NASA:7张系外行星“高清大图”是如何诞生的

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  作者:Marina Koren

  翻译:Oicebot

  编辑:Ent

  美国国家航空航天局( NASA )上周宣布,在距离地球近40光年的一颗名为 TRAPPIST-1的恒星周围发现了七个大小与地球相仿的行星,其中一些行星的轨道在恒星的宜居带内,在那里可能有液态水存在。

  与此同时,他们还公布了一组“高清大图”:


图片来源:NASA / ESO / JPL

  不用说,这并不是这些行星的真正模样,更不是天文学家看到的模样。望远镜所接收到的数据,其实更类似这样的:


图片来源:NASA / JPL

  对,就是那些“掉下来”的小白点儿。这才是我们真正看到的东西。

  所以这些高清大图,或者说“艺术家想象图”,都是瞎画的咯?

  也不全是。虽然这些图来自想象,但并非毫无依据的想象——它们是加州理工红外处理分析中心(IPAC)的艺术家和科学家共同合作的结果。

  十五年前,蒂姆·派尔(Tim Pyle)曾为动画片《入侵者 Zim》绘制了太空船。 这些天,他和他的同事罗伯特·赫特(Robert Hurt)用画笔展现出了系外行星环绕银河系中的恒星运行的图景,以艺术手段呈现出了只在数据中显示为微小尖峰信号的未知世界。


  《外星入侵者Zim》

  为这些发现绘制想象图是派尔和赫特接过的最大任务之一,而他们已经在IPAC共同工作了12年。 他俩共同绘制了许多系外行星的想象图,例如以发现它们的太空望远镜命名的开普勒-62f 、开普勒-186f 和开普勒-452b 等行星,以及其他太空景象。


  还记得开普勒-452b吗?

  在派尔来到加州理工学院之前,他曾在包括《天才小子吉米》和《海绵宝宝历险记》等动画剧组工作过,还为《X战警》等电影提供了视觉特效。赫特是一个热爱艺术的天文学家,他加入 IPAC时的工作是扫描天空、搜索星球及星系,然后又将自己的两个爱好合并在了同一个工作中。 “我们俩刚好阴阳互补,”赫特说。 “一个是对艺术有浓厚兴趣的科学家,一个是对科学有浓厚兴趣的艺术家。

  这样的创作需要艺术家和天文学家之间几乎不间断的来回沟通。发现这些行星的天文学家们来自列日大学、麻省理工学院以及其他机构,他们给了派尔和赫特所有关于 TRAPPIST-1 的七个系外行星的信息:它们的估算尺寸、围绕恒星公转一周的时间以及它们彼此的引力相互作用——这提供了关于它们质量的一些线索。他们共同提出了一组“可信模型”,描绘这些遥远异星世界的可能外貌。他们使用现成的商业软件,例如 LightWave 3D、Adobe After Effects 和 Photoshop。

  但要如何描述我们看不见的东西?天文学家从我们能看见的东西里吸取灵感——也就是太阳系里面的天体。

  最内层的行星 TRAPPIST-1b, 是以木卫一为蓝本绘制的。它俩都是紧密地围绕着它们的恒星或者行星,并都受到强烈的照射,使得这两个星球的表面都变成火山地貌搅动着岩浆的橙红色。木卫一和行星b都已被潮汐锁定(TRAPPIST-1星系的其他行星也是如此),这意味着它们有一个面永远朝向其所环绕的天体。


  接下来的行星 c 远离了恒星最火热的区域,但恐怕还是有足够的热量使水分全部蒸发,因此画成了一个灰白的岩石世界。


  行星 d 就像一个双面人,因为足够深入宜居带,因而它黑暗的一面可能存在液态水,但不足以让白昼一面也有。赫特沿着昼夜分界线——也就是星光和黑暗的交汇处,那里的温度可能恰到好处——洒下了一缕绿松石色,暗示了液态水的可能。


  行星e和f似乎比它们的兄弟姐妹密度小。因为水比岩石的密度小,所以它们被画成了像地球一样的水世界,旋转着蓝色和白色。



  天文学家不知道这些行星中的任何一个是否有大气,但是作为同伴之中最大的行星g,似乎最有可能拥有一个大气层。行星g以海王星为蓝本,添加了几丝云彩。赫特选择将它涂成绿色,以避免和我们自己的太阳系中的巨大气态行星过于雷同。


  作为人们能探测到的最后一个行星,科学家们对行星h的情况知道的最少,但任何离恒星如此之远的天体应该都会极其寒冷,所以行星h被描绘成了一个大冰球。


  倘若有人觉得对于这广袤的空间来说,这个星系中的颜色未免有些过于生动、过于丰富了,请想想冥王星吧。这个矮行星长期以来一直被认为是由冰和岩石的黑白球体,直到两年前飞越冥王星的新视野号才揭露了它的真面目。


  好好地、认真地看看上面这些图像。放大看。因为很重要的一点是,天文学家和艺术家是以如此之少的信息为基础,去完成这个想象图的。天文学家使用 NASA 的斯皮策空间望远镜( Spitzer Space Telescope,一个运行在距地球表面约370英里的空间轨道上的红外望远镜)检测到了七个行星。望远镜在行星通过 TRAPPIST-1 前面时测量红外光的减少量,天文学家通过这些细微的光量变化获取到了他们现在能够得到的全部信息:尺寸,与恒星的距离,轨道周期,质量,类型。 看看这些数据:


  每一个间断处代表一颗行星的经过。就是这些而已。

  所以,其实这些画作经历过许多尝试。 一些初始的设计跑得有点太远了。 “在每个行星的概念设计中,我们会给它们打个初稿,把稿子发送给科学家,那些我们发挥得太过自由的部分会得到一大堆反馈,然后科学家会帮助我们,把这些想象部分引导得更接近模型所支持的方向。” 派尔说。但天文学家也为艺术做出了一些让步。比如, 艺术家减少了科学家们预计在一些行星上应有的云量,以暴露更多的地表特征。

  天文学家一开始希望恒星 TRAPPIST-1 的想象图能符合它的名字。它是一颗红矮星,又小又冷,大部分能量以红外线的形式向外辐射,正好在可见光谱之外。赫特向天文学家指出,人类并不能看到这种红色,成功地让他们重新考虑这个要求。“天文学家的思维是按照他们的仪器数据走的。”赫特说。“从仪器看来,这就是一颗红得难以置信的红色恒星,但大多数的红色恰好落在人类的双眼能看得到的光线范围之外。于是这就给了我们一点创作自由,我们把恒星的颜色从非常非常深的红色,挪到了某种可能让你联想到低瓦数白炽灯的颜色。”

  在整个过程中,赫特和派尔游走在地球风格和异星风格之间。一个与地球太相似的系外行星会让公众对天文学家的发现产生错误的想法;TRAPPIST-1 的行星大小和地球相仿,但相似之处可能也只有这么多了。他们的工作是表达液态水存在的可能性,而不是确定性。就算一点点深绿色也可能无意中暗示着植被的存在。有时你还真需要让它变得陌生——例如,这种想象中行星f的地表景象。


  派尔说他早期的设计稿包括了看起来太像地球的冰山,所以他为之添加了更尖锐的边缘。 “当你看着这张图的时候,我们希望让你产生一种坐在另一个星球上的感觉,而不只是坐在地球的北极。”他说。

  赫特试图通过使用真正的弹珠来设想这些宇宙大弹珠们的定位。 左图是在他的客厅地毯上集结的一群弹珠,而右图是在本周公布了这个发现的《自然》杂志的当期封面图:


图片来源:罗伯特·赫特

  从宇宙的尺度看,TRAPPIST-1 星系差不多和地球就隔了半条街。但依靠现有技术,我们无法直接获取它的恒星和行星的图像。同时——不管NASA的外星旅行海报是怎么宣传的——人类不太可能会抵达那儿,至少不是现在地球上的人类。即使以光速旅行,也需要几乎四十年才能到达 TRAPPIST-1 星系。

  现在,这些想象图是我们能拥有的最棒的图景。


图片来源:NASA

  赫特希望人们能享受沉浸在这些图景里的感觉。“我只希望他们能停下来看看,然后感叹一声,‘哇哦’。” 他说。

  编译来源:The Atlantic, How to Draw an Exoplanet

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