深空天体观测的秘密

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着：Alan M. MacRobert  译：Steed Joy

   好了，你已经将望远镜瞄准了你想看的天体，你相当肯定这一点。根据你使用的星图，寻星镜的十字叉丝已经指向了确切的位置。现在，你希望能看到些什么呢？

  很可能比你期待的要差很多——但一定比它留给你的第一印象要好一些，第一印象往往是最令人失望的。

  如果你的目标是颗明亮的恒星，那它会更明显，更美丽，但却毫无细节可言。在望远镜中，恒星是个明亮的光点，就像用肉眼看到的一样，只是更明亮一些。比恒星有趣得多，但通常也更难观测的，是深空天体：星云，星团，和星系。用中等的望远镜就可以看到成百上千的，像幽灵一般、令人难以捉摸的光晕。

  例如你已经对准了梅西耶87（M87），这是春季夜星中一个巨大的椭圆星系，距离我们5千5百万光年。在目镜中，你会看见一个细小的、不成形的、非常暗弱的灰色烟斑，浮现在几颗恒星的光点之中。尽管成功地找到它也会带来一种令人激动的成就感，但许多新手都会对这种景象感到失望。“难道所有的星系都是这样子吗？这一点儿也不像书上的照片！”

  你刚刚验证了一个事实，人类的肉眼并不适合在黑暗中工作。这与相机在低亮度下的工作情况完全不同。我们是在阳光下进化而来的昼行型动物；我们的眼睛并没有专门对夜晚进行设计。你用肉眼看到的星系永远不可能像书中随处可见的照片那样壮观。但是这才更有挑战性。许多深空天体在长时间、适当的观察下，的确能够展现出大量令人吃惊的细节——即使是我们与生俱来的、不完美的眼睛也能看到。

  望远镜对深空天体所起的作用，与对月球、行星和地面风景所起的作用完全不同。对后者来说，它的主要作用是放大遥远的细节。而对于深空天体，望远镜的主要作用是为你不敏感的眼睛收集更多的光线。看不到深空天体的主要原因，不是因为他们太小，而是因为它们太暗。

  因此，深空天体观测拥有其独特的技巧。所有技巧都是为了帮助眼睛看到几乎完全黑暗的东西。以下是每一个观测者都应该知道的一些要点。

配图说明：坚持不懈。使用一架7英寸反射望远镜，Tony Flanders在马萨诸塞州，剑桥市的这个公园中征服了全部梅西耶天体。尽管身后就是大型商场的泛光灯，Flanders利用娴熟的深空观测技巧能够看到超过一百个星团，星云和星系。S&T / Craig Michael Utter

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影响深空天体观测的一个最重要的因素就是光污染。在所有我们能列出的天体中，它对暗淡的面状天体影响最大。黑暗天空的影响程度甚至超过了望远镜口径的影响；一架小望远镜在农村可以看到的暗星云和星系数目，比城市中的大望远镜要多许多。

  有人说，即使住在严重光污染的地区，你仍然可以透过天光看到深空天体，从而得到快乐。纽约的观测者Jenny Worsnopp在她曼哈顿的楼顶上几乎找遍了所有的梅西耶天体；马萨诸塞州，剑桥的天文爱好者Tony Flanders也在城市公园里实现了这一目标。只要记住，不要因为看似平庸的结果而责备你自己或是你的望远镜。更好的选择是，记得把你的望远镜带到乡下别墅里去。


配图说明：你能够通过严重光污染（左图）观测到猎户座大星云M42，但在黑暗、无月的天空中（右图）可以看到更多细节。M42是两张照片中靠近底部的光斑。这些照片中包括了猎户的腰带（靠近顶部）和宝剑。S&T / Dennis di Cicoo

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人类的眼睛需要一段时间来适应黑暗。只要你走到黑暗的环境中，眼睛的瞳孔只需要几秒钟就能扩张到差不多最大的程度。但是黑暗适应度最重要的部分与视网膜上的化学变化有关，这通常需要很长时间。

  在完全的黑暗中呆上15分钟后，也许你会认为你的眼睛已经完全适应夜视了。但事实上，你的眼睛在接下来的15分钟内，对星光的敏感程度还可以增加2个星等——亮度相差6倍。此后的90分钟，甚至更长时间里，黑暗适应度仍然在非常缓慢地增加。因此别指望在观测的最初半个小时，甚至更短的时间内，能够很好地看清暗淡的天体。

  实际上，完全黑暗是不可能达到的。即使不考虑光污染，你仍然需要一些光线来看清你正在做的事情。天文学家长久以来一直使用昏暗的红色手电筒来照明，因为红光对夜视能力的伤害最小。在接近黑暗的环境中，你是用视网膜上的杆状细胞来看东西的，这些细胞几乎看不见可见光波段的红色部分。你能看见红色的光线，是视网膜中的锥状细胞在起作用；锥状细胞可以帮助你在白天分辨各种色彩。（你有三种锥状细胞——红色，绿色和蓝色——但只有一种杆状细胞，对红光不敏感。）你可以使用红色锥状细胞来阅读星图和操作设备，从而保护你的杆状细胞能够灵敏地看清目镜中的东西。

  你可以用橡皮筋在手电筒前面绑一张红色的纸，这样就可以得到昏暗、弥漫的光线。你也可以在一个两节电池的手电筒上换上适合3到4节电池手电筒使用的灯泡，从而得到更暗，更红的光线。然而，比这些传统手法更好的选择是红色LED（发光二级管）手电筒。它高纯度，深红色的光线可以更有效地区分杆状和锥状细胞的作用范围。现在已经出现了许多专为天文爱好者设计的LED手电筒。

  另一个保护黑暗适应度的秘诀是，用一只眼睛观测，另一只眼睛阅读星图。当不进行观测时，闭上那只观测用的眼睛，或者找个眼罩把它遮起来。


配图说明：猎犬座的旋涡星系（M51），左侧是由资深观测者Roger N. Clark使用一架8英寸卡塞格林望远镜在完美的黑暗天空中所做的素描，右侧是由亚历桑那州基特峰上装备了CCD的0.9米（36英寸）望远镜拍摄的照片。这是第一个用眼睛观测到旋涡结构的“旋涡星云”。分别由Roger Clark和NOAO提供。

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当你直视某样物体时，它的影像会投射到视网膜的中央凹上。这个地方遍布了适应亮光的锥状细胞，在强光下可以提供最锐利的分辩率。但是这个小凹对弱光几乎是无能力为。因此为了看见暗淡的物体，你不得不把视线稍微移开一点。这么做是为了让目标物体的影像离开中央凹，投影到视网膜中包含更多杆状细胞的区域，这种细胞只能看到黑白世界，但对光线的敏感程度却比锥状细胞强得多。

  为了实验这种效果，请直视一颗亮度适当的暗恒星。它会消失不见。把你的视线移开一点；它又会再次出现。

  练习将你的注意力集中在稍微偏离视线中心的物体上。这种技巧被称为转移视线。在深空观测时，几乎在所有场合下都需要使用这一技巧。

  实践表明，当目标朝着鼻子方向，偏离视线中心8°到16°时，眼睛对暗淡物体最敏感。向上偏离视线中心6°到12°时，也同样敏感。要避免将目标朝着耳朵方向偏离太远；这样影像会移到视网膜的盲点上，这样就完全看不见了。

  实际上，目标应该偏离中心多远，这是个非常矛盾的问题。偏得不够远，就起不到最大的暗视效果；偏得太远，又会丧失分辩细节的能力。

  你的间接视力对运动物体高度敏感。在特定的情况下，晃动一下望远镜就会使一个大型、暗淡的星系或者星云幽灵般地浮现在视野中。当晃动停止时，一切又会消失在迷离不清的天空背景之中。

  但在其他情况下，只有完全相反的技巧才能适用，尤其是对那些即小又暗的天体。科罗拉多州天文学家Roger N. Clark在1990年出版的《深空天体的目视天文学》一书中记载，有些研究表明肉眼事实上可以像照相底片一样，长时间累计光线——只要这一影像能够保持完全静止。在明亮的光线中，眼睛的积分时间，或者说“曝光时间”，只有大约1/10秒。但在黑暗中，Clark声称，事情就完全不同了。只要你能够将图像保持在视网膜上足够长的时候，肉眼就可以在长达六秒的时间内累计曝光，合成一张可以看见的暗淡影像。这么做与我们的本能有点背道而驰，因为在明亮光线中凝视某件物体，时间久了反而会看不清楚。

  长时间曝光也许可以解释，为什么有些资深的观测者能够看见的深空天体，初学者却看不见。也许是因为老手已经在无意中学会了什么时候应该保持眼睛静止。这也有助于解释为什么保持身体的舒适对于观测暗天体是如此的重要。疲劳和肌肉收缩都会增加眼睛的移动。


配图说明：金牛座的蟹状星云（M1），左侧是基特峰4米反射望远镜拍摄的照片，右侧是Roger N. Clark在极好的黑暗天空中用8英寸卡塞格林望远镜画的素描。分别由NOAO和Roger N. Clark提供。

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传统的想法认为，低放大率（低倍率）对深空天体观测更为有效。毕竟，低倍率将面状天体的光线聚集在更小的面积内，增加了视表面亮度（照到视网膜上每平方毫米的光线总量）。但是，就像Roger Clark已经证明的那样，这个假设通常是不正确的。许多暗淡的深空天体更适合用高倍率观测。其中的原因非常微妙，也很重要，下面我们会说得更详细一点。

  与相机和其他纯机械的光学系统不同，肉眼在暗弱的光线下分辨率会降低。这就是你不能在晚上阅读报纸的原因，即使你能够看见报纸，即使夜晚你的瞳孔扩张得更大，理论上应该可以比白天更清楚锐利地看清上面的文字。研究表明，肉眼在明亮的光线下，可以分辨小到1角分（1/60度）的结构，而在夜晚的暗淡光线下，连20到30角分（1/3到1/2度）大小的结构都无法看清。这差不多相当于肉眼看月球的大小。因此，只有在将它们放大到几十个角分时，极暗天体的细节才能被分辨出来，这通常需要使用非常高的倍率！

  肉眼为什么会是这样的呢？这与我们的眼睛处理夜晚光线的方式有关。照相底片是被动地记录光线，而视网膜神经系统则拥有强大的计算能力。在暗弱的光线中，视网膜会与邻近的区域比较信号。一个只能投影在一小块面积上的暗淡光源——比如目镜中的一个小星系——可能完全看不到。但是它的确被视网膜记录到了，证据就是拥有同样低表面亮度的较大的星系就可以很容易看到。实际上，当杆状细胞看到一个可疑的光信号时，它们会向周围其他的杆状细胞询问有没有看到这个信号。如果答案是肯定的，这个信号就会通过视觉神经传递到大脑中。否则，这个信号就会被丢弃。

  当一个像被放大到高倍率时，它的表面亮度的确变暗了。但是进入眼睛的光子总数仍然是相同的。（光子是光线的基本粒子。实验表明大部分人能够感觉出低到每秒50到150个光子的亮度。）实际上光子分散在更大的面积内并没有太大关系；视网膜的图像处理系统会处理它们。当然必须在一定的亮度以上。合适的放大倍率必需满足以下的平衡：即影像要有足够大的角直径，表面亮度又不能降得太低。

  所有上面这些对深空观测意味着什么呢？简单来说，对任何天体都尝试使用不同的放大倍率是个明智之举。（更明智的选择，高质量变焦目镜会让这一切变成小事一椿。）你会惊奇地发现，在不同的倍率下，看到的东西会相差得如此之大。

  还有一点：有些人相信长焦距（大焦比）的望远镜中的暗天体图像比短焦镜中的更清晰，对比度更高。但焦比并不是关键。这可能只是因为长焦望远镜的放大倍率更高！（也可能长焦镜的光学性能更好，因为“慢”反射镜或是折射镜片总是比“快”镜更容易制造。）


配图说明：一个现代的、高质量的变焦目镜，比如这个由Orion Telescopes & Binoculars 公司出产的8mm到24mm型目镜，可以帮助你旋进旋出，以寻找最适合观测某一星团，星系，或星云的放大倍率。S&T / Craig Michael Utter

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深空天体经常使初学者失望，并不仅仅因为缺乏细节，还因为缺少那种照片上记录到的绚丽色彩。

  为了能够向我们显示出色彩，深空天体的表面亮度必须亮到足够刺激视网膜的锥状细胞——如此明亮的深空天体屈指可数。猎户座星云（M42）的最明亮部分满足标准，还有一些细小，但表面亮度够高的行星状星云。对暗淡物体的颜色辨别能力因人而异，差别很大，这很令人吃惊。

  转移视线法并不适用于捕捉色彩。锥状细胞最密集的地方是中央凹，因此请直视你的目标。在这种情况下，最低的有效放大率效果最好。大口径望远镜对那些寻找深空天体颜色的人们尤其有利。


配图说明：左图：我们习惯于美丽的彩色猎户座大星云（M42）。但大部分深空天体在目镜中只显示出灰白色的轮廓（右图）。由NOAO提供图片。

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对每个深空观测者，即使是那些使用电脑寻星望远镜的人，非常详细的星图仍然非常重要，比如《Uranometria 2000.0》和《Millennium Star Atlas》中的那些星图。如果你知道暗深空天体在你望远镜视野中的确切位置，就能更确定地看到比平时暗一个星等的天体。这相当于把你的望远镜口径增大了60%。

  当你全神贯注于一个非常接近视力极限的深空天体时，经过10到15秒之后，有没有感觉越来越看不清楚呢？是天空的背景亮度增加了吗？问题在于：你不知不觉地摒住了呼吸。低氧状态可以迅速破坏夜视能力。一位老变星观测者的秘诀是，在试图观测非常暗弱的目标之前，先进行15秒左右的深呼吸。观测时则应该保持呼吸均匀。

  酒精、尼古丁，和低血糖也会减弱夜视能力，因此进行深空观测时不应该饮酒、吸烟，或者饿肚子。带上一份快餐。缺乏维生素A也会削弱夜视能力，但如果你已经有足够的维生素A，再多吃也不会有任何好处。发达国家中，几乎没有人会缺乏维生素A。因此别指望胡萝卜汁能够提高你的夜视眼。

  在强烈的阳光下呆得太久，会降低此后几天内你适应黑暗的能力，因此如果长时间在户外活动最好戴上太阳镜。必须使用标签上注明防紫外线的太阳镜（不管是UVA还是UVB）；有些便宜货是不防紫外线的。经年累月的太阳紫外光（也许还有更明亮的可见光）会使我们的晶状体和视网膜逐渐老化，降低敏感性，增加视力疾病发病的可能性，比如白内障和晶状体浑浊。因此，如果你在户外佩戴普通眼镜的话，请你的验光师在镜片上加镀一层紫外滤膜。这是个既便宜又简单的方法，可以大大地减少你一生中暴露在紫外线下的时间，因此不管医学上有没有即刻的需要，任何一个戴眼睛的人都应该加镀紫外滤膜。

  最重要的是，要有耐心。如果最初你在星团、星云、或者星系应该出现位置上什么也没看见，那就继续观察。然后你就会看到更多的东西。你会很惊奇地发现随着观察时间的增加，越来越多的东西会闪进你的视线——更暗一点的恒星出现在这里和那里，可能刚好就是你想观测的天体。瞥见一次，就会瞥见第二次，之后你会越来越经常地瞥见它。几分钟后，也许你就可以在原先什么也看不见的位置上持续地看到你的观测目标了。

  你的观测技巧会随着练习而提高，这是毫无疑问的。将视力推至极限的才能是可以后天学习的。“别指望你能够一眼就看到，”18世纪的观测者威廉．赫歇耳写道，他常被认为是现代天文学的开创者。“目视能力在某种程度上是一项需要学习的艺术。我花了许多夜晚来练习观测，如果经过这样持续的练习仍然达不到这种灵敏度的话，反而是件很奇怪的事情。”


配图说明：坚持不懈。使用一架101mm（4英寸）望远镜（虽然是一架高档TeleVue Gnesis），Stephen James O’Meara已经在夏威夷大岛上看到了几百个深空天体（左图）。他描绘的北美洲星云，NGC 7000，（右图）反映了他的娴熟技巧和纯净的观测环境。照片©2001 Donna Donovan O’Meara

大牛

可是光污染实在太重,就算在有毅力再想看好也不行怎么办?

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Originally posted by 大牛 at 2005-7-3 05:20 PM:
可是光污染实在太重,就算在有毅力再想看好也不行怎么办?

多到农村走走!即使50mm口径的也要比城市里用200mm口径的好

unusuallay

！！！！一个字－－棒！！！！
内容真棒！！！！
我收藏啦！！！！

Knight

有助于初学者树立信心，学到了不少东西。具体了解了光污染对天文观测的影响。

unusuallay

恩　是的　因为来了这里　才知道光污染对天文观测有影响呢！！！！

夜猫子

一个字：顶！

hqb300

好文，收藏

天狼星YAN

超好！