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如何給天體拍個照片?

http://finance.sina.com   2020年05月15日 18:00   北京同乐城国际线址網

  來源:中科院高能所

  作者| NASA

  譯者| Paradox

  拍攝照片也許是天文學家觀察來自宇宙中天體最直接也是最熟悉的方式。如圖1所示的兩個圖像有一個共同點:它們是通過可見光拍攝下來的圖像——這些也是我們的眼睛可以直接看到的物體(對於圖1中的星系來說,是我們要通過望遠鏡的輔助才能看到)。

  圖1.這是兩個內容非常不同的圖像.上圖是斑點狗的圖像,下圖是星系的圖像.(圖片來源: NASA's Imagine the Universe/Whitlock; NASA/STScI)

  事實上不需要侷限於我們肉眼可見的可見光,我們可以用任何能量的光去拍給物體照片,只需要把眼睛的任務交給正確的"探測器"就能拍下你想要的照片。比如說,我們想要拍攝一隻鸚鵡的紅外圖像,我們可以用紅外攝像機去拍攝。如果將那隻鸚鵡的光學照片與紅外照片進行比較,我們將看到如圖2所示的內容:

  圖2.一隻鸚鵡在可見光照片(上)和紅外光中的照片(下).鸚鵡翅膀下面的區域在紅外線下非常明亮, 紅外向我們顯示了溫暖或高溫的地方.鸚鵡翅膀下面的羽毛很細,所以鸚鵡身上絕大多數的熱量從那裏散失了.(圖片來源: NASA/IPAC via the Cool Cosmos site)

  圖2的紅外圖像顯示瞭如果我們的眼睛對紅外光而不是對可見光敏感,我們看到的世界是怎樣的。來自我們身體(和鸚鵡的身體)的熱量以紅外光的形式發出。鸚鵡是溫血動物,因此會自己產生熱量,使自己比周圍的環境溫暖得多。從上圖可以看出,鸚鵡在紅外光下比周圍的環境要亮得多。

  天文學家給天體拍照片也是如同拍鸚鵡一樣做同樣的事情。他們可以使用射電,紅外線,可見光,紫外線,X射線和γ射線的探測器作爲照相機來拍攝恆星,星系和其他宇宙中天體的照片。

  拍攝照片或者說繪製圖像只是天文學家利用光線研究宇宙的一種方式。大多數圖像會直觀地顯示出天體在空間中的亮度,即有多少光子來自空間中的特定位置。除了亮度這一圖像屬性,科學家還關注圖像的大小和分辨率。從亮度的角度來看,亮度可以讓天文學家瞭解天體的能量產生情況,然後有可能弄清楚天體如何產生這種能量(可以參考1.3節內容)。從大小的角度來看,如果在已知探測器使用的放大倍數的前提下,就可以瞭解天體的物理尺度。從分辨率方面上來看,這項屬性對應着探測器的分辨能力,就是天文望遠鏡分辨出天空中相隔一個小的角距的兩個天體的能力(換句話說,如果望遠鏡的分辨率高的話,兩個天體距離越近,望遠鏡仍然能把它們分辨出來。擁有更高的分辨率的望遠鏡不止可以讓我們確定觀測的對象是否是兩顆彼此靠近的恆星,還是一顆恆星。甚至可以幫助我們分辨出行星是否具有環的結構(比如土星有土星環)。

  那天文學家需要怎樣的圖片呢?科學家希望擁有儘可能大和儘可能高分辨率的圖像。下面我們會用具體的例子解釋像的大小和分辨率這兩種屬性。

  圖3.所顯示的同一幅圖像具有三種不同的尺寸(從上到下),下面圖像是上面圖像邊長(或者在屏幕上來說是像素)的10倍.原始圖像是保羅·塞尚(Paul Cezanne)的《保羅·塞尚的爸爸在看報》(The Artist's Father, Reading).

  在圖4中,相同的圖像以3種不同的尺寸顯示。中間的圖像比上側的圖像大10倍,下邊的圖像比中間的圖像大10倍。所以圖像的大小很重要!使用上側的小圖像,我們不知道正在看什麼。但是,我們可以確定圖像裏有什麼"東西"在那裏。中間的圖像也非常小使我們幾乎無法從圖片中分辨出那個"東西"。下邊的圖像使我們能夠分辨出那個人,並且看到到他在讀報紙。所以說天文學家需要一個能夠產生大尺寸圖像的探測器。尺寸只是整個"圖像"屬性的一方面,圖像的分辨率同樣十分重要。

  圖4.顯示的同一張圖片具有兩種不同的分辨率.下圖的空間分辨率是上圖的9倍(每張圖的分辨率是,但是上圖將每81個像素點合成了一個大的"馬賽克"像素點).原始圖像是保羅·塞尚(Paul Cezanne)的《保羅·塞尚的爸爸在看報》(The Artist's Father, Reading).

  圖以相同的尺寸顯示了2張分辨率的相同圖像。下面圖像的空間分辨率是上面圖像的9倍。對天文學家來說,探測器的空間分辨率越大越好——分辨率越大,我們看到的細節越多,可以提取的信息也越多。[譯者注:但是我們不能簡單的認爲我們的探測器需要的像素越小越好越多越好,這樣塞下更大的傳感器後就可以拍出更好的照片。很多時候探測器設計要考量成本,像素的增多會帶來信號噪點消除和電子學設計等問題,這些也會成爲我們採用這種像素探測器方案的阻礙。此外不同波長的光的分辨能力也有區別。因爲光具有波動性會發生衍射,像不再是理想的幾何點像,而是有一定大小的光斑——愛裏斑(Airy Disk)。光波長爲,對於直徑爲口徑的望遠鏡的可分辨極限爲——這是我們常說的瑞利判據(Rayleigh Criterion)。如果像素尺寸遠小於望遠鏡的分辨極限也不會提高成像質量]。

  對天文學家來說,在不同波段下觀察同一天體非常重要的,天文學家可以從不同波長的光提取出關於該天體的獨特信息。天文學家通過研究這些圖像並與根據理論建立的模型進行比對後,可以看到該天體實際的"全貌"。

  圖5.在不同波段下,蟹狀星雲的樣子。射電圖像(左上方)顯示自由電子與磁場相互作用的位置,光學圖像(右上方)顯示星雲中氫的位置,紫外圖像(左下方)說明了來自較冷的電子的輻射,而X射線圖像(右下方)則反映了來自非常熱的電子的輻射.(圖片來源: Radio from NRAO; visible from Malin/Pasachoff/Caltech; ultraviolet from Hennessy et al, 1992, ApJL; X-ray from CXC.)

  上圖顯示了蟹狀星雲的四幅圖像。射電圖像會提供星雲中的磁場分佈和自由電子運動的信息。光學圖像講述了星雲中的氫原子和在脈衝星磁場中自由電子的運動信息。紫外線圖像會提供較冷(能量較低)電子的信息;而X射線圖像會提供來自星雲坍塌中心的熱電子的信息。[譯者注:除了光學圖像之外,天文圖像的顏色是後期添加上去的。比如處理星系與星雲的紅外圖像時,將取自紅外光譜不同波段的原始灰度數據變成彩色的可見圖像,通常的做法是利用Photoshop中的紅、綠、藍色圖層來精確對應不同的紅外光譜波段然後疊加而成。天文學家將觀測數據可視化,甚至會將不同波段的圖像疊加在一起爲大衆呈現出來。不只是天文照片,部分顯微圖像也是科學家經過圖像處理後得出的,比如掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)的電鏡照片,研究人員會使用Photoshop給照片上色(電鏡僞彩),方便我們識別區分圖像中不同部分和結構]。

  在1.4節中提到了天文學家可以使用不同波段的光去觀察天體。這表明了人們瞭解宇宙的方式已經不僅僅侷限於在可見光天文學,而相繼發展的射電天文學、紅外天文學、紫外天文學、X射線天文學和γ射線天文學實現了對天體輻射觀測的全波段覆蓋,誕生了多波段天文學,人類對宇宙的認識也進入了一個新的階段。這些內容我會留在第2章爲讀者介紹,請各位讀者繼續關注這個翻譯專欄,感謝大家的閱讀。

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