NASA花100亿美元拍的太空照片，居然是“假的”？
本文来自微信公众号：差评 （ID：chaping321），作者：小发，原文标题：《花了100亿美元送上天的相机拍出来的照片，居然是“假的”？》，题图来自：视觉中国
日前，美国总统拜登亲自公布了一张照片，在全球范围内引起了大量的转发和讨论。
这张照片看起来不像是什么竞争对手的花边新闻，和美国似乎也不搭嘎，凭什么能有这样的“国宾级待遇”？
原因很简单，因为这张照片的拍摄者是上天了半年多的詹姆斯·韦布空间望远镜，这是它拍摄的第一张全彩深空照片。
图片来自：NASA
这张照片之所以能带来如此巨大的震撼，是因为韦布望远镜的前辈哈勃望远镜也曾经拍摄过这个区域，它当时的照片是这样的。
图片来自：NASA
显而易见，韦布望远镜的成像质量高出了不止一筹，原本略微昏暗的星空变得群星璀璨，而且画面细节也更加丰富，许多灰暗的地方都被“点亮”了。
两代望远镜的成像对比 图片来自：NASA
韦布只用了 12.5 小时就完成了这张照片，而之前的哈勃需要耗费好几个星期。
而且地方距离地球足足有 46 亿光年，这块区域在宇宙中，大概是人一只手臂长度之外的一粒沙子的大小。
?图片来自：NASA
可哪怕只是其中最微小的一个光点，也代表着一颗恒星、一片星系乃至星系团。
最为难得的是，这张照片上甚至包含了部分 131 亿年前的光。
?图片来自：NASA
这是啥概念呢？这说明这道光在宇宙大爆炸 7 亿年后就出现了，对于我们研究宇宙起源很有帮助。
?图片来自：NASA
不过对于普通人来说，数据啥的都不是关键，关键还是要好看！
比如距离地球 2500?光年之外的南环星云，整个星云都是由中间的垂死恒星不停发出气体和尘埃环形成的。
?图片来自：NASA
这大场面根本不是太阳系居民能看到的。
再比如经典励志电影 It's a Wonderful Life 片头出现过的斯蒂芬五重星系，哈勃望远镜当年也拍过。
?图片来自：NASA
而韦布拍摄的照片是目前为止最清晰的。
?图片来自：NASA
这批照片里最最震撼的，则是那张距离地球 8500?光年的船底座星云。
?图片来自：NASA
这张照片被称为“宇宙悬崖”?，类似“山脉”的气态空腔之中，点缀着一颗颗的恒星，这些恒星都是刚形成没多久“年轻人”?，充满了生命与活力。
能拍出这么好看的照片，不禁让人感叹这造价 100?亿美元的“照相机”真的是物有所值。
可是实际上，不管是之前的“预告”?，还是后来的图片，所有的太空图片都不是“原片直出”，而是后期加工过的。
首先我们要知道，韦布望远镜的镜头有两种，分别用于观测不同波长的红外射线。
几代望远镜可拍摄的波长范围，?图片来自：NASA
也只有红外相机才能观测到“更深处的宇宙”：
?图片来自：NASA
其中，每个近红外镜头的像素大概是 400?万，中红外镜头更是只有 100?万像素。
这对比起现在动不动上亿像素镜头的手机都差远了，你说造价 100?亿美元的相机，为啥不整点儿好镜头上去？
但是事实是，官网放出来的星空照片动不动就是 400?多 MB 大小，细节拉满，这又是咋整的？
实际上，在深空摄影中，像素已经不是决定成片质量的关键，也不好拿它与传统摄影进行比较。
首先，韦布望远镜的口径就达到了 6.5 米，红外线收集面积更是达到 25.4 平方米，是一般镜头根本比不了的。
?图片来自：NASA
其次，在太空中，韦布望远镜的拍摄环境接近完全洁净、真空，没有人造光害，也没有大气反射的干扰。
强大的聚光能力，和完美的拍摄环境，就可以有更大的分辨力，自然能保证图片有更多的细节。
但是在太空中拍照还会有别的干扰因素，比如一些时不时出现的高能宇宙射线。
如果抓拍到它，在图片中其实就相当于一个“噪点”，只有那些常亮的光线才是恒星。
所以这些太空望远镜拍摄的时候，都要经过对同一个地方多次曝光，最后把图像堆叠处理，才能“出片”。
这么做的好处有两个，一个是可以“降噪”，多次对比之后，那些时有时无的亮点就是宇宙射线，一直亮的就是恒星。
?图像堆叠处理，图片来自：NASA
一个是可以提高像素，单张照片 100?万像素，那 100?张拼接起来，不就是 1 亿像素了？
这其实就是“堆栈”，是相机处理照片时候的常规操作了。
这样一通操作之后，我们就能看到类似“预告片”中的那种照片了。
?图片来自：NASA
但是这些照片中的“星芒”看起来也挺烦人的，会掩盖很多照片上的细节，难不成这镜头花了这么多钱，还有光学瑕疵？
其实这东西来自光的衍射现象，是无法避免的，如果要绕开衍射极限，就会造成图片的清晰度下降。
而星芒的形状则是和镜片形状、镜片间隙以及前方的障碍物有关系。
几代望远镜的镜片对比，图片来自：NASA
哈勃望远镜的星芒则是来自于镜筒内的十字型支撑架，因此星芒也是十字型的。
哈勃望远镜的十字型支撑架，图片来自：NASA
但是该说不说，有的时候这星芒多了还挺震撼的。
到这儿你可能会问，为啥人家拍照都是彩色的，我们天问一号发回来的都是黑白的？
当然是因为彩色都是人家 P 上去的啊！
其实大部分天文相机中的感光元件接收的亮度信号都是单色的，科研人员在观测时会根据不同需要选用不同的滤镜来分离电磁波频谱。
图片来自：NASA
像上面那张预告图就是为了强化对比，专门采用了红色的滤镜。
而我们最终看到的那些图片，都是经过调色、混合了不可见光波长的合成影像，这其中用到的技术，俗称 PS 。
当然，这种处理属于单纯的堆叠和上色，和某些手机拍月亮的 AI 算法处理还是不太一样的。
图片来自：NASA
最后成片中的颜色肯定和那些景色实际的样子不同，但是已经是最接近我们肉眼能观测到的样子了。
而且如果我们自己用相机镜头配合天文望远镜，其实也是能拍出彩色的太空照片，只不过不可能像哈勃、韦布那样看到那么远的地方。
国外天文摄影博主自己拍的照片：
看到这里也许你会觉得，合着这花了 100?亿美元的“照相机”，拍出来的照片也要 PS 才能看？
事实就是如此，因为对于天文工作者来说，也许那些公布出来的五彩缤纷的照片，在科研上还不如原始的黑白照片有用。
比如之前公布的第一张黑洞照片，普通人看了之后肯定是满头问号，但是它对于科研工作者来说却有着无比重大的意义。
图片来自：NASA
如果我们一直看到的天文相关报道都是这种图片，我想，应该会有很多人失去对天文的兴趣吧？
毕竟这种图片，哪有当年哈勃望远镜拍摄的“创世之柱”来得震撼呢？
“创世之柱”局部，图片来自：NASA
对于科研人员来说，黑白照片其实更有助于他们的研究，处理后的彩色照片虽然天体结构更加分明了，但也会丢失很多细节，因此只适合给我们这样的“外行人”看。
所以说，他们费这个时间去“做”?一张“假图片”，其实是好事。
只有这样，才能让更多的普通人感受到宇宙的迷人之处，让我们心中保持对于“仰望星空”的浪漫向往。
图片、资料来源：
知乎，哈勃望远镜那可怜的 CCD 像素是如何拍出那么美丽而尺寸巨大的相片的？
知乎，NASA 公布韦伯空间望远镜第一张全彩深空照片，照片传递了哪些信息？对探索宇宙有哪些意义？
webb space telescope
NASA
ELPAIS，James Webb space telescope: A guide to the first full-color image
维基百科，詹姆斯·韦伯空间望远镜
https://webb.nasa.gov/content/about/innovations/infrared.html
本文来自微信公众号：差评 （ID：chaping321），作者：小发
