作为一个人，每次我看到新的令人惊叹的绝美天文图像时，我都会被宇宙的美丽所震撼。
但作为一名毕生都在观测宇宙的天文学家，当我看到这些图像时，我惊叹于我们在技术上取得了多么大的进步，以及制作这些图像比过去容易得多。诚然，最好的照片仍然需要地面或太空中的大型天文台，但即使将你的智能手机对准消费级望远镜的目镜，也能拍摄出在几十年前会让全世界天文学家羡慕不已的图像。
令人惊讶的是，这种可以随意捕捉令人叹为观止的天体快照——或者自拍——的强大能力，部分可以追溯到天文学家使用地面和太空中的巨型望远镜所做的工作。两者有着共同的遗产。事实证明，天文学家是最早开发和认识到数码相机力量的人之一。下次你上传快照到社交媒体时，别忘了感谢我们。不客气！
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我的年纪足够大，年轻时用过胶卷相机。高中时，我买了一台高级相机，通过我的望远镜拍摄了一卷又一卷的天文照片。这很困难、昂贵且耗时，但非常有趣——尽管我妈妈抱怨从我冲洗胶卷的临时暗房里散发出有毒的摄影化学品气味。
当时的专业天文学家使用类似的技术，但他们没有使用柔性塑料胶卷，而是更喜欢在一侧喷涂了感光材料的玻璃板。这些玻璃板被装入复杂（且笨重！）的金属盒中，安装在望远镜的后端，并暴露在目标物前。一旦观测完成，就会应用化学品来显影底片并创建照片。这样做的一大优点是稳定性——许多档案馆今天仍然保存着数千张可以追溯到一个多世纪以前的底片。这些来自过去的无价数据宝藏是无法复制的——但它们也不会像今天的许多数字图像一样，被错误的按键擦除或损坏。
但是模拟天文摄影的过程是艰苦而缓慢的。产生图像的微小、光反应性化学颗粒不是很敏感，因此曝光需要数小时。即便如此，看到微弱的物体也很困难。从中获得定量科学也很麻烦，因为以这种方式记录的物体亮度的测量是费力的，并且不如人们希望的那样精确。但长期以来，这是天文学家——或任何其他人——能够获得的最好结果，因此这些缺点是可以容忍的。
然而，在 20 世纪 60 年代，一场革命诞生了。贝尔实验室的工程师意识到，一种特定的半导体——一种导电效率介于铜等导体和玻璃等绝缘体之间的材料——可以用来探测光，并且至关重要的是，记录物体亮度的值。这些半导体阵列可以取代胶卷和底片，创造出光敏探测器，这是每个数码相机的核心。它们的制造方式与当时另一种新兴技术——微处理器芯片——大致相同，因此制造工艺在很大程度上已经到位。
这些探测器的一大优点是它们是数字化的。当光线照射到像素（“图像元素”的混成词）内部时，光线可以作为半导体阵列中的电压记录下来，然后可以以数字的形式逐个像素地读出。这是一个非常了不起的事情。数字可以很容易地存储，也可以高效地远距离传输。对于胶卷等模拟探测器，你拍摄的每张照片都是一个单独的物理对象；如果你想与全国各地的人分享，你必须寄给他们。
将此与数字图像进行比较——数字图像可以被精确复制任意次数，并通过电话线甚至无线电波广泛传播——模拟摄影的优势变得压倒性。如果这还不够，数字探测器可以通过改变其组成半导体的成分来“看到”不同种类的光，从而可以在红外线、紫外线和电磁频谱的其他波段中创建数字图像。
即使在早期，这些半导体探测器也比化学探测器灵敏得多。用胶卷可能需要数小时仔细观察的天文图像，用数码相机可以在几分钟内完成。天文学家和空间科学家很快注意到了这一点。（间谍也是如此；1976 年，国家侦察局发射了锁眼-11 KENNEN 间谍卫星，这是第一颗使用全数字探测器的卫星——也是哈勃太空望远镜的先驱！）。行星际航天器的优势尤其明显，美国宇航局喷气推进实验室的工程师们致力于使这些设备更小、更便宜、更灵敏，并取得了巨大的成功。
无论是在火星探测器上、环绕地球的卫星上，还是在你背包里的智能手机中，所有这些设备都归结为将光转换为数字。例如，一个像素获得的光是另一个像素的两倍，它将以两倍大的值存储它。结果也可以进行数学处理——毕竟它们只是数字——这改变了天文学的游戏规则。图像变成了一个数字阵列，一个二维网格，表示每个像素处天空的亮度。强调这其中的优势是再怎么说也不为过的。
例如，天空中有些恒星的亮度会随着时间推移发生非常细微的变化。这种变化取决于这些恒星的一些基本属性，包括它们的质量和距离，因此准确测量这些亮度变化可以揭示这些特征。然而，这些变化可能很小，并且很难从照片中测量出来。使用数字技术，这要容易得多。首先，探测器的灵敏度意味着记录了更多的光，使测量更简单。探测器也更准确，因为它们本质上是计数光子，因此天文学家可以获得更详细的恒星亮度测量值——或者背景天空的亮度测量值，后者可能会污染恒星的图像。但是，由于它仅表示为一系列数字，因此可以通过从恒星的亮度中减去污染来简单地去除污染，从而产生对恒星真实发射的更好测量。
当然，这比这更复杂——通常你需要做大量的数学和统计处理，而且必须小心地完成——但这只是要点，而这仅仅是数字图像如何在传统照片不可能的方式中使用和分析的冰山一角。
也许所有这一切最令人惊讶的部分是，尽管这项技术已经取得了如此大的进步，但它仍在不断改进。最初，这些探测器很小，只能覆盖天空的一小部分。现在，巨大的探测器镶嵌结构可以连接到巨大的望远镜上，以便每晚吞噬大片天空，天文学家挖掘这些数据以寻找小行星、爆炸的恒星、被黑洞撕裂的恒星，以及甚至可能存在于我们太阳系中的隐藏行星。
除了漂亮的图片之外，其应用范围非常广泛，并具有深远的影响：测量星系中星光的微小变化，从而更好地理解了暗物质。看到数十亿光年外的超新星爆发，从而发现了暗能量。来自詹姆斯·韦伯太空望远镜巨型镜面的灵敏数字探测器正在帮助我们看到可观测空间边缘的物体，改变我们对最早星系如何形成的看法。
所有这一切都与你随身携带的智能手机直接相关。许多智能手机都配备了光学元件和软件，让你能够相对轻松地拍摄令人印象深刻的天空照片。我自己最近也拍了很多，虽然它们可能无法与我们从美国宇航局数十亿美元的观测站看到的东西相提并论，但它们是我的。是我拍的。如果可以，请亲自尝试一下！你口袋里装着一场天文革命，它可以以前所未有的方式将星星送到你面前，这会让年轻时的我非常嫉妒。