我们都看过美丽的太空图像，生动的旋涡和明亮的星星点缀在黑色的深渊中。用iPhone拍照如此快捷，您可能会认为先进的太空望远镜也能自动输出彩色照片。
然而，所有数码相机——从您的手机到詹姆斯·韦伯太空望远镜——实际上都无法看到颜色。数码相机将图像记录为一堆零和一，计算撞击其传感器的光量。每个像素上都覆盖有彩色滤光片（红色、绿色或蓝色），这只允许特定波长的光通过。这些滤光片以特定的图案排列（通常是称为拜耳滤镜的四像素重复方块），这使得相机的计算硬件能够将捕获的数据合成为全彩色图像。一些数码相机将彩色滤光片分布在三个独立的传感器上，这些传感器的数据可以以类似的方式合成为全彩色图像。然而，望远镜相机必须一次拍摄一张滤光片下的图像，因此这些图像后来必须由专家组合成一张复合图像。
将科学数据处理成精美的彩色图像实际上是一项全职工作。
在我们的智能手机中，图层的组合发生得非常快——但望远镜是复杂的科学巨兽，要获得我们所熟知的令人惊叹的结果需要付出更多的努力。此外，当我们观察宇宙时，天文学家使用的是我们肉眼甚至无法看到的波长（例如红外线和X射线），因此这些也需要用彩虹中的颜色来表示。关于如何为太空图像着色，需要做出很多决定，这引出了一个问题：是谁在制作这些图像，他们是如何制作的？
对于我们从JWST看到的壮观成果，将科学数据处理成精美的彩色图像实际上是一项全职工作。位于巴尔的摩的空间望远镜科学研究所的科学可视化专家会将图像堆叠起来，并将望远镜上不同仪器的观测结果缝合在一起。他们还会去除伪影，即图像中并非真实存在，而是望远镜设备和数字数据处理方式的结果。这些可能是由杂散宇宙射线造成的条纹、最亮恒星的过饱和，或探测器本身的噪声。
黑白到彩色
在他们考虑颜色之前，这些专家需要平衡图像中的亮度和暗度。科学相机旨在记录我们肉眼无法捕捉到的广泛亮度范围。这意味着望远镜的原始图像对我们来说通常看起来非常暗，您需要将图像调亮才能看到任何东西。
一旦有了细节可见的黑白图像，他们就开始添加颜色。据密歇根大学天文学家Katya Gozman解释说，“不同的望远镜有专门用于仅对特定波长的光敏感的滤光片，我们看到的彩色太空图像是这些不同滤光片下拍摄的单独曝光的组合”，这与前面描述的手机相机类似。“我们可以将每个滤光片分配给一个单独的颜色通道——红色、绿色或蓝色，这是可见光的三原色。当它们叠加在一起时，我们就能得到我们在媒体上看到的壮观的教科书式彩色图像。”她补充道。
这时，它就变成了一门艺术，选择颜色不仅要考虑科学准确性，还要考虑什么看起来效果最好。对于JWST和哈勃望远镜，通常的做法是用蓝色表示最短的波长，用绿色表示中间的波长，用红色表示最长的波长。
当然，最终结果也取决于图像专家最初拥有什么样的数据。该团队经常选择不同的颜色来强调NIRCam和MIRI（韦伯望远镜的两个红外相机）实际上是在观察不同的波长（分别为近红外和中红外），因此是不同的物理结构。例如，在仙后座A超新星遗迹中，JWST的观测揭示了一个发出特定波长光的*某种东西*的气泡，在MIRI图像中显示为绿色，因此被称为“绿色怪物”。如果没有这种可视化，天文学家可能不会注意到这样一个奇特的特征，它提供了关于巨星如何死亡的见解——在进行了一些研究后，他们发现绿色怪物是由超新星爆发的巨大爆炸扰乱的碎片区域。
不可见变为可见
通常，图像专家会尽量使事物尽可能接近现实。例如，如果望远镜在可见光下观测，波长可以直接映射到我们习惯看到的颜色。但对于我们肉眼不可见的频谱部分，他们必须选择使用哪种可见光颜色。这时，它就变成了一门艺术，选择颜色不仅要考虑科学准确性，还要考虑什么看起来效果最好。对于JWST和哈勃望远镜，通常的做法是使用蓝色表示最短的波长，用绿色表示中间的波长，用红色表示最长的波长。如果可以选择的滤光片超过三种（JWST尤其是在使用其多个高科技仪器时，这种情况很常见），有时他们会添加紫色、青色和橙色来表示红色、绿色和蓝色之间的其他波长。
然而，彩色图像不仅仅是漂亮的图片——它们对科学来说实际上非常有用的。人类大脑非常擅长识别颜色中的模式，例如解析一张带有颜色编码的地铁线路图，或者认识到“红灯停，绿灯行，”美国自然历史博物馆的天文学家Mark Popinchalk说。“这些是我们日常生活中社会信息通过颜色呈现和快速处理的例子。科学家们希望使用相同的工具，”他补充道。“但不是社会信息，而是科学信息。如果X射线是红色的，紫外线是蓝色的，我们可以非常快速地解读超出人类能力范围的能量光。”其结果是对海量数据的视觉表示——远远超过用肉眼或仅用黑白方式处理的信息量。
例如，Gozman描述了图像如何帮助识别“物体中不同物理过程发生的位置，例如看到星系中的恒星形成发生在哪里，或者不同元素位于星云周围的哪个位置”。超越可见光谱的光的彩色图像甚至揭示了星系周围的暗物质，例如在子弹星系团中。
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另一个特别近期且有趣的图像着色案例是海王星。旅行者号任务拍摄的冰冷世界的深蓝色照片实际上并没有反映其真实颜色，就好像我们用自己的眼睛看着它一样——相反，它更类似于天王星的苍白面。“早在80年代，天文学家就对海王星的图像进行了拉伸和修改，以突出其一些较暗特征的对比度，从而使其呈现出深蓝色，与天王星相比显得非常不同，”Gozman解释道。“尽管天文学家们知道这一点，但公众并不知道。这是一个很好的例子，说明以不同的方式重新处理相同的数据会导致完全不同的表现形式。”
图像分析是，而且一直以来都是天文学的一个重要组成部分，它在寻找超越我们非常有限的人类眼睛的局限来观察宇宙的方法。您甚至可以尝试一下——NASA提供JWST数据供公众使用，他们甚至还举办面向所有人的天文摄影挑战。现在，当您看到一张美丽的太空图像时，也许您可以将其视为科学与艺术的奇妙融合。
