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哈勃在軌30年,教你看懂它拍攝的宇宙奇觀

2020-04-26  風吟樓


    在軌運行30年,哈勃拍攝的大量瑰麗的星體照片,或星星點點,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,就能從科學的角度領悟它們的奇妙,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鏡的觀測策略建立認知。

    每臺大型望遠鏡在設計之前,就已經規劃好了觀測目標。這些目標任務,將是一臺頂級設備在未來許多年內最主要、效果最好的科學產出,既能在科學界獨領風騷,也最適宜向公眾推廣。

    對哈勃來說,它先進的空間位置、分辨和集光本領、特殊的儀器、與其它科學項目之間的競爭……種種因素,決定了它的觀測重點是:宇宙學,星際物質,星系動力學,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”發射二十多年前,1969年發表的《大型空間望遠鏡的科學用途》報告就已經規劃好了它的用途。
     
    不懂這些深奧的名詞?

    沒關系,下面就用簡單的語言講講如何辨認照片里的天體,以及這些漂亮圖片是如何與這些深奧名詞,以及人類最重要的前沿發現聯系起來的。
     

    Part.1


    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的恒星、塵埃組成的運行系統。

    星系攝影是最漂亮的天體圖片之一。盡管它們的形狀千變萬化,但看到下圖這種漩渦形的結構,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”。銀河系也是一個棒旋星系。
     
    由于大多數星系是個扁盤,斜對或側對我們時,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星系的側面,中間暗色雜質為塵埃盤。

     某些特殊星系的塵埃盤是扭曲的
     
    星系圖片很好地體現了哈勃在多波段的復合。例如下圖中,既有淡黃白色的光暈、暗紅色的塵埃,也有藍白色的點點恒星、粉紅色的云團(發出紫外線)。分析這些物質的分布情況,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則,甚至幾個之間互相吸引,撕扯、糾纏。細數圖中有幾個星系核心,就能很簡單地看清這一點。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,受影響較小。
     
    兩個相互撕扯的星系Arp 273形成一朵玫瑰的形狀。

    大犬座中兩個正在并合的漩渦星系。
     
    NGC 4676的兩個星系由于引力作用,拉出了長長的尾巴,因此又稱“鼠”星系。
     

    Part.2


    萬千光點集一身,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:千萬個光點集中在一起,其中每個都具有星系的形狀。換句話說,它們是有面積的,而非真正的光點。用天文術語來說,是“展源”而非“點源”。
     
    天爐座深場。當哈勃凝視足夠久之后,原本黑暗的天區,出現了千萬個新世界。
     
    哈勃拍攝深場的能力是獨一無二的。深場星系的光線非常暗弱,需要極長時間的曝光。例如上面這張深場照片,就足足連續拍了11.3天之久。地上的望遠鏡受大氣輝光干擾,幾乎不可能拍出這樣敏銳的效果。
     
    背景星系的規則形狀,被前景Abell 2218星系團中的金黃色大質量天體扭曲成了弧形。
     
    在星系背景中還發現了一種神奇的現象,即愛因斯坦預言的“引力透鏡”。根據廣義相對論,在大質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。
     

    Part.3


    星團、深場難區分?看光點是否有形

    在星系內部,恒星也會一群群聚成團。星團與深場照片的區別在于,星團中的一顆顆恒星都是光點,沒有面積和形狀。

    天爐座3號星團,因為大量恒星聚集在一個圓球形區域內,被稱為球狀星團。
     
    大麥哲倫星系中的星團,藍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“珠寶盒”,恒星密度十分驚人。

    Part.4

     
    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,一顆天體爆發的能量便足以媲美整個星系。

    很多星系照片都含有能量極高的天體,最強大的當屬星系中心的超大質量黑洞。有了哈勃拍到下面這張照片的支持,全球多臺射電望遠鏡聯合協作,持續跟進,誕生了去年轟動世界的黑洞照片。
     
    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。
     
    超新星1994D和NGC 4526星系
     
    簡單來說,超新星就是大質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,造成物質從兩端拋射出來。
     
    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。古代天文學家誤把它們看成了行星周圍的光環,所以它們有個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,死亡恒星的內層有可能凝集成一個致密的核心,不斷高速轉動,向外放出能量射線。經過漫長歲月之后,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。
     

    Part.5


    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,還有很多星云結成塊狀,看不出明顯來源。它們往往構成各種奇異的形狀,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,實際都是星云中的氣體和塵埃凝聚成的。因此遙遠星云中恒星正在誕生的瞬間,關乎我們自己的起源,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。
     
    系外行星“北落師門b”,發現于北落師門周圍的原行星盤。
     

    Part.6


    哈勃為什么不能給太陽和水星拍照?

    我們已經習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,像下圖這種有清晰地貌的天體,一定是太陽系內的行星或者它們的天然衛星。
     
    哈勃拍攝的火星不同半球(南半球夏季)

    哈勃望遠鏡拍出的行星照片,盡管未必有探測器拍得那么高清,但貴在及時。興師動眾的探測器不可能隨時發射,當有衛星飛掠、彗星接近等突發事件時,哈勃隨時隨拍,就派上了大用處。
     

    木星大氣層的細節
     
    因此,哈勃拍攝的系內天體圖片,大多都含有特殊的、動態的現象。例如上圖里的木星刮起了颶風,顯示出新的紅色斑點。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備。不過,科學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,刺眼的陽光經過月亮反射后會被大大減弱。

    當2012年金星從太陽前經過時,哈勃望遠鏡對準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。

    當然,哈勃拍攝的天體絕不止上面提到的這么多,它還執行了許多特別任務。例如引力波發現后,它也“跟風”觀測了產生引力波的天體(雙中子星并合),看到了它在光學波段的樣子,確認了這次爆發事件。
     
    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鏡配合,復合出了更多富于科學價值的圖片。例如下面這張子彈星系團的照片,藍色部分是根據哈勃看到的引力透鏡重構出來的物質,紅色部分是錢德拉空間天文臺在X射線波段看到的樣子。它們兩個結合起來,證明了暗物質的存在。
     
    子彈星系團1E 0657-556是兩個星系團碰撞的結果。
     
    哈勃發布的圖像都很絢麗,但是,在瀏覽這些照片時,我們必須記住,它們不是純粹為了滿足審美而拍攝的。任何一架大望遠鏡的使用時間都非常緊張,要使用這些望遠鏡,全球最杰出的天體物理學家們提交申請后,還要由嚴苛的委員會審核,競爭十分激烈。被批準的觀測申請,不僅需要具有重要的科學意義,而且必須能夠發揮出這臺望遠鏡的優勢。

    在下面這個視頻里,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的價格平均超過一百萬元人民幣,不管是從科學價值還是經濟價值上來說,它們都是非常珍貴的。

    深場、星團、引力透鏡、星系、彗星、行星、衛星、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。
     
     
    4月24號是哈勃發射30周年,在即將上映的《哈勃三十年:揭示宇宙奇觀》紀錄片中,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,并且隨著時間流逝,深深地烙印在我們的文明中。
     
    除特別標注外,本文使用的所有影像圖片均來自NASA。

    出品:科普中國
    制作:淵默
    監制:中國科學院計算機網絡信息中心
    (本文中標明來源的圖片已獲得授權)

    文章僅代表作者觀點,不代表中國科普博覽立場
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