/给宇宙些颜色/
这个世界是一件艺术品吗？
这个问题曾经贯穿了整个人类科学史
但在科技和社交网络发达的今天
美颜滤镜和整容医生比科学家更有发言权
就连我们看到的宇宙照片也都是经过PS的
但自拍的滤镜，是为了伪装
宇宙的滤镜，却是为了真理
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世界上只有两样东西是值得我们深深景仰的，
一个是我们头上的灿烂星空，
另一个是我们内心的崇高道德法则。
多年前，哲学家康德在《纯粹理性批判》一书的最后这样写到，这句话最后刻在了他的墓碑上，并且直到今天依旧广为流传。只不过，雾霾、霓虹灯和热岛效应让生活在城市的我们不再抬头仰望星空。
不知从什么时候起，一提到头顶上那片神秘的宇宙，脑海中反应出来的都是科幻电影里的场景，亦或是壁纸网站的“今日美图”。相比之下，那些冠以“NASA”之名在社交网站流传的照片就显得十分真实可信了。
NASA，这张照片作为苹果手机雷打不动的原生壁纸可能是最为著名的宇宙PS图片之一，它的设计师及DataVisualizer是NASA的科学家RobertSimmon
然而，这些照片事实上也是经过NASA精心PS过的成果,它们中的大多数原本的都只是一张模糊的黑白照片。宇宙看起来并不是照片中所呈现的这样，这可能会让很多人失望，也有人甚至在知乎上提问“NASA不是地球最强PS组织？”
也许真的可以这样说。因为NASA所做的并不是为了欺骗你的眼睛，花着纳税人的制作虚假的艺术图片，而是为了让我们更清楚地看到这个宇宙秘密。
下面，我们就来具体的说说，这背后的原理。
NASA，位于天龙座的猫眼星云，它是一个行星状星云，也是已知的星云中结构最复杂的之一
三原色原则
RGBcolormodel
自从威廉·赫歇尔（WilliamHerschel）年意外发现红外线以来，科学家们已经知道，“光”不止是我们能看到的光，还有比最深的红光更“红”的的红外线，远红外线；以及比最深的紫色更“紫”的光如紫外线，X射线和伽马射线等。
我们人类之所以能感知颜色，是因为物体对光的反射，而人类可感知的光，波长仅限于～纳米的这个区间段；其他波段的光人类都因为无法感知因而难以描述。
三棱镜分解可见光
当光经过物体的反射到达我们的眼睛，这时就需要动用我们视网膜中的的感光细胞，视锥细胞（ConeCells），来将眼睛接收到的光转译为我们能够理解的[颜色]。
视锥细胞共分为有三种，它们分别对波长较长的红色（波长纳米）、波长处于中间位置的*色（波长纳米）和波长较短的蓝色（波长纳米）最敏感。前两种视锥细胞的缺陷，就会造成我们常见的红绿色盲/色弱的状况。
视锥细胞分解图
这三种颜色也就是我们常说的光的三原色，我们人眼能够看到的所有色彩都是由这三种颜色构成的，它们也是对科学家对黑白的宇宙照片进行上色的基础原则。
颜色叠加
AddingColor
在彩色摄影技术产生前，其实就存在彩色的照片。说到这，我们就不得不到一个（名字非常长的）俄国人，他是SergeyMikhaylovichProkudin-Gorsky（年8月30日-年9月27日），也是给黑白照片上色的先驱。
为什么要说这个呢？虽然这是多年前的技术，但它的原理和给黑白的宇宙照片上色却别无二致。
首先，我们来看下面这张色彩鲜艳的照片：
这张拍摄于年的照片是人类最早的彩色照片之一。它其实是由三张通过不同颜色滤镜拍摄的黑白照片合成的。
就像中国的版画一样，摄影师分别通过红、*、蓝三色的滤镜拍摄黑白照片，根据不同颜色的光线透出的多少进行上色和叠加，最终得出非常接近当时真实历史环境的彩色照片。
透过滤镜所拍摄的黑白原片
上色后的效果
利用这个方法，他为我们留下了众多二十世纪初俄国的珍贵画面，也启发了未来的科学家们，如何利用三原色制作出我们如今看到的宇宙照片。
宽频滤波器
BroadbandColorFiltering
年发射升空的哈勃望远镜是人类观测宇宙的里程碑，自此之后它一直在地球之外替人类观测着宇宙。但哈勃望远镜的主要功能是测量宇宙中的物体所反射的光的亮度，而亮度在黑白照片中最为明显。
就像年前给老照片上色一样，科学家们会用红、*、蓝三色的滤镜叠加为黑白的宇宙照片上色。唯一不同的是，如今的科学家可以用更加现代化的方式去分解颜色并进行三色图层的叠加，这里就要用到宽频滤波器和PS技术。
以这张土星的照片为例，宽频滤波器会根据可见光的波长分成长波、中波、短波三种并且形成黑白图像，再根据不同波长对应的颜色进行上色和叠加，最终就成了土星“真实”的颜色。
下面的土星图像也是同样的道理。
经过宽频滤波器后合成的照片被称为星球的“真彩图像”，当然，这个“真实”是仅限于人类（浅薄的）色彩感知。它呈现的是假设人眼和哈勃望远镜看得一样远时，所看到和感知的星球的颜色。
窄频滤波器
NarrowbandColorFiltering
给宇宙照片上色除了真实地还原我们的视觉体验之外，还有更重要的科研用途。比如科学家们可以通过给宇宙照片上色，直观地分析出不同成分的气体是如何在宇宙空间里互相作用并最终形成了各个星系和星云。
这时就要用到窄频滤波器。它能够分解从星云的氢、硫、氧三种气体中发出来的光，这也是组成星体最重要的三种物质。
NASA
上图是哈勃望远镜最著名的一幅照片，创生之柱（PillarsofCreation）”，照片中描绘的正是在形成新的星系的气体和星尘。但这张照片和土星的照片不同在于，它所展示的并不是对人眼而言“真实的色彩”，而更多地是一种科学“地图”。
如果按照我们上面说的还原人眼的颜色感知的方法来进行上色，那么它“真实”的样子应该是下图这样：
这是因为氢和硫看起来的颜色都类似红色，而氧气则显示为偏蓝绿色，因此合成出来的照片就会整体偏红，分不出不同元素的分布。
这样“高还原度”的图片是非常不利于科学家们用视觉进行直观分析的。为了得到一张各个元素都十分分明的彩色照片，特别是为了区分颜色相近的氢气和硫磺，科学家按照它们的色阶重新分配了三种元素的颜色。
具体来说，因为硫的光波长最长，因此保留了波长频率较长的红色，波长较短的氢气则从原本的红色改为绿色，频率最高的氧气则用蓝色表示。
用这样的方法得出的照片被称为“伪彩照片”，它能够更为精准的从视觉上向我们展示出一个星系是如何形成的，同时也为人类去探索和发现我们生活的太阳系是如何形成的提供一些线索，以期有一天能够解开宇宙创世的秘密。
示意色
Representativecolor
哈勃望远镜的功能之强大，除了为我们带来了这些震撼人心的宇宙照片，它还能够记录光谱中超出可视范围的光波，比如红外线和紫外线的光波频率。可见光无法穿透的星尘和气体组成的星云，波长更长的红外线可以，这也就能够显示出星云内部及星云以外行星的聚集。
以“创生之柱”为例，它的红外照片成像是这样的：
我们之前看到的土星照片同样可以用红外照片的方式进行上色，频率低（波长长）的标记为红色，中等的标记为绿色，最短的标记为蓝色，最后的得出的就是下图这样：
经过这种方式上色的照片，虽然不是忠实还原肉眼所见，但它所表现的都是真实、科学的数据，就像给宇宙上了一层让它“更好看”的化学滤镜，这里的好看可不只是表达“美”的意思。它更像是给视觉能力有限的人类戴上了眼镜，我们第一次可以穿透宇宙不可见的神秘面纱，让我们能用自己可以理解的方式观察和探索千万光年之外的秘密，并帮助我们思考在宇宙在无限的时间进程中是如何不断变化的。
这些经过科学上色的图片创造了一个美丽的宇宙空间，让我们可以安放所有关于宇宙的浪漫想象。更重要的是，它们也为我们展示了宇宙中不可见的部分。
写在最后
虽然彩色的宇宙照片为我们展示了超越肉眼的壮丽图景，但依旧存在无数奥秘等待人类去一一攻破。比如黑洞，虽然今天的科技已经足够让我们看到黑洞的照片，但黑洞里面究竟什么样？这个有65亿个太阳大的家伙会把我们带向哪里？奇点在哪里？这些奥秘依旧掩盖在宇宙的终极隐形帐篷里。
TED，黑洞照片的成像原理
关于艺术和美的感知塑造了人类的浪漫精神，而科学的进步则体现着人类生生不息的求知欲和探索精神。这些美轮美奂的宇宙照片正处于二者的交集，它们代表的是人类的终极浪漫。
上帝的伟大与荣耀在他所有的作品中奇妙闪耀，尤其是可从天空那本打开的书中读到
-伽利略-
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撰稿：Rice
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