星云照片是怎样拍摄的

星空下的浪漫约会

　　看了威漫的电影《银河护卫队》了嘛？你是不是被电影里美丽的星云所吸引了？啊哈，我说的当然不是那个叫Nebula(音译：涅盘拉，亦叫“星云”)的蓝皮肤妹子。作为一部以银河系为大背景的电影，自然是少不了那些五彩斑斓、绚丽夺目的星云或恒星场景来给主角们做衬托。

　　你看，男主角星爵在跟女主角卡摩拉调情时，导演除了给情节加上了《Fooled Around and Fell in Love》的背景音乐，让坐在电影院里的我听了也忍不住要起身扭两下子，连他们身后的场景也花足了心思。姑娘们在影院里看到这一场景，是不是直呼浪漫了？不过，假如真的给你一套装备，让你和你的男友能飞到太空去，并适时地给你们的约会加上一段你喜爱的音乐，你再回顾四周，说好的星云背景呢？醒醒吧，这么绚丽的场面你是看不到的。我可不是有意要粉碎你们的少女梦想，不过，事实就是这样残酷地摆在你我眼前。

　　首先，以星云为例，它们是由尘埃、氢、氦气体以及其他电离气体聚集起来的星际云；从它们的发光性质加以划分，则分别为发射星云、反射星云和暗星云。不管是发射星云、反射星云还是暗星云，它们的颜色都取决于其化学组成和电离气体的量。大部分的发射星云，其物质组成中的90%为氢。它们只需要较低的能量就能将氢电离，因此，许多发射星云发出红色可见光。而反射星云，从名字上也可以判断出来，其自身几乎不发射可见光，只是单纯地反射附近恒星以及星团的光线。不过因为它们的邻居不够火热，加上反射星云自身只由尘埃组成，它们就无法像发射星云一样因被电离而发光，但是来自其邻居的亮度足以让其尘埃因散射而被观察到。所以反射星云散射的频谱和它们的邻居相似，加上蓝光波长较短，更容易发生散射，我们观察到的反射星云通常为蓝色。

　　再退一步说，即使你和你男友没有飞到太空中去，只是单纯地在你家后院用望远镜观看那些星云(假设姑娘们同时具备了男友、天文观测望远镜和一个后院)，那你看到的星云也不会如照片上的那般壮观，因为这关系到我们人类眼睛的进化。数百万年的演变让我们习惯了日出而作，日落而息的生活作息，因而我们的肉眼并不适应在黑暗中工作。在你家后院用望远镜小心翼翼的探索深空天体的感受，远不同于拿它肆意浏览月球表面或是大河大山的快感。我们看到的星云有时显得苍白而了无生气，不是因为它们离我们太远，而是因为它们太暗，人眼难以分辨它们的色彩，还有一部分原因是因为它们发射的是可见光以外的电磁波。

天体的“拍照神器”

　　尽管我们没有一双火眼金睛，但我们靠着自己的智慧和双手，为观测星云等天体创造了机会。妹子们自拍有“自拍神器”，天体观测界也有“拍摄神器”——CCD和CMOS图像传感器。CCD的全名为“感光耦合元件(charge-coupled device，简称CCD)”。它和它的同宗兄弟CMOS(互补式金属氧化物半导体有源像素传感器，简称CMOS图像传感器)同是图像传感器家族的一员，简而言之都是一种半导体存储设备，能将光学信号转换成电子信号进行存储。这一家子的魔棒一挥，我们便有了一种便捷的方法把光记录下来。

20世纪80年代初期，半导体产业的浪潮席卷而来，乘风破浪的CCD一下子就把天文观测带到了信息时代。在对小行星、银河系、各种天体的观测中，不论是拍摄直接光学图像还是对观测对象进行光谱记录，CCD都成了天文学家们的不二选择。1990年4月24日，天文观测界的开路先锋“哈勃望远镜”由“发现号”航天飞机携带升空。当时，哈勃的标配之一——广域和行星相机(Wide Field and Planetary Camera, 简称WFPC)内建两台相机，就是分别由两个800×800像素的CCD所组成。切莫小看了这一个小小的元件，它对环境光线的敏感程度是我们的肉眼所无法企及的。CCD的基本工作原理就在于能把受光表面的光子转换成电子-空穴对，因而就有了量子效率(Quantum efficiency，QE)这一概念来表征它的转换能力，可以将其理解为CCD器件受光表面一个像素实际俘获的光子数。自然，CCD的QE和它对光线的敏感程度成正比，QE越高，芯片将光子转换成电荷的数量则越多。不过在不同波段，CCD的QE值也不同，因此一般的CCD有一定的波长响应范围。

哈勃空间望远镜所配备第二代广域和行星照相机的感光耦合元件对不同波长光信号的量子效率曲线图

　　在早期，由于CCD和CMOS在处理过程中存在差异，CMOS的感光灵敏程度、分辨率等方面不及它的兄弟CCD(这其实是它们打娘胎里出来时，自身结构不同造成的必然结果：CCD里的光子转换成电子—空穴对后，会在每一行每一个像素中一次传递，再经由共同输出端输出数据至放大器，完成电压信号转换；而CMOS里的每一个像素直接邻接一个放大器和A/D转换器，相当于在单个像素里就完成了电荷—电压的转换)。虽然CMOS的图像质量不够高，但它的成本低啊！因而可待提升的空间也相当可观。

CCD结构

　　既然QE衡量的是感光元件对光子的转换能力，那么CCD对光的吸收以及反射等因素也必然会影响到它的QE。近年来，人们在CMOS这个先天不足儿的身上花费了一些心思，2008年6月，索尼背照式CMOS(back-illuminated CMOS)横空出世。经改造一新的CMOS的感光面离微透镜更近，光线透过微透镜后直达感光层背面，完成光子和电子-空穴对转换，其光线的入射角度和覆盖面得到优化。而在原结构前照式(front-illuminated)中，光线通过微透镜后还要穿过电路布线方可到达受光面。这阶段中，光线或被阻挡，或被削弱，自然也影响了器件的QE值。

　　我们对这两兄弟的期望远不至于此，有句歌词唱道：“你是我的眼……”，CCD和CMOS作为我们探索宇宙的电子眼，这哥俩好在互相竞争的同时也在不断进步。

天文界的“美图秀秀”

　　大部分天文观测望远镜因为安装了CCD拍摄到的原始照片都是黑白的，所以得到照片后还需要进一步的图像处理，哈勃还有一个专门的图像处理小分队。没想到吧，天文界也是有功能强大的“美图秀秀”的，不过科研人员们所用的“美图秀秀”可不止Adobe Photoshop这个软件。

该处理过程由“图像还原和分析工具(Image Reduction and Analysis Facility，简称IRAF)”系统进行操作。

　　首先要解决的就是宇宙射线击中CCD的像素而造成的“噪点”，这就像妹子们要先把自拍进行磨皮，祛斑一样。曝光时间越长，宇宙射线在CCD上的击中次数则越多，就像下雪天的人行道被雪花慢慢覆盖。消除宇宙射线造成的“噪点”，同一个景象至少要拍两张以上的照片并进行比对，因为宇宙射线不可能击中同一个像素两次，所以每张图像中出现的“噪点”都是独一无二的，把每张图里的“噪点”用相应软件清除掉，再进行整合就得到无噪点的图像了。

IRAF提供了一套实用的工具用以分析巨大的天文图片，提取诸如光谱特征这样的重要信息。用哈勃的“先进巡天照相机(Advanced Camera for Surveys，ACS)”拍摄照片所用的内存有多大呢？一张快照内存为16兆左右，能非常清晰而完整地展现拍摄对象的细节，普通尺寸的印刷杂志压根呈现不了这些照片的精美绝伦之处。另外一个常用的工具叫做“交互式数据语言(Interactive Data Language，简称IDL)”，不过哈勃的色彩合成也使用Adobe Photoshop软件来处理，因为其功能强大，界面灵活，深藏功与名。

哈勃空间望远镜

　　对于原始图像，图像处理人员还需调整它的亮度，一张图中亮部和阴影的比例最好不要超过3:1，如果要打印出来，那么对比度最好是20:1。这个调整过程只需凭肉眼判断即可，只要是在暗房中冲洗过照片的人都可以胜任。调整亮度，第一步要做的就是高光剪切(clipping)。以剑鱼座第30号星——蜘蛛星云的照片处理过程为例，先将图像中高于一定亮度值的像素选中，并将它们显示为纯白色；再把亮度值从线性标度转换成对数标度。当对比度为最佳时，图片就比较美观了。尽管它还是一张黑白照，但它的灰度色调分布均匀。亮度调整是图像进行色彩处理之前不可缺少的一步。下一步开始色彩阶段的处理了，这就好比用“美图秀秀”进行肤色调整之类。通常情况下，至少要对两张，或者理想情况下，三张由加载不同滤光片(红、绿、蓝这三种颜色)拍摄的黑白照片进行处理。单色曝光照片能被绘制出颜色就是因为通过在镜头前增加了不同颜色的滤光片。滤光片的选择或难或易，完全取决于拍摄对象是如何发射和反射光的。例如哈勃空间站的可见光和红外照相机就配备了一套滤光片，有的可用于宽波段拍摄，有的则只能用于窄波段拍摄。

　　窄带滤光片只有小波长范围的光能通过，这个范围即滤光片的带宽。而它的中心波长则和该范围内最强射线的波长相同，因此，滤光片的名字以发射线的名字命名，例如O III滤光片(双电离氧滤光片)能透过蓝绿色光，N II滤光片(单电离氮滤光片)能透过红光，He II滤光片(单电离氦滤光片)能透过蓝光，Hα滤光片(中性氢滤光片)能透过红光。不过，给拍好的星云照片上色可不像给行星上色那么简单，行星的颜色通过普通的望远镜也能观察到，就算给星系照片上色也是相当直截了当的，只要根据它们的黑体光谱来处理就行。星云中的电离气体发射的都是一些特定的窄波段光，这就很有可能不在匹配的滤光片适用范围之内。再者，即使刚好有合适的滤光片是能在这样的窄波段中工作，拍出来的色彩也不一定是那么饱满。

合成爱斯基摩星云(Eskimo Nebula)的色彩时用了四张不同滤光片曝光的照片，因为Hα发射光的波长比S II的略短，所以用Hα滤光片拍出来的照片经处理后的色彩效果呈绿色调。

　　当处理红外图像时，图像也用两到三个适用于不同波段(红、绿、蓝)的滤光片拍摄。波长最短的红外波呈蓝色，波长最长的则呈红色。下图为锥状星云顶部的照片，左边是用先进的巡天照相机(Advanced Camera for Surveys)拍摄的，右边是用近红外线照相机和多目标分光仪(Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer，简称NICMOS)拍摄的。在可见光波段，星星被不透明的星云状物所遮蔽，但在长波红外照相机拍摄的状态下则闪闪发光。

　　这些经过专业处理的图像通常只是专业性科研的副产品，但反过来，它们也为科研提供了帮助。我们从中能不断发现和探索新的未知世界和事物。即使你对天文一窍不通，光是欣赏这些五彩缤纷，生机勃勃的美图就让我们感受到世界的美好。如果你看到这里，那我再抛一个“彩蛋”吧！2013年，哈勃做了一项名为“哈勃隐藏的宝藏”的图像处理竞赛，将诸多哈勃拍摄的资料对外公开，可供自由下载。怎么样？你也来DIY一张属于你的星云美图吧！