Как получаются цветные астрофотографии и есть ли в космосе цвет?⁠⁠

Привет, ребятки Пикабушники! Я тут изучаю Вселенную (или она меня) с помощью самодельной обсерватории и уже несколько раз выкладывал фотографии разных объектов дальнего космоса. Эти фотографии делаются не на простой фотоаппарат, а на специальное оборудование - любительский телескоп и самодельную астробудку, где все это расположено:

И сегодня я бы хотел рассказать о том, как и с помощью какого оборудования делаются фотографии дальнего космоса и почему фотографии изначально получаются черно-белыми:

А на пост-обработке астрофотографии обретают цвет, например, вот так:

Наверное ни для кого не секрет, что такие крутые обсерватории как Hubble или James Webb Space Telescope тоже получают исходные кадры астрономических объектов в черном-белом цвете.

Почему так? Ведь и в нашей самодельной обсерватории, да и в других профессиональных используются специальные черно-белые камеры. Конечно, на любительских телескопах можно делать фото и на обычный зеркальный фотоаппарат, но почему именно черно-белые камеры?

На это есть несколько причин:

1. Астрономические камеры обычно используются для наблюдения слабых и далеких объектов в космосе. Черно-белые камеры могут иметь более высокую чувствительность к свету, чем цветные камеры, потому что они могут собирать больше света на одном и том же сенсоре. Это позволяет обнаруживать более слабые объекты и собирать больше данных для научных исследований.

2. Разрешение: черно-белые камеры могут обеспечивать лучшее пространственное разрешение, что важно для астрономических наблюдений. Это позволяет получать более детальные изображения объектов в космосе и проводить более точные измерения.

3. Фильтры: для получения цветных изображений можно использовать специальные фильтры, которые пропускают только определенные диапазоны цветов. Это позволяет создавать цветные изображения из черно-белых фотографий, но с более гибким контролем над цветами и диапазонами, чем при использовании цветных камер.

4. Научные исследования: для многих астрономических исследований, особенно в области астрономии, черно-белые изображения предоставляют более полезные и точные данные. Например, при изучении изменений яркости звезд, галактик или планет черно-белые изображения могут быть предпочтительными.

Поэтому в нашей самодельной обсерватории установлена специальная астрономическая черно-белая камера с колесом фильтров. Вот она (точнее это та, которая была установлена ранее):

Эта камера оснащена специальным "холодильником" - элементом Пельтье с кулером, все это позволяет охлаждать сенсор камеры с разницей в 40 градусов. Охлаждение значительно снижает уровень шума матрицы на длительных выдержках (сейчас одиночные кадры снимаются с 10-минутной выдержкой).

Перед камерой установлено черное круглое "колесо". Вот внутренности этого колеса:

В эти свободные пазы устанавливаются специальные фильтры, которые пропускают свет только с определенной длинной волны. Фильтры выглядят вот так:

Колесо имеет интерфейс подключения USB и привод, который позволяет вращать фильтры для автоматической смены, чтобы не приходилось переключать их руками. А вот так уже выглядит "заряженное" колесо с уже установленными фильтрами:

В сборе, вся эта установка (астрономическая камера + колесо фильтров) выглядит вот так (на фото ниже). Эта камера установлена в фокусировочный узел телескопа и готова улавливать слабые фотоны наблюдаемых галактик и туманностей. Те самые фотоны, которые путешествовали во Вселенной от десятков тысяч до десятков миллионов лет, прежде чем попасть на сенсор нашей камеры.

Для чего нужны эти фильтры? Астрономические объекты испускают свет на определенных длинах волн, и фильтры могут быть использованы для выделения этих спектральных линий. Например, с помощью гелиевых линий можно изучать планетарные туманности, а с помощью водородных альфа-фильтров можно наблюдать газовые облака в галактиках. Каждый фильтр позволяет сделать кадры и заснять информацию о том свете только определенной длины волны.

На фото выше - фотография одной и той же туманности, которую я сделал через 7 разных фильтров (все, которые установлены в колесе фильтров). Вы можете увидеть разное количество деталей, которые получаются в зависимости от установленного фильтра перед камерой. Последняя фотография в этой группе - это сумма кадров, то есть полноценное цветное изображение. Как оно получилось?

В системе аддитивной цветовой смеси, такой как RGB (красный, зеленый, синий), используется три основных цвета. Эти три цвета считаются основными, потому что путем комбинирования их различных пропорций можно создать широкий спектр цветов. В системе RGB красный, зеленый и синий считаются первичными цветами, а другие цвета создаются путем смешивания или добавления этих цветов в различных пропорциях.

Итак, цветные астрофотографии создаются путем объединения черно-белых изображений, полученных с использованием различных фильтров. Упрощенно процесс выглядит так:

1. Захват черно-белых изображений. Делаем несколько черно-белых фотографий одного и того же объекта или участка неба, используя разные астрономические фильтры.

2. Обработка изображений первоначальных кадров. Выравнивание и регистрация изображений, убираем шум и добавляем калибровочные кадры.

3. Комбинирование изображений. Черно-белые изображения, полученные с различных фильтров, затем комбинируются для создания цветного изображения. Каждому из черно-белых изображений присваивается цвет, соответствующий цветовому фильтру, с которым оно было получено. Например, изображение, полученное с фильтром, настроенным на красный цвет, будет отображено красным.

4. Создание цветного изображения: Цветные каналы из всех черно-белых изображений объединяются в одно окончательное цветное изображение. Это может быть выполнено с использованием специализированного программного обеспечения для обработки изображений.

5. Калибровка цветов: Иногда требуется калибровка цветов для того, чтобы добиться точных цветовых балансов и устранения возможных искажений. Это может включать в себя настройку цветовых насыщенностей и коррекцию цветовых кривых.

Другими словами, от того, на какие каналы (RGB) мы кинем черно-белые кадры различных групп фильтров, будет зависеть итоговая палитра изображения. Вот для примера одно и тоже изображение туманностей, собранное из одних и тех же исходников (сумма кадров в SII фильтре - смотрите выше), но в разных палитрах:

Напишите комментарий - какой вариант вам кажется лучше?

Но означает ли это, что все астрофото - фотошоп? И да, и нет! В космосе объекты не имеют такого цвета, как мы привыкли видеть его на Земле. Отсутствие атмосферы и различных источников освещения в космическом пространстве делает его визуально монохромным (для глаза, но не для камеры, которая умеет накапливать фотоны).

Например, вот фотография одной туманности, которую мы снимали 5 лет назад еще на обычный зеркальный фотоаппарат:

Или вот большая туманность Ориона (М42) - она тоже была получена с помощью нашего телескопа, к которому была подсоединена цветная зеркальная камера. На фотографии отлично проявились цвета и при чем не было никаких манипуляций с каналами. Да, такая фотография получается, когда мы делаем множество кадров, а потом соединяем их, но никакую палитру при сложении кадров не используем.

При этом весь процесс съемки выглядел вот так, как на фото ниже. Наш телескоп Sky-Watcher 250мм, два ноутбука - один управляет монтировкой, ко второму подключена камера, чтобы не приходилось каждый раз нажимать на кнопку спуска затвора.

А теперь давайте сравним с точно таким же изображением туманности Ориона (М42), фотографию которой мы уже получили на специальную астрономическую черно-белу камеру через фильтры:

Цвет сильно отличается, но это мы уже экспериментировали с расцветкой и получили не совсем естественные цвета. Тут уже на усмотрение художника (фотографа, который обрабатывает данные с телескопа). Какой вариант расцветки туманности вам нравится больше?

Так что цвет в космосе все-таки есть, не такой, какой мы видим на астрономических фотографиях, но частично все же похожий. Сейчас в обсерватории у нас новая астрономическая камера с фильтрами. Она тоже черно-белая, но гораздо более современная. С помощью нее обсерватория сейчас снимает более детализированные изображения.

Есть общепринятые астрономами варианты расцветок астрономических объектов, которыми пользуются все астрофотографы. Например - палитра Хаббла, или еще одна палитра Natural Narrowband. В ней используются более сложные формулы получения цветного изображения, например:

R: SII*(255/255) + OIII*(0/255) + Ha*(211/255)

G: SII*(0/255) + OIII*(254/255) + Ha*(65/255)

B: SII*(0/255) + OIII*(179/255) + Ha*(250/255)

Огромный минус черно-белой камеры перед цветной - нужно гораздо больше времени для съемки объекта. Например, чтобы получить просто цветное изображение какой-нибудь галактики, для ч/б камеры нужно снять кадры через три фильтра - red, green, blue. В цветной достаточно просто сделать такое же количество кадров, как и через один фильтр ч/б камеры, то есть в три раза меньше времени.

Я в дальнейшем буду выкладывать остальные фотографии, которые уже были сделаны на обсерватории и те, которые мы получаем прямо сейчас. Кстати, мне как-то писали, что это все враки, и все астрофотографии это фотошоп. Так вот, обсерватория сохраняет весь отснятый материал на облачное хранилище, где любой желающий может воспользоваться данными для чего угодно:

На этом, пожалуй, закончу. Хочу лишь добавить, что каждая астрофотография - это трудоемкое занятие, результат работы телескопа несколько часов, а потом еще и сложение кадров, постобработка занимает тоже много времени. Но это того стоит - ловить древние фотоны очень увлекательное занятие.

Фух, спасибо, что дочитали! Следующий мой пост будет раскрывать мою идею постройки народной обсерватории, расскажу как она управляется, покажу что сделал, чтобы можно было смотреть результаты ее работы и как поучаствовать в проекте любому желающему.

Спасибо за интерес к космосу! На пикабу я буду стараться писать общие посты, в весь мой дневник тут: Ближний Космос. Я его веду с 2017 года и там довольно специфичный контент, не для всех будет интересно 🙂

Всем добра, пикабутяне 👋