Mit unseren menschlichen Augen nehmen wir Farben wahr, die in der Sprache der Astronomie ausschließlich im optischen Bereich liegen. Wir sehen das Licht und assoziieren damit Farbempfindungen von rot, orange, gelb, grün, blau bis violett. Diese Regenbogenfarben nennt man in der Physik sichtbares Spektrum.

Farben als Wellen

Licht ist aus der Sicht der klassischen Elektrodynamik eine elektromagnetische Welle. Dieser Welle kann eine Wellenlänge zugeordnet werden. Physiker haben gemessen, dass der Bereich des sichtbaren Spektrums außerordentlich kurze Wellenlängen von 400 (violett) bis 700 (rot) Nanometern aufweist. Ein Nanometer ist der Milliardste Teil eines Meters: 1 nm = 10-9 m = 10-7 cm.

Das elektromagnetische Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum ist jedoch viel breiter als der schmale Bereich des sichtbaren Lichts: So gibt es bei den großen Wellenlängen im Bereich von

  • Kilometern bis Zentimetern die Radiowellen,
  • Zentimetern die Mikrowellen
  • Mikrometern die Infrarotstrahlung,
  • hundert Nanometern das sichtbare Licht
  • Nanometern das Ultraviolett,
  • Zehntel Nanometern (Angstrøm) die Röntgenstrahlung,
  • Billionstel Metern die Gammastrahlung,
  • Trillionstel Metern die TeV-Strahlung.

Von oben nach unten nimmt auch die Energie der Strahlung deutlich zu. Diese Strahlungsenergie ist übrigens gequantelt (Einsteins Lichtquantenhypothese) und zwar in die Photonen.

Wer sehen will, muss fälschen

Astronomen sind natürlich an allen vorgestellten Strahlungsformen interessiert, weil jede davon Informationen über eine kosmische Quelle enthält. Die Anfänge der Astronomie waren optisch (optische Astronomie); sukzessiv wurden jedoch die anderen Beobachtungsfenstern geöffnet, und so entstanden die Teildisziplinen Radioastronomie, Infrarotastronomie, Ultraviolettastronomie, Röntgenastronomie und Gammaastronomie.
Inzwischen geht die moderne Astronomie sogar über die elektromagnetischen Wellen hinaus, weil es möglich geworden ist, Teilchen zu beobachten, die aus der Tiefe des Weltalls zu uns gelangen. Dazu gehören die Neutrinos (Neutrinoastronomie) und kosmische Strahlung (Hochenergieastrophysik).
Mit diesen für das menschliche Auge prinzipiell unbeobachtbaren Strahlungsformen und Teilchen hat der Astronom ein Darstellungsproblem, denn wie kann er z.B. das Bild einer Röntgenquelle betrachten, wenn er doch mit seinen Augen unempfindlich ist für Röntgenstrahlung? Die Lösung stellt gerade das Falschfarbenbild dar. Doch was ist eigentlich falsch an der Farbe? Nun, der Trick besteht ganz einfach darin, jeder Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs wieder eine für uns sichtbare Farbe aus der Palette von rot bis violett zuzuordnen. Das macht man am besten so, dass blau wieder der kleinsten Wellenlänge (höchsten Strahlungsenergie) und rot der größten Wellenlänge (kleinsten Strahlungsenergie) zugeordnet werden. Nach der Farbtheorie (subtraktive und additive Farbmischung) entsteht dann beim Betrachten des 'gefälschten' Gesamtbildes genau der Farbeindruck wie im sichtbaren Bereich. Sie wollen ein Beispiel? Bitteschön:

Falschfarbenbild des Planetarischen Nebels NGC3242

Beispiel

Im Wissensportal für Astrophysik gibt es sehr viele Beispiele für Falschfarbenbilder. Das Foto oben ist ein Falschfarbenbild des Planetarischen Nebels NGC3242 (Credit: ESA/XMM-Newton, Chu & Gruendl; Guerrero & Ruiz 2003). Der Nebel wird auch Jupiters Geist genannt, weil er etwa dieselbe scheinbare Größe wie der riesige Gasplanet Jupiter hat. Jupiters Geist befindet sich am Südhimmel im Sternbild Hydra (dt. Weibl./Nördliche Wasserschlange) in etwa 3000 Lichtjahren Entfernung. Die Punktquelle im Zentrum ist ein Weißer Zwerg, der aus einem Roten Riesen hervorgegangen ist. Die abgestoßenen Hüllen des Riesensterns erstrahlen nun als flächenhafter Nebel.
Zur Erstellung des Falschfarbenbilds müssen die Farben rot (R), grün (G) und blau (B) an einen bestimmten Spektralbereich oder an eine bestimmte Spektrallinie (im Prinzip ist das ein sehr enger Spektralbereich) vergeben werden. Im Fall von NGC3242 ist das so geschehen, dass blau die Röntgenstrahlung darstellt, die mit XMM-Newton beobachtet wurde. Grün und rot sind optische Spektrallinien, die mit dem Weltraumteleskop Hubble beobachtet wurden. Das resultierende Gesamtbild heißt RGB-Bild oder Falschfarbenkomposit, weil es sich aus drei Grundfarben zusammensetzt (lat. compositus: zusammengesetzt). So wie sich NGC3242 hier auf diesem Falschfarbenbild präsentiert, wäre er niemals unter natürlichen Bedingungen für das menschliche Auge beobachtbar. Die gewählten, scharfen, optischen Spektrallinien bringen besonderen Kontrast und Schärfe in das Bild.
Nun ist auch eine physikalische Interpretation des Falschfarbenbildes angebracht - jetzt 'machen wir Wissenschaft': Die interessanten Ringstrukturen werden vom Sternenwind des Zwergs erzeugt. Der Wind prallt auf das Nebelmaterial in der Umgebung und bildet dabei ein etwa zwei Millionen Grad heißes Plasma, das die im Bild blau dargestellte (thermische) Röntgenstrahlung abgibt. Es handelt sich hier um einen Planetarischen Nebel mit einer Röntgenblase oder Röntgenkavität (engl. X-ray cavity). Das heiße Gas dehnt sich aus und quetscht dabei das Nebelgas zur dicken, grünen Ringstruktur zusammen. Grün und rot dargestellt ist das deutlich kältere Nebelgas, das in optischen Spektrallinien von Sauerstoff (OIII, grün) und Stickstoff (NII, rot) beobachtet wurde. Diese Interpretation ist natürlich nicht allein auf der Basis des Falschfarbenbildes möglich, sondern erfordert weitere Informationen, wie z.B. Spektren oder Lichtkurven.

Hell & dunkel

Eine RGB-Farbe ist eine Anordnung aus drei Zahlen (R, G, B), ein so genanntes Tripel. Die erste Zahl steht für den Rotwert R, die zweite für den Grünwert G und die dritte für den Blauwert B. Jeder dieser Zahlenwerte kann nun eine ganze Zahl aus dem Wertebereich von 0 bis 255 annehmen. Je kleiner die Zahl, umso dunkler ist die jeweilige Farbe. Wie viele Farben sind mit dem RGB-System darstellbar? Richtig, 256 × 256 × 256 = 16.78 Millionen! Das reicht für ein recht buntes Bild.
Folgendes sind Beispiele dafür: (0, 0, 0) ist schwarz; (255, 255, 255) ist weiß; (255, 0, 0) ist hellrot; (50, 0, 0) ist dunkelrot; (0, 0, 20) ist dunkelblau usw. Die Helligkeit der Farbe wird also durch die Höhe dieser Zahl kontrolliert. Leuchtkräftige Röntgenstrahlung von NGC3242 hat so z.B. den RGB-Wert (0, 0, 220) und erscheint hellblau, während leuchtschwache Röntgenemission vielleicht nur den Wert (0, 0, 15) erhält und somit dunkelblau dargestellt wird.

Falschfarben als mächtiges Werkzeug

In der Astronomie und Astrophysik werden Falschfarbenbilder nicht nur bei Beobachtungsdaten eingesetzt, sondern natürlich auch bei Simulationsdaten, die Computer und Hochleistungsrechner berechnet haben. So kann man einen RGB-Wert nicht nur einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs zuordnen, sondern auch einer Temperatur, einem Materiedichtewert oder einem magnetischen Druck. Das wird bei der Visualisierung simulierter Daten beispielsweise in der Hydrodynamik und Magnetohydrodynamik benutzt. Ein weiteres Beispiel aus der Strahlungsphysik ist Ray Tracing, wo z.B. eine Verteilung des Doppler-Faktors als Falschfarbenbild dargestellt werden kann.
Falschfarbenbilder gibt es nicht nur in der Astronomie, sondern auch beispielsweise in der Elastomechanik (Spannungsverteilungen im Material) in der medizinischen Diagnostik (Kernspintomographie), in der Meteorologie (Niederschlagswahrscheinlichkeiten) uvm.

Fazit

Falschfarbenbilder sind von unschätzbarem Wert für die Astronomie als Wissenschaft, und sie sind oft von einer Schönheit, der sich kaum ein Betrachter entziehen kann. Die Falschfarbentechnik führt uns die latente Schönheit der Natur im wahrsten Sinne vor Augen.