天文學家都是PS高手
我們常常為浩瀚壯美的宇宙而讚歎傾倒。透過哈勃太空望遠鏡傳回的圖像，那一個個遙遠的星系、一簇簇奇幻的星雲，無不散發出迷人的色彩。
比如，在距離我們4000光年外，有一個大小約4光年的瀉湖星雲，由於其中正在孕育著眾多新恆星而被稱為恆星的搖籃。我們看到科學家公佈的照片是這樣的：
瀉湖星雲可見光照片
但是你知道嗎？科學家們用哈勃望遠鏡拍不出這樣的美麗圖片，哈勃空間望遠鏡上的圖像傳感器是黑白的，並且它上面只有黑白傳感器，壓根兒沒有彩色圖像傳感器！上面這張照片實際上是由一組黑白照片組合、疊加、PS而成的：
瀉湖星雲的黑白原片，左上角是濾鏡編號
把黑白照片PS成彩色照片，原來天文學家“騙”了我們幾十年！不可思議吧？
其實除了這些照片外，哈勃還拍下了這個星雲中一些特別的東西，天文學家們沒有將它們公開，所以我們也無法一窺究竟，比如下面這張瀉湖星雲的紅外圖片（注意，這張也是PS過的，加上了彩色）：
瀉湖星雲紅外圖片
將這張圖片與可見光照片放在一起對比，是不是有很大的差異？不說這就是瀉湖星雲，或許你會以為這是兩個不同的地方：
瀉湖星雲與紅外照片
重新認識哈勃太空望遠鏡
為了搞清楚天文學家們到底是不是一群騙子，我們需要重新認識哈勃——這臺史上最昂貴的空間望遠鏡。
最早的天文學家們拿一支細小的單筒望遠鏡來看星星，隨著科技的進步，望遠鏡越造越大，架設得越來越高，但始終跳不出厚重的大氣層，天文觀測數百年來大多處於霧裡觀花的狀態。
望遠鏡的發展
為了避免不良天氣、光汙染、空氣對光波的吸收，以及大氣湍流對太空觀測帶來的不利影響，美國航天局NASA與歐洲航天局ESA合作研製了哈勃空間望遠鏡HST（Hubble Space Telescope）。在1990年發射升空以來的29年裡，它從一個全新的視角為我們揭開了宇宙的面紗。
哈勃空間望遠鏡
從主鏡面直徑來看，哈勃並不是地球上最大的望遠鏡，它的鏡面直徑只有2.4米，但卻是有史以來“站”的最高、最精密的太空觀測設備。
製造完成的哈勃主鏡，中間的孔被封住了
哈勃搭載了先進的測量相機（ACS）、宇宙起源光譜儀（COS）、太空望遠鏡成像光譜儀（STIS）、廣角相機3（WFC3）、精細引導傳感器（FGS）、近紅外照相機和多目標光譜儀（NICMOS）、廣角/行星攝像機（WF / PC1）、微弱物體光譜儀（FOS）、戈達德高分辨率光譜儀（GHRS）等等一系列複雜的光譜分析測量設備。這些設備與地面設備一起，足以組成一個功能完善的天文臺。
哈勃結構和設備簡圖
但哈勃所有收集到的光線統統匯聚到一個巴掌大小的圖像感應器上，這個傳感器是黑白組件：
哈勃ACS WFC CCD圖像傳感器
對光譜的分析
你肯定感到好奇，為什麼如此先進的空間望遠鏡不用彩色相機而用黑白圖像傳感器，難道是當時造不出好的彩色傳感器嗎？
並非如此。事實上，對於天文觀測來說，黑白圖像比彩色更好用。我們接下來為你分析哈勃的工作原理。
與我們普羅大眾不同，天文學家、天體物理學家和天體化學家們希望揭示遙遠天體的運行規律、它們的元素組成以及化學成分、尋找氧氣、水、有機化合物甚至外星生命存在的依據。科學家們掌握的一個有力工具就是光譜。
原子中的電子只能以一定的能級存在。當電子從原子能級的一個梯級下降到另一梯級時，會發射出一個光子，其能量與電子能量的變化相匹配。不同的元素在其能量階梯上的不同位置具有橫檔，它反映出來的就是這種元素的光譜。
光譜反應元素的能量階梯
由於每一層電子在不同的能級上會發出不同波長的光，因此不同元素會有各自特定的光譜，我們通過對光譜線的分析就可以知道發光的是哪一種元素。比如太空中最常見的碳、氧、氮和鐵元素，它們所發出的光譜就各不相同。
碳氧氮鐵的發射光譜各不相同
與之相對應，每一種元素也有它的吸收光譜，比如當恆星的光從一團富含氫元素的雲團中穿過時，其中一部分光會被氫吸收，科學家通過分析接收到的光譜信號，就可以判斷某個位置有大量的氫。
發射譜線與吸收譜線
哈勃為什麼用黑白相機？
鑑於哈勃望遠鏡主要是通過接收光譜線來分析遙遠天體的組成，而光譜的本射就反映出色彩，因此彩色傳感器對於哈勃來說就顯得多餘。另外，哈勃上搭載的光譜分析設備遠遠超出了我們人眼所能看到的色域範圍，它涵蓋了從極紫外線到遠紅外線波段在內的廣闊頻譜。有許多光肉眼看不見，但設備可以精確地分辨出來。
哈勃覆蓋的所有光譜範圍
為了將複雜的光譜從圖像上區分開來，科學家在圖像傳感器前面加上了許多複雜的濾鏡，這些濾鏡可以分別過濾掉不需要的光線，只讓某一個波段頻率的光投射到CCD傳感器上形成圖像。
綠色濾鏡只讓綠色波長光線通過
然後再換另一個濾鏡拍攝一張，如此循環，這樣就能得到不同光譜在同一個區域所形成的圖像光譜。
光譜儀原理
外行看熱鬧內行看門道。與公眾不同，當天文學家拿到一組哈勃望遠鏡拍攝的黑白圖片，他只需要知道這是用了哪一種濾鏡和光柵，就可以分析出遙遠天體發出光線中包含的具體信息，從而知道這些天體中有些什麼元素、天體的變化趨勢以及天體的運動方向。
發射光譜與吸收光譜
下面這張圖說明了科學家如何使用哈勃太空望遠鏡的光譜觀測來研究南部蟹狀星雲的化學組成：一對衰老恆星強烈爆發產生了沙漏狀的星雲，其中包含了中央恆星內部鍛造的元素，這些元素被強烈的爆炸拋灑到太空並被明亮恆星發出的輻射激發，發出特定顏色（或波長）的光。哈勃太空望遠鏡成像光譜儀（STIS）將來自星雲的光分開，記錄到氧、氫、氮和硫的發射光譜和它們在星雲中的分佈方式。這不僅有助於我們更好地瞭解星雲中心的兩顆恆星的性質，還可以據此分析星雲中後代的恆星、行星元素組成，以及是否有可能產生生命。
從南蟹狀星雲發射光譜中找到四種元素
同樣地，當系外行星穿過其母恆星光線時，恆星的一部分光會被行星的大氣層吸收。通過分析被吸收的光譜，我們可以得到行星大氣層中可能含有的化學物質及其所佔的比例，這為判斷行星上是否存在可能支持生命的元素提供了可靠依據。
通過吸收光譜判斷行星大氣成份
例如，科學家通過利用哈勃太空望遠鏡對系外行星WASP-39b的大氣吸收光譜進行分析後發現，這顆被稱為“熱土星”的行星含有的水是土星的三倍。它說明WASP-39b不僅遠離恆星形成，還有可能受到大量含水物質的轟炸。
對WASP-39b的綜合吸收光譜分析發現大量水
為什麼公開的都是彩色照片？
通過上面的分析，我們可以知道，黑白照片對於天文學家來說更有價值。事實上，天文學、天體物理學遠不如我們想象的那麼浪漫。科學家們看星星與公眾的視角顯然有巨大的差異，為了探索宇宙的奧秘，他們需要長年與單調的圖像和枯燥的圖表打交道，星空對於他們來說就是黑白的本色。
天文學家可以從中得到有價值的信息
彩色的星空照片對於公眾更有吸引力，哪怕它展現出來的顏色並不完全真實，也總比單調的黑白圖像帶來更多震撼與嚮往。為了讓更多的人關注太空探索事業、讓孩子們熱愛科學迷上科學，也為項目爭取到更多的投資支持，科學家們會將這些黑白照片加以處理，疊加上相應波長的顏色，再將不同顏色的圖片用計算機進行合併，於是生成了我們常見的絢麗的宇宙圖像。
氣泡星雲的光譜圖像疊加結果
蟹狀星雲是這樣PS出來的
寫在最後：
哈勃太空望遠鏡拍攝到的全是黑白圖像，因為它的圖像傳感器ACS WFC CCD就是黑白的。這並不表示ACS WFC CCD很落後，恰恰相反，這是一臺極為先進的光學傳感器，它接收的頻譜範圍覆蓋了從遠紅外線到極紫外線在內的所有波段，這為天文分析打下了堅實基礎。
科學家通過濾鏡和光柵將望遠鏡接收到的星光區分開來，分別對不同波長的光進行成像，從而得出遙遠天體的化學組成信息，同時對天體的運動狀態進行分析。對於科學家而言，代表不同波長的黑白圖像更加有用。
公眾看不懂黑白圖像和大量數據背後蘊含的信息，他們更喜歡彩色圖片，因此科學家利用PS技術為不同波長的光加上顏色，更將圖片進行疊加，從而生成彩色圖像，這就是你看到的燦爛星空。
燦爛星空
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