Barve na astronomskih slikah

Barvite podobe vesolja so postale nepogrešljive spremljevalke sodobne astronomije. Ob omembi galaksij pomislimo na veličastne spiralne rokave v prelivajočih se toplih in hladnih barvnih odtenkih. Posnetek zvezdnih porodnišnic sestoji iz raztresenih modrih draguljev obdanih z belo-rdečimi oblaki. Zdi se, kot da je vesolje velikanska galerija v kateri odkrivamo spektakularne umetnine. Vedno znova pa se pojavlja vprašanje avtentičnosti posnetkov. So to res prave barve? Ne, niso. A ker barve v naravi tako ali tako ne obstajajo, nas to ne sme preveč skrbeti. Da bi to trditev bolje razumeli, si moramo najprej podrobneje pogledati delovanje človeškega očesa.

Čepki in paličice

Barva je lastnost, ki jo naši možgani v zapletenem procesu dodelijo predmetom, ki jih gledamo. A barva, kot jo zaznavamo ljudje, ni lastnost narave, temveč posledica evolucije človeškega čutila za vid. Naloga očesa je, da zbere svetlobo in jo analizira. Snop svetlobe v oko vstopi skozi zenico in slika, ki jo opazujemo, se preslika na zadnji del očesa, ki mu pravimo mrežnica. Na mrežnici se nahajata dva tipa receptorjev za svetlobo: paličice in čepki. Ti zbirajo svetlobo, jo pretvorijo v električne signale in informacije pošljejo možganom. Možgani sestavijo sliko in ji med drugim dodelijo barvo.

Čepki so občutljivi na valovno dolžino. Ljudje imamo tri tipe čepkov, ki jih laično poimenujemo kar modri, zeleni in rdeči. Prvi so občutljivi na svetlobo krajših, zadnji pa na svetlobo daljših valovnih dolžin. Barva, ki jo zaznamo, je odvisna predvsem od relativne moči signala v posameznem tipu čepka. Če svetloba vsebuje zgolj kratke valovne dolžine, bomo zaznali modro barvo. Enako močan signal v zelenih in rdečih čepkih se prevede v rumeno barvo. S človeškim očesom lahko zaznamo več milijonov barvnih odtenkov.

Poleg valovne dolžine pa je pomembna tudi količina svetlobe, ki pade na mrežnico. Pri gledanju v mraku je svetlobe malo, in takrat svetlobe ne zbirajo čepki temveč paličice. A paličice so samo enega tipa (glej zgornjo sliko), zato temnih predmetov ne vidimo v barvah. Pri slabi osvetljenosti vidimo svet kot na črno-belih fotografijah. Paličice so tudi zelo slabo občutljive na rdečo svetlobo. Ta lastnost paličic pojasni, zakaj cvet rdeče vrtnice podnevi bolje vidimo kot zeleni del rastline, medtem ko je v mraku ravno obratno.

Spekter svetlobe

Viri svetlobe običajno ne sevajo le svetlobe ene valovne dolžine. Naenkrat sevajo svetlobo mnogih valovnih dolžin, kar imenujemo spekter elektromagnetnega valovanja. Človek lahko vidi le majhen del spektra med 400 in 700 nanometri, ki ga imenujemo tudi optični spekter. A spekter sega daleč preko teh meja. Načeloma je spekter zvezen, vendar ga iz praktičnih in zgodovinskih razlogov delimo na več ločenih pasov (od najkrajših do najdaljših valovnih dolžin): sevanje gama, rentgensko sevanje, ultravijolična svetloba, optična svetloba, infrardeča svetloba in radijsko valovanje.

Sevalci običajno sevajo različno količino svetlobe pri različnih valovnih dolžinah. Sonce izseva največ svetlobe pri 500 nanometrih. Zvezda Rigel izseva največ svetlobe pri 240 nanometrih v ultravijoličnem delu spektra. To ne pomeni, da Sonce ne seva ultravijolične svetlobe, saj bi brez zaščite Zemljine atmosfere ultravijolična svetloba s Sonca pomorila večino življenja na Zemlji. Ne, Sonce seva tudi izven optičnega dela spektra, le veliko manj. Sedaj razumemo, zakaj so naše oči občutljive ravno na ta pas valovnih dolžin. Razlog je, da smo se ljudje razvili na planetu blizu zvezde, ki slučajno najbolj navdušeno seva v tem pasu elektromagnetnega spektra.

Astronomska telesa sevajo svetlobo v različnih okoliščinah in preko različnih fizikalnih procesov. Spekter vroče zvezde se zato razlikuje od spektra hladne zvezde. Galaksije imajo popolnoma drugačen spekter od supernov in spektri planetarnih meglic nimajo veliko skupnega s spektri kvazarjev. Spekter je podpis, ki kaj hitro razkrije pravo naravo sevalca. Po drugi strani pa se iz spektra lahko tudi ogromno naučimo o sevalcu. Barva je zgolj grob približek spektra, ki jo naredijo naši možgani zato, da nimamo opravka s preveč informacijami naenkrat. To je uporabno za vsakodnevno življenje, a nas pri podrobnem razumevanju sveta lahko kaj hitro zavede.

Previdno z barvami

Barve so neposredno povezane z zgradbo človeškega očesa in procesi v možganih. Tudi če odmislimo morebitne napake vida, je naše oko precej omejen instrument. Za ilustracijo si poglejmo nekaj primerov iz živalskega sveta. Čebele in nekatere ptice vidijo ultravijolično svetlobo, medtem ko vidijo boe in pitoni infrardečo. Tako ultravijolične kot infrardeče svetlobe ljudje ne moremo videti.  Psi imajo samo dva tipa čepkov, zato je nabor barv, ki jih lahko doživijo, precej manjši kot pri človeku. Na drugi strani se bogomolčarji ponašajo z mogoče najbolj norim vidnim organom na Zemlji. Odvisno od vrste imajo lahko tudi do šestnajst čepkov, torej lahko vidijo ogromno barvnih odtenkov. Kot da to ne bi bilo dovolj, pa njihov pogled sega še v ultravijolično območje, obenem pa vidijo tudi polarizacijo svetlobe.

Ljudje imamo zgolj tri tipe čepkov, med katerimi je vsak občutljiv za relativno širok pas valovnih dolžin. Posledično se lahko zgodi, da kljub različnim spektrom sevalcev v vseh primerih zaznamo enako barvo. Ta pojav, imenovan metamerizem, je ilustriran na zgornji sliki. Človeško oko je slabo opremljeno za povzemanje informacij o spektru, zato moramo biti pri interpretaciji narave sevalcev zgolj z barvami previdni. Bogomolčar s številnimi čepki ne bi imel podobnih težav.

Kot zadnjo težavo moramo omeniti interpretacijo barv v možganih. V naravi se osvetljenost nenehno spreminja, zato imamo ljudje razvit mehanizem barvne konstantnosti, kar nam pomaga pri prepoznavanju predmetov. Na primer jabolko vidimo enake barve opoldne in zvečer. Uporabni mehanizem pa nas lahko tudi zavede, če spremenimo barvo ali osvetljenost ozadja predmeta, ki ga opazujemo. Možgani poskušajo izravnati barvne kontraste, pri tem pa zaznamo napačne barve. Barvne iluzije so le majhen del optičnih iluzij, ki pokažejo omejitve naše zaznave sveta.

Pomen barv v astronomiji

Nekaj objektov na nočnem nebu res vidimo barvnih. V ozvezdju Orion se nahajata zvezdi Betelgeza in Rigel. Prva je rdečkaste, druga pa modrikaste barve. Planete Osončja in Luno prav tako vidimo v barvah. A večina zvezd na nebu je tako temnih, da jih vidimo le črno-belo. Tudi če pogledamo skozi teleskop, večine zvezd ne vidimo v barvah. Na veliko razočaranje neizkušenih udeležencev javnih opazovanj je enako tudi z galaksijami in meglicami.

S teleskopi in kamerami zberemo več svetlobe kot z našimi očmi, zato lahko opazujemo temnejše objekte na nebu. Z malo goljufije jih lahko vidimo v barvah. Astronomi za opazovanja uporabljajo filtre v obliki steklenih ploščic, ki prepustijo le določen del optičnega spektra. Filtre postavijo pred kamero in opazujejo objekt na nebu. Opazovanje z modrim filtrom zbere samo modro svetlobo, opazovanje z zelenim filtrom samo zeleno svetlobo in opazovanje z rdečim filtrom samo rdečo svetlobo. Nato združijo posnetke in umerijo barve glede na relativno količino svetlobe, ki so jo zbrali pri opazovanju skozi posamezen filter. Nekako tako, kot to naredijo naši možgani. Če bi imeli tri filtre, s katerimi bi zajemali povsem enake dele optičnega spektra kot s čepki v očeh, bi takšen barvni posnetek ustrezal temu, kar bi videli z našimi očmi v primeru, da bi lahko zbrali več svetlobe.

Filtri, ki jih astronomi uporabljajo, so drugačni od naših čepkov. To pomeni, da je vsaka barvna fotografija le približek temu, kar bi videli mi. Oblika samega spektra objekta običajno določa, kakšne filtre želimo uporabiti. Nič ne ilustrira tega bolje kot opazovanje meglic. Vzemimo za primer posnetek Obročaste meglice, ki ga je naredil Vesoljski teleskop Hubble. Medtem ko zvezda seva svetlobo bolj ali manj pri vseh valovnih dolžinah v optičnem delu spektra, v spektrih meglic prevladujejo ozke in svetle emisijske črte. Spekter Obročaste meglice je videti tako, kot je prikazano na spodnji sliki.

Ker je večina svetlobe izsevana v ozkih pasovih spektra, so astronomi za opazovanje izbrali tri zelo ozke filtre. 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 spodnjo čudovito sliko meglice. Barvni gradient pa ni samo lep, ampak nosi tudi veliko informacij. Med drugim nam pokaže temperaturni profil v meglici. Spektralne črte nastanejo, ker meglico osvetljuje vroča zvezda s temperaturo 120.000 stopinj Celzija v središču. Za izsevanje svetlobe helija je potrebna visoka temperatura, zato je največji prispevek te svetlobe v središču meglice. Po drugi strani pa dušik potrebuje nižjo energijo, zato ga je več prisotnega na obrobju meglice, daleč stran od centralne zvezde.

Številne kombinacije instrumentov in valovnih dolžin

S pametnim izborom filtrov dobimo lepo sliko in pomembne informacije o astronomskem objektu. Astronomi pa gredo še korak dlje in na eni sami sliki združijo opazovanja iz popolnoma različnih delov elektromagnetnega spektra, kot na primer rentgenskega sevanja, optične svetlobe in radijskega valovanja. Pri tem je zanimivo, da potrebujemo za opazovanje različnih delov elektromagnetnega spektra povsem različne instrumente. Ob upoštevanju tega se izkaže, da je v vsako takšno sliko vloženega veliko truda in znanja.

So barve na astronomskih slikah takšne, kakor bi jih videli s človeškimi očmi? Upam, da je iz zapisa jasno, da ne. To pa ne pomeni, da so slike ponaredki. Bogomolčarji lahko vidijo polarizacijo, kar si ljudje ne moremo niti predstavljati. Morda nekje v Galaksiji živijo vesoljci, ki lahko obenem vidijo rentgensko sevanje in optično svetlobo. Astronomske slike kažejo vesolje v podobi, ki bi jo videli, če bi imeli drugačne oči. Vsekakor pa se ob vsaki sliki splača vprašati, kako je bila slika narejena in kaj pravzaprav gledamo. S tem se nam razkrije vsa veličina in prava vrednost slike.

-