天问一号的眼睛2020年7月23日，我国的天问一号火星探测器正式发射升空，乘坐着长征五号运载火箭从海南文昌发射中心出发，踏上了漫长的火星之旅。 （图片说明：天问一号拍摄的地月合影） 7月27日，天问一号在飞行了120万公里后，就来了一次回眸，拍摄了它的第一张照片——地球和月球的合影。在一片漆黑的宇宙中，地球和月球呈现出两个新月状，孤独地相互陪伴。 经历了大约200天的飞行，天问一号终于接近目的地。在2021年2月5日，天问一号给我们带来了新年的礼物，那就是它拍摄的第一张火星照片。拍摄这张照片时，天问一号已经飞行了整整4.65亿公里，相当于地月距离的1200倍。在距离地球1.84亿公里、距离火星110万公里的位置上，它拍摄下了这张照片—— （图片说明：天问一号拍摄的火星照片） 从图片中，我们可以看到火星表面许多标志性的景观，比如 这两张图片的拍摄，离不开天问一号的眼睛，那就是光学导航敏感器。它可以通过分析它观测到的火星视直径判断和火星的距离、通过火星所在的位置判断自己的方向。正是光学导航敏感器指导着天问一号在宇宙中的航行，也帮助它拍摄了这两张照片。 （图片说明：天问一号上的光学导航敏感器） 不过，大家也注意到，我们平时看到的火星都是红色的，地球是蓝色的，为何在天问一号的照片里，所有天体都是黑白的呢？难道是我们和NASA拍摄照片的技术不同？ 太空拍照首先，我们要知道，在太空中拍照，和我们平时拍照有何区别，利用的是什么原理。 和我们的眼睛观测物体一样，这些设备拍照也是需要将天体发射或者反射的光子进行收集来成像的。不过，宇宙中的天体实在太远，所以能够被我们收集到的光子数量非常有限。 想要解决这个问题，有两种方法，第一种就是扩大望远镜的口径，或者相机的主镜头，收集到更多的光子。不过，限于人类的科学技术和可行性的要求，这些镜片的直径是有限的，所以还需要另一种方法来辅助。 第二种方法，那就是将各个波段的光统一起来。我们知道，所谓的白光其实可以分解成赤橙黄绿蓝靛紫七种颜色，我们的眼睛对不同的颜色有不同的感应，这就让我们能够分辨出五彩斑斓的世界。 对于太空探测设备来说，想要做到这一点也不是不可能，然而同样属于可见光，却要被分开成像，那就势必导致整个可见光波段的强度分散开来，每个颜色的波段的亮度都有所下降，这就会导致拍摄的照片相对较暗。 问题在于，通过正常的望远镜，我们就能够看出火星是什么颜色的。因此，在彩色的模糊照片和黑白的高清晰度照片中，科学家自然会选择后者，毕竟天问一号是去做科学研究的，而不是旅游拍照的，这样可以保证我们尽可能地获得更多的信息。 天文“照骗”那么问题来了：既然这样的方案最合理，为啥美国宇航局发布的天文图片都是色彩斑斓的呢？ 很简单，他们的图片都被P过…… 就像上面说的，我们是知道火星呈红色的，所以在获得火星照片后，完全可以通过图像处理技术加以着色、增加对比度等方式进行渲染，制作出一张彩色的照片。这样的处理有两个好处，其一是给观看者提供了最佳的视觉感受，便于向公众进行科普和宣传；其二是通过渲染可以强化不同的地形、地貌、宇宙结构、大气等，这样可以突出天体不同位置的不同特征。 以著名的哈勃太空望远镜为例，其口径为2.4米，是当今世界最强大的天文观测设备之一。实际上，它拍摄到的原始照片也是黑白的。其原理很简单，就是对某个区域的星空进行固定观测，将这个方向射来的光子进行成像，吸收光子比较多的位置就比较亮，少的地方就暗一点。 如果你没听懂，咱们可以做一个比喻—— 上图是北京城市的一张热力图，比较突出的红色表示高，相对不突出的绿色表示低。实际上，这个图的绘制原理就是某个区域出现一个人，就增加一点红色亮度，人数越多，红色就越明显。最终人数较少的区域，以绿色来表示。 同样的，天文观测设备拍摄到的照片中，有些区域收到的光子比较多，成像出来就比较亮，最终呈现在我们眼中的就是某颗恒星、星云或者某个地形；而有些区域收集到的光子比较少，成像出来就比较暗，我们就知道那里是宇宙深空或者是星球上的某个陨石坑。 就是利用这个原理，一张黑白图像就形成了。 另外像NASA的朱诺号木星探测器，也是一样的。它拍摄下来的照片都会经过NASA技术人员的挑选，然后上传到网络社区，征集一些图像处理高手来进行渲染，才有了我们看到的那些震撼人心的木星照片。 （图片说明：木星的绚丽色彩图像是由公民科学家渲染后的结果） 基础处理那么，天问一号拍摄的图片，就没有经过任何处理吗？ 也不是。 实际上，在收集火星或者是地球、月球反射的光子的同时，天问一号的相机也会收到一些来自于宇宙或者是太阳的高能粒子或辐射，它们也会成像在天问一号拍摄的图片中。这样一来，我们看到的原始图像就会有许多亮线，天文学上称之为噪音。同样的，哈勃望远镜拍摄的原始照片也是一样的，充满了噪音。 （图片说明：哈勃拍摄的创生之柱，左侧未去除噪音，右侧为处理过的图像） 处理这种噪音的方法很简单，那就是多拍几张照片，每一张都出现的亮区就是我们真正想要拍摄到的目标。那些偶尔出现的就是噪音，去掉就可以了。当然了，像天问一号传回来的照片，除了地球、火星和月球之外，全都被处理掉了，所以我们连背景的星星也看不见。 总之，一幅天文图片从拍摄到面向公众，会经历非常复杂的处理过程。我的PS能力有限，勉强给上了颜色，大概是这样的~ 如果你有兴趣，也有技术，不妨也给火星照片上个色，让这颗星球重新“火热”起来吧~ |
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