橢圓形、蝶狀、漣漪狀......這些星空照片該怎麼看？

2023-03-31 14:32:22

製作:中國科普

生產:優雅而直立

生產者:計算機網絡信息中心

在軌道上運行30年後，哈勃拍攝了許多恆星、恆星、圓柱或螺旋的壯麗圖像……這些宇宙圖像是什麼？

了解了這些圖片的含義，也許下次你看到它們的時候，你就可以從科學的角度理解它們的奇蹟，而不是停下來欣賞令人眼花繚亂的效果。

在解釋具體的照片之前，我們首先需要了解大型望遠鏡的觀察策略。

每個大型望遠鏡在設計之前就已經計劃好了它的觀測目標。這些目標和任務將是未來許多年最高水平設備最重要和最有效的科學產出。它不僅將引領科學界，而且最適合向公眾推廣。

對哈勃來說，它的空的高級位置，它分辨和收集光的能力，它的特殊儀器，以及它與其他科學項目的競爭，都決定了它的觀察焦點:宇宙學，星際物質，銀河動力學，恆星演化，和高能天體。我們看到的星星空圖片都屬於這些主要類別。

在哈勃發射的20多年前，它的使用已經在1969年的報告「大型望遠鏡的科學使用」中計劃好了。

不懂這些深奧的名詞嗎？

沒關係，讓我們用簡單的語言來談論如何識別照片中的天體，以及這些美麗的照片如何與這些深奧的名詞和人類最重要的前沿發現聯繫起來。

壯麗的螺旋星系

星系，也稱為宇宙島，是由無數恆星和塵埃組成的運行系統，就像銀河系一樣。

星系攝影是天體最美麗的照片之一。儘管它們的形狀不斷變化，但通過觀察下面顯示的旋渦結構，很容易判斷它們是否是星系。

星系NGC 1300中間為棒狀，周圍有旋臂，被稱為「棒螺旋星系」。銀河系也是一個螺旋星系。

由於大多數星系都是扁平的圓盤，當斜向或側向面對我們時，只能看到橢圓甚至是一條窄線。橫跨夜空的銀河系是我們銀河系的橫截面。

在NGC 4710星系的一側，中間的黑暗雜質是一個塵埃盤。

一些特殊星系的塵埃盤扭曲了

星系圖像很好地反映了哈勃的多波段重組。例如，在下圖中，不僅有淡黃白色的光暈和暗紅色的塵埃，還有藍色和白色的星星點和粉紅色的雲(發射紫外線)。分析這些物質的分布可以探索重要的信息，例如恆星是如何形成的。

旋渦星系M74

有些星系不太規則，甚至有些相互吸引、撕裂和糾纏。這可以通過計算地圖上的幾個銀河核心很容易地看到。星系如何運行也是一個亟待解決的重要難題。

史蒂芬五重奏包含五個相互吸引的星系。左上角的黃色橢圓星系最遠，受影響較小。

兩個撕裂的星系Arp 273形成了玫瑰的形狀。

大犬座兩個合併的螺旋星系。

NGC 4676的兩個星系也被稱為「老鼠」星系，因為它們的長尾巴被重力拉出。

數以千計的光點都在一個地方，這是宇宙的最深處。

所謂的深空照片是宇宙最深處的圖像。它的特點是顯而易見的:數千萬個光點聚集在一起，每個光點都有一個星系的形狀。換句話說，它們有區域，而不是真正的點。用天文術語來說，它是「展覽源」而不是「點源」。

天空熔爐基地的深處。當哈勃凝視足夠長的時間，一千萬個新的世界出現在黑暗的天空中。

哈勃拍攝深空的能力是獨一無二的。深空星系的光線非常暗，需要長時間曝光。例如，上面的深層照片是連續拍攝了11.3天。地面上的望遠鏡受到大氣輝光的幹擾，幾乎不可能獲得如此清晰的效果。

背景星系的規則形狀被前景阿貝爾2218星系團中的金黃色巨大天體扭曲成一個弧形。

在星系的背景中也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，質量物體周圍的光會彎曲，就像一面扭曲的鏡子。在上圖中，我們可以看到原始的短而厚的背景星系在前景星系附近延伸成許多飄渺的弧線。

很難區分星團和深層磁場嗎？看看光點是否可見

在銀河系內，恆星也聚集在一起。星團和遠場照片的區別在於星團中的每顆恆星都是沒有面積和形狀的光點。

天爐座星團3號被稱為球狀星團，因為大量恆星聚集在一個球狀區域。

大麥哲倫星系中的一簇恆星，藍色年輕恆星剛剛從粉紅色星雲中出現。

在銀河系的中心，人馬座看起來像一個擁有驚人恆星密度的「珠寶盒」。

高能天體，宇宙中最耀眼的時刻

星系是數千億顆恆星的集合。但是有時候，來自天體的爆炸能量相當於整個星系的能量。

許多星系照片包含能量極高的天體，其中最強大的是星系中心的超大質量黑洞。在哈勃拍攝以下照片的支持下，世界各地的幾個射電望遠鏡進行了合作，並繼續跟進，最終形成了去年在世界範圍內引起轟動的黑洞照片。

M87中央黑洞發出的粒子流的黃色暈是星系，中央亮點是黑洞的位置。

同樣，在下圖中，儘管圖中有一個巨大的星系，但最重要的是左下角的高能天體——超新星。像亮度變化這樣的信息對我們來說是非常新的，也是測量天體之間距離的重要基礎。

超新星1994和NGC 4526星系

簡而言之，超新星是一顆大質量恆星生命的終結，它會爆炸成燦爛的星雲煙花。在下圖中，很明顯，這種高能爆炸導致物質從兩端噴出。

蝴蝶星雲NGC 6032

此外，較老的恆星會相對平緩地拋出它們的球形外層，形成具有極高對稱性的波紋狀星雲。古代天文學家把它們誤認為行星周圍的環，所以它們有一個特殊的名字叫做行星星雲。

行星狀星雲NGC 7293就像一隻巨眼

貓眼星雲也是典型的行星狀星雲

然而，在爆炸中心，死星的內層可能濃縮成一個緻密的核心，高速旋轉並向外發射能量射線。很長一段時間後，對稱星雲會被輻射擊碎，變成如下奇怪的形狀。

蟹狀星雲是超新星爆炸的殘留物，其中心有一顆發射能量的脈衝星。

DEM L 190星雲也被它的中子星攪拌成心形。

星雲，天體的溫床

除了上面提到的由超新星爆發形成的星雲外，還有許多星雲形成團塊，看不到明顯的來源。它們經常形成各種奇怪的形狀，所以它們有許多好聽的名字。

鷹星雲是鷹頭部、冠部和羽狀部的明亮區域，孕育著恆星。

馬頭星雲(紅外波段)

太陽和地球實際上都是由星雲中的氣體和塵埃形成的。因此，遙遠星雲中的恆星誕生的時刻對我們自己的起源非常重要。哈勃甚至捕捉到了恆星周圍的塵埃(稱為「原行星盤」)，這些塵埃濃縮成「半成品」行星。

太陽系外行星「北落門B」是在北落門周圍的原始行星盤中發現的。

為什麼哈勃不能拍攝太陽和水星的照片？

我們習慣於看到主要行星的清晰圖像。其中大部分是由在行星附近飛行的探測器拍攝的。行星不難識別。具有清晰地形的天體，如下圖所示，一定是太陽系中的行星或它們的天然衛星。

不同半球火星的哈勃照片(南半球夏季)

哈勃望遠鏡拍攝的行星照片，雖然不一定像探測器拍攝的那樣高清晰度，但時間上是昂貴的。任何時候都不可能發射令人興奮的探測器。當有像衛星飛過和彗星接近這樣的突發事件時，哈勃望遠鏡將會非常有用，如果它在任何時候都在照相機上的話。

木星大氣的細節

因此，哈勃拍攝的系統中天體的照片大多包含特殊的動態現象。例如，上圖中的木星炸毀了一場颶風，顯示出新的紅點。下圖中的土星顯示了南極的極光。

每兩天土星極光的變化

此外，你永遠也不會在哈勃的圖片庫裡找到太陽和水星。它們太亮了，拍攝它們會燒壞設備。然而，科學家也發現了巧妙的間接方法。就像神話中的英雄通過盾牌反射光線，觀察石化的惡魔一樣，耀眼的陽光被月亮反射後會大大減少。

2012年，當金星在太陽前面經過時，哈勃瞄準了它在月球上的影子。該陰影包含金星大氣折射的微弱陽光，通過它可以識別金星大氣的成分。

當然，哈勃不僅拍攝了如此多的天體，還執行了許多特殊任務。例如，在發現引力波之後，它還「跟隨風」觀察產生引力波的天體(雙中子星合併)，在光帶中看到它的出現，並證實了爆發。

哈勃2017年觀測到的雙中子星合併引起的漣漪

此外，哈勃與其他波段的望遠鏡相結合，產生了更多具有科學價值的圖片。例如，在下面的子彈狀星系團照片中，藍色部分是哈勃看到的重力透鏡的重建材料，紅色部分是錢德拉空天文臺在x射線波段的樣子。兩者的結合證明了暗物質的存在。

子彈簇1E 065556是兩個簇碰撞的結果。

哈勃發布的圖像都很漂亮，但是當瀏覽這些照片時，我們必須記住它們並不是純粹出於審美目的。任何大型望遠鏡的使用時間都很緊。為了使用這些望遠鏡，世界上最傑出的天體物理學家必須將他們的申請提交給一個嚴格的委員會進行審查。競爭非常激烈。被批准的觀測應用不僅需要有重要的科學意義，而且必須能夠充分發揮這臺望遠鏡的優勢。

在下面的視頻中，可以清楚地看到哈勃觀察天體的策略和觀察到的天體的特徵。每張照片的平均成本超過100萬元，這在科學價值和經濟價值上都是非常珍貴的。

深空、星團、引力透鏡、星系、彗星、行星、衛星、星雲、恆星...這些迷人的圖像為人類窺視新世界打開了一扇天窗。

哈勃30周年紀念視頻(製作:優雅和直立；音樂:未來的世界音樂)

4月24日是哈勃發射30周年。在即將上映的紀錄片《哈勃三十年:揭示宇宙奇蹟》中，將會看到更多壯麗的恆星空圖像。

正如愛因斯坦所說:「關於宇宙最不可理解的事情是它是可理解的。」看著這些天文照片，宇宙的壯麗之美是顯而易見的，但也許更令人驚奇的是，隨著時間的推移，大自然的美可以被人類欣賞，並深深地印在我們的文明之中。

除了特殊標籤，本文中使用的所有圖像都來自美國宇航局。