在望遠鏡中,恆星是個明亮的光點,就像用肉眼看到的一樣,只是更明亮一些。比恆星有趣得多,但通常也更難
觀測的,是深空天體:星雲,星團,和星系。用中等的望遠鏡就可以看到成百上千的,像幽靈一般、令人難以捉摸的光暈。定義
在業餘天文學,深空天體(deep sky object, DSO)指的是天空上除太陽系天體(如行星、彗星或小行星)或恆星的天體。一般來說這些天體都不能夠以肉眼見到──能用肉眼或雙筒望遠鏡見到的只是當中的極少部份。
觀察
對準了梅西耶87(M87),這是春季夜星中一個巨大的橢圓星系,距離我們5千5百萬光年。在目鏡中,你會看見一個細小的、不成形的、非常暗弱的灰色煙斑,浮現在幾顆恆星的光點之中。儘管成功地找到它也會帶來一種令人激動的成就感,但許多新手都會對這種景象感到失望。“難道所有的星系都是這樣子嗎?這一點兒也不像書上的照片!”
驗證了一個事實,人類的肉眼並不適合在黑暗中工作。這與相機在低亮度下的工作情況完全不同。我們是在陽光下進化而來的晝行型動物;我們的眼睛並沒有專門對夜晚進行設計。你用肉眼看到的星系永遠不可能像書中隨處可見的照片那樣壯觀。但是這才更有挑戰性。許多深空天體在長時間、適當的觀察下,的確能夠展現出大量令人吃驚的細節——即使是我們與生俱來的、不完美的眼睛也能看到。
望遠鏡對深空天體所起的作用,與對月球、行星和地面風景所起的作用完全不同。對後者來說,它的主要作用是放大遙遠的細節。而對於深空天體,望遠鏡的主要作用是為你不敏感的眼睛收集更多的光線。看不到深空天體的主要原因,不是因為他們太小,而是因為它們太暗。
因此,深空天體觀測擁有其獨特的技巧。所有技巧都是為了幫助眼睛看到幾乎完全黑暗的東西。以下是每一個觀測者都應該知道的一些要點。
發現史
很久很久以前,只要不是陰天,人們就可以在夜空中看到星星。在史前時代,地球上的大多數地區都幾乎沒有光污染,我們的祖先能夠看到非常暗的星光,其中的一些天體被今天的人們劃分為深空天體。這樣,這類天體中的一部分就和我們人類的歷史一樣古老了。
這類“天體”中最顯著的當然是一個星系,我們自己的銀河;然而我們不會把它計算在內。同樣的,我們也不會考慮最顯著的“移動”星團,大熊座星團,這個星團是由著名的“北斗七星”中的大部分恆星組成的,構成了大熊座中最顯著的部分。首先,大部分現代人並不把它們看成是“深空天體”,其次,它們的本質,比如銀河是個星系,大熊座的那些恆星是個物理上的星團,是直到現代才逐漸清楚的,因此這種忽視是恰當的。
一些明亮的星團一定也是很早就被人知道了,甚至比有記載的歷史還要早。其中當然包括金牛座中的昴星團(M45)和畢星團,它們在肉眼中也很顯著,很早就被記錄下來(比如最早關於昴星團的確切記錄是大約公元前1000到700年的Hesiod(赫西奧德)留下的)。在南半球,兩個麥哲倫雲(LMC -- 大麥哲倫雲,和SMC -- 小麥哲論雲)當然也是很早以前就被發現了,只是南半球沒有多少古代記錄被保存下來。
很可能Aristotle(亞里斯多德)在公元前325年左右就對疏散星團M41做了古代的觀測記錄;這使得這個星團成為古代觀測記錄中的最暗天體。按照Burnham的說法,根據P. Doig在1925年引用的一份J.E. Gore寫的聲明,Aristotle有可能在那一時期也觀測到了天鵝座的M39,將其描述為“彗星狀天體”。 Hipparchus(伊巴谷),著名希臘天文學家,公元前146年到127年在Rhodes進行觀測。他是第一位編寫星表的天文學家;他在公元前134年觀測到了一顆出現在天蠍座的“新星”,可能是這件事促使他編寫了這份星表。在他的星表中包括了兩個“雲霧狀天體”,鬼星團(M44)和英仙座的雙星團,後者現在被稱為英仙座h+chi(NGC 869+884,不在Messier星表中)。Ptolemy(托勒密),在他於公元127--151年編寫的Great Syntaxas中(通常被稱為天文學大成(Almagest)),列出了7個天體,其中3個是一般的星宿,並非物理的天體,2個是從Hipparchus那裡繼承過來的(M44和英仙座雙星團),還有2個是全新的:一個是位於“天蠍座毒刺後面的星雲”,現在被認證為顯著的疏散星團M7,它被一些現代的作者提議命名為“托勒密星團(Ptolemy's Cluster)”,另一個則是後發星團,現在被編為Melotte 111(但是不在Messier星表中)。
第一個被發現和記錄下來的真正的“星雲”天體是仙女座星系(M31),在公元905年左右被觀測到,在公元964年被波斯天文學家Al Sufi記錄在他的《恆星之書(Book of Fixed Stars)》中。他還提到了一個“雲霧狀恆星”,位於船帆座Delta星的北側超過2度的地方,這也是個相當顯著的疏散星團IC 2391,船帆座Omicron。書中還包括了Ptolemy的6個天體,以及狐狸座中一個新的“星宿”(事實上是Brocchi星團,Collinder 399,也被暱稱為“衣架星團”),因此他一共記錄了9個天體。
與這裡提到的其他深空天體不同,中國和北美洲(很有可能)的古代天文學家在1054年7月4日觀測並且記錄了一顆超新星的爆發;這顆超新星創造了蟹狀星雲(M1),最有趣的深空天體之一。
以後一直沒有發現新的深空天體,直到1519年,Magellan(麥哲倫)報告說看到了一大一小兩個麥哲倫雲。這使得1609年Galileo(伽利略)將望遠鏡引入天文以前,被人們觀測到的深空天體總數達到了11個,儘管當時Al Sufi的工作還不被大多數人知道。通過望遠鏡,伽利略發現鬼星團(M44)不是星雲,而是星團。 Nicholas-Claude Fabri de Peiresc(1580-1637)在1610年發現了第一個真正的星雲,獵戶星雲M42,這也是第一個用望遠鏡發現的深空天體。天主教會天文學家J.-B. Cysatus(1588-1657)在1611年獨立發現了M42,但在很長一段時間內,這個天體並不為大眾所知。此後不久,1612年,Simon Marius(1570-1624)發現了(獨立地重新發現)仙女座星系(當時的仙女座星雲,M31)。
Montechiaro公爵的宮廷天文學家Giovanni Batista Hodierna(1597-1660)編寫了一份包括40個條目的星表,這些都是他用簡單的放大20倍的伽利略式折射鏡發現的,其中包括19個真正的雲霧狀天體,這份星表於1654年在Palermo發表。但這段歷史長期被人遺忘,直到1980年代初期才被重新發現(由Serio,Indorato,Nastasi發表在the Journal of the History of Astronomy,第45卷(1985年2月)和第50卷(1986年8月)上)。這份星表中包括了獨立重新發現的仙女座星雲(M31),獵戶座星雲(M42),以及Brocchi星團,首次描述了英仙座Alpha移動星團,還至少包括了9個(很可能是13個,甚至可能是15個)真正由他發現的天體:確定由他發現的天體有M6,M36,M37,M38,M41,M47,NGC 2362,NGC 6231,以及NGC 6530(與礁湖星雲M8聯繫在一起的星團),很可能由他發現的有M33,M34,NGC 752,以及NGC 2451,可能由他發現的有NGC 2169和NGC 2175。
Christiaan Huygens(惠更斯)在1656年獨立地重新發現了獵戶座星雲M42,這一發現使這個天體廣為所知;他還發現了位於這個星雲內部的獵戶座四合星中的三顆恆星。
來自Dantzig的Johan Hevel或者Hevelke(更為熟知的名字是Hevelius(赫維留),1611-87)編寫了一份包含156
4顆恆星的星表—《Prodomus Astronomiae》,和他的星圖《Uranographia》一起在他死後發表。他還總結了了一份包含16個條目的列表,其中2個是真正的天體(仙女座星系 M31和鬼星團 M44),其他14個都是星宿或者根本不存在。Derham和Messier花了大量時間去尋找這些“星雲”;Messier相信他認證出了其中一對位於大熊座的雙星(即M40)——現在我們知道,他認出的很可能不是 Hevelius看到的那對雙星。Hevelius還是第一個看見M22的人,但是通常人們認為這個人類最早知道的球狀星團是在1665年由Abraham Ihle發現的。在John Flamsteed(1646-1719)發表於1712年,並在1725年修訂的星表《不列顛星表(Historia Coelestis Britannica)》中,提到了幾個“星雲”和“雲霧狀恆星”。其中大部分是當時已知的天體(後發星團Mel 111,英仙座h+chi雙星團,M31,M42),還有3個獨立發現的天體,包括重新發現的不為人知的Hodierna天體NGC 6530(與M8相聯繫的)和M41,以及一個他自己首先發現的天體,麒麟座12號星周圍的NGC 2244(與玫瑰星雲NGC 2237-9相聯繫的星團,兩者都不在Messier星表中)。
Gottfried Kirch(1639-1710),一位柏林的天文觀測者,以他對恆星和彗星的觀測而聞名,他在1681年發現了M11,在1702年發現了M5。
Edmond Halley(哈雷)(1656-1742)在1715年的皇家學會《Philosophical Transactions》上發表了一份包含六個“光點和光斑”的列表,其中包括了他自己發現的球狀星雲半人馬座Omega(1677年在Helena峰旅行時發現)和M13(1714年發現),還有之前已知的天體M42,M31,M22,和M11。
Jean-Jacques Dortous de Mairan(1678-1771),在1731年以前,發現了獵戶座大星雲北側一顆恆星周圍的星雲狀物質,後來成為了大家所熟知的M43(這個發現於1733年發表)。此後不久,John Bevis(1695-1771)發現了蟹狀星雲M1。他還創作了一份星圖,他自己稱之為不列顛星圖(Uranographia Britannica),完成於1750年,但是由於出版商的破產,只有一到兩本印刷本被製作出來,附帶的星表也從未發表過。Messier一定是得到了這本星圖的一份拷備,因為他在對M1,M11,M13,M22,M31,以及M35的描述中,曾經多次提到“英格蘭星圖(English Atlas)”。奇怪的是,Kenneth Glyn Jones卻將M35的發現歸功於1746年的de Cheseaux,儘管在這之前Bevis似乎就已經看見它了,因為它出現在他的星圖之中。
William Derham(1657-1735)在1733年的皇家學會《Philosophical Transactions》中公布了一張包含16個雲霧狀天體的列表,其中的14個來自於 Hevelius的星表,其餘兩個來自Halley的列表。其中只有2個天體是真實的(M31和M7),其他的不是不存在,就是無趣的星宿,這些假天體迷惑著其他使用這張列表的天文學家們(包括Messier在內);這張列表在1734年法國科學院《論文集》中再次發表,並且於1742年被收錄在de Maupertuis的《Discours sur la Figure des Astres》一書中。
大約在1746年,Philippe Loys de Cheseaux(1718-51)觀測到幾個星團和“雲霧狀恆星”,將它們的位置編成了一份星表。按照Kenneth Glyn Jones以及《Webb協會深空觀測者手冊(Webb Society Deep-Sky Observer's Handbook)》,第3卷(疏散和球狀星團)的說法,其中的8個是首次發現的天體:IC 4665 (第2號,不確定),NGC 6633(第3號),M16(第4號),M25(第5號),M35(第12號,但是參看John Bevis那段的評論),M71(第13號),M4(第19號),和M17(第20號)。此外,他還獨立地重新發現了M6(第1號),NGC 6231(第9號)和M22(第17號)。De Cheseaux將列表交給了Reaumur,並且由他在1746年8月6日法國科學院中公布,但這份列表沒有以其他的形式發表過。這份星表直到1884年在Bigourdan對其進行調查研究之後,才開始被更多的人知道。除了觀測天空中的雲霧狀光斑之外,de Cheseaux還可能是第一個用公式表達出奧伯斯佯謬(Olbers' paradox)的人。 Jean-Dominique Maraldi(1709-88),也被稱為Maraldi二世,發現了兩個球狀星團:1746年9月7日發現了M15,1746年9月11日發現了M2。 Le Gentil(全名為Guillaume-Joseph-Hyacinthe-Jean-Baptiste Le Gentil de la Galaziere,1725-92)在1749年10月29日發現了M32,仙女座星系的伴星系。他還在那一年發現了氣體星雲M8,即礁湖星雲(這個星雲中的星團之前已經被Flamsteed發現了,參見前文),還可能發現了球狀星團NGC 6712。他還獨立地發現了Hodierna天體M36和M38。 Abbe Nicholas Louis de la Caille(即Lacaille,1713-62)於1751-52年旅行到南非,並且在那裡觀測了南天的恆星和深空天體,創造了幾個南天星座(其中的大部分仍在使用),編寫了包含42個條目的南天深空天體表,其中33個是真實的天體。它們之中的25個是首次發現,至少有兩個是獨立地重新發現的天體。Lacaille首先發現的天體主要包括船底座Eta星雲NGC 3372,球狀星團杜鵑座47(NGC 104),大麥哲倫雲中的蜘蛛星雲NGC 2070,以及鏇渦星系M83,這是第一個被發現的本星系群以外的星系。 這是Charles Messier(梅西耶)(1730-1817)開始編寫他的星表之前發現的最後一個深空天體。1764年,Messier發現了M3,這是第一個由他首先發現的深空天體。此後的十多年裡,Charles Messier獨自一人尋找著星團和雲霧狀天體。在此期間,他發現了27個天體,其中25個是真正的深空天體(其餘兩個天體是人馬座的星雲M24和雙星M40)。
此後一直到1781年,Messier自己還首先發現了另外18個雲霧狀天體(17個深空天體,加上一個四合星M73),使得他首先發現的天體總數達到43個,還有另外20個天體是獨立地共同發現的。
1774年底,Johann Elert Bode(波德)(1747-1826)成功地加入到尋找新雲霧狀天體的隊伍中來:他在這一年的最後一天(12月31日)發現了M81和M82,後來還發現了另外三個天體(1775年發現M53,1777年發現M92,1779年獨立發現M64)。 Bode編寫了一份包含75個條目的深空天體星表,於1777年發表在1779年《天文年曆(Astronomisches Jahrbuch)》上,標題為《迄今發現的雲霧狀恆星和星團總表》。然而,按照Kenneth Glyn Jones的說法,這張列表中充斥著大量從Hevelius和其他人那裡收集來的不存在的天體和星宿;它只包含了大約50個真實的天體。他後來發現的兩個天體,M92和M64,在1779年底被發表在1782年的年曆(Jahrbuch)上。另兩個由Bode獨立共同發現的天體,M48和IC 4665,被公布在他的星圖和星表——《Vorstellung der Gestirne》中,發表於1782年。 大約5年之後,1779年,當Messier和Bode仍然積極編寫他們的星表時,另外5個天文學家也帶著成功的深空天體發現加入到這個“俱樂部”中:土魯斯的Antoine Darquier de Pellepoix(Darquier,1718-1802)在1月發現了環狀星雲M57,比Messier稍早一些;他們都是在追蹤彗星(1779年Bode彗星)時發現它的。英國天文學家Edward Pigott(1753-1824)在1779年3月23日發現了M64,只比Bode(1779年4月4日)早了12天,比Messier在1780年3月1日獨立地發現它早了將近一年。曾在1772和1778年間(因此可能比Bode更早)獨立地發現M81和M82的Johann Gottfried Koehler(或Köhler,1745-1801)最遲在這一年,發現了M67,1779年4月11日,在追蹤1779年Bode彗星時,發現了M59和M60。當Messier在這一天區另外發現了M58時,Barnabus Oriani(1752-1832)第一個發現了M61。Koehler在1779年發表了一份含有20個條目的星表。最後,Messier的朋友Pierre Mechain(梅襄)(1744-1804)開始了他的天文觀測生涯,在1779年6月14日發現了M63,這是第一個由他首先發現的天體。隨後,Mechain發現了約25個首次發現的天體,由於他與Charles Messier在觀測方面的密切合作,這些天體中的大部分列入了Messier星表之中。由於他確實將他所有的發現都告訴給Messier,因此1947年Helen Sawyer-Hogg決定將其中的另外三個天體也加入到Messier星表中(M105到M107)。
做為深空發現史上的一塊重要的,包括103個天體的Messier星表最終版本於1781年發表在1784年的法國天文年曆(Connaissance des Temps)上。最近,一些Messier個人筆記以及Mechain在1783年5月6日給Bernoulli的一封信中提到天體被擴充到Messier星表中,使天體總數達到110個,全部都是真實的天體(儘管有4個天體曾經失蹤了超過一個世紀,還有一些關於M102的爭論至今沒有定論)。星表中包括了1782年4月以前被人發現的大部分星雲,星團和星系,其中M107是Messier天體中最後一個被發現的天體(由Pierre Mechain發現)。
Messier星表的確給偉大的德-英天文學家Friedrich Wilhelm (William) Herschel(威廉.赫歇耳)(1738-1822)留下了深刻的印象,當時他因為在1781年發現了海王星而逐漸出名。1781年12月7日,Herschel從他的朋友William Watson那裡得到了一份Messier星表的副本。當時他還是Bath的一名風琴演奏家(直到1782年5月他才放棄這一工作),和一名熟練的望遠鏡製造者。他在1789年8月28日組裝起一架48英寸口徑,40英尺焦距的巨型望遠鏡(利用這架鏡子觀測的第一天,他就發現了土星的一顆新衛星,土衛二),並且利用這架望遠鏡在英國可見的天區內(即北天)展開了大泛圍的搜尋。分三步,Herschel發表了包含2500多個天體的星表,其中大部分都是真正的深空天體。他使用的是當時最好的望遠鏡,因此完全沒有競爭者。他的觀測是在他妹妹Caroline Lucretia Herschel(卡羅琳.赫歇耳)(1750-1848)的幫助下完成的,她自己也是一位熱情的觀測者,她發現了Herschel星表中的許多星團和星雲(其中包括了獨立重新發現的M110,即H V.18,Messier在10年前發現過的天體,但沒有被編入星表中;以及獨立重新發現的丟失的Messier疏散星團M48,即H VI.22),還發現了8顆彗星。
William Herschel將雲霧狀天體分成八類: 亮星雲 暗星雲 極暗星雲 行星狀星雲 超大星雲 非常緻密的富星星團 由大小(即 明暗)恆星組成的緻密星團
由恆星組成的鬆散稀疏的星團 由於當時還不清楚這些天體的本質,因此這種分類法在今天只具有更多的歷史意義了。
John Frederick William (John) Herschel(約翰.赫歇耳)(1792-1871)繼承了父親的工作,在1833年出版的星表中增加了525個新條目(北天天體)。但是John Herschel也想編寫南天星表,1883年11月13日,他和他的家人登上了開往南非好望角的客輪,於1834年3月4日抵達目的地。在接下來的日子裡,他著重研究南天星空。他將觀測到的南天雲霧狀天體編寫成了一份包括1713個條目的星表,在1847年發表。顯然地,他將他和他父親的發現,以及其他人發現的深空天體編進了他的那份包含了5000多個條目的總星表(General Catalogue)中。
Herschel的工作最終給“星雲”(和星團)的大發現時代做了一個總結。然而,揭露不同的深空天體的本質還需要很長時間,需要新的研究方法(尤其是照相術和光譜分析術):“真正”星雲的雲霧本質是由英國業餘天文學家,光譜分析術的先驅者William Huggins(1824-1910)在1860年代揭示的,直到1920年代,Edwin Hubble(埃德溫.哈勃)(1889-1953)才真正揭示出星系的本質實際上是與我們的銀河系一樣的獨立的“島宇宙”。
天空明亮度
影響深空天體觀測的一個最重要的因素就是光污染。在所有我們能列出的天體中,它對暗淡的面狀天體影響最大。黑暗天空的影響程度甚至超過瞭望遠鏡口徑的影響;一架小望遠鏡在農村可以看到的暗星雲和星係數目,比城市中的大望遠鏡要多許多。
有人說,即使住在嚴重光污染的地區,你仍然可以透過天光看到深空天體,從而得到快樂。紐約的觀測者Jenny Worsnopp在她曼哈頓的樓頂上幾乎找遍了所有的梅西耶天體;麻薩諸塞州,劍橋的天文愛好者Tony Flanders也在城市公園裡實現了這一目標。只要記住,不要因為看似平庸的結果而責備你自己或是你的望遠鏡。更好的選擇是,記得把你的望遠鏡帶到鄉下別墅里去。
黑暗適應度
人類的眼睛需要一段時間來適應黑暗。只要你走到黑暗的環境中,眼睛的瞳孔只需要幾秒鐘就能擴張到差不多最大的程度。但是黑暗適應度最重要的部分與視網膜上的化學變化有關,這通常需要很長時間。
在完全的黑暗中呆上15分鐘後,也許你會認為你的眼睛已經完全適應夜視了。但事實上,你的眼睛在接下來的15分鐘內,對星光的敏感程度還可以增加2個星等——亮度相差6倍。此後的90分鐘,甚至更長時間裡,黑暗適應度仍然在非常緩慢地增加。因此別指望在觀測的最初半個小時,甚至更短的時間內,能夠很好地看清暗淡的天體。
實際上,完全黑暗是不可能達到的。即使不考慮光污染,你仍然需要一些光線來看清你正在做的事情。天文學家長久以來一直使用昏暗的紅色手電筒來照明,因為紅光對夜視能力的傷害最小。在接近黑暗的環境中,你是用視網膜上的桿狀細胞來看東西的,這些細胞幾乎看不見可見光波段的紅色部分。你能看見紅色的光線,是視網膜中的錐狀細胞在起作用;錐狀細胞可以幫助你在白天分辨各種色彩。(你有三種錐狀細胞——紅色,綠色和藍色—
用橡皮筋在手電筒前面綁一張紅色的紙,這樣就可以得到昏暗、瀰漫的光線。你也可以在一個兩節電池的手電筒上換上適合3到4節電池手電筒使用的燈泡,從而得到更暗,更紅的光線。然而,比這些傳統手法更好的選擇是紅色LED(發光二級管)手電筒。它高純度,深紅色的光線可以更有效地區分桿狀和錐狀細胞的作用範圍。現在已經出現了許多專為天文愛好者設計的LED手電筒。
另一個保護黑暗適應度的秘訣是,用一隻眼睛觀測,另一隻眼睛閱讀星圖。當不進行觀測時,閉上那隻觀測用的眼睛,或者找個眼罩把它遮起來。
獵犬座的鏇渦星系(M51),左側是由資深觀測者Roger N. Clark使用一架8英寸卡塞格林望遠鏡在完美的黑暗天空中所做的素描,右側是由亞歷桑那州基特峰上裝備了CCD的0.9米(36英寸)望遠鏡拍攝的照片。這是第一個用眼睛觀測到鏇渦結構的“鏇渦星雲”。分別由Roger Clark和NOAO提供。
深空天體的主要分類
星團
疏散星團
球狀星團
星雲
瀰漫星雲
亮星雲
發射星雲
反射星雲
暗星雲
行星狀星雲
超新星殘骸
星系
橢圓星系
透鏡狀星系
鏇渦星系
棒鏇星系
不規則星系
類星體
共有110個這樣的天體被編入梅西耶星雲星團表;而星雲星團新總表(New General Catalogue;NGC)更包括了近八千個的深空天體。參看索引星表、烏普薩拉星系總表(Uppsala General Catalogue;UGC)。