作為一個人，每次我看到新的令人驚歎的絕美天文影像時，我都會被宇宙的美麗所震撼。
但作為一名畢生都在觀測宇宙的天文學家，當我看到這些影像時，我驚歎於我們在技術上取得了多麼大的進步，以及製作這些影像比過去容易得多。誠然，最好的照片仍然需要地面或太空中的大型天文臺，但即使將你的智慧手機對準消費級望遠鏡的目鏡，也能拍攝出在幾十年前會讓全世界天文學家羨慕不已的影像。
令人驚訝的是，這種可以隨意捕捉令人歎為觀止的天體快照——或者自拍——的強大能力，部分可以追溯到天文學家使用地面和太空中的巨型望遠鏡所做的工作。兩者有著共同的遺產。事實證明，天文學家是最早開發和認識到數碼相機力量的人之一。下次你上傳快照到社交媒體時，別忘了感謝我們。不客氣！
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我的年紀足夠大，年輕時用過膠捲相機。高中時，我買了一臺高階相機，透過我的望遠鏡拍攝了一卷又一卷的天文照片。這很困難、昂貴且耗時，但非常有趣——儘管我媽媽抱怨從我沖洗膠捲的臨時暗房裡散發出有毒的攝影化學品氣味。
當時的專業天文學家使用類似的技術，但他們沒有使用柔性塑膠膠捲，而是更喜歡在一側噴塗了感光材料的玻璃板。這些玻璃板被裝入複雜（且笨重！）的金屬盒中，安裝在望遠鏡的後端，並暴露在目標物前。一旦觀測完成，就會應用化學品來顯影底片並建立照片。這樣做的一大優點是穩定性——許多檔案館今天仍然儲存著數千張可以追溯到一個多世紀以前的底片。這些來自過去的無價資料寶藏是無法複製的——但它們也不會像今天的許多數字影像一樣，被錯誤的按鍵擦除或損壞。
但是模擬天文攝影的過程是艱苦而緩慢的。產生影像的微小、光反應性化學顆粒不是很敏感，因此曝光需要數小時。即便如此，看到微弱的物體也很困難。從中獲得定量科學也很麻煩，因為以這種方式記錄的物體亮度的測量是費力的，並且不如人們希望的那樣精確。但長期以來，這是天文學家——或任何其他人——能夠獲得的最好結果，因此這些缺點是可以容忍的。
然而，在 20 世紀 60 年代，一場革命誕生了。貝爾實驗室的工程師意識到，一種特定的半導體——一種導電效率介於銅等導體和玻璃等絕緣體之間的材料——可以用來探測光，並且至關重要的是，記錄物體亮度的值。這些半導體陣列可以取代膠捲和底片，創造出光敏探測器，這是每個數碼相機的核心。它們的製造方式與當時另一種新興技術——微處理器晶片——大致相同，因此製造工藝在很大程度上已經到位。
這些探測器的一大優點是它們是數字化的。當光線照射到畫素（“影像元素”的混成詞）內部時，光線可以作為半導體陣列中的電壓記錄下來，然後可以以數字的形式逐個畫素地讀出。這是一個非常了不起的事情。數字可以很容易地儲存，也可以高效地遠距離傳輸。對於膠捲等模擬探測器，你拍攝的每張照片都是一個單獨的物理物件；如果你想與全國各地的人分享，你必須寄給他們。
將此與數字影像進行比較——數字影像可以被精確複製任意次數，並透過電話線甚至無線電波廣泛傳播——模擬攝影的優勢變得壓倒性。如果這還不夠，數字探測器可以透過改變其組成半導體的成分來“看到”不同種類的光，從而可以在紅外線、紫外線和電磁頻譜的其他波段中建立數字影像。
即使在早期，這些半導體探測器也比化學探測器靈敏得多。用膠捲可能需要數小時仔細觀察的天文影像，用數碼相機可以在幾分鐘內完成。天文學家和空間科學家很快注意到了這一點。（間諜也是如此；1976 年，國家偵察局發射了鎖眼-11 KENNEN 間諜衛星，這是第一顆使用全數字探測器的衛星——也是哈勃太空望遠鏡的先驅！）。行星際航天器的優勢尤其明顯，美國宇航局噴氣推進實驗室的工程師們致力於使這些裝置更小、更便宜、更靈敏，並取得了巨大的成功。
無論是在火星探測器上、環繞地球的衛星上，還是在你揹包裡的智慧手機中，所有這些裝置都歸結為將光轉換為數字。例如，一個畫素獲得的光是另一個畫素的兩倍，它將以兩倍大的值儲存它。結果也可以進行數學處理——畢竟它們只是數字——這改變了天文學的遊戲規則。影像變成了一個數字陣列，一個二維網格，表示每個畫素處天空的亮度。強調這其中的優勢是再怎麼說也不為過的。
例如，天空中有些恆星的亮度會隨著時間推移發生非常細微的變化。這種變化取決於這些恆星的一些基本屬性，包括它們的質量和距離，因此準確測量這些亮度變化可以揭示這些特徵。然而，這些變化可能很小，並且很難從照片中測量出來。使用數字技術，這要容易得多。首先，探測器的靈敏度意味著記錄了更多的光，使測量更簡單。探測器也更準確，因為它們本質上是計數光子，因此天文學家可以獲得更詳細的恆星亮度測量值——或者背景天空的亮度測量值，後者可能會汙染恆星的影像。但是，由於它僅表示為一系列數字，因此可以透過從恆星的亮度中減去汙染來簡單地去除汙染，從而產生對恆星真實發射的更好測量。
當然，這比這更復雜——通常你需要做大量的數學和統計處理，而且必須小心地完成——但這只是要點，而這僅僅是數字影像如何在傳統照片不可能的方式中使用和分析的冰山一角。
也許所有這一切最令人驚訝的部分是，儘管這項技術已經取得了如此大的進步，但它仍在不斷改進。最初，這些探測器很小，只能覆蓋天空的一小部分。現在，巨大的探測器鑲嵌結構可以連線到巨大的望遠鏡上，以便每晚吞噬大片天空，天文學家挖掘這些資料以尋找小行星、爆炸的恆星、被黑洞撕裂的恆星，以及甚至可能存在於我們太陽系中的隱藏行星。
除了漂亮的圖片之外，其應用範圍非常廣泛，並具有深遠的影響：測量星系中星光的微小變化，從而更好地理解了暗物質。看到數十億光年外的超新星爆發，從而發現了暗能量。來自詹姆斯·韋伯太空望遠鏡巨型鏡面的靈敏數字探測器正在幫助我們看到可觀測空間邊緣的物體，改變我們對最早星系如何形成的看法。
所有這一切都與你隨身攜帶的智慧手機直接相關。許多智慧手機都配備了光學元件和軟體，讓你能夠相對輕鬆地拍攝令人印象深刻的天空照片。我自己最近也拍了很多，雖然它們可能無法與我們從美國宇航局數十億美元的觀測站看到的東西相提並論，但它們是我的。是我拍的。如果可以，請親自嘗試一下！你口袋裡裝著一場天文革命，它可以以前所未有的方式將星星送到你面前，這會讓年輕時的我非常嫉妒。