Как ученые создают яркие очки из капель в оттенках серого.
Мы все видели прекрасные изображения космического пространства с яркими завихрениями и яркими звездами, покоящимися в черной бездне. Учитывая, насколько быстро можно сделать цветную фотографию на iPhone, можно подумать, что современные космические телескопы тоже автоматически делают цветные фотографии.
Однако все цифровые камеры — от вашего телефона до космического телескопа Джеймса Уэбба — на самом деле не могут видеть в цвете. Цифровые камеры записывают изображения в виде набора единиц и нулей, подсчитывая количество света, попадающего на их сенсоры. Над каждым пикселем установлен цветной фильтр (красный, зеленый или синий), который пропускает свет только определенной длины волны. Фильтры расположены по определенному шаблону (обычно четырехпиксельный повторяющийся квадрат, известный как шаблон Байера), который позволяет вычислительному оборудованию камеры объединять захваченные данные в полноцветное изображение. Некоторые цифровые камеры распределяют цветные фильтры по трем отдельным датчикам, данные с которых аналогичным образом могут объединяться в полноцветное изображение. Однако камеры телескопа должны делать снимки с одним фильтром за раз, так что позже эксперты должны объединить их в составное изображение.
Обработка научных данных в красивые цветные изображения - это фактически работа на полный рабочий день.
В наших смартфонах совмещение слоев происходит невероятно быстро, но телескопы — сложные научные гиганты, и для получения потрясающих результатов, которые мы знаем и любим, требуется немного больше усилий. Кроме того, когда мы смотрим на космос, астрономы используют длины волн света, которые наши глаза даже не могут видеть (например, инфракрасные и рентгеновские лучи), поэтому их также нужно представить цветами радуги. Необходимо принять множество решений о том, как раскрашивать космические снимки, в связи с чем возникает вопрос: кто делает эти изображения и как они их делают?
Что касается впечатляющих результатов, которые мы наблюдаем в JWST, обработка научных данных в красивые цветные изображения - это фактически работа на полный рабочий день. Специалисты по научной визуализации в Научном институте космического телескопа в Балтиморе объединяют изображения и сопоставляют наблюдения с разных инструментов телескопа. Они также удаляют артефакты или предметы на изображении, которые на самом деле не являются реальными, а просто являются результатом работы оборудования телескопа и способа обработки цифровых данных. Это могут быть полосы от рассеянных космических лучей, перенасыщение самых ярких звезд или шум от самого детектора.
Черно-белое превращается в цветное
Прежде чем они задумаются о цвете, этим специалистам необходимо сбалансировать значения яркости и затемнения на изображении. Научные камеры предназначены для записи широкого диапазона яркостей, выходящего за рамки того, что могут уловить наши глаза. Это означает, что необработанные изображения с телескопов часто кажутся нашим глазам очень темными, и вам приходится сделать изображение ярче, чтобы что-то разглядеть.
Как только у них получаются черно-белые изображения, на которых видны детали, они начинают добавлять цвета. “У разных телескопов есть фильтры, чувствительные только к определенным длинам волн света, и красочные космические снимки, которые мы видим, представляют собой комбинации отдельных экспозиций, сделанных этими разными фильтрами”, - аналогично предыдущему описанию камеры телефона, объясняет Катя Гозман, астроном из Мичиганского университета. “Мы можем назначить каждому фильтру отдельный цветовой канал — красный, зеленый или синий, основные цвета видимого света. Накладываясь друг на друга, мы получаем впечатляющее цветное изображение из учебника, которое мы привыкли видеть в средствах массовой информации ”, - добавляет она.
Вот тут-то выбор цветов и становится своего рода искусством, основанным не только на научной точности, но и на том, что выглядит лучше всего. Для JWST и Hubble обычным является использование синего для самых коротких длин волн, зеленого для промежуточных и красного для самых длинных.
Конечный результат, конечно, также зависит от того, с какими данными специалистам по изображениям приходится работать в первую очередь. Команда часто выбирает разные цвета, чтобы подчеркнуть тот факт, что NIRCam и MIRI — две инфракрасные камеры Webb — смотрят на разные длины волн (ближнюю инфракрасную и среднюю инфракрасную соответственно) и, следовательно, на разные физические структуры. Например, в остатке сверхновой Кассиопеи наблюдения JWST выявили пузырь из чего-то, излучающего свет определенной длины волны, окрашенный в зеленый цвет на изображении MIRI и в результате известный как “Зеленый монстр”. Без этой визуализации астрономы, возможно, не заметили бы такой любопытной особенности, которая дает представление о том, как умирают гигантские звезды — и после некоторого исследования они выяснили, что Зеленый монстр - это область обломков, потревоженных мощным взрывом сверхновой.
От невидимого к видимому
Как правило, специалисты по изображениям стараются максимально приблизить изображение к реальности. Например, если телескоп ведет наблюдения в видимом свете, длины волн могут напрямую соответствовать цветам, которые мы привыкли видеть. Но для тех частей спектра, которые невидимы нашим глазам, они должны сами выбирать, какие видимые цвета использовать. Вот тут-то выбор цветов и становится своего рода искусством, основанным не только на научной точности, но и на том, что выглядит лучше всего. Для JWST и "Хаббла" обычная процедура заключается в использовании синего для самых коротких длин волн, зеленого для промежуточных и красного для самых длинных длин волн. Если на выбор предлагается более трех различных фильтров (как это часто бывает с JWST, особенно при использовании более чем одного из его высокотехнологичных инструментов), иногда они добавляют фиолетовый, бирюзовый и оранжевый цвета для других длин волн, промежуточных между красным, зеленым и синим.
Однако цветные изображения — это гораздо больше, чем просто красивая картинка, на самом деле они весьма полезны для науки. Человеческий мозг превосходно улавливает цветовые закономерности, например, анализирует карту с цветовыми обозначениями линий метро или понимает, что “красный сигнал светофора означает остановку, зеленый - движение”, - говорит Марк Попинчалк, астроном из Американского музея естественной истории. “Это повседневные примеры, когда социальная информация представляется и быстро обрабатывается с помощью цвета. Ученые хотят использовать тот же инструмент”, - добавляет он. “Но вместо социальной информации это научная. Если рентгеновские лучи красные, а ультрафиолетовые - синие, мы можем очень быстро интерпретировать энергетический свет, на который не способны люди. ” В результате получается визуальное представление огромного объема данных – гораздо большего, чем можно обработать невооруженным глазом или только в черно-белом формате.
Например, Гозман описывает, как изображения помогли распознать, “где в объекте происходят различные физические процессы, например, увидеть, где в галактике происходит звездообразование или где различные элементы расположены вокруг туманности”. Цветные изображения со светом за пределами видимого спектра позволили обнаружить даже темную материю вокруг галактик, например, в скоплении пуля.
Еще одним особенно недавним и интересным примером изменения цвета изображений является случай Нептуна. Темно-синяя фотография ледяного мира, сделанная миссией "Вояджер", на самом деле не отражает его истинный цвет, как если бы мы смотрели на него собственными глазами — вместо этого она больше похожа на бледный лик Урана. “Еще в 80-х годах астрономы фактически растянули и модифицировали изображения Нептуна, чтобы усилить контраст в некоторых его более слабых чертах, в результате чего он приобрел тот глубокий синий оттенок, из-за которого он выглядел совсем иначе по сравнению с Ураном”, - объясняет Гозман. “Хотя астрономы знали об этом, общественность - нет. Это один из хороших примеров того, как обработка одних и тех же данных разными способами может привести к совершенно разным представлениям ”.
Анализ изображений является и всегда был огромной частью астрономии, позволяющей находить способы увидеть космос за пределами возможностей наших очень ограниченных человеческих глаз. Вы даже можете попробовать свои силы в этом — данные JWST доступны широкой публике от НАСА, и они даже проводят конкурс астрофотографии, открытый для всех. Теперь, когда вы видите прекрасное изображение космоса, возможно, вы можете думать о нем как о чудесном слиянии науки и искусства.