¡Ahora, en color real!

Esta es una charla que me ha aparecido mas de una vez en el chat del telescopio remoto, y de tanto en tanto en la vida real(tm) por ejemplo, mostrando fotos de animales de la semana (otro tm) a amigos. Es una pregunta clásica acerca de las fotos en astronomía:

¿Y esos colores, son de verdad? / ¿Son reales?

Ay la puta… ahí vamos:

Si.

Y no.

Y también, pero tampoco.

O sea, como toda pregunta simple, la respuesta es compleja. El color que vemos en una imagen astronómica depende de muchas cosas, y si es el color «verdadero» del objeto o no viene dado por a qué le llamamos «verdadero».

Para entender qué es lo que estamos viendo en una imagen, tenemos que separar al problema por partes. La luz que nos llega es real, y el color sí puede ser caracterizado por una longitud de onda específica, pero el color que nosotros percibamos va a depender no solo de la luz incidente sino de la cámara con la que fue captada (y en menor medida el telescopio), el ojo y la combinación ojo-cerebro.

Primero, consideremos a la luz misma. Supongamos que tenemos una estrella, con una temperatura superficial de 3.000 grados Kelvin. Clásica estrella que veríamos rojiza en el cielo. ¿Es rojo su color? Como dije al principio, si y no. Un fotón es algo así como un paquete de ondas electromagnéticas, la mayoría con una longitud de onda cercana a lo que llamaremos la longitud de onda del fotón. Una onda electromagnética es la forma en la que la radiación electromagnética se propaga; o sea, campos eléctricos y magnéticos viajando juntos (Según las leyes de un tal Maxwell, un campo eléctrico variando genera un campo magnético y un campo magnético variando generará un campo eléctrico; si se hace de forma adecuada, puede generarse un campo que se autosustente y sea independiente de la fuente que lo generó; ¡tarán! un campo radiativo, o sea un fotoncito). El punto es que la luz es radiación electromagnética y podemos decir que la longitud de onda de ella es la longitud de la onda del campo eléctrico, por ejemplo. Esta longitud de onda está relacionada con la frecuencia y de ahí con la energía del fotón. O sea que a distinta longitud de onda, distinta energía. Nuestros ojos pueden distinguir fotones de distinta energía (mas acerca de esto mas adelante) por lo que a fotones de distinta longitud de onda los vemos de distinto color. Los menos energéticos, rojos. Los mas energéticos, azules y violetas.

Sí, lo de la izquierda son carguitas eléctricas. Ahora ya saben también cómo funciona una antena dipolar de radio. Qué fácil, ¿no? Lambda la «ele» con la patita hacia la izquierda, identifica a la longitud de onda «E» es el vector campo eléctrico y «B» el de campo magnético. Con ustedes, algo parecido a un fotón. Si, tan monocromático que no lo podés localizar en todo el universo, pero bueh…

Entonces, la longitud de onda determina el color de un fotón.

Ahora bien (como decía Tolkien al hablar de electromagnetismo y Hobbits) al ver una estrella no recibimos un fotón, sino unos cuantos. Y no necesariamente todos están dentro del rango de lo que podemos percibir, que en términos de longitud de onda va desde fotones con l= 800 nanómetros (rojo) a cerca de 400 nanómetros (azul).

Distribución de «cantidad de luz emitida» según la longitud de onda. Gran parte de la radiación de cuerpo negro de una estrella con Teff=3000ºk no es detectable con los ojos

En el caso de una estrella con temperatura superficial de 3000 grados Kelvin, la luz que emite está mayormente en el infrarrojo y a nosotros nos llega un poquito de la parte más «energética» de su distribución de radiación, o sea la parte roja. Entonces según su longitud de onda, el color de la estrella sería «infrarrojo» (966 nm para la longitud de onda donde mas luz emite). Claro que no vemos en el infrarrojo, a simple vista lo vemos rojo. Lo que nos lleva al segundo problema.

Segundo: El detector.

En el ejemplo anterior, obviamos el «detector» al hablar de una estrella a simple vista, pero si estamos viendo una imagen, lo que veamos va a depender de cómo fue capturada. En estos tiempos lo más utilizado son detectores tipo CCD o CMOS; sin entrar en más detalle que el necesario, son chips compuestos de pequeñas celdas que, al recibir un fotón, lo convierten a una pequeña carga eléctrica por medio del efecto fotoeléctrico (miden lo que llamamos una diferencia de potencial eléctrico). Cada celda recibe fotones y los «cuenta». Después esas cuentas son descargadas para formar una imagen en donde cada píxel tiene un valor correspondiente a la cantidad de fotones que cayó en esa celdita. Fácil, ¿no?

Compliquémoslo más. Según el diseño del chip, un fotón de determinada longitud de onda puede tener mayor probabilidad de ser detectado o no. Hay chips que son más sensibles en el infrarrojo (como el de la CCD SBIG ST8 que usamos en el observatorio para las fotos del animal de la semana(tm) ) y hay chips más sensibles en el verde (las cámaras de fotos) azul o incluso ultravioleta. La cámara CCD adecuada se compra para trabajar en astronomía de acuerdo con lo que uno vaya a observar, teniendo en cuenta cual es la eficiencia cuántica para el color de luz que uno quiere ver más (o sea, cuántos fotones va a transformar en cuentas. Esto es la «sensibilidad» de la cámara).

CCD típico. Los de las cámaras en color tienen algo llamado «máscara de bayer» que deja pasar luz de color rojo, verde y azul para cada conjunto de píxeles

Sigámoslo complicando. Una imagen tomada con, por ejemplo, una cámara CCD sin filtro, va a ser una imagen en «blanco y negro» y no hay forma de discriminar por color cada pixel (no da lugar al racismo, esos fotones infrarrojos se mezclan con los mas refinados UV de alta cuna y energía…). Si es una nebulosa, podemos perder detalle al ver toda la luz junta. ¿Cómo se compone una imagen en color? Se toman tres (¡o más!) imágenes con la misma cámara pero con filtros adelante; filtros que dejan pasar cierta longitud de onda y eliminan todas las otras. Por ejemplo, con filtros rojo, verde y azul, se pueden obtener tres imágenes monocromáticas que en realidad muestren solo la luz correspondiente a esos colores. También existen otros filtros, algunos que se usan para trabajar (los UBVRI del sistema de Johnson) y otros para lograr efectos más artísticos y resaltar detalles en la foto que no se verían de otra forma (filtros nebulares, OIII, H-alfa).

Nuestro sol, en magnífico H-alfa y el Solarmax II del observatorio. Sin el filtro, se vería una pelota blanca con algunas manchas solares.

¿Ven? misma luz desde «afuera», pero con la combinación telescopio+cámara+filtro un mismo objeto se puede ver bastante distinto. ¿Mencioné los telescopios? Compliquémoslo aún un poquito más. Con mayor superficie colectora, o sea un telescopio más grande, se pueden alcanzar a ver detalles que de otra forma se pierden debido a que no llegan suficientes fotones de la parte mas oscura a la cámara. Y eso sin mencionar que las superficies de los telescopios pueden absorber un poco de luz de manera distinta en distintas longitudes de onda y cambiar el color de la imagen, esto es evidente con los refractores que sufren de aberración cromática pero también con reflectores que están diseñados, por ejemplo, para ser más eficientes en el infrarrojo.

Y encima, al resultado lo tenemos que ver con nuestros propios ojos, lo que nos lleva a lo…

Tercero: El ojo y el cerebro. Esto es simple (mentira): nosotros no vemos lo que nuestros ojos captan, sino lo que nuestro cerebro muestra. Nuestra percepción del color es maravillosamente adaptativa al entorno y nuestro cerebro hace unos lindos malabares para que podamos percibir fuentes de luz de distinta intensidad sin problemas. Todo esto sumado a las propias limitaciones del ojo.

M100, que no ha sido animal de la semana(tm) por falta de una imagen en color… y resulta que puesta así tiene el color mas cercano a lo que veríamos a ojo. 15m de expo. con el telescopio de 16″ y la ccd SBIG ST8.

El que haya visto a través de un telescopio «con el ojo» se habrá dado cuenta que casi ninguna imagen muestra color, todo se ve blanco a blanco-azul, salvo algunas excepciones (planetas, que son bien brillantes, y algunas nebulosas planetarias que se pueden ver apenas algo verde pálido). Nuestros ojos no son sensibles al color en condiciones de poca luz. Y no importa qué tan grande sea el telescopio, generalmente estamos trabajando al límite de la sensibilidad de nuestros ojos. En estos casos, sólo trabajan las células fotorreceptoras conocidas como bastones; los conos, responsables de nuestra visión en color y de mayor definición, necesitan mucha más luz para trabajar. Por la forma en la que se distribuyen en el fondo del ojo, a veces podemos llegar a ver un objeto muy débil si no lo «miramos directamente»; el truco de visión periférica es usado por muchos astrónomos aficionados para llegar a ver a ojo los objetos mas débiles en brillo. De las pocas cosas que logramos ver en color, las verdes y amarillas se perciben primero, porque nuestros ojos son mas sensibles a esas longitudes de onda. Por lo tanto, una estrella roja puede ser muy brillante y aún así no la vemos tan brillante como una más «blanca» al lado; éste es el caso de las estrellas de la cruz del sur, donde la mas roja es en realidad la más brillante en términos de radiación que nos llega, pero la percibimos como la tercera más brillante a simple vista.

¿Mencioné cómo se adapta nuestra visión al entorno? Pues si, la percepción del color puede cambiar según qué tenga alrededor lo que estamos viendo.  Una ilusión óptica muy común aprovecha justamente eso:

Pueden ver mas ejemplos entretenidos acá. Para terminar de complicarlo, nuestro ojo ajusta la «exposición» automáticamente contrayendo y dilatando las pupilas, y nuestro cerebro compone la imagen final. Hagan la prueba de mirar a la luz más cercana; podrán ver la fuente de luz brillante y lo que está alrededor. En cambio, una foto muestra la luz bien y todo lo demás oscuro o el fondo bien y a la luz como un manchón blanco saturado. Los fotógrafos (y astrofotógrafos) aplican una técnica llamada HDR que imita el comportamiento del ojo y permite mostrar cosas brillantes y oscuras al mismo tiempo en la misma foto.

A la izquierda, una imagen de M42 sin HDR. A la derecha, con HDR para que se vea igual de satura el centro, pero también se ve mucho mas de la nebulosa. M42 emite gran parte de su luz en el «rojo», por el hidrógeno ionizado de la nube. Sin embargo, a simple vista la vemos blanca-azul en vez de rojiza.

Entonces, ¿es verdadero el color que se ve en las imágenes astronómicas? Si por verdadero nos referimos a como lo veríamos «a ojo», entonces no, nunca, nein, niet, jamais. Lo «real» sería casi siempre una foto en blanco y negro, dado a que así lo veríamos con nuestros ojos poco sensibles. Y si percibimos colores, los que nosotros percibimos más intensos no necesariamente son los que la cámara registra de forma más eficiente. Sumémosle que el color percibido va a depender de lo que tenga alrededor (los otros objetos en la imagen o la iluminación del cuarto en el que estamos viendo la imagen, por ejemplo) y de cómo se hayan combinado las imágenes en distintos filtros. Aún más, usando un filtro extra como capa de luminancia, podemos terminar con una imagen de forma muy distinta a lo que percibiríamos con el ojo.

Aún más: si pudieramos «salir al espacio» y pararnos a la distancia adecuada de una nebulosa para verla del mismo tamaño que en la imagen, no veríamos lo mismo si es que alcanzamos a ver algo, por lo que ya mencioné de la sensibilidad del ojo; ¿Vieron todas esas series de ciencia ficción donde muestran a la nave escondiéndose en una nebulosa? Eso no es así, pequeños volúmenes de ellas son en realidad bastante transparentes, dejando al Enterprise a la vista de cualquier Klingon pendenciero.

¡Piedra libre para la nave con forma de tapa de inodoro! Guardemos un minuto de silencio para los de camisa amarilla que no van a sobrevivir a este capítulo…

O sea que ni nos podemos poner de acuerdo con lo que es «color verdadero», por lo que las imágenes astronómicas no tienen tal color. La respuesta sería un «no».

Peeeeero…

Si nos referimos al color real de la imagen como la que mejor representa las características físicas que generaron esa luz, entonces sí podemos tener una foto donde el color represente mejor la «realidad» (si, estoy desplazando la definición de realidad de lo que vemos a nuestro modelo físico de la cosa. Y no se me mueve un pelo). Visto así, una foto como la de esta galaxia en la constelación del Pavo:

es bastante fiel a la «realidad» porque la diferencia de colores nos muestra bien distintas poblaciones estelares, el disco, formación estelar, etc. Y lo mismo podemos decir de imagenes tomadas en tres filtros infrarrojos distintos, aunque lo llamemos «falso color».
Será real siempre que mantengamos la proporción de fotones de cada longitud de onda o «color» que llegó al detector.

Si me preguntan a mi, no existe tal cosa como el «color real», es todo una farsa y conspiración iluminati-judeo-masonico-republicana para controlar la mente idea típica en la que tratamos de extender nuestra experiencia cotidiana a las cosas que normalmente no vemos. Pero que el color no sea el real no significa que no tenga significado, que no se pueda extraer información útil del mismo o que no sea agradable a la vista; al final, cuando yo armo una imagen, termino tratando de dejarla con los colores más a mi gusto y ya no me preocupo si son los «verdaderos» o no.

Entonces, la cuarta respuesta a la pregunta «¿es el color real?» sería… El color verdadero es el que se me salga de los cojones.*

*Para no complicar demasiado la explicación, dejé fuera la interacción ojo-cerebro-cojón y cómo afecta nuestra percepción del color.

Advertencia: este post «pudo» contener un abuso excesivo del uso de comillas.