[科普中國]-橢圓形、蝶狀、漣漪狀......這些星空照片該怎么看？

在上一篇文章中，我們已經(jīng)簡單介紹了哈勃望遠(yuǎn)鏡（http:// kepu.net.cn/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2020/202004/t20200424_485129.html）。

在軌運(yùn)行30年，哈勃拍攝的大量瑰麗的星體照片，或星星點(diǎn)點(diǎn)，或柱狀、或螺旋狀……這些宇宙圖像到底是什么？

了解這些圖片的含義，或許下次看到它們時(shí)，就能從科學(xué)的角度領(lǐng)悟它們的奇妙，而不必再止步于贊嘆炫目的效果。

在解讀具體照片之前，首先需要對大型望遠(yuǎn)鏡的觀測策略建立認(rèn)知。

每臺大型望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)之前，就已經(jīng)規(guī)劃好了觀測目標(biāo)。這些目標(biāo)任務(wù)，將是一臺頂級設(shè)備在未來許多年內(nèi)最主要、效果最好的科學(xué)產(chǎn)出，既能在科學(xué)界獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，也最適宜向公眾推廣。

對哈勃來說，它先進(jìn)的空間位置、分辨和集光本領(lǐng)、特殊的儀器、與其它科學(xué)項(xiàng)目之間的競爭……種種因素，決定了它的觀測重點(diǎn)是：宇宙學(xué)，星際物質(zhì)，星系動(dòng)力學(xué)，恒星演化，高能天體。我們看到的星空圖片，都屬于這幾大類的成果。

在“哈勃”發(fā)射二十多年前，1969年發(fā)表的《大型空間望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)用途》報(bào)告就已經(jīng)規(guī)劃好了它的用途。

不懂這些深?yuàn)W的名詞？

沒關(guān)系，下面就用簡單的語言講講如何辨認(rèn)照片里的天體，以及這些漂亮圖片是如何與這些深?yuàn)W名詞，以及人類最重要的前沿發(fā)現(xiàn)聯(lián)系起來的。

宏偉瑰麗的漩渦星系

星系，又稱宇宙島，是像銀河系這樣由無數(shù)的恒星、塵埃組成的運(yùn)行系統(tǒng)。

星系攝影是最漂亮的天體圖片之一。盡管它們的形狀千變?nèi)f化，但看到下圖這種漩渦形的結(jié)構(gòu)，就很容易判斷它是星系了。

星系NGC 1300，這種中間是棒狀、周圍有旋臂的星系叫做“棒旋星系”。銀河系也是一個(gè)棒旋星系。

由于大多數(shù)星系是個(gè)扁盤，斜對或側(cè)對我們時(shí)，只能看到橢圓形，甚至窄窄一條線。橫亙夜空的銀河，就是我們銀河系的橫截面。

NGC 4710星系的側(cè)面，中間暗色雜質(zhì)為塵埃盤。

某些特殊星系的塵埃盤是扭曲的

星系圖片很好地體現(xiàn)了哈勃在多波段的復(fù)合。例如下圖中，既有淡黃白色的光暈、暗紅色的塵埃，也有藍(lán)白色的點(diǎn)點(diǎn)恒星、粉紅色的云團(tuán)（發(fā)出紫外線）。分析這些物質(zhì)的分布情況，可以探究恒星如何形成等重要信息。

漩渦星系M74

還有一些星系不那么規(guī)則，甚至幾個(gè)之間互相吸引，撕扯、糾纏。細(xì)數(shù)圖中有幾個(gè)星系核心，就能很簡單地看清這一點(diǎn)。星系之間如何作用，也是急需解決的重要謎題。

“斯蒂芬五重奏”，其中含有五顆相互吸引的星系。左上角的黃色橢圓星系離得最遠(yuǎn)，受影響較小。

兩個(gè)相互撕扯的星系A(chǔ)rp 273形成一朵玫瑰的形狀。

大犬座中兩個(gè)正在并合的漩渦星系。

NGC 4676的兩個(gè)星系由于引力作用，拉出了長長的尾巴，因此又稱“鼠”星系。

萬千光點(diǎn)集一身，那是宇宙最深處

所謂深場照片，就是宇宙最深處的圖像。它的特征很明顯：千萬個(gè)光點(diǎn)集中在一起，其中每個(gè)都具有星系的形狀。換句話說，它們是有面積的，而非真正的光點(diǎn)。用天文術(shù)語來說，是“展源”而非“點(diǎn)源”。

天爐座深場。當(dāng)哈勃凝視足夠久之后，原本黑暗的天區(qū)，出現(xiàn)了千萬個(gè)新世界。

哈勃拍攝深場的能力是獨(dú)一無二的。深場星系的光線非常暗弱，需要極長時(shí)間的曝光。例如上面這張深場照片，就足足連續(xù)拍了11.3天之久。地上的望遠(yuǎn)鏡受大氣輝光干擾，幾乎不可能拍出這樣敏銳的效果。

背景星系的規(guī)則形狀，被前景Abell 2218星系團(tuán)中的金黃色大質(zhì)量天體扭曲成了弧形。

在星系背景中還發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象，即愛因斯坦預(yù)言的“引力透鏡”。根據(jù)廣義相對論，在大質(zhì)量物體周圍光線會彎曲，就像哈哈鏡一樣。在上面這樣的圖中，就可以看到原本短粗的背景星系，在前景星系附近被拉長成許多縹緲的弧線。

星團(tuán)、深場難區(qū)分？看光點(diǎn)是否有形

在星系內(nèi)部，恒星也會一群群聚成團(tuán)。星團(tuán)與深場照片的區(qū)別在于，星團(tuán)中的一顆顆恒星都是光點(diǎn)，沒有面積和形狀。

天爐座3號星團(tuán)，因?yàn)榇罅亢阈蔷奂谝粋€(gè)圓球形區(qū)域內(nèi)，被稱為球狀星團(tuán)。

大麥哲倫星系中的星團(tuán)，藍(lán)色的年輕恒星剛從粉紅色的星云中誕生出來。

人馬座銀河系中心周圍像是一個(gè)“珠寶盒”，恒星密度十分驚人。

高能量天體，宇宙最耀眼的剎那

星系是千億顆恒星的集合。但有時(shí)，一顆天體爆發(fā)的能量便足以媲美整個(gè)星系。

很多星系照片都含有能量極高的天體，最強(qiáng)大的當(dāng)屬星系中心的超大質(zhì)量黑洞。有了哈勃拍到下面這張照片的支持，全球多臺射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合協(xié)作，持續(xù)跟進(jìn)，誕生了去年轟動(dòng)世界的黑洞照片。

M87中心黑洞噴出的粒子流，黃色光暈范圍為星系，中心亮點(diǎn)為黑洞位置。

在下面這張圖中，同樣地，雖然畫面中有一枚巨大的星系，但最重要的其實(shí)是左下角的高能量天體——超新星。它的亮度變化等信息，對我們來說是非常新鮮的知識，也是衡量天體距離的重要依據(jù)。

超新星1994D和NGC 4526星系

簡單來說，超新星就是大質(zhì)量星體的壽命走到盡頭，炸成了一朵絢麗的星云煙花。在下面的圖中，明顯可以看到這種高能量的爆發(fā)，造成物質(zhì)從兩端拋射出來。

蝴蝶星云NGC 6032

除此之外，年老恒星還會比較溫和地拋出自己的球型外層，形成對稱性極高的漣漪狀星云。古代天文學(xué)家誤把它們看成了行星周圍的光環(huán)，所以它們有個(gè)特殊的名字叫行星狀星云。

行星狀星云NGC 7293就像一只巨眼

貓眼星云也是一顆典型的行星狀星云

但是在爆炸中心，死亡恒星的內(nèi)層有可能凝集成一個(gè)致密的核心，不斷高速轉(zhuǎn)動(dòng)，向外放出能量射線。經(jīng)過漫長歲月之后，對稱的星云就會被輻射攪碎，變成像下面這樣的奇怪形狀。

蟹狀星云是超新星爆發(fā)的遺跡，在它中心有一顆放射能量的脈沖星。

DEM L 190星云也被它包裹的中子星攪成了類似心形。

星云，孕育天體的溫床

除了上面提到的超新星爆炸形成的星云，還有很多星云結(jié)成塊狀，看不出明顯來源。它們往往構(gòu)成各種奇異的形狀，也因此有了很多好聽的名字。

鷹狀星云，鷹頭冠羽處明亮的區(qū)域正在孕育恒星。

馬頭星云（紅外波段）

不管是太陽還是地球，實(shí)際都是星云中的氣體和塵埃凝聚成的。因此遙遠(yuǎn)星云中恒星正在誕生的瞬間，關(guān)乎我們自己的起源，格外引人注目。哈勃甚至還拍到了恒星周圍塵埃（稱作“原行星盤”）凝聚成行星的“半成品”狀態(tài)。

系外行星“北落師門b”，發(fā)現(xiàn)于北落師門周圍的原行星盤。

哈勃為什么不能給太陽和水星拍照？

我們已經(jīng)習(xí)慣了看到各大行星的清晰照片了。它們大多是探測器飛到行星附近拍攝的。行星不難辨認(rèn)，像下圖這種有清晰地貌的天體，一定是太陽系內(nèi)的行星或者它們的天然衛(wèi)星。

哈勃拍攝的火星不同半球（南半球夏季）

哈勃望遠(yuǎn)鏡拍出的行星照片，盡管未必有探測器拍得那么高清，但貴在及時(shí)。興師動(dòng)眾的探測器不可能隨時(shí)發(fā)射，當(dāng)有衛(wèi)星飛掠、彗星接近等突發(fā)事件時(shí)，哈勃隨時(shí)隨拍，就派上了大用處。

木星大氣層的細(xì)節(jié)

因此，哈勃拍攝的系內(nèi)天體圖片，大多都含有特殊的、動(dòng)態(tài)的現(xiàn)象。例如上圖里的木星刮起了颶風(fēng)，顯示出新的紅色斑點(diǎn)。下圖的土星則在南極冒出了極光。

土星極光每隔兩天的變化過程

另外，你永遠(yuǎn)無法在哈勃的圖片庫里找到太陽和水星。它們過于明亮，正對它們拍攝會灼傷設(shè)備。不過，科學(xué)家也找到過巧妙的間接方法。就像神話中的英雄通過盾牌反光，觀察令人石化的妖魔一樣，刺眼的陽光經(jīng)過月亮反射后會被大大減弱。

當(dāng)2012年金星從太陽前經(jīng)過時(shí)，哈勃望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了它投在月亮上的影子。影子中包含被金星大氣層折射的微弱陽光，通過它可以鑒定出金星大氣層的成分。

當(dāng)然，哈勃拍攝的天體絕不止上面提到的這么多，它還執(zhí)行了許多特別任務(wù)。例如引力波發(fā)現(xiàn)后，它也“跟風(fēng)”觀測了產(chǎn)生引力波的天體（雙中子星并合），看到了它在光學(xué)波段的樣子，確認(rèn)了這次爆發(fā)事件。

2017年哈勃觀測到的雙中子星并合造成的漣漪

除此之外，哈勃還與其它波段的望遠(yuǎn)鏡配合，復(fù)合出了更多富于科學(xué)價(jià)值的圖片。例如下面這張子彈星系團(tuán)的照片，藍(lán)色部分是根據(jù)哈勃看到的引力透鏡重構(gòu)出來的物質(zhì)，紅色部分是錢德拉空間天文臺在X射線波段看到的樣子。它們兩個(gè)結(jié)合起來，證明了暗物質(zhì)的存在。

子彈星系團(tuán)1E 0657-556是兩個(gè)星系團(tuán)碰撞的結(jié)果。

哈勃發(fā)布的圖像都很絢麗，但是，在瀏覽這些照片時(shí)，我們必須記住，它們不是純粹為了滿足審美而拍攝的。任何一架大望遠(yuǎn)鏡的使用時(shí)間都非常緊張，要使用這些望遠(yuǎn)鏡，全球最杰出的天體物理學(xué)家們提交申請后，還要由嚴(yán)苛的委員會審核，競爭十分激烈。被批準(zhǔn)的觀測申請，不僅需要具有重要的科學(xué)意義，而且必須能夠發(fā)揮出這臺望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢。

在下面這個(gè)視頻里，可以清晰地看出哈勃觀測天體的策略，以及被觀測天體的特征。每張拍攝的照片所耗費(fèi)的價(jià)格平均超過一百萬元人民幣，不管是從科學(xué)價(jià)值還是經(jīng)濟(jì)價(jià)值上來說，它們都是非常珍貴的。

深場、星團(tuán)、引力透鏡、星系、彗星、行星、衛(wèi)星、星云、恒星……這些充滿魅力的圖像，為人類敞開了窺視新世界的天窗。

哈勃發(fā)射三十周年紀(jì)念視頻

制作：淵默；音樂：Future World Music

4月24號是哈勃發(fā)射30周年，在即將上映的《哈勃三十年：揭示宇宙奇觀》紀(jì)錄片中，將可以看到更多美輪美奐的星空圖片。

正如愛因斯坦所言：“宇宙最不可理解之處在于它是可以理解的?！庇^賞這些天文圖片，宇宙的瑰麗美妙固然顯而易見，而更令人贊嘆之處或許在于，大自然的美麗能被人類所欣賞，并且隨著時(shí)間流逝，深深地烙印在我們的文明中。

除特別標(biāo)注外，本文使用的所有影像圖片均來自NASA。