橢圓形、蝶狀、漣漪狀……這些星空照片該怎麼看?

出品：科普中國

製作：淵默

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

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麼？

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，而不必再止步於讚嘆炫目的效果。

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，恆星演化，高能天體。我們看到的星空圖片，都屬於這幾大類的成果。

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？

沒關係，下面就用簡單的語言講講如何辨認照片裡的天體，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繫起來的。

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恆星、塵埃組成的運行系統。

星系攝影是最漂亮的天體圖片之一。儘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。

由於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複合。例如下圖中，既有淡黃白色的光暈、暗紅色的塵埃，也有藍白色的點點恆星、粉紅色的雲團（發出紫外線）。分析這些物質的分布情況，可以探究恆星如何形成等重要信息。

漩渦星系M74

還有一些星系不那麼規則，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。

「史蒂芬五重奏」，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。

大犬座中兩個正在併合的漩渦星系。

NGC 4676的兩個星系由於引力作用，拉出了長長的尾巴，因此又稱「鼠」星系。

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。它的特徵很明顯：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後，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幹擾，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。

星團、深場難區分？看光點是否有形

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

天爐座3號星團，因為大量恆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，藍色的年輕恆星剛從粉紅色的星雲中誕生出來。

人馬座銀河系中心周圍像是一個「珠寶盒」，恆星密度十分驚人。

高能量天體，宇宙最耀眼的剎那

星系是千億顆恆星的集合。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，黃色光暈範圍為星系，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雲煙花。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。

蝴蝶星雲NGC 6032

除此之外，年老恆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雲。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雲。

行星狀星雲NGC 7293就像一隻巨眼

貓眼星雲也是一顆典型的行星狀星雲

但是在爆炸中心，死亡恆星的內層有可能凝集成一個緻密的核心，不斷高速轉動，向外放出能量射線。經過漫長歲月之後，對稱的星雲就會被輻射攪碎，變成像下面這樣的奇怪形狀。

蟹狀星雲是超新星爆發的遺蹟，在它中心有一顆放射能量的脈衝星。

DEM L 190星雲也被它包裹的中子星攪成了類似心形。

星雲，孕育天體的溫床

除了上面提到的超新星爆炸形成的星雲，還有很多星雲結成塊狀，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。

鷹狀星雲，鷹頭冠羽處明亮的區域正在孕育恆星。

馬頭星雲（紅外波段）

不管是太陽還是地球，實際都是星雲中的氣體和塵埃凝聚成的。因此遙遠星雲中恆星正在誕生的瞬間，關乎我們自己的起源，格外引人注目。哈勃甚至還拍到了恆星周圍塵埃（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」，發現於北落師門周圍的原行星盤。

哈勃為什麼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，儘管未必有探測器拍得那麼高清，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。例如上圖裡的木星颳起了颶風，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裡找到太陽和水星。它們過於明亮，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後會被大大減弱。

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，通過它可以鑑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麼多，它還執行了許多特別任務。例如引力波發現後，它也「跟風」觀測了產生引力波的天體（雙中子星併合），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併合造成的漣漪

除此之外，哈勃還與其它波段的望遠鏡配合，複合出了更多富於科學價值的圖片。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，全球最傑出的天體物理學家們提交申請後，還要由嚴苛的委員會審核，競爭十分激烈。被批准的觀測申請，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。

在下面這個視頻裡，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徵。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、星雲、恆星……這些充滿魅力的圖像，為人類敞開了窺視新世界的天窗。

哈勃發射三十周年紀念視頻

製作：淵默；音樂：Future World Music

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於它是可以理解的。」觀賞這些天文圖片，宇宙的瑰麗美妙固然顯而易見，而更令人讚嘆之處或許在於，大自然的美麗能被人類所欣賞，並且隨著時間流逝，深深地烙印在我們的文明中。

除特別標註外，本文使用的所有影像圖片均來自NASA。

文章僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場