Barve so sestavni del astrofotografije. Črno-bela fotografija nebesnega telesa, pa naj bo še tako zanimiva, težko tekmuje z barvno sliko, na kateri je na primer območje nastajanja zvezd, kjer vijoličnordeče tančice plina prebadajo modri dragulji mladih zvezd. Ste se že kdaj vprašali, ali so barve na astrofotografijah prave? So meglice in galaksije res takšnih barv? In kaj pomenijo barve, če slika prikazuje radijsko ali rentgensko svetlobo — saj te s svojimi očmi vendar ne vidimo! V tem poglavju bomo obravnavali, kaj je barva, kako jo zaznamo s svojimi očmi ter kako s teleskopom in detektorjem posnamemo barvno fotografijo.

Človeško oko

Barva je lastnost, ki jo naši možgani v zapletenem procesu pripišejo opazovanim predmetom. Kako oko zaznava in možgani interpretirajo svetlobo različne valovne dolžine, je posledica evolucije človeškega očesa.

Telesa oddajajo ali/in odbijajo svetlobo. Oko svetlobo zbere in možganom pošlje signal, da jo analizirajo. Snop svetlobe v oko vstopi skozi zenico. Leča v očesu svetlobo zbere in na zadnjem delu očesa, ki mu pravimo mrežnica, nastane slika opazovanih teles. Na mrežnici sta dve vrsti čutnic, tj. živčnih receptorjev za svetlobo: paličice in čepki. Oboje zbirajo svetlobo, jo pretvorijo v električne signale in informacije pošljejo možganom. Možgani sestavijo sliko in ji, če je svetlobe dovolj, med drugim dodelijo barvo.

Čepki in paličice so namreč različno občutljivi za svetlobo. Paličice so občutljive zgolj za intenziteto svetlobe in se aktivirajo takrat, ko je svetlobe malo: v mraku, ponoči ali v temnem prostoru. Nebesna telesa, z izjemo nekaj najsvetlejših, zaznavamo s paličicami in zato jih vidimo črno-belo.

Drugače je s čepki. Na mrežnici so tri vrste čepkov, vsaka je občutljiva za del vidnega spektra svetlobe (slika 9.1). Ena vrsta čepkov — recimo jim modri čepki (čeprav seveda sami niso modri) — se odziva na svetlobo z valovno dolžino okoli 400 nm. Signal, ki ga pošljejo v možgane, le-ti interpretirajo kot modro svetlobo. Podobno je z drugo vrsto čepkov, to so zeleni čepki, ki so občutljivi za svetlobo valovne dolžine okoli 550 nm. Njihov signal možgani interpretirajo kot zeleno svetlobo. Tretja vrsta čepkov — rdeči čepki — se vzburi ob svetlobi z valovno dolžino okoli 600 nm. Njihov signal možgani interpretirajo kot rdečo svetlobo. Barva, ki jo zaznamo, je odvisna predvsem od relativne intenzitete svetlobe pri valovni dolžini, ki jo zaznavajo te tri vrste čepkov.

Če je svetloba, ki jo oddaja ali odbija neko telo, le kratke valovne dolžine, jo bomo zaznavali kot modro svetlobo in s tem telo kot modre barve. Če rdeči in zeleni čepki absorbirajo enako količino svetlobe, jo zaznavamo kot rumeno. Človeško oko lahko na ta način zazna več milijonov barvnih odtenkov.

Sedaj vemo, da barva ni univerzalna: če bi bilo človeško oko zgrajeno drugače, bi lahko zaznalo druge valovno dolžino svetlobe. Tudi človeški možgani bi lahko signale iz očesa interpretirali drugače in bi zato videli drugačne barve. To ponazorimo z nekaj primeri iz živalskega sveta. Čebele in nekatere ptice vidijo ultravijolično svetlobo, medtem ko nekatere kače vidijo infrardečo svetlobo. Psi imajo samo dva tipa čepkov, zato je nabor barv, ki jih lahko doživijo, precej manjši kot pri človeku. Živali z najbolj neverjetnim vizualnim organom so iz rodu bogomolčarjev (Stomatopoda). Odvisno od vrste imajo bogomolčarji lahko tudi do 16 tipov čepkov, torej lahko vidijo ogromno barvnih odtenkov. Obenem vidijo ultravijolično svetlobo in razločujejo celo med oblikami polarizacije svetlobe.

Spektri svetlobe nebesnih teles

Nebesna telesa, kot so planeti, zvezde, galaksije, odbijajo ali sevajo svetlobo z več kot le eno valovno dolžino. Graf oziroma funkcijo, ki pove, kako je svetloba nekega telesa razporejena glede na valovno dolžino — koliko fotonov oziroma koliko energije izseva telo pri različni valovni dolžini — imenujemo spekter telesa. Različne vrste teles imajo različne spektre — naravo telesa pravzaprav prepoznamo tako, da proučimo njegov spekter. Za razumevanje barv astronomskih teles moramo vedeti tudi nekaj o njihovem spektru. Nekaj primerov spektra zvezd je prikazanih na sliki 9.2.

Zvezde imajo zvezni spekter, kar pomeni, da svetlobo izsevajo pri tako rekoč vsakršni valovni dolžini. Oblika spektra zvezde je odvisna od temperature njenega površja (točneje — zvezde nimajo trdnega površja — od temperature v plasti, ki ji rečemo fotosfera). Vroče zvezde največ svetlobe izsevajo pri modri valovni dolžini. Hladnejša ko je zvezda, več svetlobe izseva pri bolj rdeči valovni dolžini. Svetloba z zvezd je torej “barvna”. Kljub temu barve večine zvezd s prostim očesom ne zaznamo, ker je njihova svetloba tako šibka, da jo vidimo le s paličicami in ne sproži odziva naših čepkov. Barvo najsvetlejših zvezd pa lahko razločimo z očmi, npr. Betelgezo v Orionu vidimo rdečkasto.

V spektrih zvezd lahko opazimo tudi absorpcijske črte. To so ozka območja valovne dolžine svetlobe, ki jo absorbirajo nekateri elementi v zvezdni atmosferi.

Spekter meglice ali galaksije, v kateri je veliko mladih zvezd, je povsem drugačen od zvezdnega (slika 9.3). Spekter je nezvezen, saj ta telesa večino svetlobe izsevajo v nekaj ozkih območjih, imenovanih emisijske črte. Svetlobo v tem primeru seva medzvezdni plin, ki ga vzbudi svetloba zvezde. Koliko svetlobe oddaja v valovni dolžini posamezne črte, je odvisno od sestave plina, njegove gostote in temperature. Najpogostejši kemijski element v vesolju je vodik, zato ni presenetljivo, da v emisijskem spektru te meglice vidimo črte vodika (H, H, H itd.). Med drugim je v plinu tudi veliko kisika (kisik je tretji najbolj zastopan element v vesolju), zato v spektru vidimo močne črte kisika ([OIII]).

Filtri in barvna slika

Kako naredimo barvne fotografije astronomskih teles? Tako, da posnemamo človeško oko.

Različne vrste čepkov, občutljive za različna valovnodolžinska območja svetlobe, posnemamo z različnimi barvnimi filtri, ki prepuščajo le svetlobo v nekem območju valovne dolžine (slika 9.4). Na pot svetlobe, ki jo zbere teleskop, namestimo, še preden pride do kamere, filter — stekleno ploščico, ki prepusti le specifično valovno dolžino svetlobe. Na primer, da namestimo t. i. modri filter, ki prepušča valovno dolžino, ki jo zaznavamo kot modro svetlobo. Dobljena slika s kamero CCD bo sicer črno-bela, vendar vemo, da je bila detektirana svetloba “modra”. Nato isti del neba posnamemo še tako, da damo na pot svetlobe zeleni filter, ki prepusti le zeleno svetlobo. Spet dobimo črno-beli posnetek, a zanj vemo, da je na njem zelena svetloba. Naredimo še posnetek istega dela neba z rdečim filtrom, ki prepusti le rdečo svetlobo. Tudi tokrat dobimo črno-beli posnetek, a v tem primeru vemo, da je na njem rdeča svetloba.

Dobimo tri črno-bele slike, ki jih odpremo z ustreznim programom^[1]. Programu povemo, da je ena slika “modra”, druga “zelena”, tretja “rdeča”. Program slike ustrezno pobarva in jih združi v barvno sliko, pri čemer barve predstavljajo relativno intenziteto svetlobe, posnete pri različnih filtrih. Nekako tako, kot to počnejo naši možgani.

Opisani postopek velja za tako imenovane monokromatske kamere. Astrofotografi pa uporabljajo tudi kamere, ki imajo že same vgrajeno posebno masko (takšen princip se uporablja tudi pri digitalnih fotoaparatih). Maska deluje tako, da nekateri piksli detektirajo modro, drugi zeleno, tretji rdečo svetlobo. En sam posnetek je dovolj, da dobimo informacijo o barvi. A še vedno potrebujemo program, ki iz posnetka ustvari barvno digitalno fotografijo.

Če bi astronomski filtri prepuščali ravno toliko svetlobe, kot jo absorbirajo čepki v človeškem očesu in v istih območjih valovne dolžine, bi bila nastala slika taka, kot bi jo videli z očmi (če za trenutek pozabimo, da bi z očmi videli le sivino, ker so telesa tako temna, da se čepki ne aktivirajo). Vendar imajo astronomski filtri drugačne lastnosti; barve na astronomski fotografiji so le približek tega, kar bi videli z očmi.

Barvna slika meglice

Poglejmo koncept zlaganja črno-belih (monokromatskih) slik v barvno na primeru Obročaste meglice (NGC 6720). Spekter meglice je prikazan na sliki 9.5.

Poglejmo njegovo podobnost s spektrom na sliki 9.3, čeprav sta na prvi pogled morda videti zelo različno. Ko posnamemo spekter telesa, običajno posnamemo spekter tudi v neki okolici tega telesa. Zato na detektorju (oziroma posneti sliki) dobimo razklonjeno svetlobo tako telesa kot okolice. V sredini slike vidimo razklonjeno svetlobo meglice. Meglico vidimo predvsem pri valovni dolžini, ki seva močne emisijske črte.

Če bi naredili prerez te slike (na primer, da pogledamo le intenziteto svetlobe v srednji vrstici slike, označeni s črtkano črto), bi dobili podoben spekter, kot ga vidimo na sliki 9.3, le da bi v tem primeru vsaka emisijska črta imela dva vrhova. Če bi bila meglica majhna, torej na nebu zgolj točka, ne bi videli njene oblike kot v tem primeru. Videli bi le svetle točke (oziroma v prerezu enojne črte) pri valovni dolžini močnih emisijskih črt. Najmočnejše črte so črte vodika in kisika, nekoliko manj močne, a običajne, so črte dušika.

Ker ta meglica večino svetlobe izseva v ozkih območjih valovne dolžine, so jo opazovali z ozkopasovnimi filtri, ki prepustijo le ozek del valovne dolžine (le tisto, kjer so emisijske črte). Z modrim filtrom so opazovali helij, z zelenim filtrom dvojni črti kisika in z rdečim filtrom dušik. Nato so sestavili sliko, umerili barve in dobili čudovito sliko meglice (slika 9.6).

Barve na tej sliki so povsem drugačne, kot bi jih videli z očmi. Barve lahko filtrom pripišemo poljubno. Zakaj ne bi modremu filtru pripisali vijolične ali pa kar rdeče? Na astrofotografskih slikah barve pogosto izberejo barve tako, da bolj kot prave barve ali temperaturo nebesnega telesa poudarijo določene podrobnosti ali njegovo lepoto (ki je seveda subjektivna, v očeh opazovalca ali opazovalke).

Pogosto na eni sliki združijo posnetke v (na primer) vidni, radijski in rentgenski svetlobi. Seveda človeške oči ne vidijo radijske in rentgenske svetlobe. A če s teleskopi naredimo posnetek pri teh valovnih dolžinah, jih želimo na neki način prikazati in jim pač pripišemo neko barvo. Tako sestavljene slike dajo širši, celovitejši pogled na astronomska telesa (slika 9.7).