为啥我看到的星云是黑白的，他们P出来却是彩色的？

本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：马门溪龙饲养员，题图来自：IC photo

大家都见过NASA发布的绚丽的星云照，它们往往有着丰富的细节和多彩的颜色，每次一发布就会成为热门桌面图片。但实际上，即便借助大口径望远镜，我们用肉眼也看不到这些绚丽的星云星系，只能看到灰不溜秋的一小团。

左图为模拟的人眼看到的猎户座大星云｜作者拍摄

右图为哈勃太空望远镜拍摄的猎户座大星云｜NASA

那么问题来了，NASA骗人了吗？这些梦幻的照片是NASA“P”的吗？那些深深镶嵌在宇宙中的天体，到底是什么颜色？

哈勃拍摄的M104草帽星系｜NASA

真的假的？

1. 深空天体到底有没有颜色？

有。

天文领域对“颜色”有很多种不同的定义，本文所使用的“颜色”指的就是日常生活中所用的红、绿、蓝等概念。

大部分深空照片的拍摄对象都是三类天体：星云、星系和星团。星云就是宇宙里的一些气体和尘埃；星团就是许多恒星的聚集体；星系则是恒星、星云、星团和暗物质等等等等的集合体。所有这些深空天体都是有颜色的。

像太阳这样的恒星是宇宙天体光线的主要来源之一。数不胜数的恒星会因温度不同从而表现出由黄到蓝的颜色，通常情况下，恒星的表面温度越高，恒星的颜色就越偏蓝，反之就越偏黄。

而大部分星团和星系发出的光都是由包含其中的恒星的光组成的，是这些恒星的颜色之和。

有些星云中的氢原子被激发发出红光，这些星云的主要颜色就会呈现出红色。另一些星云会因为散射附近恒星的光从而显现出蓝色，就像我们的天空散射太阳光也显现成蓝色一样。

哈勃拍摄的猫眼星云｜NASA

2. 为什么我看不见？

宇宙中的天体确实是绚丽多彩的。不过大部分天体是我们用肉眼看不到的，哪怕我们把眼睛瞪得像铜铃。

人眼之所以看不到深空天体的颜色，并不是因为它们没有颜色，只是因为这些深空天体太过遥远，且对我们来说太暗了。人眼负责感受色彩的视锥细胞，并不能有效识别暗弱物体的颜色。假如我们能将这些深空天体变亮几千几万倍，那么我们通过人眼也能看到他们的色彩了。仔细回想一下，你半夜摸黑起夜的时候，能不能看清你们家家具的颜色呢？

大概用这个山魈意思意思吧｜在家办公的编辑在厕所里拍的果壳商店量子积木

3. 那么，那些照片是？

至于那些绚丽多彩的深空天体照片，有很大一部分确实是真实的色彩，但也有一些是合成的、与人眼视觉不符的伪色。所谓“真实的色彩”，我们这里将它简单定义为“在光线充足的情况下，人眼看到的色彩”。尽管不同的照片可能在饱和度和色相上面有一些加工，但大致是符合人眼的视觉习惯的。

深空摄影照片的色彩主要有三种生成方式。我们可以利用单色滤镜拍摄红绿蓝通道合成彩色照片，也可以利用彩色相机直接拍摄彩色照片。这两种方法生成的颜色都是真实的颜色。第三种方式就是拍摄其他波段的信号来生成伪色，而伪色就不再是“真实的色彩”了。

当然天文摄影师在进行照片的后期处理时也势必会对图像的对比度，饱和度等等进行适当的调整，不过这些操作在日常的风光摄影中也相当常见，一张风光原片和后期处理过的片子往往会带给人们不同的感受。

左图为原图，右图为经过一定后期处理的图片，这张照片拍摄了一种很常见的天象：日晕｜编辑拍摄

给宇宙上色的3种方法

1. 3个滤镜拍3张照片，然后合成

先发一张我用这个方法拍的M20三叶星云的照片镇楼。后文多次用到这个星云的照片来举例，请记住它的样子。

M20三叶星云，三叶星云位于人马座，梅西耶编号是M20。它由发射星云和反射星云组合而成，因形状像三片树叶而得名。｜作者拍摄

一般来说，专业天文台使用的相机都是单色黑白相机，它们拍摄的深空天体照片是通过三个通道色彩合成的方式来体现天体颜色的。通过在单色相机前面加上特定的滤镜，我们可以只让特定颜色的光通过，只拍摄天体的红光、绿光和蓝光，得到红（R）绿（G）蓝（B）三个通道的3张照片，再用这3张单色照片合成1张彩色图片。最后通过适当的白平衡步骤，一张彩色的深空天体照片就处理完成了。

从左到右依次是上面那张图三叶星云的红、绿和蓝色通道。

2. 1个像素拍1种颜色，然后靠猜

第二种方法比第一种方法更简单粗暴，就是直接用普通的彩色相机拍摄。

有些人对上一种RGB通道合成的方式存在质疑，认为这种合成的色彩并不能代表天体真实的色彩。但事实上我们普通的彩色单反相机、手机乃至人眼都是通过这种多通道合成的方式来生成彩色图像的。

只不过我们的相机和手机并不需要像上文介绍的那样，更换不同滤镜拍摄三张照片。那是因为这些相机已经在每一个像素表面都覆盖了一片滤镜，让每一个像素只接收R、G、B其中一种颜色的光，这种滤镜叫做“拜尔滤镜”。这样每个像素都拥有了其中一个通道的信息，而这个像素其他两个通道的信息可以通过周围像素的数据用插值的方法猜出来。

拜尔滤镜示意图，不同感光元件的拜尔滤镜排列方式和透过曲线都不一样，佳能相机通常是如图所示的RGGB（红绿绿蓝），最新的华为手机则是RYYB（红黄黄蓝）｜作者制作

举一个最简单的例子，我们用单反相机去拍摄一朵红色的花，在花的部分只有表面覆盖红色滤镜的像素能够感受到光线，而它周围表面覆盖绿色和蓝色滤镜的像素都没什么信息，因此聪明的相机就可以猜出这一片区域的颜色都是红色。

不过毕竟是猜出来的，通过拜尔滤镜算出的颜色是远不如分别拍摄RGB三个通道后合成的颜色的。尤其是当一颗星星在照片中只占一两个像素大小的时候，猜色的准确度就大大降低了。

下面再次有请三叶星云闪亮登场。下面三张图分别是我用第一种方法和第二种方法拍摄的三叶星云。你仔细品，颜色其实并没有太大的差别，都是真实的色彩。

左图：利用天文台相机RGB通道拍摄；右图：普通彩色相机接上望远镜拍摄｜作者拍摄

以上两种方法其实本质上没有很大区别，都是通过只允许透过特定光的滤镜拍摄。这种滤镜叫做“宽带滤镜”，指的是能够透过一定范围波长的光线的滤镜，通过范围一般在几百纳米。

3. 这回这个是假的

我们能够通过红绿蓝通道合成来体现天体真实的颜色。不过针对前文对“真实的颜色”的定义，有些深空天体的照片颜色并不是天体真实的颜色，而是伪色。

比如哈勃望远镜拍摄的这张著名的《创生之柱》，用的就是伪色。它拍摄的是M16鹰状星云。将硫原子发出的[SII]发射线（671纳米）当作红色，氢原子发出的Hα发射线（656纳米）当作绿色，氧原子发出的[OIII]发射线（500纳米）当作蓝色——虽然它们用肉眼看起来其实是红、红、绿——来合成照片，就得到了一张全新的照片。

M16鹰状星云《创生之柱》｜NASA

伪色虽并不能反映天体真实的颜色，但是能在一定程度上反映天体不同物质的分布，远远比真实的色彩更清晰。

左图为玫瑰星云真实的颜色，右图为利用窄带滤镜拍摄的哈勃色玫瑰星云。｜作者拍摄

除了电磁波可见光波段的图像以外，这种伪色方法还广泛用于电磁波的其他波段，比如X射线、红外和射电波段。这张编号为NGC5128的星爆星系就结合了可见光、X射线以及射电波段数据。图中的喷流部分并不是可见光，而是X射线和射电波段的信号。像这样只能透过特定波长的信号的滤镜叫做“窄带滤镜”，一般将带宽限制在10纳米以内。

NGC5128星爆星系｜www.eso.org

如果有小伙伴想要自己利用NASA的数据去制作一张图片，那么可以访问Hubble Lagacy Archive（https://hla.stsci.edu/  ）的网站去下载原始数据，事实上NASA发布的很多图片都是由爱好者自己处理制作的，有些图片比专业天文学家制作的还要高明。

虽然我们的肉眼看不到太空深处那些绚丽的色彩，但我们一直在想方设法捕捉宇宙中那些微弱的光。千百万光年以外的洪荒宇宙，就在地球上一个个渺小却充满好奇心的你我面前。

本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：马门溪龙饲养员