用黑白相機拍出色彩繽紛的宇宙

用黑白相機拍出色彩繽紛的宇宙 (原文來源)全國大學天文社聯盟    ・2022/04/30  ・2550字  ・閱讀時間約 5 分鐘

• 文／邵思齊，現就讀臺大地質科學系，著迷於大自然的鬼斧神工。
  

現代的人們生活在充滿明亮人造光源的城鎮中，難以想像純粹的夜空是什麼樣子。
對宇宙中天體的印象，多半來自各地天文台與太空望遠鏡所捕捉的絢麗星雲、星團、星系。
但這些影像中的顏色是真實的嗎？
如果我們能夠用肉眼看到這些天體，它們的顏色真能如影像中如此的五彩繽紛嗎？

#鄭國威知識長
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色彩的起源：為什麼人眼能看到顏色？電磁波跨越各種尺度的波段，
有波長遠小於 1 奈米的伽瑪射線，也有波長數百公里長的無線電波。
但人類眼睛中的的感光細胞僅能感測到波長介於 400-700 奈米之間的電磁波，
也就是僅有這段電磁波能夠以紅到紫的色彩出現在人類的視野當中，
所以我們對外界的認知就受限於這小一段稱為可見光（Visible Light）的視窗。
人之所以能夠辨識不同的顏色，靠的是人眼中的視錐細胞。
視錐細胞分成 S、M、L 三種，分別代表 short, medium, long，
其感測到的不同波長的光，大致可對應到藍色、綠色、紅色。

                               
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S、M、L 三種視錐細胞可以感測不同的顏色，後來的相機設計也以此為基礎。
圖／Wikipedia

肉眼可以，那相機呢？

在還沒有電子感光元件的時代，紀錄影像的方法是透過讓底片中的銀離子曝光、沖洗後，
變成不透光的金屬銀（負片），但這樣只能呈現出黑白影像。
於是，歷經長時間的研究與測試，有著三層感光層的彩色底片誕生了。
它的原理是在不同感光層之間加上遮色片，讓三層感光片能夠分別接收到各自顏色的光線。
最常使用的遮色片是藍、綠、紅三色。進入數位時代，
電子感光元件同樣遇到了只有明暗黑白、無法分辨色彩的問題，
但這次，因為感光元件無法透光，不能像底片一樣分層感光，
工程師們只好另闢蹊徑。

於是專為相機感光元件量身打造的拜爾濾色鏡（Bayer Filter）誕生了，
也就是由紅色、綠色、藍色三種方形濾光片相間排列成的馬賽克狀濾鏡，
每一格只會讓一種顏色通過，
如此一來，底下的感光元件就只會接收到一種顏色的光。
接著，再把相鄰的像素數值相互內插計算，就可以得到一張彩色影像。
由於人的視錐細胞對綠色特別敏感，
因此拜爾濾色鏡的設計中，綠色濾光片的數量是其他顏色的兩倍。

                               
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藍綠紅相間的拜爾綠色鏡，廣泛用於日常使用的彩色感光元件，
例如手機鏡頭、單眼相機等裝置。圖／Wikipedia


要怎麼讓每個像素都能獨立呈現接收到的光子，
而且還能夠完整得到顏色的資訊呢？
最好的方法就是在整塊感光元件前加上一塊單色的濾色鏡，
然後輪流更換不同的濾色鏡，一次只記錄一種顏色的強度。
然後，依照濾鏡的波段賦予影像顏色，進行疊合，
得到一張還原真實顏色的照片。如此一來，我們就能用較長的拍攝時間，
來換取最完整的資訊量。以天文研究來說，這種做法更加划算。

另外，由於視錐細胞並不是只對單一波長的光敏感，
而是能夠接收波長範圍大約數百奈米寬的光，因此若是要還原真實顏色的影像，
人們通常會使用寬頻濾鏡（Broadband filter），
也就是波段跨足數百奈米的濾鏡進行拍攝。

美麗之外？濾鏡的科學妙用雖然還原天體的真實顏色是個相當直覺的作法，
但既然我們有能力分開不同的顏色，當然就有各式各樣的應用方法。
當電子從高能階躍遷回到低能階，就會釋放能量，
也就是放出固定波長的電磁波。若是受到激發的元素不同，
電子躍遷時放出的電磁波波長也會隨之改變，呈現出不同顏色的光。

如果我們在拍攝時，可以只捕捉這些特定波長的光，那我們拍出的照片，
就代表著該元素在宇宙中的分佈位置。對天文學家來說，
這是相當重要的資訊。
因此，我們也常使用所謂的窄頻濾鏡（Narrowband filter），
只接收目標波段周圍數十甚至數個奈米寬的波長範圍。
常見的窄頻濾鏡有氫（H）、氦（He）、氮（N）、氧（O）、硫（S）等等。

有時候，按照原本的顏色疊合一組元素影像並不是那麼妥當，

例如 H-alpha（氫原子）和 N II（氮離子）這兩條譜線，

同樣都是波長 600 多奈米的紅色光，但如果按照它們原本的波長，

在合成影像時都用紅色表示，就很難分辨氫和氮的分布狀態。

這時候，天文學家們會按照各個元素之間的相對波長來配製顏色。

以底下的氣泡星雲（Bubble Nebula, NGC7635）為例， 波長比較長的 N II 會被調成紅色，相對短一點的 H-alpha 就會調成綠色， 而原本是綠色的 O III 氧離子則會被調成藍色。 如此一來，我們就可以相對輕鬆地在畫面中分辨各個元素出現的位置。 缺點是，如果我們真的用肉眼觀測這些天體， 看到的顏色就會跟圖中大不相同。

                               
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由哈伯太空望遠鏡拍攝的氣泡星雲，使用了三種波段的窄頻濾鏡。圖／NASA


(Hubble Sees a Star "Inflating" a Giant Bubble)

當然，這種人工配製顏色的方法也可以用來呈現可見光以外的電磁波，
例如紅外線、紫外線等。舉哈伯太空望遠鏡的代表作「創生之柱」為例，
他們使用了兩個近紅外線波段，比較長波的 F160W 在 1400~1700nm，
比較短的 F110W在900~1400nm，分別就被調成了黃色和藍色。
星點發出的紅外光穿越了創生之柱的塵埃，
與可見光疊合的影像比較，各有各的獨特之處。

                               
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三窄頻濾鏡疊合的可見光影像與兩近紅外線波段疊合的影像對比。圖／NASA

望遠鏡接收來自千萬光年外的天體光線， 一顆一顆的光子累積成影像上的點點像素， 經過科學家們的巧手，成為烙印在人們記憶中的壯麗影像。 有些天體按照他們原始的顏色重組，讓我們有如身歷其境， 親眼見證它們的存在；有些影像雖然經過調製， 並非原汁原味，卻調和了肉眼所不能見的波段， 讓我們得以一窺它們背後的故事。

(Quantic - Time Is The Enemy)(San Francisco 1906 (New Version) in Color)

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