何？天体写真はすべてフォトショップで加工されているのでしょうか? ！

多くの人が天文学に興味を持ち、壮大で美しい天体写真に魅了されています。しかし、これらの美しい写真はポストプロダクションで制作されていることをご存知でしたか?

私の友人の中にはショックを受けて反応する人もいるかもしれません。なんてこった？天文学もネットの有名人と同じトリックを使っているのでしょうか？撤退、撤退…

行かないで！天文学における「写真編集」は、単に自撮り写真を撮っていくつかのフィルターを適用するだけではありません。それは科学的知識と芸術的才能の両方を必要とする細心の注意を要する仕事です。また、人々が宇宙をより直感的に理解するのにも役立ちます。次回は、有名な写真を通して、ヒューマニズムのある写真を「写真編集」する基本的なスキルについてお話します。

この写真の形はなぜこんなに変なのでしょうか？

ボイジャー1号探査機が撮影した「太陽系家族のポートレート」を例に挙げてみましょう。それは1990年2月のことで、ボイジャー1号は64億キロも離れたところまで飛んでいました。太陽系を振り返って、この有名な写真を撮影しました。

1990 年 2 月 14 日にボイジャー 1 号が撮影した太陽系の家族写真。画像提供: NASA

この写真の形はなぜこんなに変なのでしょうか？もちろん、それはパズルのためです。

写真の主要部分は、実際には 39 枚の個別の写真をつなぎ合わせて構成されています。各文字は（基本的に目に見えない）惑星を表します。たとえば、J は木星、E は地球、V は金星などです。

集合写真を撮った経験のある友人は、ここで広角レンズを使って家族のポートレートを撮ってみたらどうかと尋ねるかもしれません。これは、天体観測の視野が通常非常に狭いためです。これらの写真は、探査機が惑星の全身写真を撮影したいと考え、出発時に少し広い視野を持つカメラを持ってきたおかげで撮影された。天体観測の観点から見ると、小さな写真一つ一つがすでに「広角」とみなされます！その周囲にある6枚の小さなカラー写真は、より狭い視野を持つカメラを使用して探査機が同じ位置から撮影したものです。

ボイジャー1号がこの一連の写真を撮影したとき、レンズの方向を調整し、露出パラメータを何度も設定する必要がありました。地上合成を行う際には、画像を正しい位置につなぎ合わせるために、これらの変化を忠実に再現する必要があります。

これらの写真の右上隅に欠けている部分があるのはなぜですか?

下の写真では、右上隅に不審な隙間があります。どうしたの？これは実はジグソーのせいです。

3 枚の写真は、かみのけ座の M100、IC 2944 (チキンウォーカー星雲)、ハッブル宇宙望遠鏡による深宇宙望遠鏡です。画像提供: NASA

一部の写真撮影ミッションでは宇宙望遠鏡の向きを変える必要はありませんが、当時の設計上または技術的な制限により、パズルとして完成させる必要があります。たとえば、ハッブル望遠鏡は 1993 年から 2009 年まで、4 つの 800×800 CCD センサーを備えた第 2 世代の広視野惑星カメラ (WFPC2) を使用していました。私たちが見る最後の写真はすべて 4 枚の写真から合成されたものです。

これら 4 つの CCD のうち 1 つが異なります。視野は他のものより狭いですが、ピクセル数は同じです。この方法により、天文学者が天体の一部を撮影し、詳細を研究することができます。たとえば、わし星雲「創造の柱」の写真は次のようになるはずです。

「創造の柱」は、1995 年 4 月 1 日にハッブル望遠鏡で撮影されました。画像提供: NASA

しかし、一般公開する際には、部分を拡大するために使用したこの角度を縮小し、他の 3 つの角度とつなぎ合わせて滑らかな写真にする必要があります。下の写真では、右側の星雲の列が上から下まで完全につながっています。

得るものもあれば、失うものもある。絵と絵のつながりはスムーズですが、内容のないギャップが生まれます。天文学者には最終的な目標があり、ここで偽の背景を作成することはありません。そのため、ハッブル望遠鏡で撮影された多くの写真には、この象徴的な階段状の暗い隅が見られます。この暗い部分が消えたのは、2009年に第3世代のワイドフィールドカメラ（WFC3）にアップグレードされてからでした。

この写真を直接撮影すると、カメラが焼けてしまいます...

視野の問題に加えて、被写体の状態が極端すぎて一度にすべてを見ることができないため、画像がつなぎ合わされることもあります。

例えば、下の写真のコロナ質量放出では、放出された物質の煙がSOHO太陽探査機のLASCO分光計によって撮影されましたが、LASCOは太陽を覆うことでコロナを観測することしか敢えてしませんでした。なぜなら、もし何の障害もなく太陽を直接「見る」としたら、それが最後の眺めとなり、その場で機器が燃え尽きてしまうからです。下の写真の中央にある太陽は、探査機に搭載された EIT 望遠鏡によって極端紫外線帯で撮影されたものです。通常サイズに比べて少し拡大し、中央を塗りつぶすことで画像効果を高めました。これら 2 つの機器のうち、1 つは太陽を見ることはできず、もう 1 つは外側のコロナを見ることができません。それぞれがパーツになっており、組み合わせるととても美しいです。

コロナ質量放出、2002 年 1 月 8 日、SOHO によって撮影。画像提供: NASA

通常サイズの画像の中央では太陽が小さくなっています |クレジット: ESA/NASA/SOHO

天体写真を滑らかにするのは確かに骨の折れる作業です...

多くの美しい天文写真は、広大で、奥深く、透明で鮮明に見えますが、実際には、元の写真は点と線でいっぱいで、見るのが恐ろしいものです。

例えば下の写真は、筆者が2015年の冬に撮影したオリオン大星雲の写真です。何気ない屋外での撮影なので、あまり良い写真ではありません。私は日中に鳥の写真を撮るための望遠カメラしか持っていませんでしたが、地球の自転によって生じる星の光の縞を除去する赤道儀も持っていませんでした。露出時間を短くするために、カメラの感度を非常に高く調整する必要がありました。しかし、カメラの感度を上げると、ノイズが急激に増加し、いくつかの明るい点が実際の星なのか、衛星なのか、宇宙ゴミなのか、それともカメラ自身のノイズなのかを区別できなくなります。

このとき、信号を強化してノイズを抑えるために画像を重ねる必要があります。

写真の丸で囲まれた4つの光点に注目してください。

オリオン大星雲、2015年12月。撮影：Qu Jiong

私は写真を 12 枚ほど撮影し、品質の良いものを数枚選択し、PS で明るい星を慎重に整列させてから、上位レイヤーを「暗くする」ように設定しました。つまり、各ピクセルについて、すべてのレイヤーの中で最も暗いピクセルだけが表示されます。そこに本物の星があった場合、すべての層で同じ位置で明るくなり、最終的には現れるはずです。単なる衛星、飛行機、または高感度によるノイズの場合は、他のレイヤーによって「黒」と判断され、暗い背景に消えてしまいます。

重ね合わせた合成写真は以下の通り。写真ははるかに鮮明になり、本物の星はそのまま残っており、上の写真で丸で囲まれていた明るい点は消えています。確認してみると、どの写真にも星空を背景にゆっくりと動いている彼らが写っていました。それらは衛星かもしれません。

画像を重ね合わせた合成写真の方が鮮明に見えませんか？

本格的な天文観測では、画像の重ね合わせ技術は当然ながらこの「5 分間の PS チュートリアル」よりもはるかに複雑です。前述のハッブル・ディープ・フィールドを例にとると、この写真は 1995 年後半におおぐま座の非常に暗い領域を撮影したものです。手前にあるいくつかの天の川銀河の星を除いて、目に見える 3,000 を超える天体のほぼすべては、数十億光年離れた遠方の銀河です。このように遠く暗い星からの光のため、ハッブル望遠鏡は10日間かけて地球の周りを150周し、空の同じ領域に141時間の露出を蓄積することになった。最終的に、342 枚の写真が選ばれて重ね合わされ、宇宙線や地球からの散乱光による干渉が除去され、実際の信号が強化されて、今日私たちが目にするハッブルの深宇宙画像が合成されました。

ハッブルディープフィールド (いつものように右上隅が欠けています) |画像提供: NASA

天文画像の色付けには美的感覚と知識の両方が必要

絵をただ組み合わせて積み重ねるだけではなく、色を塗ることもとても重要です。さまざまな検出器や宇宙望遠鏡で撮影された元の写真は実際には白黒であるため、カラー写真を見たい場合は、後で色を付ける必要があります。

では、なぜ元の写真は白黒なのでしょうか?これは、技術が遅れているからでも、収集できる情報が不足しているからでもありません。むしろ情報量が多すぎるからです。電磁スペクトルは非常に広く、人間の目と脳が認識できる色は非常に限られているためです。可視光線帯域を超えるものはすべて完全に見えません。可視光以外の波長で機器によって撮影された画像を何色と呼ぶべきでしょうか?

したがって、検出器は、見たものを明暗で表現し、波長情報を付加してパッケージ化し、人間に提示します。「ほら、これはマイクロ波帯、これは赤外線帯、これは赤色光領域、これは緑色光領域、これは青色光領域、これは紫外線帯、これはX線帯です。すべて白黒です。ゆっくり見てください。はっきりと区別できれば大丈夫です。」

それで、どうやって色を塗るのでしょうか?天体写真では、各ピクセルの色に基準がなければなりません。これは、昔の写真スタジオで頬や唇に赤いペンキを塗って終わりにするだけの古い写真とは違います。

色を塗るときは、次の 3 つの質問を考慮する必要があります。リアルですか?それは科学的ですか？美しいですか？ 3 つの質問に対する回答はそれぞれ着色方法に対応しており、矛盾する場合があります。以下で詳しく説明します。

写真が元々可視光帯域で撮影されたものであれば、カラー化は非常に簡単です。太陽系の主要な惑星とその周囲の衛星のカラー写真のほとんどはこのようなものです。青、緑、赤の三原色に対応する白黒フィルムを抜き出し、それぞれ青、緑、赤にレンダリングして重ね合わせるだけで、「本物そっくり」のカラー写真が出来上がります。この可視光帯域の色を「天然色」と呼びます。

2013 年 7 月 19 日にカッシーニが撮影した土星。画像提供: NASA

可視光を超えて、物理学と哲学の思考を使用する必要があります。たとえば、以下の 4 枚のパネルの極端紫外線画像は、17.1nm、19.5nm、28.4nm、30.4nm の波長で撮影されました。紫外線自体には色がありませんが、これらの帯域を素早く識別するために、可視光の波長の順に青から赤まで色分けするといいでしょう。この色の順序は電磁気学に準拠しているので、非常に理解しやすく覚えやすく、また非常に美しいです!

2021年12月31日にSOHOによって撮影された太陽の極端紫外線画像。画像提供: NASA

それは本当ですか？それは科学的ですか？美しいですか？後者の 2 つの答えが勝った場合、それらを使用して最初の質問に異議を唱えることができます。たとえそれが非現実的だと感じたとしても、それは私たちの視野が狭すぎて帯域幅が十分でないためです...

言い換えれば、人類は観光のためではなく、科学研究のために、どんな犠牲を払ってでもこれほど多くの機器を宇宙に送り込んでいるのだ。可視光の狭い色は、電磁スペクトル全体においては意味を持ちません。科学的な情報を表現できれば、天体の可視光の色を無視して、全く別の色を与えることも可能です。このとき、写真に「代表色」をつけます。

「創造の柱」を例に挙げてみましょう。元の画像は3つの帯に分かれた白黒写真でした。

このうち、左の写真は酸素の502nmの青緑色の輝き、中央の写真は水素と窒素の657nmの赤色の輝き、右の写真は硫黄の673nmの深紅色の輝きで、それぞれ対応する波長のフィルターを使用して取得されました。これらの波長が検出されるのは、これらの元素が天体の重要な構成要素であるためです。

それで質問ですが、1 つの青緑と 2 つの赤を重ねると、結果はどうなるでしょうか?

結果はこれです。それは天体の本当の姿に近いかもしれないが、そのような本当の血のような赤色には、科学的なレベルでは情報内容がない。

天文学者が追求するのは明瞭さです。先に述べたように、科学的な情報を伝えるためには、天体の「本質」を放棄することもあります。このように、最も波長の短い酸素を青、水素＋窒素を緑、最も波長の長い硫黄を赤（硫黄：もともと赤いのですが…）と定義して、もう一度絵を作ります。突然、感動して泣きたくなることがありますか？！ (前述のように、ハッブルは2009年にカメラをアップグレードしたため、右上隅の欠けている部分が埋められました。)

「創造の柱」は、2014 年 10 月 29 日にハッブル望遠鏡で撮影されました。画像提供: NASA

写真がよりカラフルになるだけでなく、科学的な情報を伝えやすくなります。青、緑、赤の三原色と各元素の対応関係がわかったので、「創造の柱」の各部における元素の分布を直接解釈することができ、これは「実際の」血肉の柱よりもはるかに簡単です。

現実的でも科学的でもない着色方法もいくつかあります。例えば、下の写真の NGC1850 の場合、その背後にある星雲はもともと水素アルファ線の赤い光を発しています。赤く染めれば科学的な表現に支障はないのですが、フォトレタッチをする人は意地悪でどうしても青で表現したがります。個人の美的嗜好に合わせたこのようなブレンドは、「強化色」と呼ばれます。

NGC1850、ハッブル望遠鏡で2001年7月10日に撮影。画像提供: NASA

色付けに関する3つの質問を確認しましょう。

それは本当ですか？本物であれば「ナチュラルカラー」と呼びます。

それは科学的ですか？科学的に言えば「代表色」と呼ばれます。

美しいですか？美しい場合は「強化色」と呼びます。

まとめると、美と科学、芸術と現実が融合した天体写真を得るためには、天文学者と芸術家の共同作業が必要になることが多く、パズルの作成、重ね合わせ、着色など、いくつかの主要なステップを経ることになります。

また、惑星に接近する探査機の三人称視点や、星が飛び交う超光速航行のシーンなど、美しい写真は天体写真ではなく、アーティストが作成したコンセプト画であることも付け加えておきたいと思います。

これを読めば、美しい天体写真を作成する方法がわかると思います。あなたは広大な宇宙への興味をまったく失っていませんか、むしろ宇宙をさまよう意欲が高まっていますか?

著者 |人気科学ライターの屈炫氏は、国立博物館や国家宇宙局などで著作を発表している。

レビュー |劉曦、北京天文館研究員、科学映画監督、作家

編集者 |ディン・ゾン

この記事は、「科学噂反論プラットフォーム」（ID: Science_Facts）によって作成されました。転載の際は出典を明記してください。