تصاویر فضایی سیاه و سفید هستند؛ با فرایند جذاب رنگ‌آمیزی آن‌ها آشنا شوید

به تصویر بالا نگاه کنید. چه چیزی می‌بینید؟ آیا چیزی تشخیص دادید؟ احتمالاً حدس زدید که این تصویری از فضا است که توسط یک تلسکوپ ثبت شده است. این تصویر یکی از شناخته‌شده‌ترین تصاویر ثبت شده توسط تلسکوپ فضایی هابل است. ولی احتمالاً شما تاکنون آن را ندیده بودید. چرا؟ چون این تصویر سیاه و سفید است.

شاید این موضوع را ندانید ولی تقریباً تمام تصاویر ثبت شده از فضا در ابتدا همین‌طور به نظر می‌رسند. بیشتر تلسکوپ‌ها فقط می‌توانند تصاویر سیاه و سفید ثبت کنند که تلسکوپ هابل هم از این قاعده مستثنا نیست.

حالا به تصویر رنگی نگاه کنید. این همان تصویر قبلی است ولی ممکن است برای شما آشنا باشد و قبلا آن را دیده باشید. این تصویر که به «ستون‌های آفرینش» مشهور شده، تصویر بخشی از سحابی عقاب در فاصله ۶۵۰۰ سال نوری از زمین است. این نمونه‌ای از فرایند رنگ‌آمیزی تصاویر فضایی است.

در ادامه به معرفی این فرایند و کاربرد‌های دیگر آن غیر از رنگ‌آمیزی تصاویر سیاه و سفید می‌پردازیم.

پیش از آنکه به چگونگی رنگ‌آمیزی تصاویر فضا بپردازیم، لازم است بدانیم نور چه ویژگی‌هایی دارد و ما چگونه آن را دریافت می‌کنیم. در تصویر بالا طیفی از تمام طول موج‌های نور، از امواج رادیویی تا پرتو‌های گاما نمایش داده شده است. ولی ما فقط می‌توانیم بخش کوچکی از این طیف را ببینیم و درک کنیم که به آن «نور مرئی» می‌گوییم. همان‌طورکه می‌بینید، بیشتر طول موج‌های نور برای چشم انسان نامرئی است. محدوده نور مرئی از بنفش با کمترین طول موج تا قرمز با بیشترین طول موج گسترده است. دلیل مشاهده‌پذیری این نورها، وجود سلول‌های مخروطی در پشت چشم ما است که رنگ اشیا را براساس نور بازتابیده از آن‌ها دریافت می‌کنند.

در این تصویر میکروسکوپی از چشم انسان، سلول‌های استوانه‌ای به رنگ سبز و سلول‌های مخروطی به رنگ بنفش رنگ‌آمیزی شده‌اند.

انسان‌ها دارای سه نوع سلول مخروطی حساس به رنگ در شبکیه چشم خود هستند. هر یک از این مخروط‌ها یکی از سه محدوده‌ی طول موج بلند، متوسط و کوتاه را دریافت می‌کنند که به ترتیب منطبق بر رنگ‌های قرمز، سبز و آبی هستند.

به همین دلیل این سه رنگ را «رنگ‌های اصلی» می‌نامند و آن‌ها پایه همه طول موج‌هایی هستند که می‌توانیم ببینیم. احتمالاً درباره مدل رنگی RGB شنیده‌اید که ترکیب سه رنگ قرمز (Red) ، سبز (Green) و آبی (Blue) در مقادیر مختلف، طیف وسیعی از رنگ‌ها را ایجاد می‌کند. این مدل عموما در نمایشگر‌های دیجیتال به کار می‌رود و شناخت آن برای درک چگونگی رنگ‌آمیزی تصاویر سیاه و سفید فضایی، ضروری است.

در دوربین‌های دیجیتال، فیلتری رنگی که معمولاً از نوع «فیلتر بایِر» است، نور سفید وارد شده از لنز را به سه رنگ قرمز، سبز و آبی تفکیک می‌کند و حسگر، در هر فوتوسایت (حفره‌های کوچک روی حسگر که نور را جمع‌آوری می‌کنند و پس از پردازش به پیکسل تبدیل می‌شوند) فقط روشنایی مربوط به یکی از این رنگ‌ها را ثبت می‌کند. سپس در پردازش نرم‌افزاری، برای پیکسل‌های خالی در هر یک از الگو‌های قرمز، سبز و آبی، مقداری عددی به روش درون‌یابی اختصاص می یابد و در نهایت با ترکیب سه تصویر به روش RGB، تصویر نهایی ایجاد می‌شود.

بیشتر تصاویر فضایی که می‌بینید احتمالاً مربوط به تلسکوپ فضایی هابل هستند، پس در این مقاله از هابل به‌عنوان دوربین نمونه استفاده می‌کنیم. پیش از آغاز تصویربرداری، تلسکوپ باید به دقت فوکوس شده باشد. ازآنجاکه اهداف تلسکوپ بسیار دوردست هستند، درستی فوکوس باید به دقت اندازه‌گیری شود.

سپس دوربین شروع به ثبت تصویر می‌کند. نوری که آینه‌ی تلسکوپ جمع‌آوری می‌کند، پس از عبور از فیلتر‌ها به طول موج‌های بلند، متوسط و کوتاه تفکیک می‌شود. نتیجه، سه تصویر مجزا است که هر کدام فقط شامل یکی از محدوده‌های طول موج هستند. این فرایند زمان‌بر است و هر فریم، زمان مشخصی برای ثبت شدن نیاز دارد (مثلا ۱۰۰۰ ثانیه).

علاوه بر این، هابل با سرعت ۲۷٬۳۰۰ کیلومتر بر ساعت در مدارش به دور زمین می‌گردد و معمولاً برای ثبت همه‌ی فریم‌ها باید چندین‌بار مدارش را تکمیل کند. پس از ثبت همه‌ی فریم‌ها در طول موج‌های مختلف، به هر محدوده‌ی طول موج، رنگی براساس موقعیت آن در طیف رنگی اختصاص داده می‌شود. معمولاً از رنگ‌های قرمز، سبز و آبی استفاده می‌شود (مدل RGB). این شیوه را «فیلترینگ باند پَهن» می‌نامند، زیرا نور رسیده به حسگر به محدوده‌های گسترده‌ی طول موج بلند، متوسط و کوتاه تفکیک می‌شود.

در نهایت، فریم‌هایی با طول موج متفاوت با استفاده از برنامه‌هایی مانند فوتوشاپ در یک تصویر ترکیب می‌شوند. پس از تغییرات جزئی برای بهبود تصویر، کار به پایان می‌رسد و به نتیجه‌ای مانند تصویر بالا می‌رسید.

هر چند تماشای رنگ‌های فضا لذت بخش است، فرایند رنگ‌آمیزی کاربرد‌های علمی نیز دارد. دانشمندان می‌توانند از فیلترینگ باند پهن و همچنین «فیلترینگ باند باریک» برای شناسایی گاز‌ها در نقاط مختلف جهان استفاده کنند. ازآنجاکه هر کدام از عناصر، طول موج‌های مشخصی از نور را جذب و طول موج‌های دیگری را گسیل می‌کنند، با استفاده از فیلتر‌های باند باریک که فقط همین طول موج‌ها را عبور می‌دهند، می‌توان با دقت وجود هر عنصر در پدیده مورد مطالعه را بررسی کرد. در صورت بررسی بقایای یک ابرنواختر، دانشمندان می‌توانند دریابند چه گاز‌هایی در آن حضور دارند و چه گاز‌هایی در زمان انفجار به بیرون پرتاب شده‌اند؛ یا به مطالعه جو سیاره‌های فراخورشیدی بپردازند. انتخاب رنگ مناسب در پردازش تصاویر بدست آمده از هر فیلتر در فرایند رنگ‌آمیزی مهم است.

آشنایی با ویژگی‌های طیفی گاز‌های رایج به درک چگونگی پراکندگی این گاز‌ها در جهان، کشف شواهد حیات فرازمینی و ماهیت کهکشان‌ها و ساختار‌های کیهان کمک می‌کند.

رنگ‌هایی که در تصاویر منتشر شده از فضا می‌بینید، معمولاً با آنچه با چشم انسان دیده می‌شود تفاوت دارند. رنگ انتخاب‌شده برای هر یک از مولفه‌های تصویر RGB، درنتیجه نهایی تأثیرگذار است. هر یک از این مولفه‌ها، میزان تابش طول موجی خاص را بصورت سیاه و سفید نشان می‌دهند. پیکسل‌های روشن‌تر نشان‌دهنده تابش بیشتر هستند.

در یک تصویر ۸ بیتی، ۲۵۶ (۲ به توان ۸) سطح روشنایی مختلف برای هر پیکسل قابل تعریف است که مقدار ۰ به معنی رنگ سیاه و مقدار ۲۵۵ به معنی رنگ سفید است و در میان آن‌ها طیف خاکستری قرار دارد. با ترکیب سه تصویر سیاه و سفید با استفاده از مدل رنگی RGB و اختصاص یکی از رنگ‌های قرمز، سبز و آبی به هر کدام از آن‌ها، تصویری رنگی ایجاد می‌شود. در این مدل، هر رنگ با استفاده از سه مقدار عددی قابل تعریف است. برای مثال رنگ سیاه به صورت (۰٬۰٬۰) و رنگ سفید به صورت (۲۵۵٬۲۵۵٬۲۵۵) تعریف می‌شوند. رنگ‌های قرمز، سبز و آبی به ترتیب (۲۵۵٬۰٬۰)، (۰٬۲۵۵٬۰) و (۰٬۰٬۲۵۵) هستند و سایر رنگ‌ها از ترکیب این سه رنگ ایجاد می‌شوند.

نکته‌ای که باید درباره ترکیب تصاویر سیاه و سفید و تبدیل به RGB مورد توجه قرار گیرد این است که هر کدام از تصاویر سیاه و سفید تشکیل‌دهنده، دارای رنگ ذاتی نیستند و این ما هستیم که رنگ آن‌ها را تعیین می‌کنیم. به مثال زیر توجه کنید.

در این ترکیب، تصویری که دارای عبارت قرمز است در کانال سبز قرار گرفته و تصاویر دارای عبارت سبز و آبی به ترتیب در کانال‌های آبی و قرمز قرار داده شده‌اند.

با جابه‌جایی تصاویر سیاه و سفید بین کانال‌های رنگی، ترکیب رنگی‌ای ایجاد شده که نشان‌دهنده واقعیت نیست. این مورد در رنگ‌آمیزی تصاویر فضایی نیز دیده می‌شود. برای نمونه، تصویر زیر از ترکیب سه تصویر سیاه و سفید که با فیلتر‌های OIII، Hα و NII ثبت شده‌اند، ایجاد شده است.

تصویر فیلتر NII

تصویر فیلتر Hα

تصویر فیلتر OIII

خط طیفی OIII (خوانده شود اکسیژن ۳) در بخش سبز-آبی طیف نور قرار دارد و به این رنگ دیده می‌شود. خطوط طیفی Hα (هیدروژن آلفا) و NII (نیتروژن ۲) هر دو رنگ قرمز دارند. ولی در این ترکیب رنگی، از تصویر OIII برای کانال آبی، از Hα برای سبز و از NII برای قرمز استفاده شده است. بنابراین تصویر ایجاد شده، رنگ واقعی سوژه را نمایش نمی دهد. با رنگ‌آمیزی هر یک از این کانال‌ها با رنگ واقعی و ترکیب در نرم افزار (بدون استفاده از مدل RGB)، تصویر زیر بدست می‌آید که به رنگ واقعی این سحابی از دید چشم انسان نزدیک‌تر است.

سحابی حباب (NGC 7635)

در ادامه می‌توانید دو نمونه از زیباترین تصاویر منتشر شده از تلسکوپ هابل را با تصویر شبیه‌سازی‌شده از رنگ طبیعی آن‌ها مقایسه کنید.

سحابی خرچنگ (M1)

سحابی شاه‌تخته یا کارینا (NGC 3372)

حسگر دوربین‌های تلسکوپ‌های فضایی می‌توانند طول موج‌هایی از نور را که برای چشم انسان قابل مشاهده نیست، ثبت کنند. تصاویر ثبت شده در این طول موج‌ها، زاویه‌ی دید کاملاً جدیدی برای بررسی جهان فراهم می‌کنند. امواج الکترومغناطیسی در طول موج‌های گاما و پرتوی ایکس توسط جو زمین جذب می‌شوند و برای مطالعه پدیده‌هایی مانند سیاه‌چاله‌ها و ابرنواختر‌ها که این طول موج‌ها را منتشر می‌کنند باید از تلسکوپ‌هایی خارج از جو زمین استفاده کرد.

بقایای ابرنواختر تیکو در طول موج پرتوی ایکس (چپ) و نور مرئی (راست)گاز‌های بسیار داغ حاصل از ابرنواختر در طول موج‌های کوتاه تابش می‌کنند و برای چشم انسان قابل مشاهده نیستند.

طول موج‌های بلندتر از ۷۵۰ نانومتر که خارج از توان دید انسان هستند نیز کاربرد گسترده‌ای در شناخت کیهان دارند. بعضی از اجرام سرد (تا چند صد درجه کلوین) مانند سیاره‌های تازه متولد‌شده یا کوتوله‌های قهوه‌ای، در نور فروسرخ تابش بیشتری دارند و بهتر دیده می‌شوند. همچنین به دلیل طول موج بلندتر نور فروسرخ، این امواج می‌توانند از موانعی مانند غبار کیهانی، سحابی‌های گازی متراکم یا قرص‌های پیش‌سیاره‌ای که مسیر نور مرئی را سد می‌کنند، عبور کنند و جزئیات درون آن‌ها را آشکار سازند.

سحابی مرداب (M8) در نور مرئی (بالا) و نور فروسرخ (پایین)

مزیت دیگر امواج فروسرخ برای دانشمندان، مطالعه‌ی جهان اولیه و پیدایش نخستین ستارگان و کهکشان‌ها است. نور مرئی و فرابنفش تابیده‌شده از این اجرام، در اثر پدیده‌ای به نام انتقال به سرخ کیهانی (که ناشی از انبساط جهان و دور شدن ساختار‌های تشکیل‌دهنده جهان از یکدیگر است)، کشیده‌تر شده و در طول موج‌های بلندتر، یعنی فروسرخ دیده می‌شود.

مطالعه این پدیده‌ها ما را قادر به پاسخ به پرسش‌هایی مانند ماهیت ماده و انرژی تاریک می‌کند و مطالعه چگونگی شکل گیری سیاه‌چاله‌ها، تکامل کهکشان‌ها و ویژگی‌های ستاره‌های اولیه را ممکن می‌سازد.

ستون‌های آفرینش با رنگ طبیعی (بالا)، رنگ کاذب (وسط) و تصویر فروسرخ نزدیک(پایین)

تلسکوپ هابل به کمک ابزارهای خود می‌تواند بازه ۹۰ تا ۲۵۰۰ نانومتری را مشاهده کند که علاوه بر نور مرئی، شامل بخشی ار طیف فرابنفش و فروسرخ می‌شود. در صورت استفاده از تصاویر سیاه و سفید طول موج فرابنفش و فروسرخ در ترکیب رنگی، تصویری ایجاد می‌شود که دیدن آن با چشم انسان غیرممکن است.

ترکیب رنگی سحابی خرچنگ از تصاویر طول موج‌های مختلف، حاصل همکاری چندین تلسکوپ

تلسکوپ جیمز وب، رصدخانه‌ی فضایی جدید ناسا در محدوده ۶۰۰ تا ۲۸۳۰۰ نانومتری فعالیت می‌کند که فقط شامل طیف نارنجی و قرمز از نور مرئی می‌شود و باقی در محدوده فروسرخ نزدیک و فروسرخ میانی قرار دارد. بنابراین هیچ‌یک از تصاویر منتشر شده از این تلسکوپ، نمایانگر رنگ واقعی اجرام نخواهد بود و تقریباً هرچه در تصاویر جیمز وب دیده می‌شود، برای چشم انسان نامرئی است.

تصاویر جیمز وب بسیار متفاوت از تصاویر هابل خواهند بود. هرچه اجرام سردتر باشند، در طول موج بلندتری تابش می‌کنند. در طول موج فروسرخ نزدیک، بسیاری از سحابی‌ها شفاف به نظر می‌رسند و تصاویر ثبت‌شده پر از ستاره‌هایی می‌شوند که در تصاویر هابل، در پس سحابی‌ها پنهان مانده بودند. ستاره‌های داغ و پرنور آبی و سفید در تصاویر فروسرخ نزدیک، کم‌فروغ‌تر می‌شوند و در عوض ستاره‌های کوتوله‌ی سرخ که فراوان‌ترین ستاره‌ها در جهان هستند، روشن‌تر دیده می‌شوند.

در فروسرخ میانی، حتی ستاره‌های کم‌نور نیز محو شده و اهداف اصلی، اجرام سردتری مانند سیار‌ه‌ها، سیارک‌ها و دنباله‌دار‌ها هستند. این اجرام نور خورشید را جذب می‌کنند و گرم می‌شوند، سپس این گرما را در طول موج فروسرخ میانی گسیل می‌کنند. غبار‌های ستاره‌ای نیز به روش مشابهی تابش فروسرخ میانی دارند. نمونه این غبار‌ها، قرص‌های پیش‌سیاره‌ای هستند که پیرامون ستاره‌های تازه متولد شده شکل می‌گیرند و سیارات از مواد موجود در آن‌ها ایجاد می‌شوند. بعضی از گاز‌های میان‌ستاره‌ای نیز در این طول موج تابش می‌کنند.

جهان ما دریای بی‌انتهایی است که نوع بشر شاید هرگز فراتر از گوشه‌هایی از آن را مشاهده یا تجربه نکند. ما تاکنون فقط ۵ درصد از اقیانوس‌های سیاره‌ی خودمان را کاوش کرده ایم. ولی ما همچنان به پیشروی ادامه خواهیم داد و روزی که تصویر واضحی از جهان داشته باشیم دور نخواهد بود. در حال حاضر فرایند فیلترینگ باند پهن می‌تواند به شیوه‌های گوناگونی به انسان‌ها کمک کند؛ از یافتن سیاره‌های سکونت‌پذیر برای انسان‌ها تا جستجوی کهکشان پهناورمان.

ما هر روز مرز‌ها را به چالش می‌کشیم، خلق می‌کنیم و سد‌ها را می‌شکنیم. خلاقیت متوقف نشده و نخواهد شد، زیرا کوشش برای حل مسائل جهانمان همیشه ادامه خواهد داشت.