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为什么大多数太空图像中没有星星?

2022年01月13日 奇闻轶事 暂无评论 阅读 79 次

Emily Lakdawalla • 

为什么像冥王星这样光线昏暗的世界在太空照片中看起来如此明亮?

在行星协会,我们一直有几个问题。晚上从黑暗的地方仰望太空,你可以看到无数的星星。那么,为什么太空中事物的照片中没有星星呢?嫦娥的照片里,月亮的黑色天空怎么没有星星?

答案:星星就在那里,只是太微弱而无法出现。

我可以用日常生活中的例子来说明。我敢肯定,阅读这篇文章的每个人都犯了一个错误,即拍摄了一张站在明亮窗户前的亲人的照片。在您的照片中,您只能看到一个剪影;你的主体的脸是一个几乎没有特征的阴影。当然,他们的脸仍然存在!只是光线不够亮,无法出现在照片中。

可能使您的随意快照看起来很糟糕的相同问题也会影响空间图像。让我们谈谈影响您在任何照片中看到的细节的三件事,无论是一颗恒星、一颗行星还是一个人:相机的灵敏度、相机收集光线的时间以及您的动态范围相机。

你的相机有多灵敏?

你的相机需要多少光才能看到?花哨的相机可以通过打开和关闭让光线进入的光圈来调整灵敏度。人的眼睛总是自动地做同样的事情,通过扩张和收缩他们的瞳孔。如果你是一个视力正常的人,从明亮的户外区域走到黑暗的户外区域,你也不会看到天空中的星星,至少不会马上看到。当你的眼睛通过张开瞳孔来提高敏感度时,你会慢慢注意到越来越暗的星星。

大多数太空相机实际上无法以这种方式调整光圈。相反,科学家预测相机在其任务中将遇到的光照水平,并设计他们的仪器,使其具有适合他们预期遇到的目标范围的孔径。如果您的航天器会遇到范围广泛的目标亮度,这可能是一个挑战,但是您可以让您的相机在预期的科学目标上工作,并且如果它不适合您可能在途中拍摄的任何有趣的临时演员,请不要担心. OSIRIS-REx 的 MapCam 旨在研究一颗非常暗色调的小行星的颜色.

来自 OSIRIS-REx MapCam 的地球
来自 OSIRIS-REX MAPCAM 的地球 OSIRIS-REX于 2017 年 9 月 22 日飞过地球,不久后拍摄了这张照片。太平洋几乎覆盖了整个可见的地球。太阳几乎在宇宙飞船的后面,靠近视图中心的海洋上的一个明亮区域是水面的镜面反射。该图像是通过红外、绿色和蓝色滤镜拍摄的三张照片的合成,曝光时间为 1.5 毫秒。使用红外滤光片会使原本呈绿色的土地变为红色。顶部的“冰柱”是由探测器读出寄存器渗漏引起的,这种渗漏发生在近距离观察明亮行星所需的非常短的曝光时间内。图片:NASA / GSFC / UA / Björn Jónsson

但是 Bennu 的 MapCam 图像看起来不错,因为这是 MapCam 设计用来拍摄的。(请注意,在这些图像中,您都看不到世界周围黑色空间中的星星。)

来自南方的贝努,2018 年 12 月 17 日
来自南方的本努,2018 年 12 月 17 日这张照片是由 OSIRIS-REx 的 MapCam 成像仪于 2018 年 12 月 17 日拍摄的,当时航天器在任务对小行星的初步调查期间在本努的南极下方飞行。这张照片的曝光时间为 9.3 毫秒,是在航天器离开小行星时从大约 12 公里的距离拍摄的。图片:NASA / GSFC / UA

您的相机必须收集多长时间的光线?

与较短的曝光相比,较长的曝光收集更多的光 - 有助于检测更微弱的事物。人类视觉中的曝光设置没有真正的等价物——当我们长时间盯着某物时,我们会注意到更多,但这并不完全相同。充满星星的夜空照片需要长时间曝光,通常需要几分钟——相机需要很长时间才能检测到足够多的光子才能看到美丽的景色。短曝光不会捕捉到星星。下面的照片是一分钟的曝光。山上看似阳光的东西,其实是月光。

优胜美地国家公园冰川点上空的银河
优胜美地国家公园冰川点上方的银河系 优胜美地国家公园冰川点上方的银河系。月光仍然照亮半穹顶和远处的高山。虽然银河系的颜色只有在长时间曝光的照片中才能看到,但如果你花时间看的话,大部分细节都是肉眼可见的。图片:泰勒诺格伦

阿波罗宇航员的照片被曝光为明亮的阳光照射的月球表面和白色的太空服。这些曝光时间太短,无法探测到天空中的星星。

阿波罗 15 号指挥官大卫斯科特在 ALSEP 站
阿波罗 15 号指挥官大卫斯科特在 ALSEP 站任务指挥官大卫斯科特部署阿波罗月球表面实验包 (ALSEP) 的仪器。图片:美国国家航空航天局

太空相机可以允许非常广泛的曝光设置。例如,New Horizo​​ ns的LORRI相机可以拍摄曝光时间短至1毫秒和长达30秒的图像。他们在飞越木星时使用了最短曝光设置,木星离太阳更近,比冥王星亮得多。他们对最微弱的目标——柯伊伯带中的遥远世界——使用最长的曝光时间。

顺便说一句,这回答了我们关于太空图像的另一个常见问题:相机如何看到距离太阳这么远的地方拍照,那里的光线相对暗淡?答案是:我们会发送敏感相机,并在必要时进行长时间曝光。海王星的航海者 2 号提供了一个很好的例子,说明当我们发送一个不够灵敏的相机时会发生什么。它专为木星和土星设计,在海王星相对黑暗的环境中很难看到。

航海者 2 号对海王星卫星变形虫的最佳成像
航海者 2 号对海王星卫星变形的最佳成像航海者 2 号的相机是为木星和土星的光照水平而设计的,因此他们努力收集足够的光线来观察天王星和海王星,尤其是在对小卫星等黑暗目标进行成像时。这些是航海者 2 号为 Proteus 拍摄的最佳图像。左上图是通过透明滤镜拍摄的,曝光时间为 3.84 秒。其他三个通过彩色滤光片(从右上角顺时针:紫色、绿色和蓝色)拍摄的小照片需要 15.36 秒的曝光时间,其中两个在很长一段时间内因航天器运动而变得模糊。右边是通过透明滤镜拍摄的,曝光时间为 1.92 秒;它不是模糊的,但光线水平太低(相机的暗电流太亮)以至于很难看到细节。图片:NASA / JPL

您的相机的动态范围是多少?

您的相机是否能够在同一张图像中同时看到光线昏暗和光线充足的物体?或者它的光收集能力会在它有时间检测到来自较暗物体的任何光线之前迅速被较亮的物体所淹没?这是我们的眼睛通常比我们的相机做得更好的地方。当我看到一个朋友坐在窗前时,我可以很好地看到他们的脸,因为我的眼睛能够辨别阴影和阳光下的细节。这部分是因为当我看一个场景时我的眼睛不是静止的。我的眼睛不停地转来转去,看窗外,看室内,看朋友的脸,每次都调整焦距和光圈。我的大脑构建了所有这些信息的复合体,使我脑海中的视图比我肉眼的任何瞬时视图都更加详细。

但是等等——现代数码相机有一个模仿人眼和大脑行为的技巧。使用我的手机摄像头,我可以打开一个名为“HDR”的功能,它代表高动态范围。当我在 HDR 模式下拍摄照片时,手机实际上会拍摄两张照片(一张曝光时间较长,一张曝光时间较短)并将两张照片中曝光最佳的部分合并,以显示窗外和朋友功能中的细节。

太空相机通常具有比消费相机更高的动态范围,因此能够在同一图像中记录相对微弱和明亮的事物。很难看出空间图像的阴影中有多少细节,因为我们日常的数字显示器大多不具备如此高的动态范围。但是您可以在空间图像中使用亮度和对比度来揭示阴影中隐藏的细节。查看 Churyumov-Gerasimenko 彗星的 Rosetta OSIRIS 图像的两个不同对比度拉伸中可见的内容。这是同一张照片,由相同的数据制成,我刚刚告诉计算机以更高的亮度显示低像素值。

之前和之后:阴影 Churyumov-Gerasimenko 悬崖上的裂缝
之前和之后:阴影 Churyumov-Gerasimenko 悬崖上的裂缝
之前和之后:阴影 CHURYUMOV-GERASIMENKO 悬崖上的裂缝提高 OSIRIS 图像的亮度可以揭示阴影中的细节,只能间接照明。在这里,彗星头部的一些悬崖被发现至少有两组纵横交错的裂缝。图片:ESA / Rosetta / DLR / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA / Emily Lakdawalla

示例:新视野

让我们探讨一下曝光设置和其他因素如何使星星有时可见,而有时则不可见。让我们一起乘坐 New Horizo​​ ns,因为它使用 LORRI 相机拍摄具有不同内在亮度的目标,沿途捕捉一些星星。正如我之前提到的,LORRI 具有固定光圈和高动态范围,并且可以使用广泛的曝光设置。木星上最酷的目标之一是火山卫星 Io。这是新视野号接近木星系统时拍摄的 Io 的 LORRI 照片。这张照片使用了 4 毫秒的曝光时间。艾奥曝光良好,看不到星星。

New Horizo​​ ns的Io(曝光时间:4毫秒)
NEW Horizo​​ ns的Io (曝光时间:4毫秒) New Horizo​​ ns于2007年2月26日用其LORRI相机从286.5万公里的距离拍摄了这张Io的照片。图片:NASA / JHUAPL / SwRI

几秒钟后,LORRI 拍摄了另一张木卫一的照片,曝光时间更长:75 毫秒。Io 严重过度曝光,过度曝光的影响导致了一种称为“读出拖尾”的现象,即图像上的条纹效果。他们为什么要那样做?检查 Io 磁盘的边缘。你可以看到至少三个火山羽流从木卫一的表面喷发。在这种曝光设置下,羽流中可以看到丰富的细节。尽管如此,即使曝光时间比上面的 Io 图像长近 20 倍,我也不相信任何星星都是可见的。(我不确定艾奥右边的那个点是什么,但它是照片中唯一的一个,而且非常亮;我认为它可能是宇宙射线击中的。)

New Horizo​​ ns的Io(曝光时间:75毫秒)
来自新视野号的木卫一(曝光时间:75 毫秒) 2007 年 2 月 26 日在新视野号飞越木星期间拍摄的木卫一的长时间曝光图像。木卫一白天的阳光已经使新视野号 LORRI 相机的探测器饱和,导致照片上出现条纹。但是长时间的曝光揭示了活跃喷发的特瓦什塔尔火山伞状羽流中的可爱结构。在木卫一的夜晚可以看到两个或更多的其他羽流。图片:NASA / JHUAPL / SwRI

这是一组不同的 Io 图像。2天后的这个时候,艾奥已经绕木星移动并进入了木星的阴影。没有阳光照射到木卫一的表面。你会看到木卫一在黑暗中发光,被它炽热的火山羽流照亮。(您还会看到很多由杂散光引起的相机伪影——木卫一在日食中,但新视野号没有;木星的光反射到相机中,造成光的飞溅和明亮的背景。还有很多由高能粒子撞击探测器引起的绒毛——木星有很多这样的东西在四处飞舞。)想一想我们可以在全黑的日食中看到木卫一火山的炽热光芒是多么酷!需要更长的曝光时间,将近 8 秒,才能让 LORRI 看到艾奥火山的自发光。最后,我们有足够长的曝光时间来看到背景中的星星。事实上,我已经使用这些星星来对齐图像。在这个动画中,星星静止不动,而艾欧四处移动,新视野号调整了它的指向。

来自新视野的日食中的 Io
来自新视野的日食中的木卫一当新视野经过木星时,它看到木卫一进入木星的阴影。由于太阳被木卫一表面挡住,新视野号可以看到木卫一火山发出的光。这个 28 帧动画中的每张图像都需要 8 秒的曝光时间才能使热火山的微弱光芒可见。长时间曝光也使背景星星可见。这些图像中有许多伪影。照片上的大条纹和通常明亮的背景是杂散光进入 LORRI 镜筒的结果——阳光照射的木星离 LORRI 的视野不远,它明亮的云层将光线反射到相机光学系统中。还有很多来自高能粒子撞击探测器的“雪”。图片:

在这里:为了帮助你,我挑选了一些星星。专注,你可能会看到更多;我很确定动画的上部有很多较暗的部分。

来自 New Horizo​​ ns 的日食中的 Io(带注释)
来自 NEW HORIZO​​ NS 的日食中的 IO(带注释)当新视野号经过木星时,它看到艾欧进入木星的阴影。由于太阳被木卫一表面挡住,新视野号可以看到木卫一火山发出的光。这个 28 帧动画中的每张图像都需要 8 秒的曝光时间才能使热火山的微弱光芒可见。长时间曝光也使背景星星可见。在这个版本的动画中,较亮的星星用水平白线标记。这些图像中有许多伪影。照片上的大条纹和通常明亮的背景是杂散光进入 LORRI 镜筒的结果——阳光照射的木星离 LORRI 的视野不远,它明亮的云层将光线反射到相机光学系统中。还有很多来自高能粒子撞击探测器的“雪”。图片:NASA / JHUAPL / SwRI / Emily Lakdawalla

(冒着让事情变得过于复杂的风险,我要提一下,实际上,除了长时间曝光之外,新视野号还使用了第二个技巧,让微弱的东西在这些日食图像中更加明显。他们将数据合并在一起,平均在一起 4× 4 组像素,因此只返回 256 平方像素而不是 1024 像素的图像。通过对数据进行分箱,它们得到的像素减少了 16 倍,但它们使相机更加敏感,受随机噪声的影响更小。分箱数据也防止图像在长时间曝光期间因航天器运动而模糊。)

随着新视野号接近冥王星,恒星在相对较长的曝光时间中仍然可见。您仍然可以在这些接近动画中看到星星;下面,业余爱好者 Matthew Earl 使用星星对齐图像,揭示了冥王星和卡戎的时髦哑铃旋转。

New Horizo​​ ns的冥王星和卡戎光学导航图像在背景恒星上对齐
NEW HORIZO​​ NS的冥王星和CHARON的光学导航图像在背景恒星上对齐Matthew Earl 通过使用Python脚本自动将New Horizo​​ ns的光学导航图像与背景恒星对齐创建了这个动画。图片:NASA / JHUAPL / SwRI / Matthew Earl

所以下次你想知道为什么看不到星星时,不妨问一下:图像中的什么东西如此明亮以至于我看不到星星?

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