なぜこの美しい星雲は「カラーパレット」を覆したのでしょうか?謎の「ハッブルカラー」を解明！

著者 |周一浩

監査 |黄建

編集者 |王啓源

カリーナ星雲、ハッブル宇宙望遠鏡とブランコ望遠鏡で撮影された画像の合成（画像提供：NASA）

上の写真を初めてご覧になった方は、柔らかくて温かみのあるオレンジと冷たい緑の組み合わせに衝撃を受けると思います。まるで色彩パレットをひっくり返したような、壮大で神秘的な雰囲気で、まるで『スタートレック』の宇宙船の中にいるような気分にさせてくれます。

カラーカメラのベイヤーフィルター（画像はWikipediaより）

それで、この素晴らしい画像はどのようにして生まれたのでしょうか?この質問に答えるために、まずは Xiaoxing に従って、デジタルカメラがカラー写真を撮る原理を理解しましょう。もともと、カメラのセンサーは、白黒の輪郭線だけを描くのと同じように、光の強さしか感知できませんでしたが、カラーカメラのセンサーは、赤、緑、青の光だけを通過させる小さなフィルターの層で覆われています。このようにして、各ピクセルは 1 つの色の明るさ情報のみを記録します。その後、カメラは独自のアルゴリズムを使用して、白黒の絵画に「色を塗りつぶす」のと同じように、隣接するピクセルの色に基づいて各ピクセルの完全な赤 (R)、緑 (G)、青 (B) 情報を推測し、それらを組み合わせてカラー画像を生成します。

ハッブル宇宙望遠鏡の広視野カメラ WFPC2 (画像提供: NASM)

ハッブル宇宙望遠鏡は違います。搭載された広視野カメラ WFPC2 および WFC3 は、異なるフィルターを使用して、異なる波長の光信号を収集できます。これらの波長には、人間の目に見える可視光線だけでなく、人間の目では知覚できない紫外線や赤外線も含まれます。ハッブル宇宙望遠鏡は、写真を撮るたびに、水素原子から放射されるスペクトル線 (Hα 線) や酸素原子から放射されるスペクトル線 (OIII 線) など、特定の波長の光を分離するための特定のフィルターを選択します。このように、カメラで撮影された各画像は、実際には特定の波長のグレースケール写真であり、その波長における光の強度分布を記録します。この「モノクロ」写真により、科学者は恒星の温度、ガスの組成、塵の分布など、さまざまな天体の物理的特性をより正確に研究できるようになります。

バブル星雲の写真のカラー合成（画像提供：NASA）

ハッブル宇宙望遠鏡からの生データはグレースケール画像です。カラー画像を生成するために、これらのデータは疑似カラー技術を使用して処理されます。具体的には、赤外線には赤、紫外線には青、特定の可視光波長には緑など、画像データのさまざまな波長に特定の色を割り当てます。これらの「色付き」レイヤーを重ね合わせることで、豊富な情報を含むカラフルな画像が生成されます。これらの疑似色は天体の実際の色ではありませんが、重要な特徴を識別するのに役立ちます。たとえば、上記のハッブル宇宙望遠鏡によるバブル星雲の画像では、赤は窒素、青は酸素、緑は水素に対応しています。

SHOフィルターを使用して撮影したクモ星雲（撮影：周一豪）

天体写真におけるハッブルカラーは、通常、SHO 狭帯域フィルターを通して合成された疑似カラー画像を指します。硫黄（SII、波長 672.4 ナノメートル）、水素（Hα、波長 656.28 ナノメートル）、酸素（OIII、波長 500.7 ナノメートル）の 3 つのフィルターを使用してモノクロ写真を撮影し、それぞれ赤、緑、青のチャンネルを割り当てて色鮮やかな星雲画像を合成します。合成された画像はハッブル宇宙望遠鏡の狭帯域写真の色に似ていることから、「ハッブルパレット」と名付けられました。

クリスマスツリー星雲のSHOカラー（左）とRGBカラー（右）の比較（撮影：周一昊）

ここでの色の使用は、単に「見栄えを良くする」ためだけではなく、もともと薄暗かったり判別が難しかった細部を際立たせ、波長帯の制限を超えて宇宙の奥深くにある豊かでカラフルな色を見ることができるようにするためでもあります。これらの色彩豊かに再現された画像を見ると、誰もが「星の海」の背後にあるより多くの層と神秘性を感じることができ、より強い探究心と想像力を刺激します。対照的に、肉眼で見える色と一致する画像だけに頼ると、私たちが捉えられる世界に近づくものの、暗い構造や特殊なエネルギー放射の表現が欠けていることがよくあります。私たちは明るい雲や暗い雲しか見ることができず、情報を含む赤外線や紫外線の詳細を無視することがあります。

ハッブルカラーの出現により、天文学的探究と芸術的美学の完璧な融合が可能になり、科学的研究が鮮明かつ具体的なものになるだけでなく、宇宙の驚異が真に一般の人々の視野に入るようになりました。これらの色鮮やかで細部まで鮮明な画像を通して、人々は星雲の多層構造、銀河間の相互作用、深宇宙の広大さと複雑さを直感的に理解することができます。こうした視覚的な衝撃によってもたらされる好奇心と驚きこそが、大衆科学の最も感動的な力なのです。

参考文献

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[5]ライアン・ウィットワムハッブル宇宙望遠鏡が25周年を迎えました - ベスト25の画像をご紹介します [J]。 ExtremeTech.com、2015年、

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[8] なんと美しい星雲の写真でしょう！これらの色は本物ですか？、北京天文館、https://www.bjp.org.cn/twwd/wyjytwsy/4028c1367a595bb8017a5bec0c97000a.shtml。

[9] 光と色の意味、HubbleSite、https://hubblesite.org/contents/articles/the-meaning-of-light-and-color

[10] モリー・ウェイクリングハッブルのような写真を撮る方法: フィルターと後処理ガイド、https://www.astronomy.com/observing/observing-basics-image-like-hubble/

[11] マメンチサウルスの飼育係さん、私が見ている星雲は白黒なのに、フォトショップで加工した星雲はなぜカラーになっているのですか？、WeChatパブリックアカウント「Guoker」、https://mp.weixin.qq.com/s/R8Y3fnt5ucxnJat3XUQomg