漫遊獵戶星雲之旅

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可見光波段和紅外波段合成後的可視化圖像。圖片來源：HubbleSite

獵戶星雲這一深空天體是很多天文愛好者入坑深空攝影的頭等目標之一，拍攝難度不算大。若想目視觀測，仍需較好的環境條件，最好能有雙筒或是天文望遠鏡的輔助，方能領略它「朦朧」的美。

現在，你有機會在家裡坐著「漫遊獵戶星雲」了。來自美國航天局（NASA）「認識宇宙」組的天文學家和可視化專家，通過結合哈勃空間望遠鏡和斯皮策空間望遠鏡在可見光和紅外波段的能力，創造出了一部壯觀的漫遊獵戶星雲的3D影片。利用真實的科學數據和好萊塢的科技，空間望遠鏡研究所和加州理工紅外數據處理和分析中心的團隊製造出目前最詳細的多波段可視化的獵戶星雲。這個時長3分鐘的影片能夠讓觀眾遨遊於這個恆星形成區，以一種新鮮刺激的方式親身體驗宇宙。觀眾能夠近距離地體驗這鄰近的恆星溫床，不斷變化的圖像將觀眾置身在眾多新生恆星之中，在受到強烈的輻射而升溫的灼熱星雲和在原行星盤那蝌蚪狀的氣囊間不斷遨遊。

獵戶星雲

作為天空中最亮的星雲之一，獵戶星雲（M42，NGC1976）是肉眼可見的。它位於1350光年之外，在天空中就像是獵戶座中獵戶腰帶系著的寶劍上的一顆「恆星」。它是位於銀河系內的瀰漫星雲，獵戶四邊形星團——一個非常年輕的疏散星團——就在其中，星團里的恆星都處在恆星形成的早期。而且，獵戶星雲的年齡僅有兩百萬年，對研究正在形成的和年輕的恆星來說，是一個理想的實驗室，往往被稱為孕育嬰兒恆星的溫床。研究獵戶星雲，使我們能夠進一步了解太陽在46億年前的誕生之初發生了什麼。

獵戶座天區，其中藍色框框住的位置為獵戶星雲。圖片來源：stellarium

光

光是一種電磁波輻射，在電磁波譜中，不同的頻譜分布對應不同的光：射電波、微波、紅外、可見光、紫外、X射線、γ射線。光的頻率越高，對應的電磁輻射的能量也就越高。按光的波長來看，人眼可以分辨光的波長約在380nm-750nm，這也正是可見光的波長範圍；而波長範圍在700nm-1mm的紅外光無法引起人們的視覺反應。哈勃空間望遠鏡主鏡可接收的光的波長範圍是：近紅外、可見光和紫外波段。斯皮策空間望遠鏡是一台紅外天文衛星，它主鏡的波段是3.6-160μm。在觀測星雲時，特別是這種年輕的瀰漫星雲，很多新生的恆星總是被厚密的氣體雲和塵埃所遮蔽，在可見光波段難以觀測到它們，但是紅外光可以穿透這重重「迷霧」，讓我們一睹星雲內部的真容。

電磁波譜圖。圖片來源：維基

這個展示了可見光和紅外光波段下獵戶星雲的三分鐘影片，現今已向大眾公開。全世界的天文館和其他一些非正式的學習中心都可以利用這個短片，來幫助觀眾探索關於獵戶星雲的基本科學問題。作為領導這個團隊並開發這個影片的空間望遠鏡科學研究所的可視化科學家弗蘭克·薩默斯（Frank Summers）解釋道，「在宇宙里飛越星雲，感受絢麗的3D世界，這將為觀眾帶來一種更好的體驗，讓大家更加真實地了解究竟宇宙是長什麼樣的。給這些令人驚嘆的照片賦予其深度和結構，這樣的3D漫遊能使公眾更好地理解宇宙。」

在紅外數據處理和分析中心領導可視化研究的羅伯特·赫特（Robert Hurt）說，「在紅外波段觀察宇宙，為我們更為熟悉的可見光景象提供了引人注目的背景，這部影片給予我們了一個寶貴的身臨其境的機會去感受，當我們把觀測的波長轉變為平時肉眼不可見時，會有什麼新的特點出現。」這個3D的視頻能讓我們觀察到星雲有趣的「地形」分布。

位於獵戶四邊形星團中心的大質量恆星源源不斷地迸發出的紫外輻射和星風，在一個巨大的混雜著塵埃的氫分子冷氣體雲的壁上刻畫出了洞穴般的碗形空洞。熾熱的大質量恆星發射出的紫外光子，將周圍的星際氣體中大部分的氫原子電離，電離形成了大量的氫離子和電子，溫度和數密度的急劇升高以及高溫光子本身的光壓，產生了巨大的壓力差，使恆星周圍產生迅速向外擴張的激波、星風還有氣流，這便形成了我們看到的絢爛的瀰漫星雲。

天文學家和可視化專家共同建造了這個洞穴地區深度的三維模型，就像是在海底測繪出山脈和山谷，而哈勃和斯皮策望遠鏡拍攝的信息量豐富的照片就被疊加在這些地形上。沿著氣體和塵埃的輪廓，這部非常科學的影片將帶領觀眾來一場激動人心的穿越星雲的飛行。通過在光學和紅外波段圖像間的不斷切換，影片展示了獵戶星雲顯著不同的豐富細節。恆星的顏色能告訴我們恆星的表面溫度，溫度越高的恆星，輻射的能量越高，則對應的波長越短。而表面溫度較低的恆星，其輻射的能量主要位於長波區。我們肉眼看到的偏紅的參宿四，其實是一顆紅巨星，它的溫度僅有3200攝氏度左右；而對比參宿七，這顆肉眼看來閃爍著白色星光的恆星，它的溫度高達約11700攝氏度。哈勃空間望遠鏡看到的物質是在可見光波段的，它們的表面溫度可達成千上萬攝氏度；而斯皮策空間望遠鏡則對溫度僅有幾百攝氏度的較冷的物質敏感。斯皮策空間望遠鏡的紅外圖像透過重重塵埃，看到了深埋在星雲中的恆星以及一些質量較小的恆星，這些恆星在紅外波段的輻射都比在可見光波段下的更亮。

由此可見，不同波段能看到天體不同結構的細節，也就是說天體的某些細節信息只有對應的波段才能更清楚地探測到，而多波段探測更能展示天體豐富的細節，因而各類地面和空間的望遠鏡和探測器都有其對應的工作波段。例如，在可見光的圖像中，由於星際塵埃的遮擋，我們會看到一些瀰漫星雲中總有看似漆黑的「空洞」。而在紅外波段，即使有塵埃的遮擋，也能很好地探測到恆星的熱輻射，往往能發現溫度比較低的晚期恆星。通過下面的表格，讀者能更好地理解多波段的天文觀測是如何開展的。當然，除了探測常見的電磁輻射外，現今如火如荼的引力波探測也是一種全新的天文觀測方法，儘管現在面臨許多難題和挑戰，但它究竟能帶給我們什麼驚喜，筆者也非常期待。

不同波段下的獵戶星雲形態。圖片來源：HubbleSite

觀測對象

常用觀測波段

雙星吸積、脈衝星、變星、星系核及類星體等

全波段

黑洞

X射線、可見光

γ射線暴

γ射線、射電

太陽耀斑

可見光、紅外、射電

超新星

可見光

太陽和恆星震蕩

可見光、紫外

恆星

射電、紅外、紫外、可見光

可見光波段可視化的圖像。圖片來源：HubbleSite

紅外波段可視化的圖像。圖片來源：HubbleSite

新的可視化技術手段幫助人們可以親身體驗這兩架望遠鏡是如何共同構建出一個更複雜、更完整的星雲圖像，這也是NASA「認識宇宙」組的一個新產品，他們將天體物理科學研究任務和觀眾的需求直接聯繫起來，致力於讓普通觀眾能夠探索最基本的科學問題，體驗科學是如何運作並讓他們自己去感受這個宇宙。

這個三維的轉換是建立在科學的理論和合理的構思上的。薩默斯、赫特和其他專家一起從哈勃和斯皮策空間望遠鏡的二維圖像開始，分析星雲內部的結構。首先，他們創造了一個可見光波段的表面，然後再做底層的一個具有紅外特徵的結構。為了給予星雲飄渺的感覺，薩默斯寫了一個渲染代碼，它能夠高效合併數以千萬計氣體中的半透明元素。有了這串特製的代碼，薩默斯能夠在電腦桌面運行它和其他可視化任務，而不需要藉助超級計算機集群。星雲的其他成分用不同的圖層分隔開並分別進行建模，這些元素包括恆星、原恆星盤、輻射和星風導致的弓形激波以及星雲前方被稱為「面紗」的氣體。渲染之後，再把這些圖層和氣體星雲拿回去一起製作。目前呈現出來的三維結構是對星雲的想像做出了有科學依據的合理近似。薩默斯解釋說：「最主要的是讓觀眾有經驗上的理解，以便他們能夠從望遠鏡中認出這些圖像。當他們能夠在腦海里建立一種從二維的圖像轉變為三維場景的思維模式時，這真的將是一個非常美妙的事情。」

這部影片很好地闡述了多波段天文學的魅力,它能幫助觀眾更好地理解科學是怎麼一回事——天文學家是為什麼以及是如何利用多個電磁波譜的波段來探索和認識我們的宇宙的。而對於將來能夠給出宇宙更深、更精細紅外特徵的韋布空間望遠鏡來說，更是深深地吊著天文學家的胃口。

讀者也可通過以下鏈接，一起來感受3D的獵戶星雲之旅：

http://hubblesite.org/video/1005/news_release/2018-04。

本篇文章作者：曹映怡

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