NASA花100億美元拍的太空照片，是「假的」？

日前，美國總統拜登親自公佈了一張照片，在全球範圍內引起了大量的轉發和討論。

這張照片看起來不像是什麼競爭對手的花邊新聞，和美國似乎也不搭嘎，憑什麼能有這樣的「國賓級待遇」？

原因很簡單，因為這張照片的拍攝者是上天了半年多的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST），這是它拍攝的第一張全彩深空照片。


圖片來自：NASA

這張照片之所以能帶來如此巨大的震撼，是因為韋伯太空望遠鏡的前輩哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST）也曾經拍攝過這個區域，它當時的照片是這樣的。


圖片來自：NASA

顯而易見，韋伯太空望遠鏡的成像質量高出了不止一籌，原本略微昏暗的星空變得群星璀璨，而且畫面細節也更加豐富，許多灰暗的地方都被「點亮」了。


兩代望遠鏡的成像對比（左哈伯，右韋伯）圖片來自：NASA

韋伯只用了 12.5 小時就完成了這張照片，而之前的哈伯需要耗費好幾個星期。

而且地方距離地球足足有 46 億光年，這塊區域在宇宙中，大概是人一隻手臂長度之外的一粒沙子的大小。


圖片來自：NASA

可哪怕只是其中最微小的一個光點，也代表著一顆恆星、一片星系乃至星系團。

最為難得的是，這張照片上甚至包含了部分 131 億年前的光。


圖片來自：NASA

是什麼概念呢？這說明這道光在宇宙大爆炸 7 億年後就出現了，對於人類研究宇宙起源很有幫助。


圖片來自：NASA

不過對於普通人來說，數據什麼的都不是關鍵，關鍵還是要好看！

比如距離地球 2500 光年之外的南環星雲，整個星雲都是由中間的垂死恆星不停發出氣體和塵埃環形成的。


圖片來自：NASA

這大場面根本不是太陽系居民能看到的。

再比如經典電影 It's a Wonderful Life 片頭出現過的史蒂芬五重星系，哈伯太空望遠鏡當年也拍過。


圖片來自：NASA

而韋伯拍攝的照片是目前為止最清晰的。


圖片來自：NASA

這批照片裡最最震撼的，則是那張距離地球 8500 光年的船底座星雲。


圖片來自：NASA

這張照片被稱為「宇宙懸崖」，類似「山脈」的氣態空腔之中，點綴著一顆顆的恆星，這些恆星都是剛形成沒多久「年輕人」，充滿了生命與活力。

能拍出這麼好看的照片，不禁讓人感嘆這造價 100 億美元的「照相機」真的是物有所值。

可是實際上，不管是之前的「預告」，還是後來的圖片，所有的太空圖片都不是「原片直出」，而是後期加工過的。

首先我們要知道，韋伯太空望遠鏡的鏡頭有兩種，分別用於觀測不同波長的紅外射線。


幾代望遠鏡可拍攝的波長範圍， 圖片來自：NASA

也只有紅外相機才能觀測到「更深處的宇宙」：


圖片來自：NASA

其中，每個近紅外鏡頭的像素大概是 400 萬，中紅外鏡頭更是只有 100 萬像素。



這對比起現在動不動上億像素鏡頭的手機都差遠了，你說造價 100 億美元的相機，為何不弄好點的鏡頭上去？

但是事實是，官網放出來的星空照片動不動就是 400 多 MB 大小，細節拉滿，這又是怎麼搞的？

實際上，在深空攝影中，像素已經不是決定成片質量的關鍵，也不好拿它與傳統攝影進行比較。

首先，韋伯太空望遠鏡的口徑就達到了 6.5 公尺，紅外線收集面積更是達到 25.4 平方公尺，是一般鏡頭根本比不了的。


圖片來自：NASA

其次，在太空中，韋伯太空望遠鏡的拍攝環境接近完全潔淨、真空，沒有人造光害，也沒有大氣反射的干擾。

強大的聚光能力，和完美的拍攝環境，就可以有更大的分辨力，自然能保證圖片有更多的細節。

但是在太空中拍照還會有別的干擾因素，比如一些時不時出現的高能宇宙射線。

如果抓拍到它，在圖片中其實就相當於一個「噪點」，只有那些常亮的光線才是恆星。

所以這些太空望遠鏡拍攝的時候，都要經過對同一個地方多次曝光，最後把圖像堆疊處理，才能「出片」。

這麼做的好處有兩個，一個是可以「降噪」，多次對比之後，那些時有時無的亮點就是宇宙射線，一直亮的就是恆星。


圖像堆疊處理，圖片來自：NASA

一個是可以提高像素，單張照片 100 萬像素，那 100 張拼接起來，不就是 1 億像素了？

這其實就是「堆疊」，是相機處理照片時候的常規操作了。

這樣一番操作之後，我們就能看到類似「預告片」中的那種照片了。


圖片來自：NASA

但是這些照片中的「星芒」看起來也挺煩人的，會掩蓋很多照片上的細節，難不成這鏡頭花了這麼多錢，還有光學瑕疵？

其實這東西來自光的衍射現象，是無法避免的，如果要繞開衍射極限，就會造成圖片的清晰度下降。

而星芒的形狀則是和鏡片形狀、鏡片間隙以及前方的障礙物有關係。


幾代望遠鏡的鏡片對比，圖片來自：NASA

哈伯太空望遠鏡的星芒則是來自於鏡筒內的十字型支撐架，因此星芒也是十字型的。


哈伯太空望遠鏡的十字型支撐架，圖片來自：NASA

但是該說不說，有的時候這星芒多了還挺震撼的。



大部分天文相機中的感光元件接收的亮度信號都是單色的，科研人員在觀測時會根據不同需要選用不同的濾鏡來分離電磁波頻譜。


圖片來自：NASA

像上面那張預告圖就是為了強化對比，專門採用了紅色的濾鏡。

而我們最終看到的那些圖片，都是經過調色、混合了不可見光波長的合成影像，這其中用到的技術，就是 PS 。

當然，這種處理屬於單純的堆疊和上色，和某些手機拍月亮的 AI 算法處理還是不太一樣的。


圖片來自：NASA

最後成片中的顏色肯定和那些景色實際的樣子不同，但是已經是最接近我們肉眼能觀測到的樣子了。

而且如果我們自己用相機鏡頭配合天文望遠鏡，其實也是能拍出彩色的太空照片，只不過不可能像哈伯、韋伯那樣看到那麼遠的地方。

國外天文攝影部落客自己拍的照片：



看到這裡可能會想：這花了 100 億美元的「照相機」，拍出來的照片也要 PS 才能看？

事實就是如此，因為對於天文工作者來說，也許那些公佈出來的五彩繽紛的照片，在科研上還不如原始的黑白照片有用。

比如之前公佈的第一張黑洞照片，普通人看了之後肯定是滿頭問號，但是它對於科研工作者來說卻有著無比重大的意義。


圖片來自：NASA

如果我們一直看到的天文相關報導都是這種圖片，我想，應該會有很多人失去對天文的興趣吧？

畢竟這種圖片，哪有當年哈伯太空望遠鏡拍攝的「創世之柱」來得震撼呢？


「創世之柱」局部，圖片來自：NASA

對於科研人員來說，黑白照片其實更有助於他們的研究，處理後的彩色照片雖然天體結構更加分明了，但也會丟失很多細節，因此只適合給我們這樣的「外行人」看。

所以說，他們費這個時間去「P」一張「不完全真實圖片」，其實是好事。

只有這樣，才能讓更多的普通人感受到宇宙的迷人之處，讓我們心中保持對於「仰望星空」的浪漫嚮往。

圖片、資料來源：
知乎，哈伯太空望遠鏡那可憐的CCD 像素是如何拍出那麼美麗而尺寸巨大的相片的？
知乎，NASA 公佈韋伯空間望遠鏡第一張全彩深空照片，照片傳遞了哪些信息？對探索宇宙有哪些意義？
webb space telescope
NASA
ELPAIS，James Webb space telescope: A guide to the first full-color image
維基百科，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡
https://webb.nasa.gov/content/about/innovations/infrared.html