红外图像：如何让它们可见？

为什么要用红外线观察？

通往不可见世界的窗口

人眼只能看到光谱中极窄的一部分，从紫色到红色。 红外线位于红色之外，波长比可见光更长。 詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）正是为观测这种光而设计的，主要覆盖近红外和中红外波段。

穿透尘埃的面纱

正在形成的恒星通常被尘埃和气体云包裹。尘埃颗粒对可见光的吸收和散射比长波长红外线更强：因此红外线能够穿透这些云层，观察到隐藏在背后的恒星。

借助其红外仪器（NIRCam、NIRSpec、MIRI、FGS/NIRISS），JWST 还可以探测系外行星极其微弱的热辐射，并研究在可见光中不够明亮、无法以其他方式探测到的天体。

观察宇宙的尽头

宇宙的膨胀拉长了遥远天体发出的光的波长：它们的光发生红移，然后进入红外波段。这种被称为红移的位移，天体越远就越大。

2025 年，JWST 确认了红移为 14.44 的星系 MoM-z14，观测到它处于大爆炸后约 2.8 亿年：这是迄今为止通过光谱法确认距离的最遥远星系。这一纪录已被望远镜自身多次打破，未来可能还会再次被打破。

冷却到极限的望远镜

为什么必须保持低温

红外仪器必须保持在极低的温度，否则它自身的热量会淹没来自宇宙的微弱信号。JWST 的仪器运行在约 40 K（约 −233 °C），一块巨大的遮阳板保护整个组件免受太阳和地球的热量。

MIRI 的特殊情况

观测中红外直至 28 µm 的 MIRI 仪器需要更强烈的冷却：借助搭载的低温冷却器，它被保持在 6.7 K 以下，约 −266 °C。如果没有这一预防措施，它将被自身的热辐射致盲。

从红外到可见颜色

原始数据的处理

仪器捕获的红外数据通过计算机算法处理并转换为颜色。这些颜色并不对应于被观测天体的真实颜色，而是对应于在精确波长带中测得的强度。JWST 实际上记录的是灰度图像，每个滤光片一张。

管理韦伯图像的 STScI 更倾向于使用代表性颜色而非假色：色调传达了经过测量的现实，而并不声称要再现置身天体附近的观察者所见的景象。

色彩顺序

红外领域分为三个子领域：近红外（0.75 至 1.5 µm）、中红外（1.5 至 30 µm）和远红外（30 µm 至 1 mm）。JWST 主要覆盖前两者。

红外波长随后按照被称为"色彩顺序"的原则转换为彩虹的颜色：最长的获得红色调，最短的获得蓝色调。这种方法改善了信息的传达：相同的颜色在不同可视化之间代表相同的信息，图像依然赏心悦目且易于理解。

波长的移调

为此，成像开发人员将红外波长平移到光谱的可见部分，以便我们的眼睛能够区分它们。 这就像把在钢琴上演奏的曲子移调到另一个调：钢琴家以固定的音程改变所有音符的音高，同时保留这些音符之间的关系。在两种情况下，旋律都保持不变。

滤光片的应用

图像处理专家随后应用滤光片：最远波长用红色滤光片，中间波长用绿色滤光片，最近波长用蓝色滤光片，有时还会用染成橙色的窄带滤光片。NASA 发布的说明还标明了每种颜色对应的滤光片：对于 NIRCam 观测的蜘蛛星云，F090W 为蓝色，F200W 为绿色，F335M 为橙色，F444W 为红色。

在叠加滤光片后，开发人员获得第一张彩色图像，更有趣但尚未在审美上令人满意。这正是人类创造力发挥作用的地方：成像开发人员在与科学家的对话中，运用他们的艺术感觉。

在这些操作过程中，细节和质量逐步改善。润饰增强了对比度和清晰度，但不修改信息：它们可以去除噪声和伪影，但不会凭空创造数据中不存在的天体。目标首先是制作出既美观又忠实于测量的图像。

蜘蛛星云披上红外光

被揭示的蜘蛛星云

蜘蛛星云（30 Doradus）位于大麦哲伦云中，距离约 16.1 万光年，是本星系群——即银河系附近星系集合——中最大、最明亮的恒星形成区。韦伯的近红外相机（NIRCam）揭示了数万颗此前从未被观测到的、被尘埃隐藏的年轻恒星。

当中红外穿透尘埃

在 MIRI 观测的中红外中，该区域面貌改变：中心的热恒星变淡，而更冷的气体和尘埃变得可见。光点标示出仍然埋藏的原恒星，它们继续积累物质。

一颗正在离开茧的恒星

NIRSpec 光谱仪的积分场光谱观测使得能够更精确地确定 NIRCam 图像中发现的一个气泡状结构。光谱显示，它并非由年轻恒星吹出的气泡，而是由邻近大质量恒星的辐射雕刻出的致密柱的顶部。这颗恒星仍被这个茧所保护，刚刚开始从中出来。

明天呢？

南希·格蕾丝·罗曼望远镜的接力

NASA 的南希·格蕾丝·罗曼望远镜也将是一台红外望远镜，但它的设计目的是观测大片天空而非孤立目标。它的发射计划最早在 2026 年底。它将以大规模巡天补充擅长精细研究特定天体的 JWST。

需要记住的要点

现代宇宙学的钥匙

总之，红外观测已成为现代宇宙学不可或缺的钥匙：它揭示了可见光无法到达的区域，穿透遮掩恒星育婴室的尘埃面纱，并揭示其他任何方法都会置于阴影中的寒冷而遥远的天体。

通往不可见世界的窗口

借助这扇通往不可见世界的窗口，天文学家如今可以追溯恒星的诞生，审视系外行星的大气，重建数十亿年间星系的组装过程，并接近宇宙演化最初篇章。