Защо на лунните и космическите снимки не се виждат звезди?

Погледнете към небето през нощта от тъмно място и ще видите безброй звезди. Защо тогава звездите не се виждат на снимки, направени от Международната космическа станция и от други космически апарати?

Това възражение е един от основните въпроси, повдигани от хората, които не вярват, че са извършени първите кацания на Луната. Но все пак въпросът е основателен и озадачава мнозина, които не са запознати с подробностите.

Отговорът: Звездите са слаби и просто не произвеждат достатъчно светлина, за да се покажат на снимки, настроени за ярка светлина.

Може да се илюстрира с пример от ежедневието. Навярно всеки е допускал грешката да заснеме човек, застанал пред ярко осветен прозорец. На снимката  се вижда само силует - лицето е неясна сянка, то просто не е достатъчно осветено, за да се покаже на снимката.

Същите проблеми засягат и космическите снимки. Три неща влияят върху това какви детайли може да се видят на всяка снимка, независимо дали става въпрос за звезда, планета или човек: чувствителността на фотоапарата, времето, което фотоапаратът е имал, за да събере светлина, и динамичния обхват на фотоапарата.

Колко чувствителен е фотоапаратът?

От колко светлина се нуждае фотоапаратът, за да я види? Модерните фотоапарати могат да регулират чувствителността чрез отваряне и затваряне на блендата, която пропуска светлината. Човешките очи правят постоянно същото, автоматично като разширяват и свиват зениците си. Ако се разхождате от ярко осветена към тъмна открита площ, също няма да видите звезди на небето, поне не веднага. Когато очите ви повишат чувствителността си чрез разширяване на зениците, бавно започвате да забелязвате все по-слаби и по-слаби звезди.

Повечето космически камери всъщност не могат да регулират блендата си по този начин. Затова учените предвиждат нивата на осветеност, с които камерата ще се срещне по време на мисията си, и проектират своите инструменти така, че да имат апертура с подходящ размер за обхвата на целите, които се очакват. Камерата се прави така, че да работи с предвидените научни цели, и затова не е идеална за други екстри като звезден фон.

OSIRIS-REx, чиято камера MapCam бе предназначена за изучаване на цветовете на астероид с много тъмни тонове, не може да погледне към Земята, без да се претовари от ярката светлина, отразяваща се от ярките облаци, което предизвиква артефактите, които виждате в горната част на това изображение.

_{Земята от OSIRIS-REx MapCam. OSIRIS-REx прелетя покрай Земята на 22 септември 2017 г. и прави тази снимка малко след това. Тихият океан покрива почти цялото видимо земно кълбо. Слънцето е почти зад космическия апарат, а ярката област на океана близо до центъра на изгледа е огледално отражение от водната повърхност. Изображението е композит от три снимки, направени през инфрачервен, зелен и син филтър с експозиция от 1,5 милисекунди. Използването на инфрачервен филтър води до това, че земята, която би изглеждала зелена, изглежда червена. "Игличките" в горната част са причинени от проблясването на регистъра за отчитане на детектора, което се получава при много кратките времена на експозиция, необходими за близък план на ярка планета. Кредит: NASA / GSFC / UA / Björn Jónsson}

Но изображенията на Бену от MapCam изглеждат добре, защото именно за това е предназначена MapCam. (Обърнете внимание, че на нито едно от тези изображения не се виждат звезди в черното пространство около планетите).

^{Бену от юг, 17 декември 2018 г. Това изображение е заснето от MapCam на OSIRIS-REx на 17 декември 2018 г., когато апаратът прелита под южния полюс на Бенну по време на предварителното изследване на астероида от мисията. Изображението е с експозиция от 9,3 милисекунди и е направено от разстояние около 12 километра, докато космическият апарат се отдалечава от астероида. Кредит: NASA / GSFC / UA}

Колко време трябва да има фотоапаратът, за да събере светлина?

По-дългите експозиции събират повече светлина - което помага да се открият по-слаби обекти - отколкото по-кратките експозиции. В човешкото зрение няма реален еквивалент на настройката на експозицията - ние забелязваме повече, когато гледаме нещо по-дълго, но и това не е съвсем същото. Снимките на нощното небе, които са пълни със звезди, са с дълга експозиция, често отнемаща много минути - толкова време е необходимо на фотоапарата, за да открие достатъчно фотони за хубава гледка. Късите експозиции не улавят звезди. Снимката по-долу е с продължителност няколко минути. Това, което изглежда като слънчева светлина върху планините, всъщност е лунна светлина.

_{Млечният път, сниман от Швейцария. Макар че цветовете на Млечния път се виждат само на снимки с дълга експозиция, повечето от детайлите са видими с просто око, ако отделите време да се вгледате. Кредит: Hippopx (CC0 1.0)}

Снимките на астронавтите от "Аполо" са експонирани за ярко осветената от слънцето лунна повърхност и белите скафандри. Тези експозиции са били твърде кратки, за да се открият звездите на небето.

_{Командирът на Аполо 15 Дейвид Скот на станцията ALSEP Командирът на мисията Дейвид Скот разгръща апаратурата на пакета за експерименти с лунната повърхност на Аполо (ALSEP): NASA}

Космическите камери могат да позволяват много широк диапазон от настройки на експозицията. Камерата LORRI на New Horizons например може да прави снимки с експозиция от 1 милисекунда до 30 секунди. Те използват най-кратката настройка на експозицията, когато прелитат покрай Юпитер, който е много по-близо до Слънцето и много по-ярък от Плутон. Те използват най-дългите експозиции за най-слабите цели - далечните светове в пояса на Кайпер.

Встрани от това е отговорът на друг често задаван въпрос за космическите снимки: как камерите могат да виждат, за да правят снимки толкова далеч от Слънцето, където светлината е сравнително слаба? Отговорът: изпращат се чувствителни камери и, ако е необходимо, се правят дълги експозиции. Вояджър 2 при Нептун дава добри примери за това какво се случва, когато изпратим камера, която не е достатъчно чувствителна. Предназначена за Юпитер и Сатурн, тя трудно вижда в относителната тъмнина на Нептун.

_{Най-доброто заснемане на луната на Нептун - Протей. Камерите на "Вояджър 2" са проектирани за нивата на осветеност на Юпитер и Сатурн, така че трудно събират достатъчно светлина, за да видят Уран и Нептун, особено когато заснемат тъмни обекти като малки луни. Това са най-добрите изображения на Протей, направени от Вояджър 2. Горната лява снимка, направена през прозрачен филтър, е с експозиция от 3,84 секунди. Другите три малки, направени през цветни филтри (по посока на часовниковата стрелка от горния десен ъгъл: виолетов, зелен и син), изискват 15,36-секундна експозиция, а две от тях са размазани от движението на космическия апарат през това дълго време. Дясната, заснета през прозрачен филтър, е с експозиция от 1,92 секунди, тя не е размазана, но нивото на светлината е толкова ниско, че е трудно да се видят детайли. Кредит: НАСА / JPL}

Какъв е динамичният обхват на фотоапарата?

Може ли фотоапаратът да вижда както слабо осветени, така и добре осветени неща в едно и също изображение? Или капацитетът му за събиране на светлина бързо се претоварва от по-ярки неща, преди да е имал време да открие светлина от по-слаби обекти? Тук очите ни обикновено се справят много по-добре от фотоапаратите. Когато гледаме човек, който седи пред прозорец, виждаме лицето му отлично, защото очите ни са способни да различават детайли както на сянка, така и на слънчева светлина. Това отчасти се дължи на факта, че очите ни не са неподвижни, когато гледаме дадена сцена. Очите ни постоянно се стрелкат насам-натам, гледат през прозореца, гледат навътре, гледат лицето на човека, като всеки път регулират фокуса и блендата. Мозъкът ни изгражда съвкупност от цялата тази информация, което прави гледката от окото в ума ни по-подробна от всяка мигновена гледка от физическото ни око. След това изваждаме фотоапарата си и правим снимка, която изглежда ужасно.

Но съвременните цифрови фотоапарати имат трик, който имитира това, което правят човешкото око и мозъкът. С камерата на телефона може да се включи функция, наречена "HDR", което означава висок динамичен обхват. Когато правим снимка в режим HDR, телефонът всъщност прави две снимки (една с по-дълга експозиция, друга с по-къса) и обединява най-добре експонираните части от двете изображения, за да се покажат детайли както отвън на прозореца, така и в чертите на човека пред него.

Космическите фотоапарати обикновено имат по-висок динамичен обхват от потребителските фотоапарати, така че могат да записват относително слаби и ярки неща в едно и също изображение. Може да е трудно да се оцени колко много детайли има в сенките на космическите изображения, но може да си играете с яркостта и контраста на космическите изображения, за да разкриете скритите детайли в сенките. Ето какво се вижда в два различни контрастни участъка на изображение на кометата Чурюмов-Герасименко от Rosetta OSIRIS. Това е една и съща снимка, направена от едни и същи данни, просто компютърът показва ниските стойности на пикселите с по-високи яркости.

^{Преди и след: Пукнатини в сенчестите скали на Чурюмов-Герасименко. Повишаването на яркостта на изображенията на OSIRIS може да разкрие детайли в сенките, които са само косвено осветени. Тук се вижда, че някои скали на главата на кометата имат поне два кръстосани набора от пукнатини. Кредит: ESA / Rosetta / DLR / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA / Emily Lakdawalla}

Пример: New Horizons

Нека да проучим как настройките на експозицията и други фактори правят звездите видими в даден момент, а в друг - не. НДа речем, че сме на борда на New Horizons, който използва камерата си LORRI, за да прави снимки на обекти с различна вътрешна яркост, улавяйки няколко звезди по пътя си. Както бе споменато по-рано, LORRI има фиксирана бленда и висок динамичен обхват и може да използва широк диапазон от настройки на експозицията. Една от най-готините цели на Юпитер е вулканичната луна Йо. Ето снимка на Йо, направена от LORRI, когато New Horizons се приближава към системата на Юпитер. На снимката е използвана експозиция от 4 милисекунди. Йо е добре експонирана и не се виждат звезди.

^{Йо от New Horizons (време за експонация: 4 милисекунди) New Horizons прави тази снимка на Йо с камерата си LORRI от разстояние 2,865 милиона километра на 26 февруари 2007 г. Кредит: NASA / JHUAPL / SwRI}

Няколко секунди по-късно LORRI направи друга снимка на Йо с много по-дълга експозиция: 75 милисекунди. Йо е силно преекспонирана и последиците от това преекспониране причиняват нещо, което се нарича "размазване при четене" - ефект на ивици по изображението. Защо се получава това? Вижте ръба на диска на Йо. Може да видите поне три вулканични стълба, които изригват от повърхността на Йо. При тази настройка на експозицията се виждат подробни детайли в пламъците. Въпреки това, дори при експозиция, почти 20 пъти по-дълга от тази на горното изображение на Йо, пак не се виждат някакви звезди. 

_{Йо от New Horizons (време на експозиция: 75 милисекунди) Снимка на Йо с дълга експозиция, направена на 26 февруари 2007 г. по време на прелитането на New Horizons около Юпитер. Слънчевата светлина от дневната страна на Йо е наситила детектора на камерата LORRI на New Horizons, което е причинило ивиците по снимката. Но дългата експозиция разкрива прекрасни структури в чадъровидния облак на активно изригващия вулкан Тваштар. Два или повече други облака се виждат от нощната страна на Йо. Кредит: NASA / JHUAPL / SwRI}

Ето един различен набор от изображения на Йо. По това време, 2 дни по-късно, Йо се е придвижила около Юпитер и е навлязла в неговата сянка. На повърхността на Йо не попада слънчева светлина. Виждате как Йо свети в тъмното, осветена от горещите си вулканични облаци. (Виждате също така много артефакти на камерата, причинени от разсеяна светлина - Йо е в затъмнение, но New Horizons не е. Светлината на Юпитер се отразява в камерата, причинявайки светлинни пръски и ярък фон. Има и много размиване, причинено от енергийни частици, попадащи в детектора - около Юпитер летят много такива частици.). Наистина е много ценно, че можем да видим горещото сияние на вулканите на Йо в пълния мрак на затъмнението. Необходима много по-дълга експозиция, близо 8 секунди, за да се види светлината на вулканите на Йо от LORRI. Най-накрая има достатъчно дълга експозиция, за да се видят звездите на заден план. В тази анимация звездите стоят неподвижно, докато Йо се движи, а New Horizons коригира насочването си.

_{Йо в затъмнение от New Horizons. Когато New Horizons преминаваше покрай Юпитер, той видя как Йо се движи в сянката на Юпитер. Тъй като Слънцето беше блокирано от повърхността на Йо, New Horizons можеше да види светлината, излъчвана от вулканите на Йо. Всяко изображение в тази анимация от 28 кадъра изискваше експозиция с продължителност 8 секунди, за да се види слабото сияние на горещите вулкани. Дългите експозиции правят видими и фоновите звезди. В тези изображения има редица артефакти. Големите ивици по снимката и като цяло яркият фон са резултат от навлизането на разсеяна светлина в барела на LORRI - огряният от слънцето Юпитер е недалеч от зрителното поле на LORRI и неговите блестящи облаци отразяват светлината в оптиката на камерата. Има и много "сняг" от енергийни частици, които се удрят в детектора. Кредит: NASA / JHUAPL / SwRI / Emily Lakdawalla}

Съсредоточете се и може да видите още някои, в горната част на анимацията има много по-слаби.

^{Йо в проблясък от New Horizons (анотирано) При преминаването на New Horizons покрай Юпитер се вижда как Йо навлиза в сянката на Юпитер. Тъй като Слънцето е блокирано от повърхността на Йо, New Horizons може да види светлината, излъчвана от вулканите на Йо. Всяко изображение в тази анимация от 28 кадъра изисква 8-секундна експозиция, за да се види слабото сияние на горещите вулкани. Дългите експозиции правят видими и фоновите звезди. В тази версия на анимацията по-ярките звезди са отбелязани с хоризонтални бели линии. В тези изображения има редица артефакти. Големите ивици по снимката и като цяло яркият фон са резултат от навлизането на блуждаеща светлина в камерата на LORRI - осветеният от слънцето Юпитер е недалеч от зрителното поле на LORRI и неговите блестящи облаци отразяват светлината в оптиката на камерата. Има и много "снежинки" от енергийни частици, които се удрят в детектора. Кредит: NASA / JHUAPL / SwRI / Emily Lakdawalla}

Когато New Horizons се приближава към Плутон, звездите все още се виждат в сравнително дългите експозиции. Все още можете да видите звездите в тези анимации на приближаването; по-долу любителят Матю Ърл използва звездите, за да подравни изображенията и да разкрие забавното въртене на Плутон и Харон.

_{Оптични навигационни изображения на Плутон и Харон от New Horizons, подравнени на фона на звезди. Матю Ърл (Matthew Earl) създава тази анимация, използвайки скрипт на Python за автоматично изравняване на оптичните навигационни снимки на New Horizons на звездния фон. Кредит: NASA / JHUAPL / SwRI / Matthew Earl}

Така че следващия път, когато се чудите защо не се виждат звездите, вместо това се запитайте: какво в изображението е толкова ярко, че не мога да видя звездите?

Източник: Why are there no stars in most space images?, Emily Lakdawalla, The Planetary Society