- 文／邵思齐，现就读台大地质科学系，着迷於大自然的鬼斧神工。
现代的人们生活在充满明亮人造光源的城镇中，难以想像纯粹的夜空是什麽样子。对宇宙中天体的印象，多半来自各地天文台与太空望远镜所捕捉的绚丽星云、星团、星系。但这些影像中的颜色是真实的吗？如果我们能够用肉眼看到这些天体，它们的颜色真能如影像中如此的五彩缤纷吗？
色彩的起源：为什麽人眼能看到颜色？
电磁波跨越各种尺度的波段，有波长远小於 1 奈米的伽玛射线，也有波长数百公里长的无线电波。但人类眼睛中的的感光细胞仅能感测到波长介於 400-700 奈米之间的电磁波，也就是仅有这段电磁波能够以红到紫的色彩出现在人类的视野当中，所以我们对外界的认知就受限於这小一段称为可见光（Visible Light）的视窗。人之所以能够辨识不同的颜色，靠的是人眼中的视锥细胞。视锥细胞分成 S、M、L 三种，分别代表 short, medium, long，其感测到的不同波长的光，大致可对应到蓝色、绿色、红色。
肉眼可以，那相机呢？
在还没有电子感光元件的时代，纪录影像的方法是透过让底片中的银离子曝光、冲洗後，变成不透光的金属银（负片），但这样只能呈现出黑白影像。於是，历经长时间的研究与测试，有着三层感光层的彩色底片诞生了。它的原理是在不同感光层之间加上遮色片，让三层感光片能够分别接收到各自颜色的光线。最常使用的遮色片是蓝、绿、红三色。进入数位时代，电子感光元件同样遇到了只有明暗黑白、无法分辨色彩的问题，但这次，因为感光元件无法透光，不能像底片一样分层感光，工程师们只好另辟蹊径。
於是专为相机感光元件量身打造的拜尔滤色镜（Bayer Filter）诞生了，也就是由红色、绿色、蓝色三种方形滤光片相间排列成的马赛克状滤镜，每一格只会让一种颜色通过，如此一来，底下的感光元件就只会接收到一种颜色的光。接着，再把相邻的像素数值相互内插计算，就可以得到一张彩色影像。由於人的视锥细胞对绿色特别敏感，因此拜尔滤色镜的设计中，绿色滤光片的数量是其他颜色的两倍。
这种让各个像素接收不同颜色资讯的做法，虽然方便快速，却需要好几个像素才能还原一个区块的颜色，因此会大幅降低影像解析度。这对寸解析度寸金的天文研究来说，非常划不来，毕竟我们既想得知每个像素接收到的原始颜色，又想获得以像素为解析单位的最佳画质，尽可能不要损失任何资讯。
要怎麽让每个像素都能独立呈现接收到的光子，而且还能够完整得到颜色的资讯呢？最好的方法就是在整块感光元件前加上一块单色的滤色镜，然後轮流更换不同的滤色镜，一次只记录一种颜色的强度。然後，依照滤镜的波段赋予影像颜色，进行叠合，得到一张还原真实颜色的照片。如此一来，我们就能用较长的拍摄时间，来换取最完整的资讯量。以天文研究来说，这种做法更加划算。
另外，由於视锥细胞并不是只对单一波长的光敏感，而是能够接收波长范围大约数百奈米宽的光，因此若是要还原真实颜色的影像，人们通常会使用宽频滤镜（Broadband filter），也就是波段跨足数百奈米的滤镜进行拍摄。
美丽之外？滤镜的科学妙用
虽然还原天体的真实颜色是个相当直觉的作法，但既然我们有能力分开不同的颜色，当然就有各式各样的应用方法。当电子从高能阶跃迁回到低能阶，就会释放能量，也就是放出固定波长的电磁波。若是受到激发的元素不同，电子跃迁时放出的电磁波波长也会随之改变，呈现出不同颜色的光。
如果我们在拍摄时，可以只捕捉这些特定波长的光，那我们拍出的照片，就代表着该元素在宇宙中的分布位置。对天文学家来说，这是相当重要的资讯。因此，我们也常使用所谓的窄频滤镜（Narrowband filter），只接收目标波段周围数十甚至数个奈米宽的波长范围。常见的窄频滤镜有氢（H）、氦（He）、氮（N）、氧（O）、硫（S）等等。
有时候，按照原本的颜色叠合一组元素影像并不是那麽妥当，例如 H-alpha（氢原子）和 N II（氮离子）这两条谱线，同样都是波长 600 多奈米的红色光，但如果按照它们原本的波长，在合成影像时都用红色表示，就很难分辨氢和氮的分布状态。这时候，天文学家们会按照各个元素之间的相对波长来配制颜色。
以底下的气泡星云（Bubble Nebula, NGC7635）为例，波长比较长的 N II 会被调成红色，相对短一点的 H-alpha 就会调成绿色，而原本是绿色的 O III 氧离子则会被调成蓝色。如此一来，我们就可以相对轻松地在画面中分辨各个元素出现的位置。缺点是，如果我们真的用肉眼观测这些天体，看到的颜色就会跟图中大不相同。
当然，这种人工配制颜色的方法也可以用来呈现可见光以外的电磁波，例如红外线、紫外线等。举哈伯太空望远镜的代表作「创生之柱」为例，他们使用了两个近红外线波段，比较长波的 F160W 在 1400~1700nm，比较短的 F110W在900~1400nm，分别就被调成了黄色和蓝色。星点发出的红外光穿越了创生之柱的尘埃，与可见光叠合的影像比较，各有各的独特之处。
望远镜接收来自千万光年外的天体光线，一颗一颗的光子累积成影像上的点点像素，经过科学家们的巧手，成为烙印在人们记忆中的壮丽影像。有些天体按照他们原始的颜色重组，让我们有如身历其境，亲眼见证它们的存在；有些影像虽然经过调制，并非原汁原味，却调和了肉眼所不能见的波段，让我们得以一窥它们背後的故事。
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