船底座星云，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的這張照片展現(xiàn)了其中恒星誕生的驚人細(xì)節(jié)｜NASA
大家都見過NASA發(fā)布的絢麗的星云照，它們往往有著 豐富的細(xì)節(jié)和多彩的顏色，每次一發(fā)布就會(huì)成為熱門桌面圖片。但實(shí)際上， 即便借助大口徑望遠(yuǎn)鏡，我們用肉眼也看不到這些絢麗的星云星系，只能看到灰不溜秋的一小團(tuán)。
(資料圖)
左圖為模擬的人眼看到的獵戶座大星云｜作者拍攝
右圖為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的獵戶座大星云｜NASA
那么問題來了，NASA騙人了嗎？這些夢(mèng)幻的照片是NASA“P”的嗎？那些深深鑲嵌在宇宙中的天體，到底是什么顏色？
哈勃拍攝的M104草帽星系｜NASA
真的假的？
深空天體到底有沒有顏色？
有。
天文領(lǐng)域?qū)Α邦伾庇泻芏喾N不同的定義，本文所使用的“顏色”指的就是日常生活中所用的紅、綠、藍(lán)等概念。
大部分深空照片的拍攝對(duì)象都是三類天體： 星云、星系和星團(tuán)。星云就是宇宙里的一些氣體和塵埃；星團(tuán)就是許多恒星的聚集體；星系則是恒星、星云、星團(tuán)和暗物質(zhì)等等等等的集合體。所有這些深空天體都是有顏色的。
像太陽這樣的 恒星是宇宙天體光線的主要來源之一。數(shù)不勝數(shù)的恒星會(huì)因溫度不同從而表現(xiàn)出由黃到藍(lán)的顏色，通常情況下，恒星的表面溫度越高，恒星的顏色就越偏藍(lán)，反之就越偏黃。
而大部分星團(tuán)和星系發(fā)出的光都是由包含其中的恒星的光組成的， 是這些恒星的顏色之和。
有些星云中的氫原子被激發(fā)發(fā)出紅光，這些星云的主要顏色就會(huì) 呈現(xiàn)出紅色。 另一些星云會(huì)因?yàn)樯⑸涓浇阈堑墓鈴亩?顯現(xiàn)出藍(lán)色，就像我們的天空散射太陽光也顯現(xiàn)成藍(lán)色一樣。
哈勃拍攝的貓眼星云｜NASA
為什么我看不見？
宇宙中的天體確實(shí)是絢麗多彩的。 不過大部分天體是我們用肉眼看不到的，哪怕我們把眼睛瞪得像銅鈴。
大概用這個(gè)山魈意思意思吧｜在家辦公的編輯在廁所里拍的果殼商店量子積木
那那些照片是？
至于那些絢麗多彩的深空天體照片， 有很大一部分確實(shí)是真實(shí)的色彩，但也有一些是合成的、與人眼視覺不符的偽色。所謂“真實(shí)的色彩”，我們這里將它簡(jiǎn)單定義為 “在光線充足的情況下，人眼看到的色彩”。盡管不同的照片可能在飽和度和色相上面有一些加工，但大致是符合人眼的視覺習(xí)慣的。
深空攝影照片的色彩主要有三種生成方式。 我們可以利用單色濾鏡拍攝紅綠藍(lán)通道合成彩色照片，也可以利用彩色相機(jī)直接拍攝彩色照片。這兩種方法生成的顏色都是真實(shí)的顏色。第三種方式就是 拍攝其他波段的信號(hào)來生成偽色，而偽色就不再是“真實(shí)的色彩”了。
當(dāng)然天文攝影師在進(jìn)行照片的后期處理時(shí)也勢(shì)必會(huì)對(duì)圖像的對(duì)比度，飽和度等等進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，不過這些操作在日常的風(fēng)光攝影中也相當(dāng)常見，一張風(fēng)光原片和后期處理過的片子往往會(huì)帶給人們不同的感受。
左圖為原圖，右圖為經(jīng)過一定后期處理的圖片，這張照片拍攝了一種很常見的天象：日暈｜編輯拍攝
給宇宙上色的3種方法
3個(gè)濾鏡拍3張照片，然后合成
先發(fā)一張我用這個(gè)方法拍的 M20三葉星云的照片鎮(zhèn)樓。后文多次用到這個(gè)星云的照片來舉例，請(qǐng)記住它的樣子。
M20三葉星云，三葉星云位于人馬座，梅西耶編號(hào)是M20。它由發(fā)射星云和反射星云組合而成，因形狀像三片樹葉而得名。｜作者拍攝
一般來說，專業(yè)天文臺(tái)使用的相機(jī)都是單色黑白相機(jī)，它們拍攝的深空天體照片是 通過三個(gè)通道色彩合成的方式來體現(xiàn)天體顏色的。通過在單色相機(jī)前面加上特定的濾鏡，我們可以 只讓特定顏色的光通過，只拍攝天體的紅光、綠光和藍(lán)光，得到紅（R）綠（G）藍(lán)（B）三個(gè)通道的3張照片， 再用這3張單色照片合成1張彩色圖片。最后通過適當(dāng)?shù)陌灼胶獠襟E，一張彩色的深空天體照片就處理完成了。
從左到右依次是上面那張圖三葉星云的紅、綠和藍(lán)色通道。
1個(gè)像素拍1種顏色，然后靠猜
第二種方法比第一種方法更簡(jiǎn)單粗暴，就是 直接用普通的彩色相機(jī)拍攝。
有些人對(duì)上一種RGB通道合成的方式存在質(zhì)疑，認(rèn)為這種合成的色彩并不能代表天體真實(shí)的色彩。但事實(shí)上我們普通的彩色單反相機(jī)、手機(jī)乃至人眼都是通過這種多通道合成的方式來生成彩色圖像的。
只不過我們的相機(jī)和手機(jī)并不需要像上文介紹的那樣，更換不同濾鏡拍攝三張照片。那是因?yàn)?這些相機(jī)已經(jīng)在每一個(gè)像素表面都覆蓋了一片濾鏡，讓每一個(gè)像素只接收R、G、B其中一種顏色的光，這種濾鏡叫做“ 拜爾濾鏡”。這樣每個(gè)像素都擁有了其中一個(gè)通道的信息，而這個(gè)像素其他兩個(gè)通道的信息可以 通過周圍像素的數(shù)據(jù)用插值的方法猜出來。
拜爾濾鏡示意圖，不同感光元件的拜爾濾鏡排列方式和透過曲線都不一樣，佳能相機(jī)通常是如圖所示的RGGB（紅綠綠藍(lán)），最新的華為手機(jī)則是RYYB（紅黃黃藍(lán)）｜作者制作
舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，我們用單反相機(jī)去拍攝一朵紅色的花，在花的部分只有表面覆蓋紅色濾鏡的像素能夠感受到光線，而它周圍表面覆蓋綠色和藍(lán)色濾鏡的像素都沒什么信息，因此聰明的相機(jī)就可以猜出 這一片區(qū)域的顏色都是紅色。
從左到右分別是月季花的真實(shí)色彩、紅色通道和綠色通道。｜原圖來自圖蟲創(chuàng)意，由編輯通道提取
不過畢竟是猜出來的， 通過拜爾濾鏡算出的顏色是遠(yuǎn)不如分別拍攝RGB三個(gè)通道后合成的顏色的。尤其是當(dāng)一顆星星在照片中只占一兩個(gè)像素大小的時(shí)候， 猜色的準(zhǔn)確度就大大降低了。
下面再次有請(qǐng)三葉星云閃亮登場(chǎng)。下面三張圖分別是我用第一種方法和第二種方法拍攝的三葉星云。你仔細(xì)品，顏色其實(shí)并沒有太大的差別，都是真實(shí)的色彩。
左圖：利用天文臺(tái)相機(jī)RGB通道拍攝；右圖：普通彩色相機(jī)接上望遠(yuǎn)鏡拍攝｜作者拍攝
以上兩種方法其實(shí)本質(zhì)上沒有很大區(qū)別，都是 通過只允許透過特定光的濾鏡拍攝。這種濾鏡叫做“ 寬帶濾鏡”，指的是能夠透過一定范圍波長的光線的濾鏡，通過范圍一般在幾百納米。
這回這個(gè)是假的
我們能夠通過紅綠藍(lán)通道合成來體現(xiàn)天體真實(shí)的顏色。不過針對(duì)前文對(duì)“真實(shí)的顏色”的定義， 有些深空天體的照片顏色并不是天體真實(shí)的顏色，而是偽色。
比如哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的這張著名的《創(chuàng)生之柱》，用的就是偽色。它拍攝的是M16鷹狀星云。 將硫原子發(fā)出的[SII]發(fā)射線（671納米）當(dāng)作 紅色，氫原子發(fā)出的Hα發(fā)射線（656納米）當(dāng)作 綠色，氧原子發(fā)出的[OIII]發(fā)射線（500納米）當(dāng)作 藍(lán)色——雖然它們用肉眼看起來其實(shí)是紅、紅、綠——來合成照片，就得到了一張全新的照片。
M16鷹狀星云《創(chuàng)生之柱》｜NASA
偽色雖并不能反映天體真實(shí)的顏色， 但是能在一定程度上反映天體不同物質(zhì)的分布，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比真實(shí)的色彩更清晰。
左圖為玫瑰星云真實(shí)的顏色，右圖為利用窄帶濾鏡拍攝的哈勃色玫瑰星云。｜作者拍攝
除了電磁波可見光波段的圖像以外， 這種偽色方法還廣泛用于電磁波的其他波段，比如X射線、紅外和射電波段。這張編號(hào)為NGC5128的星爆星系就結(jié)合了可見光、X射線以及射電波段數(shù)據(jù)。圖中的噴流部分并不是可見光，而是X射線和射電波段的信號(hào)。 像這樣只能透過特定波長的信號(hào)的濾鏡叫做“窄帶濾鏡”，一般將帶寬限制在10納米以內(nèi)。
NGC5128星爆星系｜www.eso.org
如果有小伙伴想要自己利用NASA的數(shù)據(jù)去制作一張圖片，那么可以訪問Hubble Lagacy Archive（https://hla.stsci.edu/）的網(wǎng)站去下載原始數(shù)據(jù)，事實(shí)上NASA發(fā)布的很多圖片都是由愛好者自己處理制作的，有些圖片比專業(yè)天文學(xué)家制作的還要高明。
雖然我們的肉眼看不到太空深處那些絢麗的色彩，但我們一直在想方設(shè)法捕捉宇宙中那些微弱的光。千百萬光年以外的洪荒宇宙，就在地球上一個(gè)個(gè)渺小卻充滿好奇心的你我面前。
作者：馬門溪龍飼養(yǎng)員
編輯：小笛、Luna
審核：Steed
封面圖來源：NASA
一個(gè)AI
關(guān)掉美顏，關(guān)掉濾鏡，關(guān)掉大眼瘦臉……
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