Google Sky里的"飞碟"到底是什么

Google Sky里的"飞碟"到底是什么
Google Sky里的"飞碟"到底是什么

Google Sky里的"飞碟"到底是什么
"如果你知道这些图像是如何获取的,甚至自己动手处理过原始的数据,那么这些所谓"天体"的来源自然也就不神秘.这篇短文就是尽量以简明的逻辑和比喻说明这些神奇"天体"的来源.当然,虽然我算是天文人,但是毕竟所学所做和这些还是差了十万八千里.因此哪些东西说得不对,还恳请诸位不吝赐教.部分地方为理解的直观牺牲了严谨性,还请见谅 作为天文学研究的主要方法,"巡天"(sky survey)为我们认识天体的形成与演化,宇宙的起源和命运提供了至关重要的实测数据.在没有CCD的年代,天文学家利用感光胶板将天空中的某片区域,甚至是当地能观测到的整个天空,一小块一小块地拍摄下来.而后来,随着设备和技术的进步,我们不仅能获得天体从无线电波到伽玛射线各个波段的图像,还能获得天体的光谱.现今的大型望远镜,科学计划中都或多或少涉及到巡天研究.无论是区域覆盖,深度以及速度,都远远超过当年.
而互联网的发展,使得原本只在科研机构之间交流的巡天数据,也能"飞入寻常百姓家".我们可以随时免费使用的worldwide telescope和google sky就是这样的例子.这些网站和软件将专业天文设施获取的巡天图像处理拼接,以友好的界面呈现在我们面前,使得网友们坐在家里,便能窥探千万光年之外的天体,免费地环游星空.这对于科普,也是很有益处的.
如果你仔细地观察过里面的图片,就能发现一些不寻常的东西:他们看起来不像是恒星,星云,星团或者星系.其实,这些巡天所提供的图像并非"眼见为实"的:许多这样奇怪的东西被称作artifacts,即"人为的","非自然的".例如,在图像上拉出线的很可能是人造卫星或者飞机.但是有另外一类奇怪的东西,似乎也挺常见.更为惊奇的是,他们都有规则而清晰的形状,形似碟型天线.这些东西是怎么形成的
如果要追究这些东西的来源,那么我们必须刨根问底.
这就是一张典型的"UFO"图片 人造卫星或者飞机而造成的artifacts都有显著的特征:他们通常是单一颜色的.这是因为,我们看到的天文图像并非"傻瓜相机式"一次性拍摄完成的.天文研究所用的感光胶板和现代的CCD都只对光的强度敏感,不能分辨颜色(换句话说,这些都是"黑白"的).如果要获得和颜色有关的信息,那我们必须在胶片或者CCD之前加上某种颜色(即一定波长范围)的滤光片.然后,换用不同的滤光片对同一片区域拍摄若干次,这样我们就能获得各个波段上的影像.如果我们想看"彩色相片",那我们只需要用电脑软件将不同滤光片拍摄的天体图像"染"上不同的颜色,再把这些图像都叠加起来,我们就得到了彩色版的图像.(ps.通常而言如此,但是某些巡天利用分束镜可以同时获得不同波段的图像,例如SDSS.)
因为各种色彩的图像并非同时拍摄的,所以如果拍摄期间天上有东西飞过,那么那只会在某个色彩的图像中留下印记.这也就是缘何飞机或者卫星划出的痕迹都是单一的颜色.和这个有关的一种现象是,如果天上有运动比较慢的天体,例如小行星,那么我们在不同滤光片下拍摄的图像中这个天体的位置是不同的.最终合成的图像中,这个缓慢移动的天体就会留下一列彩色的斑点.通过判断这些彩色的斑点,我们也可以得知拍摄这幅图像一共用了哪几个颜色的滤光片.
好,接下来我们重新检查之前提到的这种奇怪的影像.这些东西貌似大多数都是蓝色的,我们可能会草率地得出结论:这些可能是类似飞机或者卫星一样留下来的痕迹.但是,这样的说法似乎不能解释这些奇怪物体的规整清晰的形状,也不能解释为何有些这样的东西会是多种颜色的,而非纯粹蓝色的.莫非这真是天上停留的某种天体,或者UFO之类的?在得出这些结论之前,我们还必须确认这是否是因为仪器或者观测而导致的.
那好,我们再仔细地观察下这些神奇的东西.能够看出,这些奇怪的影像在形态上似乎有些相同之处:形似圆盘,但是上面有附带一些其他的结构(十字形的结构).而且,他们似乎是半透明的.这也说明,他们不像是事实存在的天体,而可能是某种光学效应(形如镜头眩光一类的).而且,导致这种现象的光学效应很可能是相同的.那我们先来验证下这种思路是否能解释这些奇怪的东西.
我们接下来考虑,用形似镜头眩光的道理能否解释这样的物体.镜头眩光的产生要求有很强的,而且比较小的光源.例如照相机对着远处的路灯,或者在视角比较大的时候对准太阳.镜头眩光是因为来自强光源的光线会在镜头内部反射(因为光线照到玻璃和空气的界面上,如果不是发生全内反射的话,通常都是一部分透过而一部分被反射).这部分反射的光线在透镜的表面多次反射之后,最终会有一部分到达探测器上,因此就能留下本来不存在的光影.因为镜头眩光发生的时候,亮光源和周围环境相比光强度差别悬殊,因此即便是反射的那一小部分光,强度也会比其他位置强出很多,因此也能在图像上留下一串影子.(这如果严格地讲,要牵扯到表面亮度,通量,照度等麻烦的问题.暂且忽略吧.)
镜头眩光往往是亮暗大小均不相同的的一列光影.通常光影的数量能够侧面地反映镜头内部结构的复杂程度(毕竟越复杂的镜头,能提供的折射反射路径越多嘛).而即便我们拍摄点光源,那么我们仍然能够得到大小不一的光斑.这说明,对于其中很多光斑,探测器所在的位置并非产生这个光斑的折射-反射路径的光线汇聚的焦点.当处于失焦状态的时候,就容易把点光源拍摄成光斑.
其实我们可以做个小实验来验证下.天文望远镜用的球面反射镜成像和照相机用的透镜组成像在原理上是相似的.如果你手头有单反相机,不妨换个能将f值调节到尽可能小的镜头.然后,在硬卡纸上用刻刀挖个形状随意的洞(这就要发挥你的美术天赋了),洞的大小要略小于镜头透镜的口径.将这个有洞的卡纸蒙在相机镜头前,然后在夜晚寻找个明亮的点光源(例如远处的路灯),手动调节焦距到失焦状态,然后对着光源拍照.这时候,你应该能得到光斑而非光点.光斑的形状,恰好就是你在卡纸上剪出的洞.
许多摄影爱好者用这种方法,能将失焦的点光源拍摄成自己想要的图案.而与之类似的是,当你缩小光圈在失焦状态下拍摄遥远处的灯光时,你能看清楚自己光圈的形状.而这种"焦外"在摄影中如果能运用得好,会让照片增色不少.而各种镜头的"焦外",也是摄影爱好者津津乐道的话题.而我们蒙在镜头前的卡纸,此时充当"孔径光阑"的作用:即成像系统中实际控制进入系统光总能量的一个"阀门".记住,未必最外面的就是孔径光阑,镜头内部的某个光阑(如光圈等)也可能成为实际限制光束能量的元件.如果这时候用几何光学成像原理把这个光阑做个等效的替代品,那么它必然会小于我们蒙在外面的那张硬卡纸的.
镜头眩光,形状大致反映了孔径光阑(在这里是光圈)的大致形状.(网络图片) 为什么会产生这样的效果呢?直观地考虑,当你把这张挖了洞的硬卡纸放在点光源前,然后在后面竖张白纸,那么纸上留下的影子应该就是洞的形状.如果这时候我们用透镜(这和天文望远镜的球面反射镜在成像原理上是相通的),或者透镜组将光线汇聚起来,那么在焦点处,光线应该汇聚为一点.而在焦点之外,我们能"拦截"到的光斑应该还能保留你挖的洞的形状.依据成像公式1/f1+1/f2=1/f (其中,f1,f2,f分别为光源距透镜的距离,成像焦点到透镜的距离,以及透镜的焦距),对于不同距离处的物体光线汇聚的位置也不同.
如果我们将这些光斑的折射反射路径追溯回去,那么我们可以通过几何光学的方法找到一个在透镜组之外的等效光源:在这个位置如果放置一个光源(只考虑这个光源的折射效应),那么也会在图像上出现一个相同位置和大小的光斑.因为等效光源所在的位置并非镜头焦点所在的位置,故我们实际上等同于拍摄了一系列失焦的光源.(当然,严格地说,这里面必须要考虑光的波动性,焦点处并非光点而是艾利斑,而衍射也必须用科尔霍夫积分公式严格计算.如果仅是几何光学分析,那么这样已经足够说明问题.)
好,这和我们的天文望远镜又有什么关系呢?我们首先调查下,Google sky的图像是用什么望远镜拍摄的.借助搜索,可以了解到这些图像其实源自"数字化巡天"(Digitalized sky survey, DSS),而DSS的原始数据并非用CCD拍摄,而是在50年代帕洛马山天文台利用施密特望远镜和感光胶片拍摄,然后在90年代扫描到计算机中的.(话说真是历史悠久了...)光学成像的原理对于CCD和感光胶片都是相通的,我们这里分析一下施密特望远镜.
施密特望远镜结构示意图,来自英文维基百科 施密特望远镜是反射望远镜的一个变种.与业余爱好者用常用的折射望远镜相比,施密特望远镜的成像探测器(无论是胶片还是CCD)是靠支撑装置安装在镜筒中央的.而与反射望远镜相比,施密特望远镜在前端还多了一块修正透镜.施密特望远镜这样的设计不仅能使视场很大,还能避免球面相差.换句话说,施密特望远镜和其他望远镜相比,视野范围更大而且还能保证较好的成像质量.这也使得施密特望远镜常用来做巡天.
下面是笔者在国家天文台兴隆观测基地拍摄的施密特望远镜内部结构.这是镜筒中心成像的那部分,中央银光闪闪的那部分就是CCD及冷却装置所在的位置,而旁边的黑色罐子则装冷却剂(天文观测经常需要将CCD冷却,这样可以抑制热噪声).外面围绕一圈的是各种颜色的滤光片,需要哪个机械臂就把哪个放下来.而在银光闪闪的那部分结构下面,则是支撑探测器及冷却系统的十字形支架.
国家天文台兴隆观测基地的施密特望远镜内部结构 好,这里的十字形支架让我们想起google sky里面的神奇的光影.其实如果这部分成为孔径光阑的话,我们观测点光源看到的焦外光斑应该就能看出十字形的结构.如果你手边有架天文望远镜,也可以尝试下,在主镜前面用硬纸加个十字形的框架,然后去观测最明亮的星星,或者很远处的路灯.然后略微调节焦距,使得视野中不再是锐利的点,而是弥散的光斑.此时你有可能看到,天上所有的星星都成了圆饼加十字形的"UFO".
这个解释还是比较靠谱的.我们在Google Sky看到的这种东西很可能是望远镜"失焦"后,望远镜内部的十字形支撑结构留下的影像.那么最后的问题就是,这个光源到底是什么?它位于什么位置? 如果把天文望远镜和照相机镜头相比,那么望远镜的焦距就是固定在无穷远处(天上的星星实在太远了,呵呵).这些光影可能是位于有限远处的光源(或等效光源)造成的.为了避免杂光的影响,天文观测都会竭力排除各种可能的干扰光,天文学家也不会如此堂而皇之地让这些"污染源"留着.而施密特望远镜是反射望远镜,不像透镜可以通过多次反射产生"镜头眩光".这又是怎么回事?