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历史性的天文照片是怎样拍摄出来的

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发表于 2016-11-14 22:44:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
  1908年圣诞节的早晨,黎明还未触及威尔逊山下绵延1700多千米的洛杉矶,乔治·威利斯·里奇正在捕捉任何人都没有见过的猎户座大星云最壮观的景象。将近4小时,他一直站在巨大的钢铁边框的望远镜底部,在望远镜追踪从夜空中经过的星云的时候,对它进行着细微的调整。


  这是里奇参与设计和建造的直径152.4厘米的反射式望远镜,当时世界上规模最大、功能最强的望远镜。它巨大的曲形镜面收集来自星云的光线,入射的光子缓慢地将差不多iPad大小的照相玻璃底片上的感光乳剂曝光。之后,一名助理制作了负片,并将其标记为“Ri-0”——里奇那台代表当时最先进技术水平的望远镜拍摄的首个科学图片。

  今天,Ri-0是加州帕萨迪纳卡耐基天文台主办公室内存档的20万张天文学底片之一。这些底片的拍摄日期在1892年到20世纪90年代早期,使用包括威尔逊山、帕洛马山(圣迭戈附近)、拉斯坎帕纳斯(位于智利)、肯伍德(位于芝加哥)天文台的望远镜,底片的尺寸范围从1平方厘米到台式电脑屏幕大小。

  这一系列藏品的规模在美国属第二,包含了20世纪最重要的一些天文观测。正是这些图片,激发了埃德温·哈勃对膨胀宇宙的领悟,引导乔治·埃勒里·海耳发现了太阳磁场,为恒星和星系形成的理论提供了观测基础,也为人类与太空的故事谱写了新的篇章。

历史性的天文照片是怎样拍摄出来的

历史性的天文照片是怎样拍摄出来的

  以下是其中一些最著名、最令人震撼的照片。


  太阳磁场


  1908年年初,太阳天文学家、望远镜工程师乔治·埃勒里·海耳开始摆弄专门对红色(长)光波敏感的照相底片。他尤其喜欢在被称为H- 阿尔法的红色波长处观测太阳,该波长的光线是恒星大气层的重要特征。他花了一个月的时间来完善这项技术。1908年,他得到了第一张太阳磁场的清晰图像,显示了围绕太阳黑子的奇怪旋涡,海耳把它们称为谱斑。虽然他错误地假设谱斑是充满旋转电子的气体龙卷风,但这项发现还是使他得出了正确的结论,即太阳能够产生磁场。

  海耳开始通过能够将光线分离成频谱的光谱仪寻找太阳磁场存在的直接证据,这些光谱通过一系列垂直的线条来表示。为了将这些线条展开到能够让他清晰地看见细节,海耳把一台9米的光谱仪放在威尔逊山152.4厘米太阳望远镜下方的混凝土井里。他用43厘米长的玻璃底片来捕捉投射的光谱,就像那张可能是由他本人制作的底片一样。当对太阳表面光谱线和太阳黑子的光谱线进行比较时,他发现太阳黑子在对光进行极化的同时,将其中一些线条分裂成了若干条。在太阳光谱的底片中,被分裂的线条被标注为K 和H。这种分裂叫作“塞曼效应”,为地球之外存在磁场提供了第一个确切的证据。


  哈勃有名的“VAR!”启示



历史性的天文照片是怎样拍摄出来的

历史性的天文照片是怎样拍摄出来的


  1923年秋季的一个夜晚,埃德温·哈勃对当时叫作仙女座星云的天体进行了45分钟曝光。当时,天文学家在争论他们通过望远镜看到的这个螺旋状的斑点(或者叫作“星云”),是在我们银河系内的小型星团,还是远处大很多的“宇宙岛屿”。哈勃希望能够彻底平定这场争论。

  当他拿到底片的时候,以为自己看到了一个处在仙女座外围一条旋臂上的“新星”,或者叫作星体爆炸。他将小黑点标为“N”。但是当他将这张底片与其他不同日期拍摄的照片做比较的时候,意识到这颗星实际上是造父变星,一种产生有规律亮度变化的恒星。通过测量它相对于其他已知变星的周期和光度,哈勃计算出了它的距离,因此证实仙女座是银河系之外很远地方的一个巨型恒星系统。在激动中,哈勃划掉了“N”,并在其位置上写下了“VAR!”。

  为了寻找更多造父变星来证实他最初的发现,哈勃拍摄了数十张仙女座的底片。与他所处时代的很多天文学家一样,他给这些底片加上了彩色的注释,用圆圈和箭头标识出候选的造父变星、参照恒星,以及其他值得注意的天体。他给每一个经过确认的造父变星写了编号,通常后面带一个感叹号,就好像他在抑制内心的激动。在那张1924年拍摄的底片的数字翻印版中,你可以在左下角看到标注“V4!!!”。

  “ 我的上帝,全是恒星!”

  虽然哈勃证实了仙女座是一个巨大的星系,很可能充满了上百亿颗恒星,天文学家却花了将近20年才最终解析出它高密度中心区域的恒星。第一张照片拍摄在一张17厘米的底片上,它是在非同寻常的情况下产生的。

  1943年,在第二次世界大战的高潮时期,天文学家沃尔特·巴德在威尔逊山工作。作为一名德国籍公民,巴德被禁止参与战争任务,因此他晚上有时间凝视洛杉矶上方的星空。而此时因为战时灯火管制,这片天空暗得令人欣喜。一天晚上,他将天文台那架254厘米望远镜对准了仙女座,第一次捕捉到了星系中央单独的恒星。这张照片为巴德将恒星分为两类奠定了基础:占据着星系旋臂的年轻炽热的恒星,以及位于星系中央年老冷却的恒星。
  在60多年之后,这张照片仍然令人震惊。美国航空航天局天文学家简·瑞格比2015年拜访卡耐基天文台的时候,在小型放大镜下察看了这张底片,惊呼道:“我的上帝,全是恒星!”

  奇怪星系里的超新星

  刚刚离世的天文学家霍尔顿·阿尔普最著名的成就是他1966年出版的《罕见星系图册》,他为这本图册拍摄了数百张具有奇怪形状和行为的星系照片,其中就包括斯特藩五重星系——远在3亿光年之外、处于激烈碰撞中的5个密切互动的星系。图册在圣迭戈帕洛马天文台发表5年后,在一张新拍摄的卓越照片中,他鉴定出了一颗超新星(右页左上图中标注为“SN”),爆炸于一个月之前。这张底片上其他箭头指向的是参照恒星,阿尔普用来计算该超新星在太空中的坐标。
  在一张拍摄于1964年较早期的照片中(右页左上图),这颗闪耀的爆炸体显然消失了。


  一次彻底的星系调查

  20世纪70年代末期和80年代早期,哈勃曾经的助手艾伦·桑德奇及其合作者对处女座星系团进行了一次彻底调查。处女座星系团组成包括我们银河系在内的超星系团的核心。为了进行这项工作,天文学家制作了67个巨型的、50.8厘米的方形照相底片,它们一起将2096个星系编成了目录。桑德奇煞费苦心地对每一个星系进行定位和测量,用红色和绿色的墨水直接在底片上注释它们的目录号和量级。

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