椭圆形、蝶状、涟漪状……这些星空照片该怎么看？

　　在上一篇文章中，我们已经简单介绍了哈勃望远镜（http:// kepu.net.cn/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2020/202004/t20200424_485129）。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。　 

　　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。

　　哈勃发射三十周年纪念视频

　　制作：渊默；音乐：Future World Music　　 

　　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。