Loading Posts...

Как работает Hubble

В течение последних 30 лет снимки космического телескопа Hubble подогрели интерес к исследованиям космоса и переформировали восприятие нашей Вселенной… Это достижение стало возможным только благодаря созданию альбома впечатляющих цветных фотографий.

Большой выбор светофильтров орбитального телескопа обеспечил возможность подчеркнуть как эстетичность астрономических объектов, так и научную значимость. Для того, чтобы продемонстрировать их в «настоящих цветах», приходится прикладывать большие усилия: иногда их излучение выходит далеко за рамки человеческого восприятия цвета — в инфракрасный и ультрафиолетовый диапазон. В результате снимки обсерватории Hubble можно назвать «супер-панхроматическими», а основным принципом при их создании является эстетика, подчеркивающая саму суть небесного объекта — в традициях, заложенных такими великими фотографами природы, как Энсель Эдамс (Ansel Adams).

За последние 30 лет множество снимков, сделанных космическим телескопом, появилось на первых страницах самых разных журналов. Складывается такое впечатление, что для некоторых он представляет собой что-то вроде украшения, но на самом деле большое количество людей тяжело работают для того, чтобы этот инструмент мог функционировать и делать такие фото.

Всю свою историю человечество пыталось изображать то, что видело. В каньоне Чако авторами петроглифов была предположительно запечатлена Сверхновая 1054 г., на гобелене в Байо — комета Галлея, наблюдавшаяся в 1066 г. и, как тогда считалось, предсказавшая вторжение врага (в одном из журналов надпись перевели как «смотрите, какая штука на небе»). Кольца Сатурна зарисовывали многие астрономы-наблюдатели в XVII веке, в частности, Христиан Гюйгенс. Можно ли было тогда представить, что через 345 лет мы увидим эту планету во всех подробностях «глазами» миссии Cassini, а аппарат Huygens, названный именем ученого, совершит посадку на Титан?

Затем появилась фотография. Среди первых снимков можно найти, например, изображение Большой Туманности Ориона, сделанное Эндрю Коммоном (Andrew Ainslie Common) в 1883 г. В 70-х годах прошлого века астрономы-профессионалы (и даже любители) довели процесс аналоговой фотографии до совершенства, обрабатывая фотопластинки таким образом, чтобы «вытягивать» из них максимальное количество деталей. А сейчас это кажется таким простым с использованием различных компьютерных программ…

Hubble делает снимки не только с удивительной резкостью, но и в широком диапазоне электромагнитного излучения — это можно называть «суперпанхроматическим изображением», в котором присутствует не только видимый, но также инфракрасный и ультрафиолетовый спектральный диапазон. Цвета могут многое рассказать о звездах, об эмиссионных туманностях, о молодых звездных скоплениях. Разные оттенки цветов на хаббловском снимке туманности Киля говорят о различных свойствах пыли и газа, формирующих ее.

Читать:  Ледяные нейтрино

Иногда фотографии демонстрируют события, происходящие буквально на наших глазах — как на изображениях сталкивающихся галактик, где видны яркие области звездообразования. Основным принципом, которым мы руководствуемся при работе с фотографиями, является принцип Карла Сагана: «Если физики просят 10 или 15 миллиардов долларов, чтобы построить машину, у которой нет никакого практического применения, по крайней мере, они должны приложить серьезные усилия к рисованию красивых графиков и придумыванию метафор, чтобы обосновать свои запросы».

Так, например, Giotto — очень успешная европейская миссия к комете Галлея — в марте 1986 г. передала на Землю цветные снимки кометного ядра. Но в прессу сначала попало «неудачное» изображение, показывавшее яркость отдельных участков кометы в условных цветах. Оно ничего не говорило неспециалистам и даже расстроило премьер-министра Маргарет Тэтчер, что потом сказалось на финансировании Европейского Космического Агентства…

Так что, если ваша стоящая миллиарды долларов миссия не может предъявить хорошие снимки — у вас могут начаться проблемы. Лучшие снимки телескопа Hubble не просто показывают, как выглядят астрономические объекты — они отражают саму сущность этих объектов.

Лучшие снимки рассказывают целые истории. Но с помощью космического телескопа мы искали самые зрелищные объекты Вселенной, чтобы позже опубликовать их фотографии в медиа. Каждые несколько лет к нему летали шаттлы, доставляя новые, более совершенные камеры, чтобы улучшать качество его наблюдений. Затем в 2002 г. мы выбрали самые лучшие «хаббловские» снимки, которые к тому моменту уже стали легендарными, и разместили их на первой странице New York Times.

Несколько слов о том, как были сделаны эти снимки. В фокальной плоскости телескопа расположены его приборы и камеры. Большинство лучших фотографий были получены Камерой широкого поля (WFC) и Камерой для специальных исследований. Третья версия WFC с 16-мегапиксельной матрицей может делать снимки в визуальном, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне. При этом используются разнообразные фильтры, формирующие хорошо известную цветовую палитру. И когда мы делаем такие фотографии, возникает вопрос: а как же сочетать снимки, полученные через отдельные фильтры, в одно многоцветное изображение?

У нас в STScI есть два обработчика снимков, использующие программу Adobe Photoshop. Когда мы говорим об этой программе, общественность всегда думает, что речь идет о каких-то трюках и фокусах. Но на самом деле это очень мощный инструмент для обработки изображений, и если хорошо знать его возможности — можно делать исключительные вещи.

Читать:  Теория расширения Вселенной и законы Хаббла

Необходимо рассказать о том, как мы компонуем снимки. Hubble не имеет цветной пленки — матрица монохромная, и мы используем все ее 16 мегапикселей, чтобы получать изображение через различные фильтры. Один из первых этапов обработки — удаление помех от космических лучей, которые, словно снег, покрывают все исходные снимки. Простейший способ избавиться от них — сделать второй снимок. Затем мы получаем три изображения через три широкополосных фильтра (красный, зеленый и синий) и комбинируем их в одно, в «естественных» цветах. Кроме этого, нужно еще «вычистить» снимок от прочих помех, связанных, например, с недостатками самой матрицы. Затем мы можем сделать несколько экспозиций — коротких и длинных, чтобы показать области, сильно отличающиеся по яркости.

Далее, если мы использовали узкополосные фильтры для выделения спектральных линий излучения различных химических элементов (таких, как азот, водород и кислород), каждому изображению присваивается свой условный цвет, и из них снова комбинируется общий снимок.

У Камеры широкого поля WFC2 отсутствовал фрагмент матрицы, что приводило к необходимости делать составные снимки некоторых объектов.

Но в случае знаменитых Столпов Творения получилось очень впечатляюще. Этот снимок стал совершенной классикой и был растиражирован в огромных количествах. В данном случае отлично видно, что свет средней длины волны вполне можно обозначать зеленым. Потом мы обнаружили, что некоторые люди использовали Photoshop, чтобы выровнять снимок, сделать его прямоугольным. И, хоть это и не соответствовало действительности, вышло у них неплохо.

Затем мы вернулись к нашему классическому снимку, полученному в 1995 г., и сделали еще один снимок новой Камерой широкого поля WFC 3 в 2014 г. Потребовалось 5 лет активного продвижения этой идеи, чтобы получить необходимое наблюдательное время и произвести экспозицию. Это изображение попало в СМИ, его увидел почти миллиард человек, и потому оно остается одной из самых популярных фотографий космоса всех времен, сделанной телескопом Hubble.

Мы пошли даже дальше, сделав снимок только в инфракрасном диапазоне. На нем прекрасно видны звезды, прячущиеся в пылевых столбах на фоне светящихся облаков водорода. Что интересно: при сравнении новых снимков со старыми, за 1995 г., мы увидели небольшие изменения в реактивных струях (джетах), которые выбрасывают новорожденные звезды.

Читать:  ФБР закрыло обсерваторию

Используя панхроматическое многодиапазонное кодирование цветом, применяя различные фильтры и обрабатывая изображения особым образом, удалось, например, выделить разные поколения звезд в скоплении ω Центавра, области звездообразования в галактике М83.

Иногда цвета демонстрируют результаты различных исследований: например, рентгеновский диапазон обсерватории Chandra охватывает излучение с самыми короткими длинами волн и показан синим цветом, визуальный диапазон (Hubble) — зеленый — соответствует средним длинам волн, а инфракрасный диапазон от обсерватории Spitzer изображен красным. Таким образом, по цвету можно сказать, какое излучение присутствует в том или ином месте снимка. Иногда такие эксперименты удаются, иногда — нет.

Кроме того, Hubble участвует в наблюдениях темной материи — вернее, косвенных признаков, показывающих ее присутствие на снимках столкновений далеких скоплений галактик. Методом гравитационного линзирования определяют положение концентраций темной материи, а распределение горячего газа в скоплениях видно на рентгеновских снимках. Итоговый цветной снимок показывает отличия в конфигурации газа и темной материи, появляющиеся при столкновении галактических скоплений. Когда Hubble только начал работать, его главное зеркало давало нерезкие изображения — это хорошо заметно на первом снимке Юпитера. Кроме того, планета выглядела зеленой — не такой, какой она, как известно, видна в телескоп. Такой цвет казался неправильным, и с этим пришлось что-то делать, самостоятельно устанавливать цветовую гамму.

Появилась также интересная дилемма: на фотографиях самых далеких галактик присутствовали объекты со столь большим красным смещением, что они выглядели красноватыми. Но в молодых галактиках ранней Вселенной должно быть множество горячих голубых звезд. И как это показать широкой публике? В итоге решено было изображать такие галактики… белыми! Конечно, это не совсем правильно…

Но одна из самых больших трудностей возникла при попытке показать комету Siding Spring, когда она находилась на небе недалеко от Марса. К сожалению, Hubble имеет небольшое поле зрения, поэтому пришлось сделать монтаж: взять отдельные фотографии кометы и Марса, сделанные через два фильтра, и вмонтировать на фоне той области неба, где они в тот момент находились. Таким образом, наш снимок смог рассказать целую историю о самом тесном сближении кометы с планетой Солнечной системы за всю историю наблюдательной астрономии.

Подписывайтесь на наши каналы в Яндекс Дзен и Телеграмм
Подписаться
Уведомление о
guest
0 комментариев
Inline Feedbacks
View all comments
Loading Posts...