(yáng)外的其他恒星在圖像上僅僅表現(xiàn)為一個(gè)光斑，根本無(wú)法分辨其表面細(xì)節(jié)特征，更別說(shuō)系外行星了。實(shí)際上，太陽(yáng)系內(nèi)很多昏暗小天體的細(xì)節(jié)特征，目前都還不能看清楚。

圖4 系外行星HAT-P-7b（圖片來(lái)源：NASA）

圖5 哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的冥王星圖像

圖5是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在不同時(shí)間、從不同角度拍攝的冥王星圖像，由圖可見(jiàn)冥王星的表面特征就像霧里看花一樣，很難看清細(xì)節(jié)。所以如果你看到遙遠(yuǎn)星系核心的類(lèi)星體、黑洞或者太陽(yáng)系外恒星/行星細(xì)節(jié)豐富、色彩華麗，而且又沒(méi)有標(biāo)明是什么天文儀器、望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖片，那么八成就是想象圖了。遇到這種圖時(shí)可以像看《星球大戰(zhàn)》、《星際迷航》等大片一樣，體驗(yàn)一下宇宙的壯麗，但是切不可當(dāng)成科學(xué)圖像全盤(pán)接受。

人們常說(shuō)世界是豐富多彩的，宇宙更是如此。豐富多彩的“彩”是指顏色，物理學(xué)上來(lái)說(shuō)就是不同波段的電磁波（圖6），包括從我們?nèi)庋劭梢钥吹降摹翱梢?jiàn)光”，到看不見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)電波、紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、伽瑪射線(xiàn)等。宇宙中的天體大部分我們都沒(méi)法實(shí)地去“摸一摸”，只好靠研究它們發(fā)出或者吸收的不同波段的電磁波來(lái)“看一看”了。

圖6 電磁波譜（注：圖中就采用了上文提到的對(duì)數(shù)坐標(biāo)）

我們?nèi)祟?lèi)的眼睛（也就是所謂的“肉眼”）跟照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等成像儀器是不同的，產(chǎn)生的圖像也有所不同。家用照相機(jī)需要盡可能與肉眼保持一致，即便如此，細(xì)心的人也不難發(fā)現(xiàn)相機(jī)拍出來(lái)的照片跟自己眼睛看到的顏色存在微小差別。

在科學(xué)觀測(cè)上，天文學(xué)家的目標(biāo)就不再是跟誰(shuí)的眼睛保持一致了，而是要讓觀測(cè)圖像盡量忠實(shí)地記錄實(shí)際接收到的電磁波。具體來(lái)說(shuō)，就是要讓望遠(yuǎn)鏡后面負(fù)責(zé)記錄圖像的儀器（比如常用的CCD——即電荷耦合元件——它起著跟人眼視網(wǎng)膜或者老式相機(jī)膠卷類(lèi)似的作用）的靈敏度更高，噪聲更低，波長(zhǎng)響應(yīng)范圍更寬，記錄到的數(shù)值跟真實(shí)值之間盡量是線(xiàn)性關(guān)系。另外，天文觀測(cè)常常需要使用各種波段的濾光片或?yàn)V波器，就好像給望遠(yuǎn)鏡帶上各種顏色的太陽(yáng)鏡，這樣記錄出來(lái)的圖像顏色跟肉眼或者家用相機(jī)照出來(lái)的都會(huì)有所不同，甚至差異巨大。

為了研究方便，天文家們常常賦予這些不同波段的（肉眼看得見(jiàn)和看不見(jiàn)的）電磁波各種不同的顏色以示區(qū)分，這樣得到的圖片顏色跟我們?nèi)庋劭吹降念伾耆皇且粋€(gè)概念，可以算是一種“假彩色”合成圖。比如，圖7上面的彩色圓盤(pán)，就是太陽(yáng)在幾乎同一時(shí)刻、由不同波段拍出來(lái)的圖像。不同的顏色代表不同的觀測(cè)波段，具體到物理意義上就是代表太陽(yáng)大氣不同的高度——從最里面的光球（即發(fā)出可見(jiàn)光的那個(gè)球?qū)樱⒈容^靠外的色球（帶顏色的那層，也就是用濾光片才能看到的那層）、過(guò)渡區(qū)（顧名思義，是夾在中間的、物理性質(zhì)劇烈變化的那一層）到最外層的日冕（冕是古代的一種禮帽，太陽(yáng)的帽子，就是太陽(yáng)大氣最外層）——就像拿手術(shù)刀給太陽(yáng)做切片一樣，一層一層地剖析太陽(yáng)大氣，最后得到像一杯雞尾酒那樣的不同顏色、多層次的太陽(yáng)立體結(jié)構(gòu)。

圖7 太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)（SDO）拍攝的不同波段的太陽(yáng)圖像。注：SDO衛(wèi)星搭載了三臺(tái)主要儀器，大氣成像組件（AIA）、極紫外變化實(shí)驗(yàn)儀（EVE）和日震與磁場(chǎng)成像儀（HMI）。

圖8 多波段合成的銀河系中心圖像

為了全面地了解一個(gè)天體的性質(zhì)，天文學(xué)家需要觀測(cè)該天體發(fā)出的不同波段的輻射，然后將不同波段的觀測(cè)結(jié)果疊加到同一張合成圖上。上面這張漂亮的圖片，展示的是我們銀河系的中心區(qū)域，由三臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的三個(gè)波段的圖像（斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的紅外像、哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的近紅外像和錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺(tái)的X射線(xiàn)像）疊加而成的。

看到這里可能有人會(huì)問(wèn)，為什么有這么多紅外空間望遠(yuǎn)鏡呢？這是因?yàn)槲覀冦y河系中心有大量塵埃，它們擋住了很大一部分可見(jiàn)光，但卻擋不住紅外線(xiàn)（這跟霧天紅燈看得比綠燈更清楚的道理相類(lèi)似），由于我們地球大氣也會(huì)吸收掉很多紅外線(xiàn)，所以只好把紅外望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中去“偷窺”銀河系中心了。

圖9是巨橢圓星系半人馬射電源A（NGC 5128）的多波段合成圖，由錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺(tái)（藍(lán)）、數(shù)字化巡天（DSS）的可見(jiàn)光（黃）、美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)（NRAO）的射電連續(xù)譜（綠）和21厘米線(xiàn)（紅）疊加而成。通過(guò)這四個(gè)波段的合成圖，我們得以一窺這個(gè)距離我們1100萬(wàn)光年鄰居的基本面貌。射電波段的噴流顯示星系中心存在一個(gè)活躍的超大質(zhì)量黑洞；可見(jiàn)光及紅外波段呈現(xiàn)出扭曲的氣體塵埃盤(pán)，泄露了該星系曾與另一個(gè)星系合并的有趣歷史。

圖9 半人馬射電源A的多波段合成圖

我們還是以太陽(yáng)像（SDO衛(wèi)星在2014年2月25日拍攝的圖像）為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明一下圖像合成過(guò)程。

圖10左上角的黃色圖像是可見(jiàn)光波段的太陽(yáng)，其他三個(gè)不同顏色的圖分別是極紫外（EUV）的三個(gè)波段?？梢?jiàn)光波段圖上的黑點(diǎn)是太陽(yáng)黑子，黑子對(duì)應(yīng)到EUV圖上卻表現(xiàn)為明亮的結(jié)構(gòu)，這反映了太陽(yáng)大氣不同高度的不同物理性質(zhì)?？梢?jiàn)光來(lái)自太陽(yáng)光球，EUV則對(duì)應(yīng)色球、過(guò)渡區(qū)和日冕的圖像。如果我們把這些圖像疊加在一起就可以做出一張“立體”的圖像來(lái)。按照紅綠藍(lán)三原色的原理，把上述三個(gè)EUV波段按照304埃（紅色）、211埃（綠色）、171埃（藍(lán)色）的標(biāo)準(zhǔn)合成出一張圖，就成為了圖11的樣子。圖11上密密麻麻的暗紫色部分是高度較低的光球和色球結(jié)構(gòu)，中間和邊緣的大塊藍(lán)、綠、淺粉部分是對(duì)應(yīng)太陽(yáng)黑子的、容易發(fā)生爆發(fā)活動(dòng)（比如太陽(yáng)耀斑）的區(qū)域。這種區(qū)域被稱(chēng)為太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)（AR），美國(guó)國(guó)家大氣和海洋局（NOAA）負(fù)責(zé)給每個(gè)活動(dòng)區(qū)進(jìn)行編號(hào)。圖11上有九個(gè)活動(dòng)區(qū)，其中最活躍的當(dāng)屬位于圖左日面邊緣的NOAA AR11990。2014年2月25日世界時(shí)0:39，該活動(dòng)區(qū)爆發(fā)了一個(gè)X4.9級(jí)的耀斑。因?yàn)樘?yáng)活動(dòng)有一個(gè)大致為十一年的周期，現(xiàn)在是太陽(yáng)比較活躍的時(shí)期，所以爆發(fā)這種X級(jí)的大耀斑并不奇怪。大的太陽(yáng)爆發(fā)事件可能會(huì)對(duì)人造衛(wèi)星、宇航員、無(wú)線(xiàn)電通訊、導(dǎo)航定位、地磁勘探、長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路和石油管道、甚至飛越高緯航線(xiàn)的民航客機(jī)中的乘客和機(jī)組人員的健康等造成危害，所以對(duì)現(xiàn)代社會(huì)來(lái)說(shuō)，預(yù)報(bào)太陽(yáng)活動(dòng)就像預(yù)報(bào)天氣一樣重要。

圖10 SDO衛(wèi)星拍攝的四個(gè)不同波段的太陽(yáng)圖像

圖11 太陽(yáng)三色合成圖

圖12 太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)AR11990的三色合成圖

以上是天文中常用的圖像表現(xiàn)方式，包括示意圖、想象圖和合成圖，實(shí)際上天文學(xué)中圖像處理方法還有很多。宇宙中有各種類(lèi)型的天體，天文學(xué)家們也會(huì)采用不同的形式來(lái)表現(xiàn)，但與藝術(shù)加工式的圖像處理（即所謂的PS）不同的是，天文研究中的圖片都是基于真實(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并附加上觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)儀器、視場(chǎng)大小、位置坐標(biāo)、等值線(xiàn)等信息，最終目的都是為了更好地體現(xiàn)科學(xué)研究結(jié)果。

最后讓我們回到太陽(yáng)的三色合成圖（圖12），借助SDO衛(wèi)星4096×4096像素的高清大圖，近距離打量一下這個(gè)編號(hào)為11990的太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)。由圖11可知，該活動(dòng)區(qū)只是太陽(yáng)上的一小部分，但按照比例左邊這張圖上可以一字排開(kāi)二十多個(gè)地球，太陽(yáng)的巨大可見(jiàn)一斑。想想太陽(yáng)只是銀河系中極為普通的一顆恒星，宇宙的遼闊和壯美真是讓人震撼。

按照大爆炸理論，遼闊的宇宙起源于138億年前的一個(gè)奇點(diǎn)，通過(guò)早期的暴脹和隨后的漫長(zhǎng)演化變成了現(xiàn)在的樣子，一代代恒星在其內(nèi)部相繼合成碳、氧、鐵等重元素，并隨其演化和消亡而散布到星際空間，其中的一部分形成了地球，并孕育了人類(lèi)和其他多姿多彩的生命。所以從這種意義上來(lái)說(shuō)，我們每個(gè)人都是星塵，都是這壯麗多彩的宇宙的一部分。