Автор зображення: JHU
Кілька тижнів тому астрономи з Університету Джона Хопкінса оголосили, що якщо вирахувати усереднене значення кольору всіх зірок у Всесвіті, то вийде колір аквамарина. Ну, виявляється, у них була помилка в програмному забезпеченні, яка неправильно змішувала кольори. Після того, як вони здавили помилку та переробили свої розрахунки, середній колір всього Всесвіту став бежевим.
Якого кольору Всесвіт? На це, здавалося б, просте запитання астрономи так і не відповіли. Важко провести точний і повний перепис всього світла у Всесвіті.
Однак за допомогою дослідження червоного зміщення галактик 2dF – нового дослідження понад 200 000 галактик, яке вимірює світло великого об’єму Всесвіту – ми нещодавно змогли спробувати відповісти на це питання. Ми побудували те, що ми називаємо «космічним спектром», який представляє всю суму всієї енергії в локальному об’ємі Всесвіту, що випромінюється на різних оптичних довжинах світлових хвиль. Ось як виглядає космічний спектр:
Це графік енергії, що випромінюється у Всесвіті для різних довжин світлових хвиль (дані тут). Ультрафіолетове та синє світло знаходиться зліва, а червоне світло – справа. Це створюється шляхом додавання разом усіх окремих спектрів окремих галактик в огляді 2dF. Сума представляє світло всіх зірок. Ми вважаємо, що, оскільки огляд 2dF настільки великий (досягає кількох мільярдів світлових років), цей спектр дійсно репрезентативний. Ми також можемо показати космічний спектр таким чином:
Тут ми ввели приблизний колір, який бачить око на кожній довжині хвилі світла (хоча ми не можемо побачити багато світла нижче приблизно 4000 Ангстрем, близького ультрафіолетового випромінювання; і строго, монітори не можуть точно відображати монохроматичні кольори, кольори веселки) .
Ви можете уявити це як те, що побачило б око, якби ми пропустили все світло у Всесвіті через призму, щоб створити веселку. Інтенсивність кольору пропорційна його інтенсивності у Всесвіті.
Так який середній колір? тобто колір, який бачив би спостерігач, якби у нього був Всесвіт у коробці і міг би бачити все світло відразу (і воно не рухалося, для справжнього спостерігача на Землі, чим далі від нас галактика, тим більше вона червоне зміщення. Ми зменшили червоне зміщення всього нашого світла перед поєднанням).
Щоб відповісти на це питання, ми повинні обчислити середню реакцію людського ока на ці кольори. Як ми виражаємо цей колір? Найоб’єктивніший спосіб – це процитувати значення CIE x,y, які визначають розташування кольору на діаграмі кольорів CIE і, отже, стимул, який бачить око. Будь-який спектр з однаковими x, y повинен давати однаковий колір. Ці числа (0,345,0,345) і вони надійні, ми розрахували їх для різних підвибірок дослідження 2dF, і вони незначно відрізняються. Ми навіть обчислили їх для спектроскопічного дослідження Sloan Digital Sky Survey (яке обійде 2dFGRS як найбільше дослідження червоного зміщення десь у 2002 році), і вони по суті однакові.
Але який колір насправді? Щоб зробити це, ми повинні зробити деякі припущення щодо людського зору та ступеня загального освітлення. Нам також потрібно знати, яким монітором користуєтесь ви, читач! Звичайно, це неможливо, але ми можемо зробити середнє припущення. Отже, ось кольори:
Які всі ці кольори? Вони представляють колір Всесвіту для різних білих точок, які представляють пристосування людського ока до різних видів освітлення. Ми будемо сприймати різні кольори за різних обставин, і вид спектру, який здається «білим», буде відрізнятися. Поширеним стандартом є «D65», який близький до встановлення білого денного світла (у злегка захмареному небі), а в порівнянні з яким Всесвіт виглядає червонуватим. «Ілюмінант E» (рівна енергетична біла точка) — це, можливо, те, що ви побачите для білого, якщо адаптувати до темного. «Ілюмінант А» означає внутрішнє освітлення, порівняно з яким Всесвіт (і денне світло) дуже блакитний. Ми також показуємо колір з корекцією гамми 2,2 і без неї, що найкраще зробити для відображення на типових моніторах. Ми надаємо лінійний файл, тому ви можете застосувати власну гамму, якщо хочете.
Майже напевно вам потрібно подивитися на кольорові плями з позначкою «гама», але не всі дисплеї однакові, тому ваш пробіг може відрізнятися.
Так що сталося з «бірюзою»?
Ми знайшли помилку в нашому коді! У нашому первинному розрахунку, який ви, можливо, читали в пресі, ми використовували (сумлінно) програмне забезпечення з нестандартною білою точкою. Скоріше передбачалося використовувати білу точку D65, але не застосували її. Результатом стала ефективна біла точка, дещо червоніша, ніж Illuminant E (наче поруч були якісь червоні неонові вогні) на 0,365,0,335. Хоча значення x,y у Всесвіті не змінилися в порівнянні з нашим початковим розрахунком, зсув білої точки зробив Всесвіт «бірюзовим». (тобто x,y залишається незмінним, але відповідні ефективні значення RGB зміщуються).
Зайве говорити про те, що після цього першого розрахунку ми багато листувались з науковцями з кольору, а тепер написали наше власне програмне забезпечення для отримання більш точного значення кольору. Ми визнаємо, що колір Всесвіту був якимось трюком, щоб спробувати зробити нашу історію про спектри більш доступною. Тим не менш, це фактично обчислювана річ, тому ми вважаємо, що важливо це зробити правильно.
Ми хотіли б зазначити, що наш початковий намір був просто кумедною виноскою в нашій статті, оригінальна преса перевершила наші найсміливіші очікування! Помилка знадобилася деякий час, щоб усвідомити та відстежити. Лише небагато вчених-кольористів мали досвід, щоб виявити помилку. Одна з моралей цієї історії полягає в тому, що ми повинні були приділяти більше уваги аспекту «науки про кольори» і також мати його рецензію.
Досить розмов. Так якого кольору Всесвіт?
Насправді відповідь настільки близька до білого, що важко сказати. Тому така маленька помилка мала такий великий ефект. Найпоширенішим вибором білого кольору є D65. Однак, якщо ввести промінь космічного спектру в кімнату, сильно освітлену тільки лампочками (Освітлювач А), він здасться дуже синім, як показано вище. Загалом, мабуть, Illuminant E є найбільш правильним для того, щоб дивитися на Всесвіт здалеку в темних умовах. Отже, наша нова найкраща припущення:
БЕЖЕВИЙ
Хоча можна сперечатися, що він може виглядати більш рожевим (наприклад, D65 вище). Удачі, якщо ви побачите різницю між цим кольором та білим! Ви повинні мати можливість просто побачити це, але якби ми зробили фон сторінки чорним, це було б дуже важко! Ми отримали численні пропозиції щодо цього кольору, надіслані нам електронною поштою. У нас є десятка найкращих, і ми вважаємо переможцем «Космічний латте», оскільки кофеїн упереджений!
Симуляція Всесвіту
Через всі ці складнощі ми вирішили переконатися на власні очі. Марк Фейрчайлд з Munsell Color Laboratories у Рочестері, штат Нью-Йорк, працює з нами, щоб створити симуляцію космічного спектру, вони можуть керувати джерелами світла, щоб дати точно таку ж стимуляцію червоних/зелених/блакитних очей, яку ви бачите з космічного спектру. Тоді ми зможемо побачити це в різних умовах освітлення, можливо, імітуючи глибокий космос, і на власні очі побачити справжній колір Всесвіту.
Справжня наукова історія
Звичайно, наш справжній мотив для обчислення космічного спектру був насправді набагато більше, ніж створення цих гарних кольорових картинок. Колір цікавий, але насправді космічний спектр багатий на деталі і розповідає нам набагато більше про історію утворення зірок у Всесвіті. Ви, можливо, помітили вище, що космічний спектр містить темні лінії та яскраві смуги, які відповідають характерному випромінюванню та поглинанню різних елементів:
Вони можуть нагадувати вам лінії Фраунгофера в сонячному спектрі. Працює точно такий же процес атомного поглинання. Сила темних ліній визначається температурами зірок, які вносять свій внесок у космічний спектр. Старші зірки мають більш прохолодну атмосферу і створюють інший набір ліній, ніж гарячі молоді зірки. Аналізуючи спектр, ми можемо визначити їх відносні пропорції та спробувати зробити висновок, якою була швидкість утворення зірок у минулі віки Всесвіту. Криваві подробиці цього аналізу наведені у Baldry, Glazebrook та ін. 2002. Проста картина наших висновків, найімовірніших історій утворення зірок у Всесвіті, показана тут:
Усі ці моделі дають правильний космічний спектр в огляді 2dF, і всі вони говорять про те, що більшість зірок у сучасному Всесвіті утворилися більше 5 мільярдів років тому. Це, звичайно, означає, що колір Всесвіту був би іншим у минулому, коли було більше гарячих молодих блакитних зірок. Насправді ми можемо розрахувати, що це було б із нашої найкращої моделі. Еволюція кольору від 13 мільярдів років тому до 7 мільярдів років у майбутньому виглядає так за наших різних припущень:
Всесвіт починався молодим і блакитним, і поступово ставав червонішим, у міру зростання популяції «червоних» зірок-гігантів. Швидкість утворення нових зірок різко знизилася за останні 6 мільярдів років через зменшення запасів міжзоряного газу для утворення нових зірок. Оскільки швидкість утворення зірок продовжує знижуватися, і все більше зірок стають червоними гігантами, колір Всесвіту стає все червонішим. Згодом усі зірки зникнуть, і не залишиться нічого, крім чорних дір. Вони також в кінцевому підсумку випаруються через процес Хокінга, і не залишиться нічого, крім старого світла, яке саме почервоніє, коли Всесвіт розширюється назавжди (у поточній космологічній моделі).
Оригінальне джерело: Випуск новин JHU