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自1990年發(fā)射上天以來，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡向世人奉獻(xiàn)了無數(shù)壯觀的宇宙畫面。這些照片不僅被刊登在了報(bào)紙、雜志以及幾乎每本天文學(xué)教科書上，它們還出現(xiàn)在了唱片封面、廣告、T恤、咖啡杯以及電影場景中。這些照片也激起了公眾對天文學(xué)的空前興趣，由此產(chǎn)生的對世俗文化的沖擊是近代其他任何一架天文儀器所無法比擬的。 那么，“哈勃”所拍攝的這些天體真的是如照片上一般色彩繽紛的嗎？如果我們飛到這些天體周圍，能看到和“哈勃”所拍到的同樣景象嗎？如果不是，那么是不是如少數(shù)人所說的那樣，“哈勃”的照片已經(jīng)被過度地“渲染”了呢？“哈勃”所看到的“真實(shí)”宇宙到底是什么樣子？ 請跟隨我們一起來揭開“哈勃”照片誕生的秘密…… 不僅是一張漂亮的照片  圖1 1995年4月1日哈勃空間望遠(yuǎn)鏡上的大視場和行星照相機(jī)2（WFPC2）拍攝了鷹狀星云的照片。就像普通的數(shù)碼相機(jī)一樣，WFPC2也使用電荷耦合器件（CCD）而不是膠卷來記錄影像。CCD是一個(gè)由光敏器件組成的陣列，其中最小的單元被稱為“像素”。而它的作用則是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。如下面會(huì)看到的，在得到最終絢麗圖像的過程中最艱巨的工作就是從相機(jī)本身產(chǎn)生的干擾信號(hào)中分離出那些有用的信號(hào)，并且將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化成對天空中某一點(diǎn)的位置和亮度測量。 WFPC2的視場大約包含了1600×1600個(gè)像素，這使得它大致相當(dāng)于一臺(tái)250萬像素的數(shù)碼相機(jī)。而且WFPC2所拍攝的圖像也不是真彩色的，不過它所能看到的景象比起彩色膠卷來更接近于肉眼。 在沒有開始處理圖像之前，讓我們先來看一下最終處理完的圖像（圖1），并且來解釋一下照片的右上角為什么會(huì)少了一塊？ 大小不一  圖2 WFPC2事實(shí)上是由4架相機(jī)組成的——3架大視場照相機(jī)（WF）和1架行星照相機(jī)（PC1）。如圖2所示，除了PC1之外，其余每架相機(jī)所拍攝的圖像都占據(jù)了照片的四分之一。而PC1所拍攝的是局域的放大影像，這使得天文學(xué)家可以在右上角看到局部更微小的細(xì)節(jié)。但是如果最終的圖像也采用這樣一個(gè)不同的比例的話，就會(huì)顯得非常奇怪了。因此必須先按比例把PC1所拍攝的圖像縮小到和其他3架相機(jī)相同的程度（見圖1）。這就是“哈勃”WFPC2所拍攝的照片總會(huì)缺個(gè)角的原因。 現(xiàn)在讓我們備份一下圖像，并且開始下面的操作。警告：“哈勃”的原始圖像和最終的比起來簡直“慘不忍睹”。 原始處理  圖3 是的，我已經(jīng)說過了，“哈勃”拍的原始照片是“慘不忍睹”的。為什么？首先，很顯然宇宙線和其他噪音會(huì)出現(xiàn)在拍攝的照片中。這個(gè)我們下面會(huì)想辦法把它們?nèi)サ?。其次，我們現(xiàn)在看到僅僅是來自PC1的圖像，一會(huì)兒還要處理3架WF相機(jī)的圖像。再次，我們現(xiàn)在看到是每架相機(jī)能拍攝的4種顏色中的一種。就像電視機(jī)的色彩是由紅、綠、藍(lán)組成的一樣，最終的照片也是綜合不同顏色濾光片的照片而成的。 宇宙“涂鴉”   WFPC2的4架照相機(jī)每架都會(huì)使用它們的4塊濾光片拍攝兩張照片，以此來消除照片中的宇宙線。圖4和圖5中的“雪花”就是宇宙線和CCD相撞的時(shí)候所產(chǎn)生的，而宇宙線是以接近光速運(yùn)動(dòng)的原子核。每次宇宙線撞上CCD的時(shí)候就會(huì)留下一道痕跡，干擾我們想要拍攝的影像。幸運(yùn)的是，宇宙線是隨機(jī)的，因此它們在兩張不同的照片上會(huì)留下不同的痕跡。所以只要比較兩張不同的照片就可以去除這些惱人的宇宙“涂鴉”。 和宇宙線說再見  圖6 圖6就是清除完宇宙線之后的照片。那么具體的是怎么做的呢？首先在兩張照片中找出那些只在其中某一張照片中才出現(xiàn)的宇宙線痕跡并且刪除它們。然后合并這兩張已經(jīng)沒有“雪花”的照片，以此來提高圖像信噪比。當(dāng)然與此同時(shí)還有一些諸如“暗流”、“平場”以及“電荷轉(zhuǎn)移效率”等和儀器本身性質(zhì)有關(guān)的改正需要做。不過目前還不需要去關(guān)心這其中的細(xì)節(jié)。盡管我本人也是制造這個(gè)相機(jī)的團(tuán)隊(duì)的成員，但也花了好幾年的時(shí)間才搞清楚它的特性。 雖然已經(jīng)做了這么多處理工作，不過還是會(huì)有一些宇宙線和瑕疵需要進(jìn)一步的處理。 漏網(wǎng)之魚  圖7 尋找殘留的宇宙線和其他瑕疵的一個(gè)辦法是比較使用4個(gè)不同濾光片所拍攝的4幅圖像。另一個(gè)方式則是把圖像和恒星圖像的輪廓進(jìn)行比較。如果某個(gè)亮點(diǎn)的輪廓和恒星的不一樣，那么就有可能是需要清除的漏網(wǎng)宇宙線或者是其他瑕疵。圖7顯示的就是用白色標(biāo)記出的殘留亮點(diǎn)，而之所以用紅色背景是為了讓它們更容易顯現(xiàn)出來。 接下去的任務(wù)就是刪除這些亮點(diǎn)。 徹底清理  圖8 圖8是徹底清理完之后的PC1照片。不過請記住，PC1會(huì)使用4個(gè)不同的濾光片拍攝4張照片。每張濾光片只能讓來自觀測目標(biāo)——鷹狀星云——的特定波長的光線通過。 不同的原子會(huì)在特定的波長上發(fā)出特有的輻射，因而具有特殊的顏色。這使得天文學(xué)家可以只拍攝某種原子所發(fā)出光線的照片。對于鷹狀星云的照片，WFPC2使用的濾光片使得它可以拍攝來自氫原子、硫離子以及電離氧所發(fā)出光線的照片，而第4片濾光片則只能讓恒星所發(fā)出的光通過。 我們剛才處理的圖像正是PC1使用電離氧濾光片所拍攝的。下一步則是處理另外3張由WF相機(jī)使用電離氧濾光片所拍攝的照片。 第2張  圖9 這是處理完的由WF2相機(jī)使用電離氧濾光片所拍攝的照片，是最終照片左上角的那一塊。請注意，這張以及下面兩張WF拍攝的照片已經(jīng)經(jīng)過了方向的調(diào)整，以便適應(yīng)我們的視覺習(xí)慣。 第3張  圖10 這是處理完的由WF3相機(jī)使用電離氧濾光片所拍攝的照片，是最終照片左下角的那一塊。 第4張  圖11 這是處理完的由WF4相機(jī)使用電離氧濾光片所拍攝的照片，是最終照片右下角的那一塊。 現(xiàn)在就可以把這4張照片拼接到一起了。 拼接照片 圖12 類似于透過放大鏡看東西，每張照片都有不同程度的扭曲變形。為了把這4張由不同相機(jī)拍攝的照片精確地拼接成一幅圖像，就必須要測量并且修正這些扭曲和變形。一旦完成這一步驟，4幅照片就可以完美地合成出一張鷹狀星云在電離氧濾光片下的照片了。 圖12是已經(jīng)修正了像差之后的照片，現(xiàn)在就差最后一步了。 嚴(yán)絲合縫 圖13 好了，現(xiàn)在讓我們把圖像之間的縫隙去掉。這里需要提醒的是，這張照片拍攝的僅僅是由電離氧所發(fā)出的光線。 對氫原子和硫離子所拍攝的照片也要進(jìn)行類似地處理。它們之間會(huì)有細(xì)微的不同。比較不同原子所發(fā)出的光線使得我們不僅能得到一張漂亮的照片，還能告訴我們許多其中有用的物理細(xì)節(jié)。讓我們在這里再多花1分鐘時(shí)間。 照片比較 這里是兩張鷹狀星云的照片。圖14拍攝的是氫原子所發(fā)出的光線，圖15拍攝的是硫離子所發(fā)出的輻射?？梢钥闯鰞烧呙黠@的不同。WFPC2上氫和硫?yàn)V光片只能分別讓波長為6563埃和6725埃的光線通過。而相應(yīng)的電離氧濾光片的波長則為5007埃。 現(xiàn)在我們已經(jīng)有3幅圖像，每幅都代表著不同原子所發(fā)出的輻射。那么為了體現(xiàn)出這些照片的不同，最好的辦法就是不同的照片使用不同的顏色，這樣也可以顯現(xiàn)出鷹狀星云不同區(qū)域物理性質(zhì)的不同。 上色 我們分別用藍(lán)色、綠色和紅色來表征氧離子（圖16）、氫原子（圖17）和硫離子（圖18）所發(fā)出的光。比較不同的照片，你會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的顏色增強(qiáng)了照片中細(xì)微結(jié)構(gòu)的差異。接下去就是把這3張?zhí)幚磉^的照片合并起來，大功告成！ 鷹狀星云 圖19 這就是1995年美國宇航局發(fā)布的鷹狀星云最終處理完的照片。那么這張照片告訴了我們些什么呢？從大體上講，我們看到的是鷹狀星云中一部分濃密的氫分子氣體和塵埃云。照片上下的跨度大約是4光年。 照片中手指狀的氣體柱中正在形成年輕的恒星。這些恒星胚胎會(huì)從周圍的星云中汲取物質(zhì)不斷生長，但是（照片上方不可見的）新生恒星所發(fā)出的紫外光會(huì)“蒸發(fā)”星云中的氣體，并且造就了這些柱狀的結(jié)構(gòu)。 如果你能回到45億年前，看看太陽和太陽系的形成過程，那么你也許會(huì)看到和今天的鷹狀星云非常相似的景象。雖然為了了解這其中氣體的物理性質(zhì)以及恒星形成的過程還有很多工作要做，但是通過“哈勃”拍攝的這張照片至少你立馬就有了一個(gè)大致的印象。 （本文已刊載于《天文愛好者》雜志2009年第8期） |
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