大約400年前，伽利略首次將望遠鏡對準星空。至此，仰望星空數千年的人類終于“睜開眼睛”看宇宙。但是，直到30年前，當哈勃太空望遠鏡沖出大氣層，來到地球上空，“近視”了400年的人類，終于“戴上眼鏡”，清晰地看到了這是一個怎樣的宇宙……
“睜眼看宇宙”
毫無疑問，哈勃太空望遠鏡是人類目前為止最成功的宇宙觀測設備。時至今日，服役達30年的哈勃太空望遠鏡拍攝了超過140萬張精美的宇宙圖片，每一次新照片的發布，都可以深深地震撼到我們。
（圖片說明：剛剛公布的哈勃升空30周年紀念照片）
自從有了哈勃太空望遠鏡，人類的觀測能力得到了大幅的提高。從此前可以觀測到僅僅70億光年，到現在134億光年的視野，人類看到了最原始的宇宙。由于擺脫了大氣的湍流和對宇宙射線的吸收，哈勃望遠鏡和任何一臺地基望遠鏡相比，在觀測能力方面都有至少10倍的優勢。
科學家告訴我們，哈勃太空望遠鏡的分辨率極高，形象地比喻一下：一個站在北京的人，如果有哈勃望遠鏡的分辨率，將能清晰地將紐約兩只距離不到3米的螢火蟲區分出來。
不僅如此，哈勃望遠鏡還有著比人眼更寬廣的電磁波接收范圍。除了可見光以外，它還能觀測到紫外線和一小段紅外線，大大地擴展了人類的視野。但是，想要借助哈勃望遠鏡來觀測宇宙，對人類來說并不是一件容易的事。
我們本不該看到的宇宙
就算哈勃望遠鏡能夠觀測、拍攝紫外線和近紅外波段，但在我們的肉眼還是什么也看不到的。這就像自然界本就有紫外光，但只有蜜蜂、蝴蝶等動物看得見，人類卻什么只能看見一片透明。可是，在哈勃望遠鏡傳回來的照片里，這些波段的宇宙圖景仍然可以生動地展現在我們眼前。
（圖片說明：人眼能夠感受的可見光僅僅占了電磁波極小的一部分）
可以想到：這里面一定有科學家“動了手腳”。
另外，我們也曾經介紹過：哈勃太空望遠鏡拍攝到的照片，其實都是黑白照。但是，我們能夠看到的，始終都是絢麗的彩色照片。
不論是超出可見光范圍的宇宙圖片，還是那些色彩絢爛的圖片，都是我們“本不該看到的宇宙”。沒錯，這些圖片都是科學家們精心修過的。那么，科學家們是怎么給哈勃望遠鏡傳回來的照片進行修圖的呢？今天，咱們來詳細講一講這個過程。
首先，就要從哈勃望遠鏡的原理說起。
哈勃望遠鏡的原理
哈勃雖然名叫望遠鏡，但是和傳統望遠鏡不同，因為人類是無法把眼睛放在目鏡上直接觀測宇宙的。因此，它觀測到的圖像，其實是以數據的形式傳回到地面的。當光子或者其他一些特定的粒子射進來的時候，哈勃望遠鏡會以電信號的形式記錄它們分別打在了哪些位置。
也就是說，哈勃太空望遠鏡只是告訴我們它的哪些部位接收到了多少強度的光，然后以圖片的形式展現給我們，而不是直接幫助我們用眼睛去觀測。這就相當于你的手機可以統計你最近一個月經常點擊屏幕的哪個位置，并且通過明暗來顯示點擊次數的多少，但是你到底在用什么軟件的時候點擊這個位置，就需要你自己分析了。
因此，哈勃太空望遠鏡傳給地面的，其實類似于這樣的一種“熱力值圖像”。所以說，這些直接傳回來的圖片都是黑白的，按說這時候應該貼一張圖的，但是為了避免劇透咱們盡量忍忍。
對于哈勃望遠鏡來說，除了要把黑白或者可見光范圍外的照片修成絢爛的宇宙圖片之外，它的拍攝過程是非常辛苦的。我們說了，它的拍攝原理是通過接收光子形成“熱力圖”，傳回給地面。由于它的主要使命就是拍攝遙遠天體，而這些天體的光傳到地球已經非常微弱，因此想要接收到足夠的光子來成像，就需要更長的觀測時間。
問題在于，為了不從天上掉下來，哈勃望遠鏡必須以8公里/秒的速度繞地球公轉。在這樣的速度下還能保持精準地觀測宇宙同一個位置，對于哈勃望遠鏡的角度調整來說是個巨大的挑戰。
好在，科學家們利用一種叫做微導感應器的設備。微導感應器可以鎖定一些明亮的天體，并且以每秒鐘40次的頻率校正方向，確保哈勃望遠鏡能夠持續拍攝同一片區域，以完美的狀態拍攝最遙遠的宇宙照片。即使某些情況下需要對同一個位置拍攝數百次，哈勃望遠鏡也能在每一次都完美地對準那個區域。
不過，拍攝到了照片不是工作的結束，這才僅僅是個開始。
拍照一小時，修圖一星期
這段小標題的時間未必準確，但是修圖的麻煩程度可是一點不差。
- 除“噪音”
首先，在哈勃望遠鏡所有傳回的照片里，科學家都會首先進行一步最必要的操作：去掉干擾。
擺脫大氣層有利也有弊，就像離開父母獨自生活的孩子，雖然感受到了自由，卻也體會到了生活的艱辛。由于沒有大氣層的阻礙，宇宙中的粒子可以隨意地“轟擊”哈勃望遠鏡，導致哈勃望遠鏡拍攝到的原始照片都是這樣的——
所以，首先科學家需要把這些“噪音”去掉，才有可能看到原本的圖像。整個過程非常復雜，但是其中有一步大家很容易理解，那就是哈勃望遠鏡傳回的多張照片連，科學家通過對比把僅僅在單獨一張照片里出現的痕跡刪除掉，就可以清理大部分宇宙射線的干擾。
- 多頻段照片整理
接下來，才是正式的修圖過程。
在哈勃太空望遠鏡上，科學家安置了一塊濾光輪，上面裝有不同的濾光片，可以在需要的時候只允許特定波長范圍內的電磁波射進來，如氫原子、硫離子或者電離氧所發出的光線。
在每一個波段范圍內拍攝到的照片，都是一張我們形容的黑白“熱力圖”。比如歷史上最經典的照片——創生之柱，就是通過這樣的方式拍攝到的。剛才那一張就是最原始的、還帶有宇宙射線的照片，而這一張是去掉宇宙射線后的照片——
這是哈勃太空望遠鏡在電離氧光譜下拍攝到的一張照片，就像我們比喻的那樣，亮的地方就是接收到光譜比較多的意思，暗的地方接收得比較少，這就是那一片宇宙空間的電離氧分布圖。
不過，一片宇宙空間顯然不太可能只有這么一種元素，還會有其他的元素存在。也就是說，在不同的波段，我們能夠看到的宇宙是完全不同的。
因此，哈勃望遠鏡就會通過切換不同的濾光片，對同一個位置的不同光譜進行反復的拍攝，這樣就可以更完整地展現那一片宇宙區域到底是什么模樣。
比如，這是氫原子光譜下拍攝到的創生之柱——
這是硫離子的——
然后，科學家就會把哈勃拍攝的所有照片疊加起來，這就是一張完整的圖片了。
不過問題也來了：一對黑白照片疊在一起，不還是黑白的嗎？
話是這樣說沒錯，但是我們的腦筋是會急轉彎的啊，要不然不是撞樹上了嗎？雖然哈勃望遠鏡傳回來的照片是黑白的，但是我們可以給每一張照片渲染上不同的顏色??！還是剛才舉的那個手機的例子：雖然手機只能告訴你平時經常點擊哪個位置，但是你自己為什么點這些位置難道心里沒點數嗎？如果手機顯示你經常點擊的是左上角和左下角，那九成的可能不是王者榮耀就是吃雞嘍。
所以，科學家只要根據常識，就知道給哪一個波段拍攝下來的照片渲染什么顏色。
- 上色、合成
比如說，當哈勃望遠鏡傳回來一張在可見光波段拍攝到的圖片，那么很簡單：瞪眼睛看就知道那片星空是什么顏色，然后按照這個顏色渲染就可以——像不像小時候給簡筆畫上色的過程。
當然了，哈勃望遠鏡的觀測范圍遠超過人類眼中的可見光，所以不多拍一拍近紅外波段和紫外波段就有點暴殄天物了。那么，我們總不能用紅外線或者紫外線去渲染吧？所以，科學家只好從可見光波段選擇一些特定的顏色來為它們上色。
還是以創生之柱的照片為例，科學家用藍色代表電離氧，綠色代表氫原子，紅色代表硫離子，給三張圖上色。
接下來，只要將三張照片通過技術手段疊在一起，然后進行一些調整，歷史上最經典的宇宙照片就誕生了——
科學家們為圖片上色，不僅僅是為了好看，也是為了“好（容易）”看。換句話說，這就是為了突出其中的一些特征，方便人們去研究。因此，雖然這些照片不是你親眼看見的顏色，但它也是符合天文觀測的數據的。
同樣的，除了這幾個波段之外，有的時候，科學家還會將紅外波段、紫外波段、X射線等的多個波段的照片進行重疊，合成極其精美的宇宙圖片，比如蟹狀星云的這一張。
總結
人類為了了解頭頂上的星空，已經花費了數千年的時間。時至今日，我們終于可以用全新的眼光去探索這個宇宙。隨著越來越多的觀測設備和越來越先進的觀測技術不斷推出，我們終將把整個宇宙收入眼底。
我也很好奇，一百年后人類看到的宇宙圖片，會比現在精美多少倍呢？
