Посмотрите в небо ночью из тёмного места, и вы увидите на нём бесчисленное количество звёзд. Почему же тогда их нет на космических фотографиях? Почему на чёрном небе Луны на снимках станций нет звёзд? Давайте разбираться.
Ответ: звёзды всё ещё там, но они слишком тусклы, чтобы проявляться.
Я могу проиллюстрировать это примером из повседневной жизни. Я уверен, что все, кто читает эту статью, совершали ошибку, снимая знакомого человека на фоне ярко освещённого окна. Всё, что вы сможете увидеть на вашем фото при этом – это силуэт, в то время как лицо человека будет представлять из себя безликую тень. Его лицо всё ещё на месте, конечно! Оно просто недостаточно ярко освещено, чтобы проявиться на фотографии.
Те же причины, которые могут сделать ваши случайные снимки плохими, влияют и на снимки, сделанные в космосе. Давайте поговорим о трёх деталях, которые влияют на различимость на фотографиях любых объектов, будь то звезда, планета или человек: о чувствительности камеры, времени сбора света и её динамическом диапазоне.
Насколько чувствительна ваша камера?
Сколько света необходимо собрать, чтобы ваша камера увидела его источник? Некоторые камеры имеют диафрагму, которая позволяет регулировать количество света, которое поступает в камеру. Человеческий глаз делает тоже самое постоянно и автоматически, сужая и расширяя зрачок в зависимости от освещения. Если вы выйдете с яркого света на тёмную площадку ночью, вы тоже не увидите звёзд сразу. Но постепенно ваши глаза расширят зрачки, и вы начнёте видеть всё более и более тусклые звёзды.
Большинство современных камер могут регулировать диафрагму подобным образом. Однако готовя космические миссии учёные вместо этого рассчитывают тот уровень света, при котором камера будет работать в ходе её научной миссии, и создают её диафрагму с учётом этого, чтобы она соответствовала тому уровню освещения, с которой ей придётся столкнуться. Это может быть проблемой, если ваш космический аппарат может столкнуться с широким диапазоном яркости своих целей, но вы заставляете вашу камеру работать в научных целях и не волнуетесь, если снимки могут получиться не очень красочными. Зонд OSIRIS-REx, чья камера MapCam разработана для изучения цветов очень тёмного астероида, оказалась не способна смотреть на Землю без появления на снимках артефактов от ярких облаков в верхней части снимка.
Но при этом снимки астероида Бенну камерой MapCam выглядят нормально, так как эта камера спроектирована на съёмку именно его (обратите внимание на то, что вы не видите звёзд на обоих снимках).
Снимок от 17 декабря 2018 года с экспозицией 9,3 миллисекунды при дистанции около 12 км, в тот момент когда зонд удалялся от астероида.
Как долго ваша камера собирает свет?
Большая экспозиция снимка позволяет собирать больше света и обнаруживать более слабые объекты, чем при короткой экспозиции. У времени экспозиции нет аналогии в человеческом зрении – мы можем увидеть больше, долго вглядываясь в объект, но это не совсем тоже самое. Фотографии ночного неба, наполненного звёздами – это всего долгая экспозиция, часто занимающая несколько минут. Короткие экспозиции не улавливают слабых звёзд. Снимок ниже сделан с минутной экспозицией. То, что выглядит на нём как солнечный свет на горах, на самом деле свет Луны.
Фотографии астронавтов на Луне делались при условиях ярко освещённой лунной поверхности и белых скафандров. Их экспозиция была слишком коротки, чтобы звёзды могли проявиться на них.
Космические камеры могут иметь широкий диапазон настроек времени экспозиции. Камера LORRI зонда «Новые горизонты», для примера, может делать снимки с экспозицией от 1 микросекунды до 30 секунд. Её короткие экспозиции использовались при пролёте Юпитера, который был во много раз ярче Плутона. Длинные экспозиции использовались для съёмки более слабых объектов – небесных тел из пояса Койпера.
Это другой весьма распространённый вопрос, который мы получаем о космических снимках: как камеры могут делать фотографии столь далеко от Солнца, когда объекты выглядят такими тусклыми?
Ответ: мы отправляем чувствительные камеры и, если надо, делаем длительные экспозиции.
Вояджер-2 показал хороший пример того, что случается если отправить недостаточно чувствительную камеру. Спроектированная для наблюдений Юпитера и Сатурна, его камера с трудом могла различать объекты в относительно тёмных условиях Нептуна.
Это лучшие снимки Протея (спутника Нептуна) сделанные Вояджером-2. Первый малый снимок был сделан через прозрачный фильтр с 3,84-секундной выдержкой, а 3 других – через фиолетовый, зелёный и синий фильтры с экспозицией в 15,36 секунд. Больший снимок был сделан с экспозицией в 1,92 секунды и уровень света на нём столь низок, что на нём трудно различить детали спутника.
Какой динамический диапазон у вашей камеры?
Способна ли ваша камера видеть как тускло освещённые, так и хорошо освещённые объекты? Или же она быстро перегружается более яркими элементами прежде чем успевает обнаружить более тусклые детали? Здесь наши глаза обычно работают лучше, чем камеры. Когда мои друзья сидят напротив окна, я прекрасно вижу их лицо, потому что мои глаза способны различать детали как в тени, так и на свету. Это отчасти связано с тем, что мои глаза не неподвижны, когда я смотрю на моё окружение. Мои глаза постоянно корректируют фокус и диафрагму, когда смотрят в окно и лица друзей. Мой мозг строит композитный снимок на основе всей этой информации, делая вид этой сцены более детальным, чем любой мгновенный снимок глаз. Затем я достаю камеру и делаю фотографию, и она выглядит ужасно.
Но подождите, современные цифровые камеры делают подобный же трюк, который выполняют человеческий глаз и мозг. В камере моего телефона есть функция HDR, что означает «высокий динамический диапазон». Когда я снимаю в режиме HDR, камера в реальности делает пару снимков (один с длинной экспозицией и один с короткой) и объединяет их на участках с более подходящей экспозицией, показывая как детали за окном, так и черты моих друзей.
Космические камеры обычно имеют больший динамический диапазон, чем потребительские камеры, так что они способны запечатлеть относительно тёмные и яркие объекты на одном снимке. Может быть трудно оценить, сколько деталей может быть обнаружено на затенённых участках космических снимков, потому что наши повседневные дисплеи не способны передавать такой динамический диапазон. Но вы можете поиграться с яркостью и контрастностью снимков, чтобы обнаружить скрытые детали на них. Посмотрите на два нижеприведённых снимка от зонда «Розетта», снявшего комету Чурюмова-Герасименко. Эти изображения сделаны из одного и того же снимка и тех же самых данных, но с изменённой яркостью, что позволяет дисплею компьютера отобразить малую разницу в слабо освещённых пикселях.
