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哈勃在轨30年,教你看懂它拍摄的宇宙奇观

2020.04.26


    在轨运行30年,哈勃拍摄的大量瑰丽的星体照片,或星星点点,或柱状、或螺旋状……这些宇宙图像到底是什么?

    了解这些图片的含义,或许下次看到它们时,就能从科学的角度领悟它们的奇妙,而不必再止步于赞叹炫目的效果。
     

    在解读具体照片之前,首先需要对大型望远镜的观测策略建立认知。

    每台大型望远镜在设计之前,就已经规划好了观测目标。这些目标任务,将是一台顶级设备在未来许多年内最主要、效果最好的科学产出,既能在科学界独领风骚,也最适宜向公众推广。

    对哈勃来说,它先进的空间位置、分辨和集光本领、特殊的仪器、与其它科学项目之间的竞争……种种因素,决定了它的观测重点是:宇宙学,星际物质,星系动力学,恒星演化,高能天体。我们看到的星空图片,都属于这几大类的成果。
     
    在“哈勃”发射二十多年前,1969年发表的《大型空间望远镜的科学用途》报告就已经规划好了它的用途。
     
    不懂这些深奥的名词?

    没关系,下面就用简单的语言讲讲如何辨认照片里的天体,以及这些漂亮图片是如何与这些深奥名词,以及人类最重要的前沿发现联系起来的。
     

    Part.1


    宏伟瑰丽的漩涡星系

    星系,又称宇宙岛,是像银河系这样由无数的恒星、尘埃组成的运行系统。

    星系摄影是最漂亮的天体图片之一。尽管它们的形状千变万化,但看到下图这种漩涡形的结构,就很容易判断它是星系了。
     
    星系NGC 1300,这种中间是棒状、周围有旋臂的星系叫做“棒旋星系”。银河系也是一个棒旋星系。
     
    由于大多数星系是个扁盘,斜对或侧对我们时,只能看到椭圆形,甚至窄窄一条线。横亘夜空的银河,就是我们银河系的横截面。
     
    NGC 4710星系的侧面,中间暗色杂质为尘埃盘。

     某些特殊星系的尘埃盘是扭曲的
     
    星系图片很好地体现了哈勃在多波段的复合。例如下图中,既有淡黄白色的光晕、暗红色的尘埃,也有蓝白色的点点恒星、粉红色的云团(发出紫外线)。分析这些物质的分布情况,可以探究恒星如何形成等重要信息。
     
    漩涡星系M74
     
    还有一些星系不那么规则,甚至几个之间互相吸引,撕扯、纠缠。细数图中有几个星系核心,就能很简单地看清这一点。星系之间如何作用,也是急需解决的重要谜题。
     
    “斯蒂芬五重奏”,其中含有五颗相互吸引的星系。左上角的黄色椭圆星系离得最远,受影响较小。
     
    两个相互撕扯的星系Arp 273形成一朵玫瑰的形状。

    大犬座中两个正在并合的漩涡星系。
     
    NGC 4676的两个星系由于引力作用,拉出了长长的尾巴,因此又称“鼠”星系。
     

    Part.2


    万千光点集一身,那是宇宙最深处

    所谓深场照片,就是宇宙最深处的图像。它的特征很明显:千万个光点集中在一起,其中每个都具有星系的形状。换句话说,它们是有面积的,而非真正的光点。用天文术语来说,是“展源”而非“点源”。
     
    天炉座深场。当哈勃凝视足够久之后,原本黑暗的天区,出现了千万个新世界。
     
    哈勃拍摄深场的能力是独一无二的。深场星系的光线非常暗弱,需要极长时间的曝光。例如上面这张深场照片,就足足连续拍了11.3天之久。地上的望远镜受大气辉光干扰,几乎不可能拍出这样敏锐的效果。
     
    背景星系的规则形状,被前景Abell 2218星系团中的金黄色大质量天体扭曲成了弧形。
     
    在星系背景中还发现了一种神奇的现象,即爱因斯坦预言的“引力透镜”。根据广义相对论,在大质量物体周围光线会弯曲,就像哈哈镜一样。在上面这样的图中,就可以看到原本短粗的背景星系,在前景星系附近被拉长成许多缥缈的弧线。
     

    Part.3


    星团、深场难区分?看光点是否有形

    在星系内部,恒星也会一群群聚成团。星团与深场照片的区别在于,星团中的一颗颗恒星都是光点,没有面积和形状。

    天炉座3号星团,因为大量恒星聚集在一个圆球形区域内,被称为球状星团。
     
    大麦哲伦星系中的星团,蓝色的年轻恒星刚从粉红色的星云中诞生出来。
     
    人马座银河系中心周围像是一个“珠宝盒”,恒星密度十分惊人。

    Part.4

     
    高能量天体,宇宙最耀眼的刹那

    星系是千亿颗恒星的集合。但有时,一颗天体爆发的能量便足以媲美整个星系。

    很多星系照片都含有能量极高的天体,最强大的当属星系中心的超大质量黑洞。有了哈勃拍到下面这张照片的支持,全球多台射电望远镜联合协作,持续跟进,诞生了去年轰动世界的黑洞照片。
     
    M87中心黑洞喷出的粒子流,黄色光晕范围为星系,中心亮点为黑洞位置。
     
    在下面这张图中,同样地,虽然画面中有一枚巨大的星系,但最重要的其实是左下角的高能量天体——超新星。它的亮度变化等信息,对我们来说是非常新鲜的知识,也是衡量天体距离的重要依据。
     
    超新星1994D和NGC 4526星系
     
    简单来说,超新星就是大质量星体的寿命走到尽头,炸成了一朵绚丽的星云烟花。在下面的图中,明显可以看到这种高能量的爆发,造成物质从两端抛射出来。
     
    蝴蝶星云NGC 6032
     
    除此之外,年老恒星还会比较温和地抛出自己的球型外层,形成对称性极高的涟漪状星云。古代天文学家误把它们看成了行星周围的光环,所以它们有个特殊的名字叫行星状星云
     
    行星状星云NGC 7293就像一只巨眼
     
    猫眼星云也是一颗典型的行星状星云
     
    但是在爆炸中心,死亡恒星的内层有可能凝集成一个致密的核心,不断高速转动,向外放出能量射线。经过漫长岁月之后,对称的星云就会被辐射搅碎,变成像下面这样的奇怪形状。
     
    蟹状星云是超新星爆发的遗迹,在它中心有一颗放射能量的脉冲星。
     
    DEM L 190星云也被它包裹的中子星搅成了类似心形。
     

    Part.5


    星云,孕育天体的温床

    除了上面提到的超新星爆炸形成的星云,还有很多星云结成块状,看不出明显来源。它们往往构成各种奇异的形状,也因此有了很多好听的名字。
     
    鹰状星云,鹰头冠羽处明亮的区域正在孕育恒星。
     
    马头星云(红外波段)
     
    不管是太阳还是地球,实际都是星云中的气体和尘埃凝聚成的。因此遥远星云中恒星正在诞生的瞬间,关乎我们自己的起源,格外引人注目。哈勃甚至还拍到了恒星周围尘埃(称作“原行星盘”)凝聚成行星的“半成品”状态。
     
    系外行星“北落师门b”,发现于北落师门周围的原行星盘。
     

    Part.6


    哈勃为什么不能给太阳和水星拍照?

    我们已经习惯了看到各大行星的清晰照片了。它们大多是探测器飞到行星附近拍摄的。行星不难辨认,像下图这种有清晰地貌的天体,一定是太阳系内的行星或者它们的天然卫星。
     
    哈勃拍摄的火星不同半球(南半球夏季)

    哈勃望远镜拍出的行星照片,尽管未必有探测器拍得那么高清,但贵在及时。兴师动众的探测器不可能随时发射,当有卫星飞掠、彗星接近等突发事件时,哈勃随时随拍,就派上了大用处。
     

    木星大气层的细节
     
    因此,哈勃拍摄的系内天体图片,大多都含有特殊的、动态的现象。例如上图里的木星刮起了飓风,显示出新的红色斑点。下图的土星则在南极冒出了极光。
     
    土星极光每隔两天的变化过程
     
    另外,你永远无法在哈勃的图片库里找到太阳和水星。它们过于明亮,正对它们拍摄会灼伤设备。不过,科学家也找到过巧妙的间接方法。就像神话中的英雄通过盾牌反光,观察令人石化的妖魔一样,刺眼的阳光经过月亮反射后会被大大减弱。

    当2012年金星从太阳前经过时,哈勃望远镜对准了它投在月亮上的影子。影子中包含被金星大气层折射的微弱阳光,通过它可以鉴定出金星大气层的成分。

    当然,哈勃拍摄的天体绝不止上面提到的这么多,它还执行了许多特别任务。例如引力波发现后,它也“跟风”观测了产生引力波的天体(双中子星并合),看到了它在光学波段的样子,确认了这次爆发事件。
     
    2017年哈勃观测到的双中子星并合造成的涟漪
     
    除此之外,哈勃还与其它波段的望远镜配合,复合出了更多富于科学价值的图片。例如下面这张子弹星系团的照片,蓝色部分是根据哈勃看到的引力透镜重构出来的物质,红色部分是钱德拉空间天文台在X射线波段看到的样子。它们两个结合起来,证明了暗物质的存在。
     
    子弹星系团1E 0657-556是两个星系团碰撞的结果。
     
    哈勃发布的图像都很绚丽,但是,在浏览这些照片时,我们必须记住,它们不是纯粹为了满足审美而拍摄的。任何一架大望远镜的使用时间都非常紧张,要使用这些望远镜,全球最杰出的天体物理学家们提交申请后,还要由严苛的委员会审核,竞争十分激烈。被批准的观测申请,不仅需要具有重要的科学意义,而且必须能够发挥出这台望远镜的优势。

    在下面这个视频里,可以清晰地看出哈勃观测天体的策略,以及被观测天体的特征。每张拍摄的照片所耗费的价格平均超过一百万元人民币,不管是从科学价值还是经济价值上来说,它们都是非常珍贵的。

    深场、星团、引力透镜、星系、彗星、行星、卫星、星云、恒星……这些充满魅力的图像,为人类敞开了窥视新世界的天窗。
     
     
    4月24号是哈勃发射30周年,在即将上映的《哈勃三十年:揭示宇宙奇观》纪录片中,将可以看到更多美轮美奂的星空图片。

    正如爱因斯坦所言:“宇宙最不可理解之处在于它是可以理解的。”观赏这些天文图片,宇宙的瑰丽美妙固然显而易见,而更令人赞叹之处或许在于,大自然的美丽能被人类所欣赏,并且随着时间流逝,深深地烙印在我们的文明中。
     
    除特别标注外,本文使用的所有影像图片均来自NASA。

    出品:科普中国
    制作:渊默
    监制:中国科学院计算机网络信息中心
    (本文中标明来源的图片已获得授权)

    文章仅代表作者观点,不代表中国科普博览立场
    本文来源于”中国科普博览“公众号(kepubolan),转载请注明公众号出处
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