Про Вселенную, диапазон яркостей и обработку снимков.

С незапамятных времен подмечено, что человеческий глаз разбирает звезды по видимому блеску так, что звезды соседних звездных величин -  скажем, 4й величины от 5й -  отличаются примерно в 2.5 раза. Этот закон в простонародье носит название формулы Погсона и устанавливает соотношение освещенности от видимого блеска звезд.

где m1, m2 - звездные величины, L1, L2 - освещенности от этих объектов соответственно.

Звезды в пространстве разбросаны почти в случайном порядке, (слово «почти» здесь значит, что мы делаем реверанс в сторону гравитации сверхмассивной черной дыры и темной материи нашей Галактики, конечно же), на самых разных расстояниях от нас, скрыты пылью, и, значит, судить о «true» - яркости звезды по ее видимому на Земле блеску может быть затруднительно.

Но если, скажем, отбуксировать пару-тройку звезд на расстояние в 10 парсек, то сразу же увидим, в чем между ними разница. Вот - огромный голубой гигант, который выстреливает тонны излучения в пространство, и от которого хочется просто закрыться руками – такой он яркий. Вот – звезда типа Солнца, с расстояния в 10 пк ничего особенного собой не представляет. А вот - малюсенький, тусклый красный карлик. Его даже в телескоп с такого расстояния не всегда разглядишь...

Астрономы любят говорить об абсолютной звездной величине, которая связана с видимой простой формулой. Достаточно поставить эту звезду на расстояние в 10 пк и сравнить с эталонной. Эта формула, в общем случае, даже позволяет нам вычислять расстояния до звезд! 

где m - видимая звездная величина, M- абсолютная, d0  - 10 пк, d - расстояние до звезды.

Гигантская разница в яркости объектов Вселенной приводит к тому, что в свете ярких звезд астрономы иногда не могут различить самое интересное. Представьте, если бы мы находились внутри какого-нибудь скопления ярких голубых звезд классов О и В - разве б мы увидели все то богатство тусклых галактик, спрятанных за спинами и боками этих слепящих шаров в небе?

Охотники за экзопланетами, космологи, специалисты по спутникам планет Солнечной Системы находятся как раз в такой ситуации. Попробуй найти следы крошечных, тусклых планеток в слепящем свете звезд! Вот и приходится им всячески изворачиваться, использовать сложные маски, коронографы, чтобы прикрыть такой мешающий свет и где-то на границе чувствительности, в растровом мареве пиксельного шума найти то самое, вожделенное золото открытий большой науки.

Астрофизикам, изучающим облака молекулярного газа, не легче. Это мы привыкли, что наши глаза автоматически подстраиваются по яркости самого яркого объекта в поле нашего зрения, а все остальное, если сильно тусклее, просто выпадает в тень (проверьте сами – наша «TTL схема» работает именно так!). Для ПЗС-матрицы ответ очень прост: больше времени – больше деталей. Но, начиная с определенного момента, яркие части туманностей начинают наоборот, терять детали – тем больше, чем больше экспозиция, и они становятся как бы «выжжеными» внутри – ничего не видно.

Хороший аналог различия в яркостях объектов нашей Вселенной – запись симфонического оркестра. Здесь разница между самым тихим и самым громким звуком может быть такой, что для тихого звука не хватит чувствительности микрофона, а громкий – просто его шокирует.

Только диапазон яркостей во Вселенной гораздо шире!

Возьмите любой необработанный снимок какой-нибудь туманности и попробуйте начать изменять параметры яркости – чем светлее снимок, тем больше деталей вы будете замечать в темных его областях, но так все яркие области просто «утонут», став пятнами света. И вот задача - как же сократить этот диапазон, не потеряв деталей?

На все это накладывается непонятная многим профессионалам необходимость еще показывать эти снимки публике в стиле - «как видно глазу»... вот же петрушка какая! Глаз – отличный прибор, но... прибор с желто-зеленым фильтром внутри, нечувствительный к инфракрасной области (как, впрочем, и к большинству других длин волн), с низкой разрешающей способностью, с довольно низкой, собственной предельной чувствительностью к свету, хотя и динамически меняющейся в зависимости от условий освещения.

Друзья, чтобы увидеть туманность Ориона «так, как видно глазу», надо сесть на космический корабль и подлететь к ней на достаточно близкое расстояние, когда чувствительности ваших колбочек хватит на то, чтобы воспроизвести ее «настоящие» цвета. Все остальное – в известной мере – лишь приближение к этому... И то, мы же помним, что разные люди по-разному воспринимают цвета... Как видит Туманность Ориона, скажем, дальтоник? Или так - вот у меня левый глаз видит в "холодных" цветах, а правый - в "теплых"... Каким глазом смотреть, чтобы получить "true-колор"??

Астрономы используют не «true-колор», а условное кодирование цветом. Давайте, например, рентгеновские лучи обозначим синим, визуальный диапазон – зеленым, инфракрасный – красным. Что мы увидим на таком снимке? Мы увидим массу интересной информации, которая, к сожалению, совершенно скрыта, недоступна глазу человека. Потому специалистам более интересны снимки с цветовым кодированием, чем  «true-колор».

Credit: http://galspace.spb.ru/telescope.file/sky.htm

А теперь в дополнение ко всему сказанному ...добавим шум! Да-да, передовые исследования выполняются на самом пределе всего, что можно выжать из чувствительности, широты, разрешающей способности современных цифровых матриц. А наши матрицы тоже ведь не в виртуальном мире «фабрики грез» сделаны – они, по большому счету ...«шумят» И шум этот тем досаднее, чем ниже яркость объектов. А яркость объектов – и так на пределе!

Да и сами объекты Вселенной бывают так далеки, что зачастую занимают даже не один-два пиксела, а всего лишь какую-то его долю, да еще и окружены ореолом рассеяния – на чем ни попадя (например, на оптических деталях) и в этом ореоле совершенно теряются. Попробуй теперь разобраться, что ж ты ночью такого наснимал, если по всему полю, на самом пределе чувствительности идет такой шум, что вместо четких следов планет, у тебя какая-то дикая рябь пикселов.

И тут на передний план выходят разные алгоритмы подавления шума и обработки снимков.

Так что, можно сказать, что астрономия сейчас – не только конкуренция самых больших телескопов, самых чувствительных матриц, самых смекалистых инженеров и самых толковых теоретиков, но и самых лучших алгоритмов обработки изображений. Не используешь подходящий алгоритм – потеряешь открытие, ведь завтра этот же снимок может обработать кто-то немного более сообразительный, чем ты.

Вот такая нешуточная драма на самом деле стоит за таким, с виду простым понятием, как яркость небесных объектов...