如何给天体拍个照片?

  来源:中科院高能所

  作者| NASA

  译者| Paradox

  拍摄照片也许是天文学家观察来自宇宙中天体最直接也是最熟悉的方式。如图1所示的两个图像有一个共同点:它们是通过可见光拍摄下来的图像——这些也是我们的眼睛可以直接看到的物体(对于图1中的星系来说,是我们要通过望远镜的辅助才能看到)。

  图1.这是两个内容非常不同的图像.上图是斑点狗的图像,下图是星系的图像.(图片来源: NASA's Imagine the Universe/Whitlock; NASA/STScI)

  事实上不需要局限于我们肉眼可见的可见光,我们可以用任何能量的光去拍给物体照片,只需要把眼睛的任务交给正确的"探测器"就能拍下你想要的照片。比如说,我们想要拍摄一只鹦鹉的红外图像,我们可以用红外摄像机去拍摄。如果将那只鹦鹉的光学照片与红外照片进行比较,我们将看到如图2所示的内容:

  图2.一只鹦鹉在可见光照片(上)和红外光中的照片(下).鹦鹉翅膀下面的区域在红外线下非常明亮, 红外向我们显示了温暖或高温的地方.鹦鹉翅膀下面的羽毛很细,所以鹦鹉身上绝大多数的热量从那里散失了.(图片来源: NASA/IPAC via the Cool Cosmos site)

  图2的红外图像显示了如果我们的眼睛对红外光而不是对可见光敏感,我们看到的世界是怎样的。来自我们身体(和鹦鹉的身体)的热量以红外光的形式发出。鹦鹉是温血动物,因此会自己产生热量,使自己比周围的环境温暖得多。从上图可以看出,鹦鹉在红外光下比周围的环境要亮得多。

  天文学家给天体拍照片也是如同拍鹦鹉一样做同样的事情。他们可以使用射电,红外线,可见光,紫外线,X射线和γ射线的探测器作为照相机来拍摄恒星,星系和其他宇宙中天体的照片。

  拍摄照片或者说绘制图像只是天文学家利用光线研究宇宙的一种方式。大多数图像会直观地显示出天体在空间中的亮度,即有多少光子来自空间中的特定位置。除了亮度这一图像属性,科学家还关注图像的大小和分辨率。从亮度的角度来看,亮度可以让天文学家了解天体的能量产生情况,然后有可能弄清楚天体如何产生这种能量(可以参考1.3节内容)。从大小的角度来看,如果在已知探测器使用的放大倍数的前提下,就可以了解天体的物理尺度。从分辨率方面上来看,这项属性对应着探测器的分辨能力,就是天文望远镜分辨出天空中相隔一个小的角距的两个天体的能力(换句话说,如果望远镜的分辨率高的话,两个天体距离越近,望远镜仍然能把它们分辨出来。拥有更高的分辨率的望远镜不止可以让我们确定观测的对象是否是两颗彼此靠近的恒星,还是一颗恒星。甚至可以帮助我们分辨出行星是否具有环的结构(比如土星有土星环)。

  那天文学家需要怎样的图片呢?科学家希望拥有尽可能大和尽可能高分辨率的图像。下面我们会用具体的例子解释像的大小和分辨率这两种属性。

  图3.所显示的同一幅图像具有三种不同的尺寸(从上到下),下面图像是上面图像边长(或者在屏幕上来说是像素)的10倍.原始图像是保罗·塞尚(Paul Cezanne)的《保罗·塞尚的爸爸在看报》(The Artist's Father, Reading).

  在图4中,相同的图像以3种不同的尺寸显示。中间的图像比上侧的图像大10倍,下边的图像比中间的图像大10倍。所以图像的大小很重要!使用上侧的小图像,我们不知道正在看什么。但是,我们可以确定图像里有什么"东西"在那里。中间的图像也非常小使我们几乎无法从图片中分辨出那个"东西"。下边的图像使我们能够分辨出那个人,并且看到到他在读报纸。所以说天文学家需要一个能够产生大尺寸图像的探测器。尺寸只是整个"图像"属性的一方面,图像的分辨率同样十分重要。

  图4.显示的同一张图片具有两种不同的分辨率.下图的空间分辨率是上图的9倍(每张图的分辨率是,但是上图将每81个像素点合成了一个大的"马赛克"像素点).原始图像是保罗·塞尚(Paul Cezanne)的《保罗·塞尚的爸爸在看报》(The Artist's Father, Reading).

  图以相同的尺寸显示了2张分辨率的相同图像。下面图像的空间分辨率是上面图像的9倍。对天文学家来说,探测器的空间分辨率越大越好——分辨率越大,我们看到的细节越多,可以提取的信息也越多。[译者注:但是我们不能简单的认为我们的探测器需要的像素越小越好越多越好,这样塞下更大的传感器后就可以拍出更好的照片。很多时候探测器设计要考量成本,像素的增多会带来信号噪点消除和电子学设计等问题,这些也会成为我们采用这种像素探测器方案的阻碍。此外不同波长的光的分辨能力也有区别。因为光具有波动性会发生衍射,像不再是理想的几何点像,而是有一定大小的光斑——爱里斑(Airy Disk)。光波长为,对于直径为口径的望远镜的可分辨极限为——这是我们常说的瑞利判据(Rayleigh Criterion)。如果像素尺寸远小于望远镜的分辨极限也不会提高成像质量]。

  对天文学家来说,在不同波段下观察同一天体非常重要的,天文学家可以从不同波长的光提取出关于该天体的独特信息。天文学家通过研究这些图像并与根据理论建立的模型进行比对后,可以看到该天体实际的"全貌"。

  图5.在不同波段下,蟹状星云的样子。射电图像(左上方)显示自由电子与磁场相互作用的位置,光学图像(右上方)显示星云中氢的位置,紫外图像(左下方)说明了来自较冷的电子的辐射,而X射线图像(右下方)则反映了来自非常热的电子的辐射.(图片来源: Radio from NRAO; visible from Malin/Pasachoff/Caltech; ultraviolet from Hennessy et al, 1992, ApJL; X-ray from CXC.)

  上图显示了蟹状星云的四幅图像。射电图像会提供星云中的磁场分布和自由电子运动的信息。光学图像讲述了星云中的氢原子和在脉冲星磁场中自由电子的运动信息。紫外线图像会提供较冷(能量较低)电子的信息;而X射线图像会提供来自星云坍塌中心的热电子的信息。[译者注:除了光学图像之外,天文图像的颜色是后期添加上去的。比如处理星系与星云的红外图像时,将取自红外光谱不同波段的原始灰度数据变成彩色的可见图像,通常的做法是利用Photoshop中的红、绿、蓝色图层来精确对应不同的红外光谱波段然后叠加而成。天文学家将观测数据可视化,甚至会将不同波段的图像叠加在一起为大众呈现出来。不只是天文照片,部分显微图像也是科学家经过图像处理后得出的,比如扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)的电镜照片,研究人员会使用Photoshop给照片上色(电镜伪彩),方便我们识别区分图像中不同部分和结构]。

  在1.4节中提到了天文学家可以使用不同波段的光去观察天体。这表明了人们了解宇宙的方式已经不仅仅局限于在可见光天文学,而相继发展的射电天文学、红外天文学、紫外天文学、X射线天文学和γ射线天文学实现了对天体辐射观测的全波段覆盖,诞生了多波段天文学,人类对宇宙的认识也进入了一个新的阶段。这些内容我会留在第2章为读者介绍,请各位读者继续关注这个翻译专栏,感谢大家的阅读。

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