想见我,没那么容易
2021-03-18宋媛媛
宋媛媛
拒绝星星“眨眼放电”
“一闪一闪亮晶晶,满天都是小星星,挂在天空放光明,好像千万小眼睛。”如果你仔细观察过夜空中的星星,你会发现正如歌谣中所唱,星星是闪烁的,好像在对你眨眼睛一样。你想过这是为什么吗?
为了解答这个问题,我们先来做一个很简单的实验。找一张满天繁星的图片,在电脑屏幕上放大。然后我们在屏幕前放一盏酒精灯,点燃酒精灯。当我们透过火焰的上层看屏幕上的星空图片时,就会发现一个有趣的现象——图片中的星星开始“眨眼睛”了!
通过这个实验,我们发现星星“眨眼睛”的秘密其实与“流动的空气”有关。酒精灯火焰处的温度高,而酒精灯周围的空气温度低,这种温度差就造成了酒精灯周围的空气流动。透过这片流动的空气,观察屏幕上的“繁星”,我们就看到它们闪烁起来了!
与酒精灯附近的空气流动类似,地球大气中的空气也经常不规则地流动。我们将这种空气流动现象称为“湍流”。我们乘飞机时遇到的“颠簸”就是湍流造成的。当遥远的星光进入大气层时,大气层中的湍流会使光线不断弯曲,我们看上去就像星星在“眨眼睛”。在多风或温度较高的夜晚,星星的闪烁会更加明显。
星星“眨眼睛”对于用肉眼观星的天文爱好者来说影响不大,反而为观测增添了一些趣味性。不过,对于天文学家来说,这可是一个令人头痛的问题。如右图,当双星的星光穿过大气层,被地面上的望远镜接收后,得到的图像竟然是两团模糊不清的斑点。所以,在天文观测领域有一个词常被提起,即视宁度。它指的就是大气湍流的宁静程度,视宁度越好,大气越平稳,望远镜观测到的天体越清晰。
说到这里你可能会有疑问:我们平时用小型望远镜观测月球、金星、木星等天体时,得到的图像非常清晰呀?这里要说明,我们观测的这些天体距离我们都很近,它们能够进入大气层的光线很多,不容易被湍流影响。所以,我们从没见过这些近地天体“眨眼睛”。但是在满天星斗之中,更多的是距离我们非常遥远的恒星,它们发出的光线要经过十几年、几十年,甚至上万年才能到达地球。在这漫长的旅途中,它们的光线已经在宇宙空间中消散了不少,到达地球时,微弱的光线还要经受大气层的考验!在湍流的作用下,这些光线变得弯曲,再被地面望远镜接收到时,就形成了模糊不清的图像。
那该怎么办呢?科学家们索性就把望远镜的镜面也设计成了弯曲的形状。这样一来弯弯曲曲的光线经过这种特殊镜面的反射,反而被修正了。这种技术就叫作“自适应光学”,利用放在望远镜后端的小变形镜来校正大气湍流引起的图像变形。自适应光学校正频率非常高,可以说是配在望远镜上的一套高科技附件。
是不是很神奇?!很多大型的光学望远镜都使用了这种自适应光学技术,如口径8.2米的甚大望远镜、口径8米的双子望远镜和口径10米的凯克望远镜等。这些大口径的望远镜采用了复杂的光学技术,除了要消除大气的影响,还要校正自身因重力等因素导致的形变,以此达到完美的成像效果。
不过你有没有发现,在我们生活的城市里,根本不会出现这些大型望远镜。天文台往往都会建在人烟稀少的高山上,这是为什么呢?其实地面上的望远镜会受到很多环境因素和人为因素的影响。想一想如果你是天文学家,要建造一座天文台,你会考虑哪些因素?将它建在哪里呢?
寻找“暗中之暗”
如果问问我们的父母、祖父母,他们小时候看到的夜空是什么样的?他们一定会给你描述一条美丽如光带般的银河、一片璀璨如珍珠流洒般的星空……可是,这些美丽的景象如今在城市中已很难见到了——因为明亮的灯光。城市经济越发达,夜晚就越“明亮”,各式各样的灯光点缀着城市的夜晚,十分漂亮。不过,科学家们却指出:过量的灯光会给人和自然生态环境造成一定的伤害,同时也会严重影响天文观测。他们为这种来自“光”的危害取名为“光污染”。
如果你去草原、山区等远离城市的地方旅行,夜晚大概可以看到3000多颗恒星!在光照较少的郊区或乡村,夜晚我们大约能看到200颗恒星。而在城市中,夜晚我们只能看到零星几颗恒星。
光污染使我们能看到的星星数量急剧减少。在望远镜被发明出来不久后,很多城市中都建造了天文台,比如法国的巴黎天文台、英国的格林尼治天文台等。如今,因为城市的发展和灯光的影响,这些早期的天文台已经无法再进行专业的天文观测了。1958年,北京天文台在北京回龙观地区建设了沙河天文观测站。这里曾承担着观测“东方紅”系列卫星的重要任务。然而随着城市的扩张,沙河天文观测站逐渐失去了天文观测的功能。了解了这些,你应该知道为什么天文台或者观测站要选址在没有光污染的地方了吧!
寻找一片晴天
找到没有光污染的宝地后,科学家们还要考虑什么问题呢?如果一个地区常年多云多雨或者常受雾霾、沙尘暴的干扰,星星也是很难“现身”的。大气中的气体分子、塵埃和水滴等会将某个方向上的光线散射到四面八方,从而减弱了星光的强度。所以,天文台的选址还要找气象学家来帮忙,当地的云量、年晴天数和年降水量也是必须要考虑的。云量少、晴天多、降水少的地区更适合天文观测。
观星者的“天涯海角”
天文台选址是一项非常重要的工作,往往需要数年的时间。我国云南天文台高美古观测站位于海拔3200米的高原,视宁度好、远离光污染,而且每年平均有250多个晴夜,是非常理想的天文观测地。还有西藏阿里天文观测基地,地处海拔5100米的高原,观测条件绝佳。国外也有很多观测条件非常好的天文台,比如甚大望远镜所在的智利沙漠地区,是地球上最干燥的地区,也是非常理想的天文观测地。
根据我们前面讲的天文台选址要素,你能想到地球上最好的天文观测地在哪儿吗?答案是南极!南极虽然寒冷,但那里的大气条件非常理想,最重要的是南极有极夜现象,可以连续4个多月不间断地进行天文观测。目前,我国已在南极大陆最高点的昆仑站建设了三台50厘米口径的大视场望远镜。这些望远镜不需要科学家现场值守,只需远程控制就能在低温环境下完美地完成天文观测任务!
为了逃离波动的大气和光污染,人类煞费苦心,把天文台搬到了各种无人之境。高山、南极,还有太空!太空,没有大气层的干扰和光污染的影响,观测条件显然是最好的。现在我们看到的很多高清天体照片都来自太空望远镜,这些太空望远镜各司其职,在不同的波段下为人类探寻着宇宙的奥秘。负责光学波段观测的哈勃太空望远镜,为我们带来了大量震撼的星空美景,负责X 射线波段观测的“慧眼号”硬X 射线调制望远镜则为我们探测到了中子星、黑洞、引力波等。
现在你知道为什么星星会说“想见我,没那么容易”了吧?!正是科学家们历经百年的探索,才在重重阻碍之下为我们“摘”得了一颗又一颗星!