W poprzednich zagadkach w serii omawiałem już kilka aspektów związanych z astrofotografią. Tym razem chciałbym powiedzieć parę słów o kolorach. Każdy astrofotograf spotyka się w swojej karierze prędzej czy później z niedowierzaniem wyrażanym pytaniami typu "to naprawde jest w kosmosie? naprawdę są tam takie kolory? Innymi słowy, czy to zdjęcie jest prawdziwe??". Na takie pytania bardzo ciężko się odpowiada. Najpierw trzeba by zdefiniować co znaczy "prawdziwe" Brzmi jak wykręt? Może i tak, ale problem jest realny.
Spójrzmy na następujący przykład.
Poniższe zdjęcia przedstawiają ten sam obiekt - centrum mgławicy Orzeł (M16) popularnie nazywane Filarami Stworzenia.
Pierwsze z nich to prawdopodobnie najbardziej rozpoznawalne zdjęcie kosmosu jakie kiedykolwiek zrobiono. Zostało wykonane w 1995 roku przez kosmiczny teleskop Hubble'a w palecie SHO. Zdjęcie to wywarło ogromny wpływ na amatorską fotografię, gdyż to właśnie pod jego wpływem paleta SHO stała się bardzo popularna. Z tego też powodu nazywana jest często paletą HST (Hubble Space Telescope)
Drugie z nich wykonane zostało całkiem niedawno przez kosmiczny teleskop Jamesa Webba (JWST)
Spróbujmy na podstawie tych zdjęć odpowiedzieć na kłopotliwe pytania zadane na początku.
Czy to naprawdę jest w kosmosie? Wydaje się że tak być musi, skoro potwierdzają to dwa zdjęcia wykonane niezależnie od siebie przez warte miliardy dolarów instrumenty naukowe. A czy naprawdę są tam takie kolory? To jest to pytanie, po usłyszeniu którego każdy astrofotograf nerwowo poprawia się na krześle. Tak. I nie. Najlepiej przestań zadawać pytania i usiądź prosto... Mimo wszystko jednak zmierzmy się z tym zagadnieniem.
Zacznijmy od analizy zdjęcia po prawej stronie. Jak wspomniałem, wykonane zostało przez JWST. Teleskop ten, czego możemy dowiedzieć się po 30 sekundach szukania, robi zdjęcia w podczerwieni. Czy podczerwień ma kolory? Jeżeli zajrzymy do definicji z SJP PWN, dowiemy się, że kolor to "postrzegana wzrokowo właściwość przedmiotu, zależna od stopnia pochłaniania, rozpraszania lub przepuszczania promieni świetlnych". A ponieważ podczerwień zdecydowanie nie jest przez nas "postrzegana wzrokowo", to ciężko obronić tezę, że te kolory istnieją. Jednak na zdjęciu widzimy wyrażnie wyróżnione barwy, które odpowiadają różnym długościom fali elektromagnetycznej (czytaj: "kolorom") zarejestrowanym przez matrycę! No to w końcu czy to zdjęcie jest prawdziwe? Na to pytanie każdy już musi odpowiedzieć sobie sam. Dodam tylko, że dyskusja ta mogłaby przebiegać zupełnie inaczej gdybyśmy byli wężami, bo gady te widzą podczerwień. Ciekawe jaki ma dla nich kolor.
Nieco prościej wygląda wygląda sytuacja z lewym zdjęciem. Po pierwsze uspokoję, że HST robi zdjęcia w widmie widzialnym. Czyli zgodnie z naszą definicją, kolory które fotografuje są prawdziwe. Zdjęcie jak wspomniałem zostało przedstawione w palecie SHO. Brzmi magicznie; spróbujmy rozszyfrować co to może znaczyć. W tym celu będziemy musieli liznąć trochę pogranicza fizyki i chemii, jednak na szczęście możemy przynajmjniej częściowo odwołać się do naszych codziennych doświadczeń. Na pewno każdy dobrze zna charakterystyczne pomarańczowo-żółte latarnie. Wiele osób kojarzy też pewnie, że nazywa się je "lampami sodowymi". Dlaczego? Ano dlatego, że w lampach tych znajduje się sód, i to właśnie on jest elementem świecącym. Pewnie słyszeliście też o reflektorach ksenonowych stosowanych w samochodach, o lampach rtęciowych używanych w terrariach i szklarniach, czy wreszcie o "neonach".
I tu wchodzimy w zapowiedziane pogranicze chemii i fizyki. Tylko na chwilę, obiecuję! Jak na pewno wszyscy pamiętają, każdy atom składa się z jądra atomowego i znajdujących się dookoła niego elektronów. Co więcej elektrony te poukładane są w powłoki związane z pewnymi poziomami energetycznymi. Co bardziej straumatyzowani osobnicy mogą pamiętać takie oznaczenia jak 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d którymi czarnoksiężnicy nazywani chemikami oznaczają na jakich powłokach znajdują się elektrony w danym atomie. W stanie podstawowym elektrony będą zajmować kolejne następujące po sobie powłoki zgodnie z pewnym schematem, jednak atom można również pobudzić dostarczając do niego energię (np świecąc na niego odpowiednim światłem lub przepuszczając przez niego odpowiednie elektrony - czyli prąd). W takim przypadku elektrony przestają grzecznie siedzieć w ławkach i wskakują na wyższe powłoki. Jednak kiedy elektron wskoczy na taką wyższą powłokę, to wcale nie ma ochoty tam zostać. Po jakimś czasie wróci do swojego stanu podstawowego. A skoro powłoki odpowiadają określonym poziomom energetycznym i wiemy, że obowiązuje nas zasada zachowania energii, to elektron wracający na niższą powłokę musi jakoś oddać energię. I oddaje ją w postaci światła: emituje foton, lub mówiąc bardziej po fizycznemu "kwant energii". Ponieważ poziomy energetyczne tychże powłok są ściśle określone, to również ten kwant energii zawsze jest taki sam. A dla światła oznacza to tyle, że ma zawsze taką samą długość fali, co określimy niczym innym niż po prostu.. kolorem! I w ten sposób doszliśmy do sedna sprawy. To właśnie dlatego lampy sodowe świecą na żółto, a ksenony na niebiesko. Takim kolorom odpowiadają różnice między poziomami energetycznymi powłok elektronowych w tych atomach. W przypadku sodu jest to na przykład światło o długości fali 589,3nm. Wartość tę określamy mądrze "pasmem emisyjnym sodu". Dla porządku należy dodać, że każdy pierwiastek posiada wiele pasm emisyjnych związanych z różnymi parami powłok pomiędzy którymi może przeskakiwać elektron, które razem składają się na jego "widmo emisyjne", jednak dla potrzeb dalszej części tego wywodu w zupełności wystarczy nam zapamiętać, że każdemu pierwiastkowi możemy przypisać pewną bardzo dobrze określoną długość fali w której świeci kiedy na niego poświecimy odpowiednią latarką. Takich latarek z kolei mamy w kosmosie w bród. Są nimi po prostu gwiazdy, które świecą bardzo mocno między innymi w ultrafiolecie.
Pamiętacie jeszcze w ogóle dlaczego o tym wszystkim mówiłem? Mieliśmy wyjaśnić skrót SHO. Już ostatni raz skorzystamy z naszej szkolnej wiedzy i rozszyfrujemy, że S to siarka, H to wodór, a O - tlen. Jak już zapewne się domyślacie, zdjęcie to zrobione jest nie w pełnym widzialnym spektrum światła, a tylko w trzech bardzo wąskich pasmach. 672nm (pasmo S-ii), 656 nm (pasmo H-alfa) oraz 500,7 nm (pasmo O-iii). "Normalne" kolorowe zdjęcie składa się z kanałów RGB - czerwony, zielony, niebieski. Zdjęcie SHO pod te kanały podkłada światło pochodzące z widm promieniowania poszczególnych pierwiastków. A więc to, co na naszym zdjęciu widzimy jako czerwień to siarka, zieleń to wodór, zaś niebieski kolor wskazuje na obecność tlenu.
Wracamy zatem do naszego pierwotnego dylematu. Czy to zdjęcie jest prawdziwe? I czy naprawdę są tam takie kolory? Pewnie nie zbliżyliśmy się bardzo do odpowiedzi na filozoficzne pytanie "czym jest prawda?", ale wiemy już przynajmniej jak takie zdjęcie powstało. I tak, jest prawdziwe. To znaczy w pewien wierny sposób przedstawia rzeczywistość. Czy kolory są prawdziwe? kwestia interpretacji. Naprawdę są tam rzeczy które świecą w trzech różnych kolorach. Czy są to te same kolory które przedstawiliśmy na zdjęciu? Ano nie. W rzeczywistości zarówno pasma S-ii jak i H-alfa to prawie nierozróżnialne dla oka odcienie czerwieni, zaś pasmo O-iii to cyjan, czyli taki niebiesko-zielony. Co więcej, wodoru jest w kosmosie o rzędy wielkości więcej niż pozostałych pierwiastków, więc na zdjęciu zrobionym zwykłą lustrzanką wszystko jest po prostu czerwone. Fotografia (w tym astrofotografia) jest jednak sztuką i dopuszcza tego typu zabiegi dla osiągnięcia porządanego efektu estetycznego. Co więcej, zdjęcia w paletach wąskopasmowych przedstawiają znacznie więcej (absolutnie prawdziwych) szczegółów w strukturach mgławic emisyjnych, jak również galaktyk, więc mają również wartość naukową.
Opowiedziałem dość dokładnie o palecie SHO, ale skoro wyraźnie zaznaczyłem że jest to właśnie ta paleta, to na pewno muszą istnieć jeszcze inne. I faktycznie. Powszechnie stosuje się palety SHO, HSO, HOO. Nieco rzadziej HHO, SOO i inne kombinacje. Stosuje się również palety łączone takie jak HRGB czy HORGB (kolory naturalne z nałożonymi dodatkowo kanałami wąskopasmowymi, najczęściej wodór jako dodatek do czerwieni, zaś tlen do koloru niebieskiego, chociaż niekoniecznie). Często też można spotkać zdjęcia opisane jako SHORGB, HHORGB lub podobnie. W takim przypadku zazwyczaj chodzi o to, że obiekt będący tematem zdjęcia przedstawiony jest odpowiednio w palecie SHO czy HHO, zaś gwiazdy w swoich naturalnych kolorach. Dodatkowo dochodzą jeszcze bardziej "egzotyczne" pasma które czasem się wykorzystuje również w amatorskiej astrofotografii: H-beta, Ar, He i inne, jednak one pozostają poza zakresem dzisiejszych rozważań. Do tego dochodzi jeszcze licencia poetica. Nawet w ramach jednej palety kolory mogą się od siebie różnić. Po złożeniu kanałów można przecież skorygować kolory poprzez zmianę odcieni, nasycenia i balansu między poszczególnymi kanałami dla uzyskania porządanego efektu. Za przykład niech posłuży moje zdjęcie mgławicy Rozeta (NGC 2237). Jest to paleta SHO, chociaż kolory są inne niż na większości zdjęć które można znaleźć w internecie. Niemniej czerwony nadal jest czerwony, a niebieski nadal jest niebieski.
Chociaż (mam nadzieję) nie minąłem się nigdzie z prawdą, to w całym wywodzie skupiłem się wyłącznie na paletach wąskopasmowych (często piękną polszczyzną nazywanych "narrowbandowymi"). Dla porządku trzeba jednak dodać, że w astrofotografii jak najbardziej używa sie też palet naturalnych. Chociaż filtry wąskopasmowe doskonale nadają się do obrazowania mgławic emisyjnych (tzn. jak sama nazwa wskazuje, tych które emitują światło), a także pozwalają na przedstawienie pewnych szczegółów wielu galaktyk (wielkie skupiska wodoru które stanowią miejsce tworzenia się nowych gwiazd), to jest wiele obiektów do których nie da się ich rozsądnie zastosować. Tam stosuje się najczęściej paletę naturalną RGB (a w zasadzie częściej LRGB, ale to pozostawiamy na boku, może poruszę kiedyś temat przy okazji innej zagadki). Do takich obiektów będzie należeć mimo wszystko większość galaktyk, mgławice refleksyjne (te które odbijają światło), wiele mgławic ciemnych (tych które zasłaniają światło), skupiska gwiazd i inne. Co więcej, również mgławice emisyjne mogą z powodzeniem być fotografowane w naturalnych barwach. Przykłady takich zdjęć "naturalnokolorowych", zresztą wykonanych zwykłym aparatem fotograficznym, można znaleźć w poprzednich zagadkach w serii. Astrofotografia 1 oraz Astrofotografia 2
Dochodzimy więc do sedna. Poniżej znajduje się 10 zdjęć. Każde zdjęcie jest również linkiem który prowadzi do odpowiednika w pełnej rozdzielczości. Dla każdego zdjęcia należy określić paletę kolorystyczną w której zostało wykonane.
Możliwe palety dla celów tej zagadki to:
- wszystkie kombinacje 3 kanałów S,H,O (np: SHO, HSO, OSH)
- wszystkie kombinacje 2 spośród kanałów S,H,O (np: HHO, SOS, HSS)
- pojedyncze kanały S, O, H, R, G, B (dla zdjęć monochromatycznych)
- RGB, HRGB, HORGB
Na początek coś łatwego. Mgławica Pacman (NGC 281), odpowiednio obrazki 1, 2, 3
Dalej zaczną się schody, bo już sami będziecie musieli poszukać tych obiektów. Usunąłem gwiazdy żeby nie było za łatwo :) Życzę powodzenia i miłego przeglądania pięknych zdjęć w poszukiwaniu wskazówek!
Obrazki 4, 5, 6:
Obrazek 7:
Obrazki 8, 9:
I ostatni numer 10:
1-6:
7-10:
Rozjaśniam wątpliwości. Do checkera należy wpisać dla każdego zdjęcia paletę kolorystyczną w której zostało przedstawione. Wielkość liter nie ma znaczenia. Checker zaświeci się tylko jeżeli wszystkie odpowiedzi będa poprawne.
Certitude dla statystyk: