看到你生日那天宇宙的，除了哈勃，還有它們……

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

前一段時間，你的朋友圈有沒有被這樣的星圖刷屏？

這是NASA為了紀念哈勃運行30週年推出的話題："哈勃在你生日那天看到了什麼？"在官網頁面上，輸入月份和日期，就能查到對應那一天哈勃望遠鏡看到的星圖。中文媒體上的活動標籤叫#你生日那天的宇宙#，在NASA查詢頁面維護關閉後，還能在微博熱帖裡找到網友分享的各種星圖。

"生日之星"的微博話題

看到這些炫酷的星圖，你是不是也有這樣的疑問：為什麼我們抬頭看到的星空和哈勃望遠鏡看到的星空不一樣？這些星空圖片，究竟是怎麼來的呢？

美麗的星空壁紙，來自於它

這次"生日之星"背後，最大的"壽星"是哈勃望遠鏡。到今年四月為止，它已經發射30週年了。

如果想對現代天文學有所瞭解，絕對繞不過天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的名字。他是星系物理的泰山北斗，也是提供宇宙膨脹實例證據的第一人。以他命名的"哈勃"望遠鏡，不僅在普通民眾中名聲響亮，也是當代最強大的望遠鏡之一。

哈勃望遠鏡外觀

哈勃望遠鏡內部結構

與人眼類似，哈勃望遠鏡接收的，是宇宙中的光。

但這個"光"，卻並非只有我們日常看得見的可見光。在收束光線的鏡面後面，配置了六顆接收儀器。這六隻"眼睛"既能 "看見"可見光，也能辨認出人眼看不見的紅外線和紫外線。因此，哈勃望遠鏡"拍"出來的星空和人眼看到的星空註定是不同的。

哈勃搭載的六個儀器分別覆蓋的波段

普通恆星發出的主要是可見光。用可見光相機拍攝宇宙，拍到璀璨的群星，與我們晚上仰望夜空看到的效果類似。

紅外線含有塵埃、氣體發出的光。這些原本黑暗的團塊，在紅外相機下卻宏偉輝煌。除此之外，像彗星、系外行星這樣的闇弱天體也適合在紅外波段拍攝。不過，

紫外線是能量更高的天體發出的光。剛降生的大質量恆星、星系核心的劇烈運動、黑洞和白矮星等高密度天體的吸積……這些肉眼看來幾乎隱形的現象，會被紫外相機呈現得格外明亮。

在紅外（圖1）、可見光（圖2）下的天線星系，圖3為前兩者調色合成。圖片來源：JPL -Caltech、KPNO

哈勃同時捕捉不同波段的圖像，再經過後期處理疊加後，去蕪存精，將原本看不到的現象、被遮擋的天體，都以富於美感和揭示力的方式呈現出來。可以說，像最終成圖這麼絢麗、震撼的效果，即便親身飛入宇宙也難以見證。

宇航員執行第四次維修任務

另外，哈勃望遠鏡的全稱是哈勃"空間"望遠鏡（Hubble Space Telescope），顧名思義，它所在的位置很特殊，位於地球大氣層之外。如果發生故障，則需要宇航員乘火箭上天維修。它每年的維護費用，足夠再造兩個中國"天眼"。大筆的資金，砸出了我們現在看到的珍貴照片。

太空中的眼睛，除了哈勃，還有它們

哈勃是空間望遠鏡中的典型代表，名氣最大，但它並不是天文學家唯一的"武器"。為了看到近紅外、紫外線和可見光之外的東西，我們還需要更多強大的設備。

與哈勃同期升空的，還有另外三架空間望遠鏡，斯皮策、錢德拉、康普頓，它們也都以著名的天文學家和物理學家命名。這"四大天王"是上世紀NASA隆重策劃的"大型軌道天文臺"計劃。

四大望遠鏡看到的同一個蟹狀星雲的樣子。從左至右分別為康普頓、錢德拉、哈勃、斯皮策望遠鏡。

這幾架望遠鏡一起，無縫覆蓋了"光"的各個波段。從遠紅外、近紅外、可見光、紫外線，到能量更高的X射線和伽馬射線，都能被敏銳地捕捉到。

在觀測不同天體時，它們看到了一批前所未見的現象，例如系外行星反射的微弱光線，宇宙深處爆發出的高能射線等等。而拍攝相同天體時，不同波段下的不同樣貌，又反映出天體的不同性質，幫助科學家進一步解開它們的謎團。

斯皮策、哈勃、錢德拉望遠鏡眼中的M101星系。不同照片中的發光部分不重合，暗示發出不同光線的物質分佈不同

當然，空間望遠鏡遠不止這"四大天王"，其它"天兵天將"還包括愛因斯坦、費米、赫歇爾、依巴谷、開普勒、蓋亞……它們在科學貢獻上也功勳卓著，絲毫不亞於哈勃。因為科學普及的因素，它們在公眾中的影響力有限，但決不妨礙它們在科學家心目中的重要地位。

探索宇宙，"坐井觀天"的地面"巨眼"功不可沒

太空望遠鏡避開了地球大氣層的干擾，能更清晰地看到宇宙樣貌，但是，由於技術的限制，要把太空望遠鏡成功送上天，則對太空望遠鏡的規格大小有限制。

這種情況下，在地面上建築的大望遠鏡，經過技術上的精煉，達到的觀測水平絲毫不弱於空間望遠鏡。

從左至右分別為：加納列大型望遠鏡、昴星團望遠鏡、南非大望遠鏡、新技術望遠鏡、巨麥哲倫望遠鏡、大口徑全

從左至右分別為：甚大望遠鏡、特大望遠鏡、凱克望遠鏡、30米望遠鏡

對於望遠鏡來說，主鏡片的口徑是它的命門。越是巨大的口徑，越能分辨微小的細節，看清楚極其黯淡的光線。

但對空間望遠鏡來說，發射載荷越重的火箭，成本越高昂，迫使望遠鏡口徑不得不一減再減。哈勃望遠鏡發射時，儘管動用了性價比較高的航天飛機，主鏡片仍被迫"縮水"到800千克，口徑也降了20%。

而同時期建造的凱克望遠鏡和甚大望遠鏡，目標也是對可見光和近紅外波段的觀測。由於坐落在地面上，主鏡片重量卻可以達到二十噸的級別，比哈勃的口徑大小足足高了一個量級。

正在建造中的地面新一代"特大望遠鏡"，比起凱克和甚大望遠鏡，又有質的飛躍。可以轉動跟蹤星體的部分達到了三千噸，光是鏡片直徑就接近二十層樓高，比好幾架哈勃望遠鏡頭尾相連還要長——尺寸上的突破，將使它看到闇弱天體的能力比哈勃強幾百倍！

△比起地面上的凱克望遠鏡（淺色），斯皮策空間望遠鏡（深色最左）、哈勃空間望遠鏡（深色中間）、計劃發射的下一代空間望遠鏡詹姆斯·韋伯（深色最右）的主鏡片要小一大截。

對於地面望遠鏡而言，選址很重要。天氣越晴朗透明，越遠離城市燈火的地方，越有利於觀測。世界上頂級的觀測地址大多人跡罕至，海拔又高又幹燥，例如歐洲的雪山頂峰、夏威夷的火山之巔、南美的荒漠高原……望遠鏡的白色圓頂像一串明珠，點綴在秀麗的風景間。

夏威夷莫納克亞火山上，排布著13座世界頂尖的望遠鏡。

除了可見光之外，地面也很適宜對射電波進行觀測。

射電波是比遠紅外線的波長還要長的光線，根據波長不同還可以細分為微波、毫米波、米波等等。它的性質很特殊——能躲避太陽光的干擾，某些波段還能穿透烏雲陰霾。因此，即使在地面，也不易受晝夜和天氣影響。

天體的射電輻射非常微弱，據統計，迄今為止世界上所有的射電望遠鏡接收的射電輻射總能量，還不足以舉起一張白紙。

為了捕捉這種格外微小的能量，射電望遠鏡需要佔據很大的面積。世界上最大的單面射電望遠鏡，例如阿雷西博望遠鏡和中國"天眼"FAST，都達到了數百米的直徑，與一座山谷相仿。

上世紀60年代建成的300米口徑阿雷西博射電望遠鏡

除了擴大一臺望遠鏡的口徑，還有一種方法，是將多臺射電望遠鏡分散開來，採取名叫"干涉"的技術手段，等價代替一整臺巨大的望遠鏡，這種裝置叫做射電望遠鏡陣列。陣列中的望遠鏡通過滑軌或者卡車移動，根據不同觀測需要而變換位置，佔據不同的口徑面積。

迄今為止最大的射電望遠鏡，是拍攝黑洞照片的"事件視界"望遠鏡：陣列裡的望遠鏡散佈在各個大洲，它的口徑等價於整個地球大小！

智利北部荒漠中的阿塔卡瑪大型毫米-亞毫米波陣列 圖片來源：ALMA

飛進深空

目前我們討論的都是如何遠眺宇宙，不過，如果能親身飛過去看看，豈不是更好嗎？

目前，載人火箭只能在月球軌道之內徘徊，但無人探測器已經飛了很遠很遠。金星，火星，土星……都留下過"人類到此一遊"的足跡。飛得最遠的當屬兩臺旅行者號探測器，它們已經飛出了太陽系，進入了星際空間。

旅行者號上攜帶寄給外星文明的"金唱片"，上面鐫刻著有關人類文明的信息。

太陽系中流浪著數十萬顆小天體，其中最小的還不到汽車大小，加上反光極為黯淡，只有飛掠它們的探測器才能看清。經過縝密的安排，探測器甚至能與億萬公里外高速飛過的彗星準確相逢，降落在彗星的頭部上，採集到樣本再返回地球。

羅塞塔探測器降落在彗星上（左下為探測器一角）。

不過，大多數探測器的旅途都是單程車票。即便是飛到緊鄰我們的行星——火星，也只能與地球遙遙通訊，而無法帶著樣品回來。目前，許多國家都在醞釀火星探測計劃，等到人類能夠拿到來自火星的樣品時，一定會誕生一大批重要發現。

來自火星的第一張自拍，由好奇號漫遊車發回。

發揮想象

宇宙大爆炸，太陽系形成，兩個黑洞合併，銀河系和仙女座星系相撞……這些事件的發生，在空間或時間上與我們相距遙遠。看不見摸不著時，不如干脆讓想象力發揮作用，怎麼樣？

當然，天文學家絕非憑空幻想，而是用電腦輔助人腦。結合觀測數據和科學定律，利用計算機程序進行模擬，也可以得到絢爛的宇宙圖像。它們揭示了千奇百怪的天文現象為何出現，以及未來會演化向何方。

計算機模擬一點也不比實際觀測省力。例如，在檢驗雙黑洞併合的引力波事件時，世界上最大的超級計算機連續運行了幾個月之久，才計算出真實世界裡不到0.6秒的過程。影視作品裡也有計算機模擬的影子。《星際穿越》中超級黑洞"卡岡圖亞"的樣貌，是三十多名科學家使用上千臺計算機勞動一年的成果。

模擬雙黑洞併合產生的引力波漣漪，彩色用來區別不同類型的波動。圖片來源：馬克思普朗克研究所

影響最大的天體物理模擬，當屬用"上帝視角"看宇宙的"千禧模擬"。德國的一臺超級計算機，用程序創造了一個方圓二十億光年的巨大空間，放進超過十億個虛擬粒子，讓它們互相影響運動。經過一個多月的運行，最終形成了視頻中的樣子。

△影像來源：馬克思普朗克研究所；剪輯：淵默

每個最細小的粒子都代表一整個星系，包含著億萬顆太陽這樣的恆星。在宇宙級別的大尺度上，星系之間互相抱團黏結，形成蛛網一般的驚人結構。這樣的"虛擬星圖"刷新了我們對宇宙的認知，也有可能從根本上改變我們對物理理論的理解。

空間望遠鏡、地面望遠鏡、探測器、計算機模擬……天文學家使用各種各樣的方法，力求得到最震撼的星空圖片，揭示出宇宙全新的面貌。這些研究給人類世界帶來深遠影響，其重要性簡直無法估量。

人類的征途，是星辰大海，這征途或許永遠也沒有終點，但是路上的風景，足夠往我們一直向前。

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

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