¿Por qué no se puede aplicar ISO automático después de tomar la imagen?

Porque el ajuste ISO cambia la ganancia aplicada a la señal del sensor analógico antes de la digitalización.

No se da necesariamente si eso da como resultado un mejor rendimiento frente a un ajuste de brillo después de la digitalización (consulte la respuesta de steven-kersting sobre la invariancia ISO), pero en muchas cámaras es diferente.

Si tiene una cámara ISO invariable, puede olvidarse de configurar ISO si va a realizar un proceso posterior de todos modos.

Anexo: debo agregar que la configuración "Auto ISO" al menos en algunas cámaras puede establecer el valor ISO en valores "no naturales", es decir, valores que no se detienen por completo (pasos de duplicación/reducción a la mitad), p. 125. Es posible que estos valores no estén disponibles para la selección manual y en realidad son expansiones digitales del valor real más cercano. (Hablo por experiencia con mi nivel de entrada Canon EOS aquí, YMMV)

De hecho, ISO (automático o no) se aplica a la lectura del sensor después de tomar la imagen; pero la cámara no tiene forma de revisar la imagen para determinar que la exposición es correcta (¿y qué es correcto de todos modos?).

En estos días hay muchas cámaras que son casi invariantes a ISO. Y con una de esas cámaras es posible dejar el ISO al mínimo para todas las imágenes; y luego ilumínelos en la publicación, con un impacto insignificante en los resultados en comparación con la cámara que aumenta el brillo con ISO automático. Efectivamente, puede cambiar el ISO en la publicación con esencialmente los mismos resultados.

Este gráfico muestra el beneficio de usar un ISO más alto a medida que disminuyen los niveles de luz para una Nikon D750, una Olympus EM5 y una Panasonic GX-9 (hay muchas otras con un rendimiento similar)... alrededor de la mitad de una mejora en el gráfico se trata del límite mínimo detectable visualmente.

La respuesta de @ths es acertada sobre Auto ISO pero también sobre ISO. Esta ganancia se aplica en la lectura del sensor antes de ser digitalizada. Dado que la conversión de analógico a digital tiene una profundidad de bits limitada, el proceso no es reversible.

El ISO automático tiene otro efecto en el sentido de que el ISO seleccionado en la mayoría de las cámaras, excepto en el modo Manual, afectará a otros parámetros. Entonces, si permite que la cámara use un ISO más alto automáticamente, también podría cambiar la apertura, la velocidad de obturación y la salida del flash. Ninguno de estos se puede cambiar después del hecho, por lo que sería imposible aplicar el comportamiento de Auto ISO.

Puede. ISO en una cámara digital es lo mismo que un ajuste de brillo posterior a la captura, porque el ISO del sensor es fijo; es una función del diseño y la fabricación del propio sensor. Por lo tanto, los cambios de ISO se realizan iluminando la imagen después de tomarla (consulte a continuación una advertencia sobre esto).

Puede dejar el ISO en el ISO natural de la cámara y aclarar las imágenes usted mismo en la publicación. En general, veo que las cámaras hacen un mejor trabajo con ISO automático en la cámara en comparación con la exposición marcada en Lightroom, ya que la cámara maneja mejor el ruido. Pero tu kilometraje puede variar.

Algunas cámaras/sensores recientes tienen capacidades de "ganancia dual" para ofrecer diferentes ISO base. Por ejemplo, el ISO del sensor base de mi Fuji XT-4 es 160. También tiene un modo de sensor de "alta ganancia" que se activa en ISO 800. Todos los demás valores ISO se emulan en la cámara al iluminar la imagen después de la captura.