Глава семнадцатая

Космос в цвете

Лишь у считанных объектов на ночном небосклоне Земли хватит яркости, чтобы возбудить чувствительные к цвету колбочки – клетки нашей сетчатки. На это способна, например, красная планета Марс. И голубая звезда-сверхгигант Ригель (правое колено Ориона), и красная звезда-сверхгигант Бетельгейзе (левая подмышка Ориона). Однако помимо этих выдающихся светил ничего, пожалуй, и не назовешь. Невооруженному глазу космос предстает темным и бесцветным.

Вселенная являет свои подлинные цвета, лишь если нацелить на нее большие телескопы. Светящиеся объекты вроде звезд бывают трех основных цветов – красные, белые и голубые; наверное, этот факт порадовал бы отцов-основателей. Межзвездные газовые облака могут быть практически любых цветов в зависимости от того, какие в них присутствуют химические элементы, а также от того, как их фотографируют, а вот цвет звезды прямо зависит от температуры на поверхности. Холодные звезды красные. Теплые звезды белые. Горячие звезды голубые. Очень горячие звезды все равно голубые. А очень-очень-очень горячие – ну, вроде центра Солнца, где 15 миллионов градусов? Голубые. Для астрофизика и раскаленная докрасна кочерга, и накаленная добела обстановка – понятия, требующие серьезного уточнения.

Казалось бы, все просто. Но так ли это?

В результате сговора между астрофизическими законами и человеческой физиологией зеленые звезды оказались запрещены. А как же желтые звезды? Некоторые учебники астрономии, многие научно-фантастические романы и рассказы и практически любой прохожий на улице поддерживают движение «За желтое Солнце». Однако профессиональные фотографы руку дадут на отсечение, что Солнце голубое: пленка для съемки «при дневном свете» сбалансирована по цветам с расчетом на то, что источник света – по всей видимости, Солнце – испускает голубой свет. Старомодные фотовспышки в виде кубиков из синих ламп – всего лишь одна из множества попыток воссоздать голубой солнечный свет при съемке в закрытом помещении с использованием пленки для дневного света. А художники-пейзажисты возразят, что Солнце чисто-белое и тем самым позволяет им точно видеть цвета выбранных

красок.

Нет никаких сомнений, что вблизи от пыльного горизонта на восходе и закате Солнце бывает подернуто желто-оранжевой патиной. Однако в полдень, когда атмосферное рассеяние минимально, о желтом мы и не вспоминаем. На самом деле источники подлинно желтого цвета окрашивают белые предметы в желтый. Так что будь Солнце по-настоящему желтым, снег тоже казался бы желтым, даже вдалеке от пожарных гидрантов.

* * *

Для астрофизика «холодные» объекты – это объекты с температурой на поверхности между 1000 и 4000 градусов по Кельвину, которые в целом описываются как красные. Однако нити накаливания в высоковольтных лампах редко разогревается больше чем до 3000 градусов по Кельвину (при 3680 К вольфрам уже плавится) – а с виду они белые-белые. Ниже 1000 градусов предметы стремительно теряют яркость в видимой части спектра. Космические тела с такой температурой называются коричневыми карликами. И не потому, что они коричневые, – они вообще почти не испускают видимого света.

Раз уж мы об этом заговорили, черные дыры тоже не совсем черные. На самом деле они очень медленно испаряются, поскольку испускают очень маленькие количества света с края горизонта событий – этот процесс описал физик Стивен Хокинг. В зависимости от массы черной дыры она может испускать свет в любой форме. Чем меньше черные дыры, тем быстрее они испаряются, а потом им приходит конец, что знаменуется бешеной вспышкой энергии, а также видимого света.

* * *

Современные иллюстрации к научным и научно-популярным текстам, которые показывают по телевизору и печатают в книгах и журналах, зачастую сделаны с помощью искусственной палитры цветов. Особенно в этом преуспели создатели телевизионных прогнозов погоды – они обозначают, скажем, ливневые дожди одним цветом, а просто дожди – другим. Когда астрофизики создают изображения космических объектов, то обычно приписывают шкале яркостей этих объектов произвольный набор цветов. Например, самые яркие объекты обозначают красным, а самые тусклые – синим. Поэтому те цвета, которые вы видите, не имеют никакого отношения к подлинному цвету объекта. Как и в метеорологии, некоторые из этих изображений окрашены в цвета, имеющие отношение к каким-то другим качествам, например к химическому составу или температуре объекта. И совсем не редкость – изображение спиральной галактики, раскрашенное в соответствии с вращением: то, что движется на зрителя, окрашено разными оттенками синего, то, что движется от него, – разными оттенками красного. В этом случае выбор цветов заставляет вспомнить синий и красный допплеровский сдвиг, выдающий движение объекта.

На карте знаменитого реликтового излучения некоторые области теплее среднего. И, разумеется, некоторые холоднее, как же иначе. Диапазон составляет одну стотысячную градуса. Как отразить этот факт? Сделать теплые участки красными, а холодные синими – или наоборот. Так или иначе, очень маленькие колебания температур на изображении будут бросаться в глаза и казаться очевидными.

Иногда широкая публика видит полноцветное изображение космического объекта, который был сфотографирован в невидимом диапазоне, например в инфракрасном или в радиодиапазоне. Как правило, в таких случаях мы приписываем три цвета – обычно классические красный, зеленый и синий (палитра «RGB») – трем разным участкам спектральной полосы. В результате подобных упражнений полноцветное изображение строится так, словно мы от природы обладаем способностью видеть цвета в этих невидимых частях спектра.

Из всего этого следует, что обычные, обиходные цвета вполне могут значить для ученых совсем не то, что для всех прочих. В тех случаях, когда астрофизики решают говорить прямиком, без метафор, у них есть инструменты и методы, которые позволяют определить, какой именно цвет испускается или отражается от того или иного объекта, и не зависеть от вкусов художника или от капризов человеческого цветовосприятия. Однако подобные методы не делают скидок на неподготовленного зрителя. При построении изображений используются логарифмические отношения интенсивностей испускаемого объектом излучения в разных фильтра, которые выстроены в тщательно продуманную систему, учитывающую, кроме всего прочего, зависимость чувствительности детектора от энергии регистрируемого света. Видите, я же предупреждал, что мы не делаем скидок на неподготовленность. Когда отношение интенсивностей, скажем, уменьшается, объект на компьютерном изображении становится более голубым независимо от того, какого «цвета» он был изначально.

* * *

С кем капризы человеческого восприятия сыграли злую шутку – так это с состоятельным американским астрономом-любителем и большим фанатом Марса Персивалем Лоуэллом. На рубеже XIX и XX столетий он сделал очень подробные зарисовки поверхности Марса. Чтобы делать подобные наблюдения, нужно, чтобы воздух в обсерватории был сухой и неподвижный – тогда свет от планеты не исказится и не смажется на пути к твоей сетчатке. Потому-то Лоуэлл в 1894 году и основал Обсерваторию Лоуэлла, крупнейшую частную обсерваторию в США, в засушливой Аризоне, на вершине Марсианского холма. Богатая железом, ржавая поверхность Марса выглядит красной при любом увеличении, однако Лоуэлл заметил на ней еще и много зеленых пятен, а также переплетение каналов – по крайней мере, именно так он описал их и зарисовал: по его мнению, это были искусственные водоводы, предположительно построенные самыми настоящими живыми марсианами, которые стремились доставить драгоценную воду от полярных ледников в свои города, деревни и сельскохозяйственные угодья.

По поводу вуайеристской страсти поглядывать за инопланетянами у Лоуэлла мы сейчас распространяться не будем. Давайте лучше побеседуем о каналах и зеленых пятнах растительности. Персиваль, сам того не ведая, стал жертвой двух широко известных оптических иллюзий. Во-первых, человеческий мозг практически всегда стремится выделить какую-то визуальную закономерность даже там, где никакой закономерности нет. Ярчайший пример – это созвездия в небе: результат игры воображения сонных обывателей, которые искали порядок в случайных группах звезд. Подобным же образом мозг Лоуэлла интерпретировал никак не связанные между собой особенности поверхности и атмосферы Марса и решил, что это осмысленные крупномасштабные конструкции.

Вторая иллюзия состоит в том, что серый цвет рядом с рыжевато-красным кажется сине-зеленым: этот эффект первым заметил французский химик М. Э. Шеврель еще в 1839 году. Поверхность Марса сплошь тускло-красная с отдельными участками серо-коричневого. А сине-зеленый появился в результате физиологического эффекта: область нейтрального цвета по контрасту с рыже-оранжевым кажется глазу синевато-зеленой.

Сыграл свою роль и другой физиологический эффект, не вполне очевидный и не вызывающий такого конфуза: обычно мозг корректирует цвета в соответствии с обстановкой, в которую попадаешь. Вот, скажем, в джунглях, где практически весь свет, пробившийся сквозь листву, прошел сквозь зеленый фильтр (то есть сквозь листву), молочно-белый лист бумаги должен тоже показаться зеленым. Однако этого не происходит. Несмотря на особое освещение, мозг делает его белым.

Приведу пример попроще: вспомните, как поздно вечером выглядят окна, за которыми люди смотрят телевизор. Если в комнате нет источников света, кроме телевизора, стены комнаты окрасятся в нежно-голубой цвет. Но мозг телезрителей, залитых светом от экрана, корректирует цветовую гамму интерьера, поэтому сами они никакого искажения не замечают. Эта физиологическая компенсация не даст первым марсианским колонистам зациклиться на преобладающем в пейзаже красном цвете. Более того, первые изображения, которые отправил на Землю в 1976 году марсоход «Викинг», были преднамеренно подкрашены темно-красным, чтобы соответствовать ожиданиям прессы.

* * *

В середине XX века ночное небо стали систематически фотографировать с одного и того же места неподалеку от города Сан-Диего в штате Калифорния. Получившаяся в результате беспрецедентная база данных, которая называется «Паломарский обзор неба» (Palomar Observatory Sky Survey), легла в основу долгосрочных прицельных наблюдений, которыми занимается уже целое поколение астрофизиков. Исследователи космоса фотографировали небо дважды при одинаковой экспозиции на два разных сорта особых черно-белых фотографических пластин фирмы «Кодак»: одна разновидность была более чувствительна к синему свету, другая – к красному. (В корпорации «Кодак» появилось целое подразделение, чьей задачей было обслуживать этот фотографический фронт; коллективные усилия астрономов и сотрудников фирмы и вывели отдел НИОКР в «Кодаке» на нынешний высокий уровень.) Если вас интересует какой-то небесный объект, первым делом сравните его снимки на «красной» и «синей» пластине – и получите первые данные о том, какой именно свет он излучает. Например, очень красные объекты ярко видны на красных фотографиях, однако едва различимы на синих. Подобного рода информация позволяет выработать программы дальнейшего наблюдения за выбранным объектом.

Диаметр Космического телескопа им. Хаббла обладает достаточно скромными размерами по сравнению с крупнейшими наземными телескопами – всего 2,4 метра, – однако этот аппарат все равно сделал весьма впечатляющие цветные снимки космоса. Самые значительные из них вошли в серию «Наследие телескопа им. Хаббла» (Hubble Heritage Project), благодаря которой заслуги этого космического аппарата останутся в наших умах и сердцах. Однако широкая публика сильно удивится, если узнает, каким именно образом астрофизики получают цветные изображения. Прежде всего, мы применяем ту же цифровую технологию CCD, что и в любительских видеокамерах, только мы начали ею пользоваться на десять лет раньше вас и наши детекторы не в пример лучшего качества. Во-вторых, прежде чем свет попадает в CCD, мы фильтруем его одним из нескольких десятков способов. Для обычного цветного снимка мы получаем три последовательных изображения объекта через широкополосные фильтры – красный, зеленый и синий. Несмотря на названия, вместе эти фильтры охватывают весь видимый спектр. Затем мы комбинируем на компьютере все три снимка так же, как компьютер у вас в черепной коробке комбинирует сигналы от колбочек в сетчатке, чувствительных к красному, зеленому и синему цвету. Так создается цветная картинка, очень напоминающая то, что увидели бы вы сами, если бы глаз у вас был 2,4 метра в диаметре.

Однако предположим, что какой-то объект из-за квантовых свойств своих атомов и молекул испускает свет исключительно на определенных длинах волн. Если мы заранее это знаем и применяем узкие фильтры, центры которых находятся именно на этих длинах волн, то можем сузить чувствительность изображения до конкретного узкого диапазона, вместо того чтобы использовать широкополосную палитру RGB. Каков же результат? На картинке яснее ясного станут видны всевозможные особенности и странности нашего объекта, структура и текстура, которая иначе осталась бы незамеченной. За примерами не приходится далеко ходить – они прямо здесь, у нашего космического порога. Откровенно признаюсь, что никогда в жизни не видел красное пятно на Юпитере в обычный телескоп. Иногда оно ярче, иногда бледнее, но в любом случае лучше смотреть на него сквозь фильтр, который выделяет красные длины волн, исходящих от молекул в газовых облаках.

Если взглянуть на галактику, то кислород поблизости от областей звездообразования, среди разреженного газа межзвездной среды, испускает чисто зеленый цвет. (Именно это и натолкнуло ученых на мысль о загадочном элементе «небулии», о котором мы уже упоминали.) Стоит поставить соответствующий фильтр – и излучение в характерных линиях кислорода попадает на датчик, не будучи замутненным посторонним зеленым светом, который вполне может исходить от чего-то другого, находящегося поблизости. Яркие оттенки зеленого, которые бросаются в глаза на многих изображениях с телескопа им. Хаббла, – это те самые богатые кислородом области на фоне ночного неба. А если поставишь фильтр, настроенный на другие виды атомов и молекул, цветные изображения станут инструментом химического анализа космоса. Телескоп им. Хаббла так хорошо умеет это делать, что галерея его знаменитых цветных снимков совсем не похожа на классические изображения тех же самых объектов в палитре RGB, которые делались на других аппаратах в попытке имитировать цветовосприятие человеческого глаза.

Предметом бурных споров стал вопрос о том, содержат ли снимки с телескопа им. Хаббла «истинные» цвета. Одно можно утверждать с уверенностью: «ложных» цветов там нет. Это все настоящие цвета, испускаемые настоящими астрофизическими объектами и явлениями. Пуристы настаивают, что мы оказываем широкой публике медвежью услугу, поскольку показываем космические цвета не так, как их воспринял бы человеческий глаз. Однако я убежден, что если бы можно было подстроить нашу с вами сетчатку для восприятия узкополосного света, мы увидели бы все точно так же, как телескоп имени Хаббла. Более того, я убежден, что «если бы» в предыдущем предложении – не большая натяжка, чем «если бы» в фразе «Если бы ваши глаза были размером с большие телескопы».

Остается еще один вопрос: какой получится цвет, если смешать видимый свет ото всех светящихся объектов во Вселенной? Проще говоря, какого цвета Вселенная? К счастью, некоторые ученые, не найдя себе другого занятия, нашли на него ответ. Карл Глейзбрук и Айвен Болдри из Университета Джонса Хопкинса после первоначальной ошибочной гипотезы о том, что Вселенная окрашена в нечто среднее между цветом морской волны и бледно-бирюзовым, исправили свои вычисления и определили, что на самом деле Вселенная нежно-бежевая – можно назвать этот цвет «космическим латте». Цветовые откровения Глейзбрука и Болдри основаны на исследованиях видимого света более чем 200 000 галактик, занимающих во Вселенной большой, репрезентативный объем.

Слово «фотография» изобрел сэр Джон Гершель, английский астроном XIX века. Астрофизики – к вящему замешательству, а иногда все же и к восторгу широкой публики – с тех пор так и этак колдуют над этим процессом и останавливаться не собираются.