Warum hat der wunderschöne Nebel die „Farbpalette“ auf den Kopf gestellt? Enthüllung der mysteriösen „Hubble-Farbe“!

Autor | Zhou Yihao

Wirtschaftsprüfung | Huang Jian

Herausgeber | Wang Qiyuan

Der Carinanebel, eine Zusammenstellung von Bildern des Hubble-Weltraumteleskops und des Blanco-Teleskops (Bild mit freundlicher Genehmigung der NASA)

Ich glaube, wenn Sie das obige Bild zum ersten Mal sehen, werden Sie von der Mischung aus sanftem, warmem Orange und kaltem Grün schockiert sein. Es ist wie eine umgedrehte Farbpalette, großartig und geheimnisvoll, und gibt Ihnen das Gefühl, als wären Sie in einem Raumschiff in „Star Trek“.

Bayer-Filter in einer Farbkamera (Bild aus Wikipedia)

Wie also ist dieses wunderschöne Bild entstanden? Um diese Frage zu beantworten, folgen wir zunächst Xiaoxing, um das Prinzip zu verstehen, wie Digitalkameras Farbfotos aufnehmen. Ursprünglich konnte der Sensor einer Kamera nur die Lichtintensität erfassen, ähnlich wie beim Zeichnen von schwarzen und weißen Umrissen. Der Sensor einer Farbkamera ist jedoch mit einer Schicht kleiner Filter bedeckt, die jeweils nur rotes, grünes oder blaues Licht durchlassen. Auf diese Weise erfasst jeder Pixel nur die Helligkeitsinformationen einer Farbe. Anschließend verwendet die Kamera einen einzigartigen Algorithmus, um – ähnlich wie beim „Ausmalen“ eines Schwarzweißgemäldes – die vollständigen Rot- (R), Grün- (G) und Blau- (B) Informationen jedes Pixels anhand der Farben benachbarter Pixel abzuleiten und diese zu einem Farbbild zu kombinieren.

Die Weitfeldkamera WFPC2 am Hubble-Weltraumteleskop (Bild mit freundlicher Genehmigung von NASM)

Das Hubble-Weltraumteleskop ist anders. Die darauf befindlichen Weitfeldkameras WFPC2 und WFC3 können durch die Verwendung unterschiedlicher Filter Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängen erfassen. Zu diesen Wellenlängen zählen sowohl das für das menschliche Auge sichtbare Licht als auch das für das menschliche Auge nicht wahrnehmbare Ultraviolett- und Infrarotlicht. Bei jeder Aufnahme eines Bildes wählt das Hubble-Weltraumteleskop spezielle Filter aus, um eine bestimmte Wellenlänge des Lichts zu isolieren, beispielsweise die von Wasserstoffatomen emittierten Spektrallinien (Hα-Linien) oder die von Sauerstoffatomen emittierten Spektrallinien (OIII-Linien). Auf diese Weise ist jedes von der Kamera aufgenommene Bild tatsächlich ein Graustufenfoto einer bestimmten Wellenlänge, das die Intensitätsverteilung des Lichts bei dieser Wellenlänge aufzeichnet. Dieses „monochrome“ Foto ermöglicht es Wissenschaftlern, die physikalischen Eigenschaften verschiedener Himmelskörper, wie etwa Sterntemperatur, Gaszusammensetzung und Staubverteilung, genauer zu untersuchen.

Farbsynthese des Blasennebelfotos (Bild mit freundlicher Genehmigung der NASA)

Die Rohdaten des Hubble-Weltraumteleskops sind Graustufenbilder. Um Farbbilder zu erzeugen, werden diese Daten mittels Pseudofarbtechnik verarbeitet. Konkret ordnen sie den unterschiedlichen Wellenlängen der Bilddaten bestimmte Farben zu, etwa Rot für Infrarot, Blau für Ultraviolett und Grün für bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Diese „farbigen“ Schichten werden dann übereinandergelegt, um ein farbenfrohes Bild mit umfangreichen Informationen zu erzeugen. Obwohl diese falschen Farben nicht die wahren Farben der Himmelsobjekte sind, helfen sie dabei, wichtige Merkmale zu identifizieren. Beispielsweise entspricht im obigen Bild des Blasennebels durch das Hubble-Weltraumteleskop Rot Stickstoff, Blau Sauerstoff und Grün Wasserstoff.

Der Spinnennebel, fotografiert mit dem SHO-Filter (Foto: Zhou Yihao)

Die Hubble-Farbe bezieht sich in der astronomischen Fotografie normalerweise auf das durch den SHO-Schmalbandfilter synthetisierte Falschfarbenbild. Verwenden Sie drei Filter: Schwefel (SII, Wellenlänge 672,4 Nanometer), Wasserstoff (Hα, Wellenlänge 656,28 Nanometer) und Sauerstoff (OIII, Wellenlänge 500,7 Nanometer), um monochrome Bilder aufzunehmen, und weisen Sie ihnen dann jeweils rote, grüne und blaue Kanäle zu, um bunte Nebelbilder zu synthetisieren. Da das synthetisierte Bild farblich den Schmalbandfotografien des Hubble-Weltraumteleskops ähnelt, wird es „Hubble-Palette“ genannt.

Vergleich der SHO-Farbe (links) und der RGB-Farbe (rechts) des Weihnachtsbaumnebels (Foto: Zhou Yihao)

Der Einsatz von Farbe dient hier nicht nur dazu, es „gut aussehen zu lassen“, sondern auch dazu, die Details hervorzuheben, die ursprünglich schwach oder schwer zu erkennen waren, und es uns zu ermöglichen, die Beschränkungen des Wellenlängenbands zu überwinden und die satten und farbenfrohen Farben tief im Universum zu sehen. Beim Betrachten dieser farbverstärkten Bilder kann jeder die vielen Schichten und Geheimnisse hinter dem „Sternenmeer“ spüren, was den Wunsch nach Erkundung und Fantasie verstärkt. Wenn wir uns dagegen nur auf Bilder verlassen, die mit den für unser bloßes Auge sichtbaren Farben übereinstimmen, kommen wir zwar der Welt näher, die wir erfassen können, es fehlt jedoch häufig die Darstellung dunkler Strukturen oder spezieller Energiestrahlung. Möglicherweise sehen wir nur eine helle oder dunkle Wolke, ignorieren aber die Infrarot- oder Ultraviolettdetails, die Informationen enthalten.

Die Entstehung der Hubble-Farben ermöglicht eine perfekte Kombination aus astronomischer Erforschung und künstlerischer Ästhetik. Sie macht nicht nur die wissenschaftliche Forschung lebendig und greifbar, sondern lässt auch die Wunder des Universums wirklich in das Blickfeld der Öffentlichkeit rücken. Durch diese farbenfrohen und detailreichen Bilder können die Menschen intuitiv die vielschichtige Struktur von Nebeln, die Wechselwirkungen zwischen Galaxien sowie die Weite und Komplexität des tiefen Universums erfassen. Gerade die Neugier und das Erstaunen, die diese visuellen Eindrücke hervorrufen, sind die bewegendste Kraft der Populärwissenschaft.

Verweise

[1] Duan Ran. Das Geheimnis der Farben der Hubble-Fotos[J]. Astronomie-Enthusiasten, 2021, (08): 50-53.

[2] Li Zhengying, Wei Yong, Wang Yuqi. Die kosmische Suche des Hubble-Weltraumteleskops[J]. Modernes Physikwissen, 2022, 34(02): 17-23.

[3] Mu Zi. Das 30 Jahre alte Hubble-Weltraumteleskop[J]. Erfindung und Innovation (Mittelschüler), 2020, (08): 9-11.

[4] Hubbles 25-jährige glorreiche Reise[J]. World Science, 2015, (05): 2.

[5]Whitwam, Ryan. Das Hubble-Weltraumteleskop wird 25 – hier sind die besten 25 Bilder [J]. ExtremeTech.com, 2015,

[6] Hubble Sternenhimmel[J]. UFO Exploration, 2012, (03): 64.

[7]Erforschung des Universums mit Teleskopen im sichtbaren Licht[J]. Weltraumerkundung, 2005, (03): 14-15.

[8] Was für schöne Fotos von Nebeln! Sind diese Farben echt? , Planetarium Peking, https://www.bjp.org.cn/twwd/wyjytwsy/4028c1367a595bb8017a5bec0c97000a.shtml.

[9] Die Bedeutung von Licht und Farbe, HubbleSite, https://hubblesite.org/contents/articles/the-meaning-of-light-and-color

[10] Molly Wakeling. So machen Sie Hubble-ähnliche Fotos: Anleitung zu Filtern und Nachbearbeitung, https://www.astronomy.com/observing/observing-basics-image-like-hubble/

[11] Mamenchisaurus-Keeper, warum ist der Nebel, den ich sehe, schwarz-weiß, der, den sie per Photoshop bearbeitet haben, aber farbig? , öffentliches WeChat-Konto „Guoker“, https://mp.weixin.qq.com/s/R8Y3fnt5ucxnJat3XUQomg

Wenn Sie weitere Fragen zur Hubble-Farbe haben, hinterlassen Sie bitte eine Nachricht im Kommentarbereich. Xiaoxing wird sie Ihnen nacheinander beantworten.

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