STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

X射线视觉:看空间

难度 <! - 7 - >
所需时间 平均(6-10天)
先决条件
材料可用性 这个科学项目需要一台可以上网的电脑。
费用 非常低(低于20美元)
安全 没有问题

摘要

您是否见过太空中物体​​的惊人彩色图像,如恒星甚至整个星系?这些图像中的一些最初采用人眼无法实际看到的辐射形式,如 x射线。为了创建您在新闻或在线中看到的精美图片,科学家们必须使用图像编辑程序为它们添加颜色。在这个天文学科学项目中,您将使用来自美国宇航局钱德拉X射线天文台望远镜的原始X射线数据,创建空间物体的惊人彩色图像。

目的

了解美国宇航局伪彩色X射线图像的方式和原因;然后按照相同的步骤创建自己的图像,并将它们与NASA图像进行比较.

积分

Ben Finio,PhD,Science Buddies

引用本页

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科学伙伴。”X射线视觉:看到太空。” 科学伙伴,2018年4月19日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Astro_p040/astronomy/x-ray-vision-seeing-into-space。2019年7月6日访问。

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科学伙伴。(2018年4月19日)。 X射线视觉:看到太空。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Astro_p040/astronomy/x-ray-vision-seeing-into-space


最后编辑日期:2018-04-19

简介

你有没有仰望夜空,看到数百甚至数千颗恒星?或想象看到超新星,黑洞甚至整个星系等神奇物体近距离?你可能无法用肉眼看到它们,但强大的望远镜让我们能够深入到太空并探测到极其遥远的物体。

你可以看到星星,因为它们发出可见光,但可见光只是一种电磁辐射。人类实际上只能 电磁波谱的一小部分,其中包括其他类型的辐射,如无线电波和 x射线(图1)。电磁辐射由具有特定波长的辐射的波组成。波长较短的波具有较高的频率。高频波具有更多能量,因此非常热的物体倾向于发射高能(因而高频)的辐射,如X射线。

electromagnetic spectrum
图1。该电磁波谱图显示了不同类型辐射的波长和频率,以及发射它们的物体的温度。请记住,人眼只能看到可见光,这是整个电磁波谱的一小部分。注意,”K” 代表 Kelvin ,一个用于测量温度的单位(Wikimedia Commons user Inductiveload,2007).

事实证明,恒星不仅仅发出可见光;它们还会发射其他类型的辐射。因此,像美国国家航空航天局(NASA)这样的组织使用强大的望远镜,可以”看到” 其他类型的辐射,并探测距离太远而无法帮助人眼看到的物体。这有助于科学家更多地了解宇宙的形成。

这个天文科学项目将专注于一个这样的望远镜,钱德拉X射线天文台,这是一颗目前(截至2013年)在地球轨道上运行的卫星。这颗卫星可以拍摄太空中遥远物体的X射线图像。如图1所示,发射X射线的物体往往非常热,因此观察X射线可以告诉科学家有关太空中非常热的高能物体的信息,如超新星(爆炸的恒星),< b>星云(太空中巨大的灰尘和气体云),甚至是黑洞附近的区域。如果我们只用用可见光看着它们,我们将无法学到更多关于这些物体的知识。

图2显示了钱德拉X射线天文台的两幅图像。但等一下;你刚才知道我们实际上不能看到 X射线,那么图2中的彩色图像来自哪里?好吧,钱德拉天文台的工作方式有点像数码相机,但它记录的是X射线而不是可见光。数码相机记录对应于红色,绿色和蓝色(RGB)光强度的数字。红色,绿色和蓝色光在电磁波谱的”可见” 部分具有略微不同的波长。红光具有最低频率,因此它具有最低能量,蓝光具有最高频率(因此具有最高能量),并且绿色位于中间。同样,Chandra记录了低能量,中能量和高能量X射线的数字,但这些X射线没有”颜色” ,因为我们看不到它们。因此,NASA科学家使用照片编辑程序通过为每个X射线能带分配颜色来创建假彩色图像。美国宇航局的科学家通常将红色分配给低能量,绿色到中等能量,从蓝色到高能量(对应于可见光,也称为重新缩放)。您在图2中看到的照片是该过程的最终结果。

Chandra x ray centaurus AChandra supernova SN 1006
图2. 钱德拉X射线天文台拍摄的两张假色图像.(左)Centaurus A,一个附近的星系,中间有一个超大质量的黑洞.(右)SN 1006,超新星的残余物.

但是,从一开始,这个过程到底是什么样的?这就是你将在这个科学项目中找到的东西。图3显示了超新星Cassiopeia A的原始低能,中能和高能带X射线图像。注意照片是如何黑白的(称为灰度图像),因为还没有添加任何颜色。明亮区域对应于检测到该能带中的X射线的位置,并且黑色区域对应于未检测到该能带中的X射线的位置。

Cassiopeia A原始FITS图像(低,中,高)
图3. 钱德拉望远镜的超新星Cassiopeia A的原始低能,中能和高能带X射线数据。

您可能会注意到图3中的图像相对于图2中的图像看起来非常暗。可以通过使用图像编辑软件调整图像的级别来解决这个问题。这与只是调整图像的亮度相同;它允许你照亮图像的某些区域,同时让其他区域变暗(反之亦然)。您将在过程中了解有关此过程的更多信息。

Cassiopeia A级FITS图像(低,中,高)
图4. 图3中的原始文件经过调整后的水平。现在每个图像的形状和细节都更加清晰.

现在图4中的图像更加清晰,但它们仍然是黑白的。下一步是通过为每个图像分配单色来着色灰度图像,如图5所示。

Cassiopeia A彩色FITS图像(低,中,高)
图5. 每个单独的灰度图像都着色;红色,绿色和蓝色分别代表低,中,高能带.

最后,将三个彩色图像合并为单个RGB图像。这让我们可以在一个物体中看到不同的X射线强度区域,如图所示图6。

Cassiopeia A colorized x ray image
图6。梳理红色,绿色和蓝色图像可以在一幅图像中显示低能量,中能量和高能量X射线的相对强度.

最终的彩色图像可以告知科学家正在发生的事情。在这种特殊情况下,从最初的爆炸中有一个高能爆炸波(以蓝色显示),它比留下的气体(红色和绿色)更热。具有多种类型X射线的区域以其他颜色出现,如黄色或紫色。请注意,整个图像编辑过程可能有些主观;例如,科学家可以故意强调明亮的蓝色区域,但是如果他或她对非常高能量的X射线辐射特别感兴趣,那么使红色区域变得非常暗淡。因此,从相同的源文件开始,两个不同的人可以得到一个非常不同的最终图像。

您可以从钱德拉X射线天文场指南(参见参考书目)中了解更多关于X射线辐射对不同身体的意义,但以下是一些例子:

  • 年轻恒星的X射线往往比中年恒星更亮.
  • 恒星往往形成星团,因此来自星系的X射线辐射可以告诉科学家星系内恒星形成的区域。
  • 当物质被吸入非常密集的物体(如白矮星,中子星和黑洞)时,就会产生X射线。
  • Supernovas产生冲击波和极热的气体云,发出X射线.

在这个天文科学项目中,您将从钱德拉网站上选择一组原始X射线数据。根据您的背景研究以及您在对象的官方彩色NASA图像中看到的内容,您将通过操纵原始X射线数据以及最终图像应该告诉您有关对象的内容来预测您应该能够看到的内容。

术语和概念

  • 望远镜
  • 电磁辐射
  • 电磁频谱
  • 透视
  • 波长
  • 频率
  • 钱德拉X射线天文台
  • 新星
  • 星云
  • 黑洞
  • 假彩色图像

问题

  • 什么是电磁波谱?人类可以看到它的哪一部分?
  • 如何使用假彩色图像来表示X射线数据?
  • 发射X射线的天文物体(恒星,超新星等)有哪些不同类型?
  • 这些尸体的X射线辐射对科学家有什么影响?

参考书目

材料和设备

  • 可上网的电脑
  • 实验室笔记本

实验程序

学习如何操作图像

  1. NASA通过灵活图像传输系统或 FITS 提供一些原始的钱德拉数据。在继续之前,请务必阅读FITS计划的简介和背景页面。
  2. 按照该页面上的说明下载并安装 Gnu Image Manipulation Program (GIMP),一个类似于Adobe®Photoshop®的开源图像编辑程序。
    1. 另请确保按照说明进行安装 GREYC的图像计算魔术(G’MIC)。这是GIMP的附加软件包,包括可以在图像上使用的各种滤镜和特效.
  3. 按照惯例,按照教程为超新星Cassiopeia A的原始图像着色。您也可以按照与视频教程。这与引言的图4-7中使用的程序相同。
    1. 注意:在本教程的步骤5.2中,”平滑[各向异性]” 过滤器列在”修复” 下,而不是”增强” 下。当你进入教程中的那一步或观看视频时,这将是有意义的。
    2. 请记住,您可以选择对图像的不同图层进行不同的调整。如果您想直接比较低能量,中能量和高能量X射线的相对水平,您可以对每一层进行相同的调整。如果您想强调一个能量水平而不是另一个能量水平,您可以进行不同的调整。如何执行此操作将影响最终图像的外观。
    3. 请记住,调整图像的”级别” 与调整亮度相同。观看视频以了解更多信息.
此视频显示了使用GIMP着色可用于超新星Cassiopeia A的原始数据文件的过程。此过程的书面说明可在http://chandra.harvard.edu。

选择和研究用于您的科学项目的图像

  1. OpenFITS – 从原始数据创建图像页面列出了17种不同的FITS文件。点击页面右侧天文体的图像,在Chandra网站上显示该天文体的个人资料页面。
    1. 例如,此处是包含Cassiopeia A信息的页面。
  2. 浏览图片并选择您希望与科学项目合作的图片。是否有一种你感兴趣的特殊类型的天文体;例如,超新星,黑洞,还是整个星系?
    1. 注意:两个图像(#3 M87和#13蟹状星云)仅提供宽带图像数据而不是3色数据。如果您想使用这些图像,则需要进行其他研究,因为它们不遵循此科学项目中使用的相同程序.
  3. 对您选择的身体进行背景研究。
    1. 请务必点击 OpenFITS页面上的图片,阅读对象的说明页面.
    2. 在描述页面的右下角,您应该看到指向同一对象的更多图像的链接。请按照这些链接查找更多信息.
    3. 了解您在 X-Ray的”X射线源” 部分中选择的对象类型天文学实地指南
    4. 根据您选择的对象,您可能需要进行更多背景研究.Chandra网站有很多很好的资源,但您可能需要从NASA或其他组织搜索更多资源.
    5. 记住你应该问的问题类型:对象是什么?为什么喜欢它的物体会发射X射线?这个物体的X射线光谱告诉你关于物体的信息是什么?为什么图像的某些部分会比其他部分更热?
  4. 通过操纵原始数据文件形成一个关于您应该能够完成什么的假设。
    1. 例如,您是否能够看到多个不同的物体(如个别星系或恒星)?
    2. 对于像超新星和星云这样的云状物体,你能否区分”更热” 和”更冷” (高能和低能)区域?
    3. Chandra网站上的官方彩色图片是什么样的?你觉得你的最终影像会是那样的吗?
    4. 重要:在每个对象的描述页面上查看图像时要小心,因为有时它们将是包含来自其他望远镜的数据的合成图像。例如,星系M87的此图像是X射线的合成图像,光学和射电望远镜数据,而Supernova 1006的此图像仅显示X射线数据。请记住,您下载的FITS文件包括X射线数据。
  5. openFITS页。解压缩文件并将其保存在您的计算机上。
  6. 按照教程对于仙后座A.
    1. 请记住,不同的图像可能需要进行不同的调整。仅仅因为您在Cassiopeia A的”级别” 和”着色” 菜单中使用了某些设置并不意味着这些确切的设置将适用于您的新图像。图像着色过程是部分科学和部分艺术;在获得您满意的图像之前,可能需要进行大量的来回调整。
    2. 要耐心,记得经常保存你的工作。请记住,如果您真的不喜欢结果,可以随时重新使用原始FITS文件.
    3. 如果您收到错误消息或特定图片遇到很多问题,请返回步骤2并尝试选择新图像.
  7. 完成调整后,分析最终图像。在实验室笔记本中记录您的观察结果
    1. 您的实际图像与您的图像应该如何看待的假设相比较如何?创建彩色图像的过程是否比您预期的更难?
    2. 您的图像是否有足够的细节(不是太暗,但不是太亮或褪色)来识别单个特征或物体?根据您的背景研究,它们是什么?
    3. 您能解释一下图片中不同的红色,绿色和蓝色区域吗?根据您的背景研究,它们代表什么或对应什么?
    4. 您的最终图片与Chandra网站上的彩色图片相比如何?请注意不要直接将图像与包含非X射线望远镜(如无线电,光学或红外线)数据的图像进行比较。

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变体形式

  • 查找其他望远镜的公开数据(例如,无线电或红外线),并应用您在此科学项目中使用的相同步骤来创建彩色图像。
  • 比较用不同望远镜拍摄的相同天文物体的图像。根据您是使用红外线,可见光还是X射线观察,物体看起来可能完全不同。
  • 天文学家也可以使用X射线数据进行光谱测定,这意味着使用检测到的X射线光谱来确定哪些化学元素(如氢和铁)构成被观察物体。弄清楚如何确定图像中存在哪些化学元素。这是一个更先进的科学项目,可能需要额外的软件(不仅仅是GIMP).
  • 将您在此科学项目中学到的过程应用到另一个科学领域。例如,有时生物学家将合并细胞的灰度图像以创建单个彩色图像.
  • 使用相同的源文件并修改图像编辑过程以创建彼此看起来非常不同的最终图像。您是否可以看到,如果使用不当,此过程可能会产生误导,导致数据的错误陈述和对结果的错误解释?