"Хабблу" 30 лет. Как создаются его снимки, меняющие наш взгляд на мир

Космическому телескопу "Хаббл" — 30 лет. 24 апреля 1990 года шаттл "Дискавери" доставил телескоп на орбиту — с тех пор "Хаббл" смотрит в глубины вселенной и присылает на Землю фотографии увиденного.

Но механическое око телескопа видит не то, что в итоге увидим мы — за захватывающими дух изображениями стоят люди. Над этим работает целая команда ученых из Института исследований космоса при помощи космического телескопа (Space Telescope Science Institute — STScI) в Балтиморе и астрономы-любители по всему миру. Их задача — расшифровать собранные "Хабблом" и спрятанные в его черно-белых, зернистых снимках астрономические данные. И перевести их на визуальный язык, понятный 12-летнему школьнику, увидевшему картинку в учебнике.

Иными словами, цветные изображения галактик и звезд создают люди, а не сам "Хаббл". Но это не просто "раскрашивание" черно-белых снимков в "Фотошопе". За каждым цветом и оттенком в сияниях небесных тел на снимках "Хаббла" стоит наука и строгий свод правил, а еще — игра воображения и множество оригинальных творческих решений. К примеру, как обозначить несущественное различие в уровнях яркости нескольких небесных объектов, чтобы оно было различимо глазом? Или какими цветами описать диапазон ультрафиолетового излучения, невидимый человеку?

От результатов этой работы зависит то, каким человечество увидит Вселенную, в которой живет, и себя в ней.

Ко дню рождения "Хаббла" мы пообщались с руководителем команды STScI, занимающейся обработкой его снимков, чтобы узнать, как создаются изображения, меняющие наш взгляд на мир.

Механическое око

"Я — глаз механический. Я, машина, показываю вам мир таким, каким только я его смогу увидеть. Я освобождаю себя с сегодня навсегда от неподвижности человеческой, я в непрерывном движении, я приближаюсь и удаляюсь от предметов… […] …освобожденный от временных и пространственных рамок, я сопоставляю любые точки вселенной, где бы я их ни зафиксировал. Мой путь — к созданию свежего восприятия мира. Вот я и расшифровываю по-новому неизвестный вам мир", — это цитата из манифеста 1923 года российско-советского режиссера из Одессы, одного из основателей документального кино Дзиги Вертова.

В том же 1923 году Герман Оберт, один из отцов ракетостроения, издал книгу "Ракета для межпланетного пространства" — одну из первых научных работ, обосновывающую возможность создания ракеты на жидком топливе. В ней он упомянул о том, что при помощи ракеты на орбиту можно было бы отправить телескоп.

Так же, как кинокамера Дзиги Вертова стала механическим продолжением человеческого глаза, позволяющим ему "подниматься вместе с аэропланами" и "двигаться с мордой бегущей лошади", линзы телескопа "Хаббл" — это оптико-механический глаз, позволивший нам раздвинуть рамки времени и пространства — заглянуть в далекие миры Вселенной и в ее прошлое. Линзы "Хаббла" — машина времени, которая исследует рождение давно угасших звезд.

"Идеальный шторм"

В НАСА датой "зачатия" "Хаббла" называют 1946 год — тогда вышла первая научная статья принстонского астрофизика Лаймана Спитцера о преимуществах запуска большого телескопа в космос, вне беспокойной земной атмосферы. Первая рабочая группа из астрофизиков и инженеров собралась спустя три десятилетия, в 1977 году, чтобы обсудить создание Большого космического телескопа. Его спустя несколько лет переименуют в честь американского астронома Эдвина Хаббла, доказавшего, что за пределами нашей галактики существуют другие галактики, с растущей скоростью отдаляющиеся от Млечного пути. Это открытие открыло дорогу исследованиям далекого космоса.

Но столь долгие годы между замыслом и воплощением прошли не зря. Как говорит глава новостной службы STScI, астроном Рэй Виллард, работающий над этим проектом более 30 лет, появление на свет "Хаббла" было "идеальным штормом": телескоп мог увидеть космические объекты с небывалой ранее четкостью, ученые — рассмотреть их в цвете. А интернет дал возможность мгновенно показать эти изображения всему человечеству. В этом, утверждает Виллард, и заключалась "революция Хаббла".

20 мая 1990 года, спустя менее чем месяц после запуска на орбиту, "Хаббл" отправил на Землю "первый свет" — свой первый снимок, сделанный при настраивании фокуса телескопа. Эта фотография оказалась на 50% более резкой, чем снимки наземных телескопов (правда, вскоре выяснилось, что у главного зеркала "Хаббла" был дефект, делающий изображения слегка размытыми — но его исправили).

В августе того же года "Хаббл" сделал одно из своих первых открытий, запечатлев светящееся эллиптическое газовое кольцо диаметром в 1,3 световых года вокруг центра взрыва сверхновой звезды 1987А на окраине туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке. Это было первое из тысяч чудес, которые человечество увидит благодаря телескопу — каждое из последующих все более четкое, все более детальное.

Многие из этих изображений, как, к примеру, снимки "Столпов Творения" или туманности "Конской Головы", станут культовыми, и будут воспроизводиться в миллионах копий на футболках, чашках и чехлах для смартфонов.

"Хаббл" заново открыл Вселенную именно благодаря своим невероятным изображениям и их доступности, — говори Рэй Виллард. — Они выходят за рамки науки, они рассказывают о чудесах Вселенной, не вдаваясь во все мельчайшие факты науки. Некоторым просто нравятся эти изображения из-за того, что это — картинки, из-за их интуитивности, их экспрессивности. К некоторым они обращаются на духовном уровне".

Свет — это цвет

"Люди часто спрашивают [о фотографиях "Хаббла"]: так ли это выглядит на самом деле? — говорит Рэй Виллард. — Но это бессмысленный вопрос. Речь идет об огромном диапазоне яркости и цветах, невидимых человеческому глазу. Даже если подлететь близко к этим объектам, вы не увидите никакого цвета, потому что он будет простираться везде вокруг вас".

Свет далеких космических объектов — исполинских туманностей, сталкивающихся галактик, умирающих звезд — которые видит "Хаббл", слишком интенсивен либо же, наоборот, слишком тускл для слабого человеческого глаза. Поэтому наблюдая в телескоп с Земли или даже в иллюминатор с космического корабля, мы увидим в лучшем случае лишь неясные отпечатки этих катастроф.

Создание "подлинного" цветного изображения из астрономических данных — столь же искусство, сколь и наука, считают в STScI. По словам Вилларда, задача ученых, работающих с данными "Хаббла", — как и задача любого фотографа — "уловить сущность объекта". Суметь соединить научный факт с эстетическим наслаждением. Часто для этого нужно усилить тот или иной цвет, выделить оттенок, подчеркнуть контраст.

Виллард говорит, что он и его команда вдохновлялись технологией техниколора, изобретенной в Голливуде для создания цветных фильмов в 1930-х годах, к примеру, фильма "Волшебник страны Оз".

А еще — работами американского фотографа Энсела Адамса, известного ультрачеткими черно-белыми снимками природы американского Запада. Виллард сравнивает снимки галактик "Хаббла" со снимками Большого каньона Адамса.

"Большой каньон — невероятная геологическая форма. Я не могу сделать ничего такого в "Фотошопе", чтобы Большой каньон выглядел лучше. Он таков, какой он есть. Но я могу использовать фотографию и "Фотошоп", чтобы попытаться выделить все его потрясающие детали, рассказывающие его историю", — объясняет он подход к обработке космических снимков.

Подлинные и ложные цвета

Каждый из миллионов исходников "Хаббла" — черно-белый. Собрать из них цветные изображения удается благодаря красным, зеленым и синим фильтрам, через которые пропускаются эти снимки и которые повторяют три вида светочувствительных клеток на нашей сетчатке. Выбор нужного фильтра или их комбинации остается за исследователями, и он может быть довольно простым — или же очень сложным.

Цвет объекта зависит от того, как он излучает или же поглощает свет. Так, планеты поглощают волны света своих звезд одной длины и отражают — другой: синие оттенки Нептуна и Урана связаны с метаном в их атмосфере, поглощающим красный свет.

Туманности могут иметь очень насыщенный и яркий цвет, так как они излучают свет лишь определенной длины волн, сияя светящимися, словно неоновые лампы, тучами газов — водорода, кислорода, азота.

Цвет звезды, напротив, будет довольно ненасыщенным, колеблющимся в пастельных тонах, ведь звезды излучают невероятное количество света во всем видимом диапазоне, стимулируя все светочувствительные клетки на нашей сетчатке. Но это — простые задачи.

А каким цветом обозначить невидимые человеку световые волны инфракрасного или ультрафиолетового излучения, которое видит "Хаббл"? Или показать различие в уровнях яркости так, чтобы оно было заметно и научно обоснованно одновременно?

В таких случаях ученым приходится прибегать к помощи ложных цветов, то есть применять цветовые решения там, где их нет, или же где они не несут никакого смысла — для того, чтобы подчеркнуть незаметный контраст между светом и тенью или различия в разных частях сложного космического объекта.

Человеческому глазу легче различить разницу в оттенках цвета, чем в оттенках серого, объясняет Виллард.

Кроме того, динамический диапазон — разница между светом и тенью — самой тусклой туманности — миллион к одному. Динамический диапазон студийного портрета — 3:1, чернила на бумаге могут отобразить, в лучшем случае, 20:1. Чтобы решить эту задачу и выровнять контраст, ученым нужно обработать яркие, средние и темные элементы снимка до того, как приступить к раскрашиванию.

Все эти элементы — свет, цвет и тень — сплетаются вместе в одно полотно через множество слоев в обычном "Фотошопе". Слой за слоем убираются радиационные шумы, обрезаются слишком яркие пиксели, сглаживаются гистограммы. Но даже с "Фотошопом" обработка одного изображения "Хаббла" может занимать несколько недель.

"Мы обращаем огромное внимание на разные камеры, разные фильтры и разные выдержки. Мы прилагаем большие усилия, чтобы создать изображение, которое будет эстетичным и информативным одновременно. Которое расскажет вам о Вселенной что-то новое, о чем вы раньше даже не могли подумать", — описывает работу своей команды Виллард.

Что в имени твоем

Интересно, что если обработка снимка может занимать недели, то придумывание названия для космического объекта — порой всего полчаса.

Именно столько времени понадобилось, чтобы придумать название "Тень летучей мыши" — огромной тени, которую отбрасывает звезда HBC 672, вспоминает Виллард.

"Мы — словно дети, которые смотрят на облака в небе: вот это — слон, а это — жираф", — говорит Виллард. И шутит: русские первые сделали снимки обратной стороны Луны и придумали названия объектам на ее поверхности — Море Москвы, кратер Менделеев. "Это было унизительно, нам надо было наверстать упущенное", — смеется он над названием, которое американские исследователи придумали еще одному из снятых "Хабблом" объектов — "Гамбургеру Гомеса".

Между тем, любой желающий может не только посмотреть на изображения Вселенной — он может сам их создать. Лишь сравнительно немногие снимки "Хаббла" проходят профессиональную обработку — большинство так и остаются в формате черно-белых данных в архивах НАСА, ждущих расшифровки. Эти архивы находятся в открытом доступе.

Все фотографии — NASA/STScI.