为什么地球上能看到星星,而月球上一片漆黑?

夜晚从黑暗的地方仰望太空,我们可以看到数不清的星星。那为什么我们在太空中的天体照片中从来没有看到过星星呢?不仅是阿波罗任务的照片看不到星星,嫦娥发回的照片中,月球背景中也没有星星?难道月球上看不到星星?

其实不是的,星星就在那里,只是我们拍不到而已。我们可以用日常生活中的几个例子来说明。在灯光明亮的房间里,我们无法看到窗外;在强光照射下我们看不见前方的任何物体;站在背景灯光明亮的地方拍照片,在照片中,我们只能看到一个人物剪影;拍摄对象的脸几乎是一个毫无特征的影子。当然,脸仍然在哪里!只是光线不够亮,无法在照片中显示出来,这就跟月球上的星星一样,意思就是说强光会遮挡光线比较弱的物体。

同样的问题也会影响空间图像。无论是对于一颗恒星,一颗行星,还是一个人,影响照片细节的两件事:相机机的灵敏度,相机收集光线的时间。

使用的相机有多敏感?

照相机需要多少光才能看清物体?照相机可以通过打开和关闭光圈来调节灵敏度。人类的眼睛随时都会自动调节瞳孔的扩张和收缩,以控制进光量。如果你是一个视力正常的人,从一个灯火通明的地方走到一个黑暗的户外,一开始会看不清楚任何东西,更不会看到天上的星星。当眼睛通过增大瞳孔来增加(进光量)敏感度时,就会慢慢看清周围较暗的物体,以及天上模糊的星星。

实际上,大多数太空相机都不能自动调节光圈。在进行一项特定的任务时,科学家们就已经预测了摄像机在执行任务时会遇到的光线水平,并设计出一个孔径大小合适的相机,以适应任务期间遇到的目标范围。因此太空相机并不能调节光圈大小。特定的相机执行特定的任务。月球任务的相机并不能扩大光圈,提高进光量。

照相机收集光线的时间

较长时间的曝光比较短时间的曝光能收集更多的光线,有助于发现较暗的物体。在人类视觉中,没有曝光时间这么一说,盯着天空看,能看到啥就是啥,不会因为你盯得时间长了,看到了更多的星星,但相机不一样,我们平时看到夜空中布满星星的照片是经过长时间曝光拍摄的,通常需要曝光几分钟,因为相机需要这么长的时间才能捕捉到足够多的光子,形成美丽的景象。短时间曝光根本抓不住微弱的星光。下面的照片是一分钟曝光时间拍摄的银河。山上看起来像阳光其实那是月光。

上图是约塞米蒂国家公园的银河。月光照亮了远处高高的山脉。虽然银河系的颜色只能在长时间曝光的照片中看到,但大部分细节也是肉眼可见的。

下图是阿波罗宇航员的照片,可以看到月球表面阳光灿烂。这些照片曝光时间太短,强光也阻挡了微弱的星光,因为无法探测到天空中的星星。

太空相机的曝光时间非常宽泛。例如,新视野公司的LORRI相机可以拍摄短至1毫秒、长至30秒的照片。他们在飞越木星时使用了最短的曝光设置,因为木星离太阳更近,比冥王星更亮。用最长的曝光时间来拍摄最模糊的目标,例如,位于柯伊伯带的遥远世界。

顺便说一句,这也回答了另一个我们经常遇到的关于太空图像的问题:离太阳比较远的地方,光线相对较暗,相机如何拍摄照片?答案是:科学家会根据拍摄不同的物体发送敏感度不同的相机,如果有必要,还会进行长时间的曝光。当我们发送一个不够灵敏的相机时会发生什么?旅行者2号拍摄的海王星就是一个很好的例子,旅行者2号是为木星和土星设计的,因此很难捕捉到相对黑暗的海王星。

旅行者2号拍摄到海王星的卫星普罗透斯

旅行者2号的照相机是为木星和土星的亮度而设计的,所以旅行者2号想拍摄天王星和海王星很难收集到足够的光线,尤其是在拍摄小卫星等暗目标的时候,拍摄的图像十分暗淡。上图是旅行者2号拍摄的最好的普罗透斯图像。左上方是通过透明滤镜曝光3.84秒拍摄的。另外三个小的图像是通过彩色滤镜曝光15.36秒拍摄的(从右上角顺时针方向:紫色、绿色和蓝色)。右边这张是通过透明滤镜拍摄的,曝光时间为1.92秒;光线水平很低,很难看到卫星的细节。

综上所述,我们在月球任务中为何看不到星星?

月球表面的强光,遮挡了微弱的星光

月球任务期间,只会使用特定光圈的相机,进光量根据月球的环境设计。

要想拍摄背景恒星,需要敏感的相机,并且长时间的曝光,捕捉微弱的光子

再说我们在月球拍摄照片,如果不去刻意的拍摄恒星,照片中怎么能出现星星呢?这就是月球任务照片中,看不到星星的原因。