Космическое творчество. Как телескопы видят вселенную и зачем ученым Photoshop
Красочные изображения космического пространства завораживают нас и будят фантазию. Даже не обладая тягой к прекрасному или страстью к астрономии, сложно устоять перед загадками Вселенной.
Фантастически красивые изображения облаков космической пыли и газа в областях, где рождаются новые звезды, пугающие черные дыры и загадочные планеты — все это кажется таким далеким и нереальным.
Фотографии дают нам представление о космическом пространстве и объектах в нем. Только вот снимки эти ненастоящие. На реальных изображениях человеческий глаз вряд ли рассмотрел бы хоть что-то, кроме черного пространства. Узнаем, как космические пейзажи оживают и обретают краски.
Для чего нужны фото из космоса
Вселенная — понятие, которое до сих пор не имеет строгого определения. Это бесконечное пространство, в котором взаимодействуют между собой космические тела. Благодаря снимкам люди получили возможность заглянуть в ее бескрайние просторы.
Космические обсерватории запускаются за пределы планеты не только ради сенсационных фотографий. Хотя и они производят мощное впечатление. Полученные данные позволяют определить физические параметры астрономического объекта.
Наша планета — тоже астрономический объект. Спутниковая съемка Земли представляет собой разновидность технологии дистанционного зондирования, результаты которой незаменимы во многих областях: картографии, геологии, сельском хозяйстве, охране окружающей среды, обороне и безопасности, управлении природными ресурсами.
Как появилась первая фотография Земли из космоса
Снимок земной поверхности появился в 1946 году, на 11 лет раньше, чем в космические просторы отправился первый спутник под нехитрым названием «Спутник-1».
Первая в мире баллистическая ракета дальнего действия, разработанная в Германии во время Второй мировой войны, «ФАУ-2», стала и первым же в истории искусственным объектом, совершившим суборбитальный космический полет.
Именно на ней была установлена 35-миллиметровая камера, которая делала снимки с интервалом в полторы секунды на высоте полета примерно 100 км. В период с 1946 по 1950 годы США запустили 63 ракеты «ФАУ-2» в исследовательских целях. А газеты и журналы получили возможность опубликовать первые сенсационные фото нашей планеты.
Наблюдая бесконечность. Кто делает космические фото
Телескопы
Исследовать просторы Вселенной можно с Земли с помощью сверхмощных телескопов. В мире работают десятки таких обсерваторий, непрерывно наблюдающих за космическими объектами.
В отличие от орбитальных телескопов, наземные обсерватории не имеют ограничений по размеру и весу. Построенные в удачном месте с хорошим обзором неба, они способны фокусироваться на конкретных областях или событиях.
Одно из таких сооружений — гигантский сферический телескоп FAST имеет диаметр 500 метров. Он расположен на юге Китая в провинции Гуанчжоу. 25 сентября 2016 года объект начал работу под наблюдением китайских астрономов. А в 2020 году прошел государственную приемку и был официально введен в эксплуатацию с открытым доступом для ученых всего мира.
Но у наземных обсерваторий есть серьезные ограничения. Атмосфера Земли искажает световой поток, что не способствует получению четких изображений. А плохие метеоусловия могут и вовсе прервать сеанс наблюдения. И даже при совершенно ясной погоде любая наземная обсерватория, изучающая ночное небо, вынуждена прекратить обзор с восходом солнца.
Космические телескопы
Телескопы космического базирования имеют преимущество расположения над земной атмосферой. Кроме того, они способны фокусироваться на определенном космическом объекте часами и даже днями, непрерывно собирая свет для формирования более четкого изображения.
Самый масштабный в мире космический телескоп «Джеймс Уэбб» — орбитальная инфракрасная обсерватория, имеющая сегментированное зеркало общим диаметром 6,5 метра.
Сейчас наземные телескопы все же догоняют космические обсерватории по качеству изображений благодаря адаптивной оптике, которая позволяет корректировать большую часть искажений светового потока в атмосфере. Но будущее, тем не менее, за объектами, размещенными в космосе. Они рассчитаны на непрерывное наблюдение, не подвержены атмосферным помехам и обладают более высокой разрешающей способностью и чувствительностью.
Спутники
Использование спутников в качестве космических наблюдателей позволяет собирать четкие изображения небесных объектов. Такая съемка широко применяется во многих областях: картография, геология, экология, прогнозирование погоды, оборона и безопасность.
Яркий пример таких космофотографов — серия американских спутников дистанционного зондирования Земли Ландсат (Landsat) — работает начиная с 1972 года. Эти спутники снабжены оборудованием для получения изображений в различных спектральных диапазонах и играют ключевую роль в мониторинге изменений на поверхности Земли, включая изменения ландшафтов, лесов и сельскохозяйственных угодий.
Метеоспутники GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) — серия геостационарных спутников, которые обеспечивают непрерывный мониторинг погодных условий на Земле. Они важны для прогнозирования погоды, слежения за штормами и наблюдения за климатическими изменениями.
«Ручная» съемка
Космонавты и астронавты тоже не упускают возможности запечатлеть космические просторы.
Первую ручную фото- и видеосъемку Земли из космоса осуществил советский космонавт Герман Титов во время 25-часового полета. Причем делалось все буквально «на глазок», так как фотоэкспонометр не выдержал перегрузок и вибраций. Прикидывать освещение и подбирать диафрагму пришлось интуитивно. Но съемка с высоты 250 км получилась удачной.
Фото Германа Титова
Сейчас в распоряжении экипажей МКС разнообразная фототехника, включая модернизированную для съемок в открытом космосе. А мощные объективы позволяют рассмотреть детали рельефа.
Методы, используемые в космической фотографии
Космическая фотография сталкивается с серьёзными сложностями из-за быстро меняющихся условий в космосе. Например, множество попыток сфотографировать области галактики Млечный Путь не увенчались успехом. Они оказались невидимы в спектре видимого света из-за космической пыли.
Одним из основных методов является многоспектральная съемка, позволяющая телескопам видеть объекты в широком диапазоне световых волн, многие из которых невидимы человеческому глазу. Например, орбитальный телескоп «Хаббл» исследует Вселенную в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Изображения, полученные телескопами, изначально черно-белые и требуют дополнительной обработки для преобразования в цветные.
Фотография ниже была сделана усовершенствованной камерой «Хаббл» с использованием фильтра, изолирующего свет газообразного водорода. Даже без дополнительного применения цветов широкий диапазон серых тонов позволяет детально рассмотреть структуру туманности.
Скопление звезд NGC 346 в соседней галактике, Малом Магеллановом облаке, распространяет сильное излучение, которое воздействует на окружающий газ и заставляет его светиться
В 2004 году «Хаббл» запечатлел более 10 000 галактик, потратив на это 1 миллион секунд. Потребовалось 400 оборотов Земли для того, чтобы полностью собрать изображение.
Инфракрасная фотография, используемая такими телескопами, как Джеймс Уэбб, или JWST, , позволяет заглянуть сквозь космическую пыль и увидеть объекты, формировавшиеся на заре Вселенной. Этот метод особенно важен для наблюдения за процессами, происходящими внутри газовых облаков и туманностей, так как инфракрасный свет способен проникать через плотные облака пыли, которые скрывают звезды и галактики от видимого спектра.
Уэбб имеет в своем распоряжении сегментированное основное зеркало, состоящее из 18 элементов. Пятислойный защитный козырек уменьшает воздействие Солнца более чем в миллион раз. А камеры и спектрометры телескопа оснащены датчиками, способными регистрировать очень слабые сигналы.
Радиоволновая съемка — еще один критически важный метод. Она позволяет астрономам изучать объекты и процессы, которые не излучают достаточно света для традиционных телескопов, такие как черные дыры, и образование звезд в туманностях. Радиоинтерферометрия, в частности, использует множество радиотелескопов, расположенных на больших расстояниях друг от друга, для сбора радиоволн от космических объектов, что позволяет получать изображения высокого разрешения.
В тройку самых масштабных радиотелескопов мира входят уже известный нам FAST диаметром 500 м, который расположен в китайской провинции Гуанчжоу. На втором месте телескоп обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико. Его размах — 305 м. А самый большой диаметр кругового отражателя, 576 метров, имеет российский телескоп РАТАН-600, расположенный в Карачаево-Черкесии на высоте 970 м над уровнем моря.
РАТАН-600
Процесс передачи изображений на Землю
Все эти методы требуют огромного количества данных для создания всего лишь одной фотографии. Например, панорамное изображение центральной части спиральной галактики Млечный Путь размером 1000×600 световых лет получено путем 20 отдельных радионаблюдений. Размер данных составил 70 терабайт, обработка которых заняла три года.
Данные со спутников и камер собираются и хранятся на борту космических аппаратов. Специальному оборудованию необходимо обеспечить надежный уровень защиты от нагрузок, связанных с запуском ракеты, выходом из атмосферы, перепадами температур и космическим излучением. Поэтому NASA совместно с компанией-производителем компьютерной электроники Western Digital создали новый стандарт Design for Reliability, применяющийся в устройствах хранения данных.
После надежной фиксации данных космические миссии передают их на Землю с помощью радиоволн. При этом скорость и объем передаваемой информации четко контролируются, чтобы обеспечить ее целостность.
Например, для связи с «Хаббл» используется космическая сеть NASA, состоящая из группы спутников слежения и ретрансляции данных (TDRS) на орбите и наземных станций, поддерживающих связь со спутниками.
Хаббл располагает двумя типами антенн для приема и передачи данных. С высоким коэффициентом усиления (HGA) и с низким коэффициентом (LGA). HGA представляют собой параболические отражатели в форме тарелок, способные передавать большие объемы данных, в том числе изображения, которые собирает телескоп. Они и используются для передачи информации на Землю.
Международная сеть дальней космической связи (Deep Space Network), действующая с 1958 года, предназначена для связи с космическими аппаратами, исследующими просторы Вселенной.
DSN состоит из трех комплексов, расположенных по всему миру:
Комплекс Goldstone Deep Space Communications находится недалеко от города Барстоу в Калифорнии;
Комплекс связи вблизи города Мадрид, Испания;
Канберрский комплекс дальней связи расположен в 40 км от г. Канберра в Австралии.
Места расположения этих узлов неслучайны. Такая локация обеспечивает постоянную связь с космическими аппаратами по мере вращения Земли. В то время как спутник выходит из зоны видимости одного комплекса, его перехватывает другой и продолжает наблюдение.
DSN — это не просто комплекс, состоящий из набора антенн. Это мощная система для управления, обеспечения безопасности и мониторинга работоспособности космических аппаратов. С ее помощью проводятся наблюдения природы астероидов, углубленные исследования планет и их спутников.
Как обрабатывают полученные изображения
А тут начинается самое интересное. Вы уже поняли, что завораживающие цветные пейзажи космоса — по сути обман. Таких изображений не существует. Они рождаются в творческом процессе. И то, чем мы восторгаемся, — фактически результат кропотливой обработки данных.
Чтобы получить одну четкую фотографию масштабной области, иногда приходится собирать мозаику из тысяч отдельных снимков. Так, знаменитый портрет Вселенной, собранный телескопом «Хаббл» в течение 16 лет, состоит из 7500 отдельных изображений.
Часто приходится удалять лишние детали, попадающие в кадр из-за оптических эффектов.
Например, детекторы телескопа Джеймса Уэбба настолько чувствительны, что улавливают больше света, чем может обработать наше зрение или экраны компьютеров в исходном виде. Это называется динамическим диапазоном. В изображениях Уэбба каждый пиксель может быть частью более чем 65 000 оттенков серого цвета. Чтобы привести эти данные к формату, доступному для отображения на экране монитора и восприятию человеческим глазом, специалисты прибегают к растягиванию картинки. Это позволяет определить различия в значениях пикселей и выделить основную часть того, что содержат первоначальные снимки.
С фотографий удаляют дефекты, вызванные попаданием космических лучей на детекторы телескопа. Обычно они проявляются в виде мелких белых точек, если лучи попадают на детекторы напрямую, или коротких линий, если лучи идут под углом.
Для получения изображений телескопы используют усовершенствованные фильтры, способные обнаруживать определенные элементы или молекулы. Поэтому фотографии телескопов могут состоять из нескольких отдельных снимков, сделанных через разные фильтры. Специалисты по визуализации тщательно распределяют эти снимки по синим, зеленым и красным цветовым каналам, чтобы привести к палитре, которую способен воспринимать человеческий глаз. Это фото показывает, как из нескольких отдельных снимков образовалось одно целое изображение.
Но и это — пока всего лишь черновик. Далее оценивается цветовой баланс и выравнивается интенсивность красного, зеленого и синего. А также выявляются детали, которые могут показаться затуманенными или тусклыми. На фотографии видна эволюция картинки от размытой и туманной до яркой и четкой.
Объекты, которые находятся в центре внимания, выделяются и приобретают необходимые оттенки. Снимок может поворачиваться для получения идеального отображения. Также фотографии подвергаются обрезке, обретают квадратную или прямоугольную форму. Эта часть работы субъективна, поэтому окончательные картинки рождаются в длительных обсуждениях с командой дизайнеров и бесконечных редакциях. Цель у всех одна — предоставить изображения, которые не противоречат научным данным и привлекают внимание.
Самые знаменитые космические фотографии
Первый снимок Земли, сделанный с поверхности Луны аппаратом Lunar Orbiter 1 в 1966 году:
Первый человек на Луне. Фотография была сделана в 1969 году во время двухчасовой высадки на лунную поверхность:
Из-за отсутствия звезд на втором плане, фото стало пищей для конспирологических теорий о том, что вся съемка была сделана в павильоне, а сами американцы на Луне не были.
Культовая фотография нашей планеты, сделанная во время миссии космического корабля «Аполлон-17». Одно из первых изображений, на котором видна полная окружность Земли:
Столпы Творения» — знаменитый снимок туманности Орел. В 1990 году телескоп «Хаббл» запечатлел скопления газа и космической пыли. В результате получилось это завораживающее фото:
Первое изображение экзопланет. Это такие небесные тела, находящиеся вне Солнечной системы. Долгое время их не получалось запечатлеть. Но в 2004 году все же удалось. С тех пор обсерватории по всему миру сделали множество изображений:
На этом фото — черная дыра, сверхмассивный коллапсар в далекой галактике Messier 87, находящейся в скоплении Девы. Дыра невообразимых размеров — больше по размеру, чем вся наша Солнечная система. Ее удалось сфотографировать европейским ученым в 2019 году. Немного напоминает глаз Саурона из «Властелина колец», не правда ли?
Межпланетная станция New Horizons, предназначенная для исследования Плутона и его спутника, подошла на минимальное расстояние в 12,5 км к поверхности планеты 14 июля 2015 года:
В итоге, создание космических фотографий — сложный процесс, требующий усилий многих специалистов. Черно-белые снимки изначально получаются из данных различных диапазонов излучения и после обработки, раскраски и устранения дефектов становятся доступными для широкой аудитории. Эти изображения, хоть и являются интерпретацией научных данных, базируются на реальных наблюдениях и несут важную информацию о космических объектах. Такие визуализации не только представляют красоту Вселенной, но и подогревают интерес к космическим исследованиям.
А какие мысли были у вас, когда вы первый раз увидели фото Земли из космоса?
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
