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看到你生日那天宇宙的,除了哈勃,还有它们……

  前一段时间,你的朋友圈有没有被这样的星图刷屏?

   

  这是NASA为了纪念哈勃运行30周年推出的话题:“哈勃在你生日那天看到了什么?”在官网页面上,输入月份和日期,就能查到对应那一天哈勃望远镜看到的星图。中文媒体上的活动标签叫#你生日那天的宇宙#,在NASA查询页面维护关闭后,还能在微博热帖里找到网友分享的各种星图

     

  “生日之星”的微博话题

  看到这些炫酷的星图,你是不是也有这样的疑问:为什么我们抬头看到的星空和哈勃望远镜看到的星空不一样?这些星空图片,究竟是怎么来的呢?

  美丽的星空壁纸,来自于它

  这次“生日之星”背后,最大的“寿星”是哈勃望远镜。到今年四月为止,它已经发射30周年了。

  如果想对现代天文学有所了解,绝对绕不过天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)的名字。他是星系物理的泰山北斗,也是提供宇宙膨胀实例证据的第一人。以他命名的“哈勃”望远镜,不仅在普通民众中名声响亮,也是当代最强大的望远镜之一。

   

  哈勃望远镜外观

   

  哈勃望远镜内部结构

  与人眼类似,哈勃望远镜接收的,是宇宙中的光。

  但这个“光”,却并非只有我们日常看得见的可见光。在收束光线的镜面后面,配置了六颗接收仪器。这六只“眼睛”既能 “看见”可见光,也能辨认出人眼看不见的红外线和紫外线。因此,哈勃望远镜“拍”出来的星空和人眼看到的星空注定是不同的。

   

  哈勃搭载的六个仪器分别覆盖的波段

  普通恒星发出的主要是可见光用可见光相机拍摄宇宙,拍到璀璨的群星,与我们晚上仰望夜空看到的效果类似。

  红外线含有尘埃、气体发出的光。这些原本黑暗的团块,在红外相机下却宏伟辉煌。除此之外,像彗星、系外行星这样的暗弱天体也适合在红外波段拍摄。不过,哈勃只能看到其中的近红外线,即比较接近可见光的部分。

  紫外线是能量更高的天体发出的光。刚降生的大质量恒星、星系核心的剧烈运动、黑洞和白矮星等高密度天体的吸积……这些肉眼看来几乎隐形的现象,会被紫外相机呈现得格外明亮。

   

  在红外(图1)、可见光(图2)下的天线星系,图3为前两者调色合成。

  图片来源:JPL -CaltechKPNO

  哈勃同时捕捉不同波段的图像,再经过后期处理叠加后,去芜存精,将原本看不到的现象、被遮挡的天体,都以富于美感和揭示力的方式呈现出来。可以说,像最终成图这么绚丽、震撼的效果,即便亲身飞入宇宙也难以见证。

   

  宇航员执行第四次维修任务

  另外,哈勃望远镜的全称是哈勃“空间”望远镜(Hubble Space Telescope),顾名思义,它所在的位置很特殊,位于地球大气层之外。如果发生故障,则需要宇航员乘火箭上天维修。它每年的维护费用,足够再造两个中国“天眼”。大笔的资金,砸出了我们现在看到的珍贵照片。

  太空中的眼睛,除了哈勃,还有它们

  哈勃是空间望远镜中的典型代表,名气最大,但它并不是天文学家唯一的“武器”。为了看到近红外、紫外线和可见光之外的东西,我们还需要更多强大的设备。

  与哈勃同期升空的,还有另外三架空间望远镜,斯皮策、钱德拉、康普顿,它们也都以著名的天文学家和物理学家命名。这“四大天王”是上世纪NASA隆重策划的“大型轨道天文台”计划。

   

  四大望远镜看到的同一个蟹状星云的样子。从左至右分别为康普顿、钱德拉、哈勃、斯皮策望远镜。

  这几架望远镜一起,无缝覆盖了“光”的各个波段。从远红外、近红外、可见光、紫外线,到能量更高的X射线和伽马射线,都能被敏锐地捕捉到。

  观测不同天体时,它们看到了一批前所未见的现象,例如系外行星反射的微弱光线,宇宙深处爆发出的高能射线等等。而拍摄相同天体时,不同波段下的不同样貌,又反映出天体的不同性质,帮助科学家进一步解开它们的谜团。

   

  斯皮策、哈勃、钱德拉望远镜眼中的M101星系。不同照片中的发光部分不重合,暗示发出不同光线的物质分布不同。

  当然,空间望远镜远不止这“四大天王”,其它“天兵天将”还包括爱因斯坦、费米、赫歇尔、依巴谷、开普勒、盖亚……它们在科学贡献上也功勋卓著,丝毫不亚于哈勃。因为科学普及的因素,它们在公众中的影响力有限,但决不妨碍它们在科学家心目中的重要地位。

  探索宇宙,“坐井观天”的地面“巨眼”功不可没

  太空望远镜避开了地球大气层的干扰,能更清晰地看到宇宙样貌,但是,由于技术的限制,要把太空望远镜成功送上天,则对太空望远镜的规格大小有限制。

  这种情况下,在地面上建筑的大望远镜,经过技术上的精炼,达到的观测水平丝毫不弱于空间望远镜。

   

  从左至右分别为:加纳列大型望远镜、昴星团望远镜、南非大望远镜、新技术望远镜、巨麦哲伦望远镜、大口径全天巡视望远镜

   

  从左至右分别为:甚大望远镜、特大望远镜、凯克望远镜、30米望远镜

  对于望远镜来说,主镜片的口径是它的命门。越是巨大的口径,越能分辨微小的细节,看清楚极其黯淡的光线。望远镜的更新换代,几乎就是以口径大小为标志的。

  但对空间望远镜来说,发射载荷越重的火箭,成本越高昂,迫使望远镜口径不得不一减再减。哈勃望远镜发射时,尽管动用了性价比较高的航天飞机,主镜片仍被迫“缩水”到800千克,口径也降了20%

  而同时期建造的凯克望远镜和甚大望远镜,目标也是对可见光和近红外波段的观测。由于坐落在地面上,主镜片重量却可以达到二十吨的级别,比哈勃的口径大小足足高了一个量级。

  正在建造中的地面新一代“特大望远镜”,比起凯克和甚大望远镜,又有质的飞跃。可以转动跟踪星体的部分达到了三千吨,光是镜片直径就接近二十层楼高,比好几架哈勃望远镜头尾相连还要长——尺寸上的突破,将使它看到暗弱天体的能力比哈勃强几百倍!

   

  比起地面上的凯克望远镜(浅色),斯皮策空间望远镜(深色最左)、哈勃空间望远镜(深色中间)、计划发射的下一代空间望远镜詹姆斯·韦伯(深色最右)的主镜片要小一大截。

  对于地面望远镜而言,选址很重要。天气越晴朗透明,越远离城市灯火的地方,越有利于观测。世界上顶级的观测地址大多人迹罕至,海拔又高又干燥,例如欧洲的雪山顶峰、夏威夷的火山之巅、南美的荒漠高原……望远镜的白色圆顶像一串明珠,点缀在秀丽的风景间。

   

  夏威夷莫纳克亚火山上,排布着13座世界顶尖的望远镜。

  除了可见光之外,地面也很适宜对射电波进行观测。

  射电波是比远红外线的波长还要长的光线,根据波长不同还可以细分为微波、毫米波、米波等等。它的性质很特殊——能躲避太阳光的干扰,某些波段还能穿透乌云阴霾。因此,即使在地面,也不易受昼夜和天气影响。

  天体的射电辐射非常微弱,据统计,迄今为止世界上所有的射电望远镜接收的射电辐射总能量,还不足以举起一张白纸。

  为了捕捉这种格外微小的能量,射电望远镜需要占据很大的面积。世界上最大的单面射电望远镜,例如阿雷西博望远镜和中国“天眼”FAST,都达到了数百米的直径,与一座山谷相仿。

   

  上世纪60年代建成的300米口径阿雷西博射电望远镜

  除了扩大一台望远镜的口径,还有一种方法,是将多台射电望远镜分散开来,采取名叫“干涉”的技术手段,等价代替一整台巨大的望远镜,这种装置叫做射电望远镜阵列。阵列中的望远镜通过滑轨或者卡车移动,根据不同观测需要而变换位置,占据不同的口径面积。

  迄今为止最大的射电望远镜,是拍摄黑洞照片的“事件视界”望远镜:阵列里的望远镜散布在各个大洲,它的口径等价于整个地球大小!

   

  智利北部荒漠中的阿塔卡玛大型毫米-亚毫米波阵列

  图片来源:ALMA

  飞进深空

  目前我们讨论的都是如何远眺宇宙,不过,如果能亲身飞过去看看,岂不是更好吗?

  目前,载人火箭只能在月球轨道之内徘徊,但无人探测器已经飞了很远很远。金星,火星,土星……都留下过“人类到此一游”的足迹。飞得最远的当属两台旅行者号探测器,它们已经飞出了太阳系,进入了星际空间。

   

  旅行者号上携带寄给外星文明的“金唱片”,上面镌刻着有关人类文明的信息。

  太阳系中流浪着数十万颗小天体,其中最小的还不到汽车大小,加上反光极为黯淡,只有飞掠它们的探测器才能看清。经过缜密的安排,探测器甚至能与亿万公里外高速飞过的彗星准确相逢,降落在彗星的头部上,采集到样本再返回地球。

   

  罗塞塔探测器降落在彗星上(左下为探测器一角)。

  不过,大多数探测器的旅途都是单程车票。即便是飞到紧邻我们的行星——火星,也只能与地球遥遥通讯,而无法带着样品回来。目前,许多国家都在酝酿火星探测计划,等到人类能够拿到来自火星的样品时,一定会诞生一大批重要发现。

   

  来自火星的第一张自拍,由好奇号漫游车发回。

  发挥想象

  宇宙大爆炸,太阳系形成,两个黑洞合并,银河系和仙女座星系相撞……这些事件的发生,在空间或时间上与我们相距遥远。看不见摸不着时,不如干脆让想象力发挥作用,怎么样?

  当然,天文学家绝非凭空幻想,而是用电脑辅助人脑。结合观测数据和科学定律,利用计算机程序进行模拟,也可以得到绚烂的宇宙图像。它们揭示了千奇百怪的天文现象为何出现,以及未来会演化向何方。

  计算机模拟一点也不比实际观测省力。例如,在检验双黑洞并合的引力波事件时,世界上最大的超级计算机连续运行了几个月之久,才计算出真实世界里不到0.6秒的过程。影视作品里也有计算机模拟的影子。《星际穿越》中超级黑洞“卡冈图亚”的样貌,是三十多名科学家使用上千台计算机劳动一年的成果。

   

  模拟双黑洞并合产生的引力波涟漪,彩色用来区别不同类型的波动。

  图片来源:马克思普朗克研究所

  影响最大的天体物理模拟,当属用“上帝视角”看宇宙的“千禧模拟”。德国的一台超级计算机,用程序创造了一个方圆二十亿光年的巨大空间,放进超过十亿个虚拟粒子,让它们互相影响运动。经过一个多月的运行,最终形成了视频中的样子。

  每个最细小的粒子都代表一整个星系,包含着亿万颗太阳这样的恒星。在宇宙级别的大尺度上,星系之间互相抱团黏结,形成蛛网一般的惊人结构。这样的“虚拟星图”刷新了我们对宇宙的认知,也有可能从根本上改变我们对物理理论的理解。

  空间望远镜、地面望远镜、探测器、计算机模拟……天文学家使用各种各样的方法,力求得到最震撼的星空图片,揭示出宇宙全新的面貌。这些研究给人类世界带来深远影响,其重要性简直无法估量。

  人类的征途,是星辰大海,这征途或许永远也没有终点,但是路上的风景,足够往我们一直向前。

  除特别标注外,本文使用的所有影像图片均来自NASA

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