天文美图都是P出来的

很多人对天文感兴趣，是被一幅幅壮观绚丽的美图带入坑的。可你是否知道，这些美图都是后期做出来的？

【震惊脸，什么什么，退坑】

别走啊，这样做是有道理的，且容我慢慢道来。这里我们不谈艺术家创作的概念图——比如第三视角看到的探测器接近行星，一边转一边拍的银河系全貌，或者群星纷飞的超光速旅行视频——而只说天文望远镜或探测器拍到的照片。

先说最简单直观的：拼图。

以“旅行者1号”探测器拍的“太阳系全家福”为例，当时是1990年2月，“旅行者1号”已飞到64亿公里以外，它回望太阳系，拍摄制作了这张著名的图片。

图片的主体部分，实际上是由39张单独的照片拼接连缀而成。其中，每个标记字母的地方就是一颗（基本看不见的）行星，如J表示木星（Jupiter）、E表示地球（Earth）、V表示金星（Venus）等等。

为什么不直接来个广角镜头，大家一道喊“茄子”呢？因为每张小照片已经是“广角”镜头拍的了。天文观测的视野通常非常非常小，多亏探测器要拍摄行星全身照，出发时带了个视野稍宽的相机。周边的6张小彩图，才是探测器在同样的位置，用窄视野相机“拉近”拍摄的。

“旅行者1号”拍摄这一系列照片时，需要多次调整镜头指向、设置曝光参数。地面合成时，要忠实地复现这些变化，才能把图片拼接到正确的位置。

有的拍摄任务并不需要改变太空望远镜的朝向，但因为设计或当时的技术限制，还是要拼图完成。例如“哈勃”望远镜，在1993年到2009年间，它使用第二代广域和行星相机（WFPC2），有4块800×800的CCD感光片。我们看到的最终照片，都是由四幅图片拼接而成的。

这4个CCD中，有1个与众不同，它的视野比其他几块小，但像素一样多。这样，它可以用来拍摄天体的某个局部，供天文学家研究细节。比如，鹰状星云“创世之柱”的照片，本来应该是下图这样：

不过，向大众展现时，就得把这个用来放大局部的角缩小，才能和其他三个角拼接成一幅衔接流畅的照片，像下图这样，右侧星云柱上下接合完美：

有得必有失，图片衔接是流畅了，却造成了一个没有内容的缺口。天文学家是有底线的，不会造个虚假背景放在这里。所以，“哈勃”望远镜的许多照片，都有这个标志性的阶梯状暗角，直到2009年，它更新换代，使用了第三代广域相机（WFC3），这个暗角才消失不见。

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有时，图片拼接是因为被摄对象条件太极端，无法一下子看全。

比如下面这幅日冕物质抛射，羽状抛出的物质是由SOHO太阳探测器的LASCO光谱仪拍摄的，但LASCO从来只敢遮着太阳观察日冕——假如它看一眼太阳，那就是最后一眼。中间的太阳，则由探测器上的EIT望远镜在极紫外波段拍到，比正常尺寸放大了些，填到中间，以增强图片效果。这两台仪器，一个不敢看太阳，一个看不到外层日冕，各自拍一部分，拼到一起，就还挺美的。

拼接图片是X-Y方向的操作。有时，我们还需要Z方向的图片加工，也就是叠图。

叠图有三个主要用途：一是增强信号，二是抑制噪点，三则和色彩相关了，我们留到后面的章节细说，先聊聊头两个用途。

下图是我在2015年冬天拍摄的猎户座大星云，谈不上是个好片子，因为是户外随兴拍摄，手边只有一个白天拍鸟的长焦相机，也没有赤道仪用来消除地球自转造成的星光拉丝，只好把相机的感光度调得很高很高，以缩短曝光时间。但相机感光度一高，噪点就噌噌噌地上去了，让人无法分辨一些亮点究竟是真恒星呢，还是卫星或太空垃圾呢，还是相机自己的噪点呢。

请留意图中圈出的4个光点。

我拍了十几幅照片，选了几张质量不错的，仔细地在PS里把它们的亮星对齐，然后，我把上面几个图层设为“变暗”——也就是说，对于每个像素，只显示所有图层中最暗的那个。如果那里有一颗真恒星，它应该在所有图层的同一位置都是亮的，最终会显示出来。如果那只是一颗卫星、一架飞机、一个高感光度造成的噪点，那么它就会被其他图层投票判死。

叠加合成的照片如下，画面干净许多，真星星都留下来了，上图圈出的亮点不见了。我检查了一下，每幅照片里都有它们，在恒星的背景下缓缓移动，可能是卫星吧。

严肃的天文观测中，图像叠加技术要比我的“五分钟PS教程”复杂得多，这里只是简单意会一下。

再以前面提过的哈勃深空为例，这张照片是1995年底拍摄的大熊座内一个极暗的天区。除了前景的几颗银河系恒星之外，可看到的3000多个天体几乎全是遥远的星系，直抵百亿光年以外。如此遥远暗淡的星光，迫使“哈勃”望远镜用了10天时间，环绕地球150周，对着同一天区累计曝光141小时。最终，选取342张照片叠加，去除宇宙射线和地球散射光干扰，增强真正的信号，合成了我们今天看到的哈勃深空图像。

再说说上色。

各种探测器和太空望远镜拍到的照片，其实原图是黑白的，如果要看彩照，就要后期上色。

不不不，不是这种“上色”。在天文照片里，每个像素的颜色都要有根据，可不是影楼里处理老照片那样，抹个红脸蛋，涂个红嘴唇就完事了。

上色的时候，要推敲三个问题：真实吗？科学吗？漂亮吗？三个问题的答案，分别对应一种上色方法，并且有（jīng）时（cháng）会冲突。

先回到起始问题，为什么照片原图是黑白的呢？并非因为技术落后，能采到的信息贫乏，事实正好相反，是因为信息量太大了。电磁波谱十分宽广，而人眼和大脑能认知的色彩十分有限。超出可见光波段的，一概“伸手不见五指呀”。仪器在可见光以外的波段拍到的图像，该称之为什么颜色呢？

所以，探测器干脆只用明暗来表达它看到的东西，附上波长信息，打个包丢给人类：“喏，这张是微波波段的，这张是红外波段的，这是红光区的，绿光区的，蓝光区的，紫外，X射线，都是黑白片儿，你自己慢慢看吧，只要能分清楚就行。”

当然啦，如果照片本来就是在可见光波段拍摄的，上色就十分简单。太阳系各大行星和周边卫星的彩照大多如此，只要把蓝绿红三原色各自对应的黑白片挑出来，各自渲染成蓝绿红三色，再一叠加，一张“跟真的一样”的彩照就出来了，和冲洗彩色胶片以及人眼辨色原理一模一样。这种可见光波段的上色，叫做“自然色”。

可见光以外，就得用物理+哲学的思路。比如，下面这个太阳极紫外图像四联张，是在17.1nm、19.5nm、28.4nm、30.4nm等波段分别拍摄的太阳。紫外线原本谈不上颜色，但为了快速辨认这些波段，我们不妨按照可见光的波长顺序，从蓝到红为它们赋色。这个色彩顺序符合电磁物理，所以易懂易记，而且，相当美丽！

真实吗？科学吗？漂亮吗？当后两个答案完胜时，就可以拿来挑战第一个问题：我们觉得不真实，纯粹是因为我们眼界太窄，带宽不够……

换句话说，人类不惜代价把那么多仪器送上天，是为了科学研究，而不是观光游览。可见光的狭隘色彩，在整个电磁波谱里，是没有意义的。只要能表达科学信息，就可以抛开天体的可见光色，赋予它完全不同的色彩。这时，我们给照片上的是“代表色”。

还拿“创世之柱”为例，它的原图，本来是3个波段的黑白照片。

其中，左图是氧的502nm蓝绿色辉光，中图是氢和氮的657nm红色辉光，右图是硫的673nm深红色辉光，分别用相应波长的滤镜获得。之所以检测这些波长，是因为这些元素是构成天体的重要成分。

那么问题来了，一个蓝绿色和两个红色叠加配色，结果会是怎样？

结果就是这个样子，它也许更接近天体的真实模样，但这样真实的一片血红，在科学层面上，却没有信息量。

天文学家们追求的，是一目了然。前面说过，为了传递科学信息，我们可以抛弃天体的“本色”。这样，我们把波长最短的氧定义为蓝，把氢+氮定义为绿，把波长最长的硫定义为红（硫：我本来就红……），再做一次图片，忽然就感动得想哭有没有？！

不但图片的色彩更加缤纷绚烂，它也方便传递科学信息。我们知道蓝绿红三原色和各元素的对应关系之后，就能直接解读“创世之柱”各部位的元素分布状况，比“真实”的“血海肉山”要轻松多了。

还有一些上色法，既不真实，也不是为了科学。比如下图的NGC1850，它背后的星云本来发射着氢α线的红光。如果按红色来染，并不妨碍科学表达，但修图师很任性，就是乐意用蓝色来染。这种调进个人审美品味的，叫做“增强色”。

回顾一下，上色三拷问：

真实吗？如果真实，我们把它叫做“自然色”。
科学吗？如果科学，我们把它叫做“代表色”。
漂亮吗？如果漂亮，我们把它叫做“增强色”。

看到这里，想必你对天文美图的制作心中有数了吧！是不是一点都没有退失对宇宙的兴趣，反而更愿意在浩瀚星海中徜徉了呢？