手机扫码接着看

深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

作者:锋芒|分类:天文资料|标签:深空摄影 HG的天文小屋 教程

第二节   基本天文学知识

 

知其然要知其所以然,我们学习深空摄影,很有必要了解一些天文学常识。只有具备基本的天文学常识,我们才能拍出科学的作品,才能进一步突破自己的技术。退一万步说,不具备基本的天文学常识,连极轴都对不准,目标天体都找不到(当然本书不会进行认星教学)。

 

2-1各种天体

 

在了解我们拍摄的各种天体之前,我们首先需要学习关于光谱的知识。因为对于深空摄影而言,各种目标的最大区别就是光谱的性质不一样。根据光谱的不同我们可以对天体做分类,反过来,可以根据天体的类别得知其大致的光谱情况,从而得知其颜色。这对于我们拍摄目标选择、后期处理等都有很重要的指导意义。

 

光谱的知识在高中物理中有所涉及。我们看下面这张图,横轴为波长,纵轴为天体在对应波长的发光强度。我们可以简单地把天体光谱分为最基本的两类:连续谱和线状谱。连续谱表示天体在各波长都有一定强度的发光,而线状谱表示天体在特定波长附近有强烈的发光而在其他波长光度很弱甚至不发光。下图中蓝色曲线表示连续谱,红色曲线表示线状谱。

深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.1]光谱示意图。

 

恒星

 

恒星是一定会出现在照片中的天体,除非你在阴天拍照还美其名曰“深空摄影”。单颗恒星的光谱是连续的,但是不同的恒星在不同波长的发光量不同,有的红一些,有的黄一些,有的蓝一些(如[图1-2-1.2])。但是注意,一般认为不存在绿色恒星,因为绿色光处于可见光谱的中央,即使某恒星光谱中绿色光最多,但是左右的红光和蓝光也不少,合成一下看起来就是白光了,太阳就是最显著的例子。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.2]参宿七(Rigel,蓝超巨星)与参宿四(Betelgeuse,红巨星)的光谱。来源:Robin’s Astronomy Page。


反射星云

 

反射星云自身不发光,因反射周围恒星的光而被我们看见。所以反射星云的光谱和恒星一样也是连续谱,并且其所呈现的颜色也与其反射的星光颜色息息相关。另外,超长时间曝光可能拍到一些非常暗弱的反射星云,它们被称为共耀星云(Integrated Flux Nebula,IFN),受银河系中大量暗弱恒星共同照耀而反射出微弱的光芒。IFN往往呈暗红色或暗棕色,这是因为宇宙中绝大部分的恒星都是暗弱的红矮星一类,并且红光的穿透力最强,能够穿过星际空间的各种尘埃到达地球。如果曝光时间不够长,不足以表现出IFN的颜色,它就呈现为中性灰。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

 [图1-2-1.3]反射星云M78。附近天区有大量的棕褐色暗云气。右下角是著名的发射星云巴纳德环的一部分,呈现出发射星云的典型红色。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.4]M81附近的共耀星云亮度相当高,但要拍出其颜色,依旧十分困难。


发射星云

 

高温恒星的强烈光照可能会使周围的星云产生受激辐射,这团星云就会自己发光,被称为发射星云。氢原子受激成为氢离子并产生自由电子,会发出氢原子各种能级的光谱,其中6563Å(红色)的H-α强度非常强,4861Å(蓝绿色)的H-β和4340Å(蓝绿色)的H-γ强度较弱。另外还有[NII](一价氮离子)产生的在6548Å和6583Å的谱线,紧邻H-α;以及[OIII](二价氧离子)在4959Å与5007Å(蓝绿色)的谱线、[SII](一价硫离子)在6724Å(红色)的谱线,但它们的强度往往不及H-α。由于H-α在发射星云的光谱中占据了绝对优势地位,发射星云往往呈现为单调的红色,缺乏颜色对比。

深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.5]典型的发射星云光谱


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.6]典型的发射星云NGC281。其中的红色不仅仅来自于H-α。


行星状星云与超新星遗迹

 

这两者本质上也属于发射星云,但是行星状星云是由濒死恒星吹出的物质形成,超新星遗迹是超新星爆发喷射的物质形成,所以它们的光谱包含更多重元素谱线,往往体现在[OIII]的成分要比一般的发射星云多很多,与H-α形成鲜明的颜色对比。最为著名的超新星遗迹即为金牛座的M1蟹状星云,由一颗公元1054年爆炸的超新星(宋朝的天文学著作有所记录,被称为天关客星)形成,现在还能观察到明显的扩张现象。除NGC7293螺旋星云(行星状星云)与NGC6960面纱星云(超新星遗迹)等少数几个之外,其他的行星状星云和超新星遗迹都非常小,需要长焦距的望远镜才能拍出比较丰富的细节。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.7]行星状星云的光谱。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.8]著名的“上帝之眼”,行星状星云NGC7293。


暗星云

 

暗星云在星空中呈现为黑暗的部分,像是星空上的一个孔洞,这是因为星云过于浓厚,挡住了它后面恒星的星光,如南十字座中的煤袋星云。马头星云也是暗星云的一种,在1889年首次拍到它的底片上,它曾经被认为是发射星云IC434的一个空缺区域[注1-2.1]。暗星云在深空摄影中是相当罕见而富有挑战性的目标,要体现出暗星云的浓密与丰富的立体感,需要超长时间的曝光,并且要求拍摄地具有优秀的光污染条件与透明度条件。另外,暗星云还十分考验后期处理的功力,因为暗星云的一些结构可能比周围更暗,这与常规的目标有相当大的差异,需要非常不一样的后期处理思路。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.9]暗星云LBN777。


星系

 

星系主要由恒星、星云(主要是发射星云)与尘埃组成,所以星系的光谱也是它们的总和,为连续谱。星系可以分为三类:旋涡星系、椭圆星系和不规则星系。其中,椭圆星系是步入老年阶段的星系,充斥着黄色的老年恒星,星际物质稀少,整体呈单调的橙黄色,没有什么明显的细节,表观上只是一个黄黄的椭圆形,要拍到里面的微小细节,比如M87星系核心的巨大喷流,可能需要2米焦距以上的大口径望远镜。

 

旋涡星系较为年轻,有大量的星系物质,颜色要比椭圆星系丰富得多。其核心聚集着老年恒星而和椭圆星系一样呈橙黄色,旋臂因星际物质丰富而不断形成新恒星,大量的年轻恒星使旋臂呈现迷人的天蓝色。同时,明亮恒星的存在与活跃的造星运动也刺激着发射星云的形成,很多旋涡星系的旋臂上都能看到红色的发射星云,被爱好者们称作“小红花”。要拍摄出颜色丰富的旋涡星系,需要对各色光都敏感的相机,尤其是“小红花”对相机H-α的灵敏度要求很高,很多彩色相机由于H-α灵敏度不足而无法拍出“小红花”。

 

不规则星系主要是一些矮星系、受伴星系引力影响巨大的星系和正在碰撞融合中的星系,比如大麦哲伦星系(矮星系,同时受银河系的引力影响)、触须星系(NGC4038&NGC4039,两个正在碰撞的星系)等。由于引力作用,它们的造星运动也相当活跃,因此色彩情况比较接近旋涡星系,但是形状千奇百怪。

 

河外星系除大小麦哲伦星系、M31和M33以外,都距离银河系比较远,看起来很小,需要较长的焦距才能拍到它们的细节。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.10]旋涡星系M31


星团

 

星团是恒星的集合体,所以光谱也是恒星光谱的合集。星团可以分为疏散星团和球状星团两类。疏散星团中的恒星松散而稀疏,外观形状并不确定,实际大小也不大。目前已知的疏散星团有一千多个,它们大都分布在银道面上,因此也被称为银河星团。

 

球状星团相对来说巨大而致密,直径可以达到几百光年,成员星数量能达到上百万颗。球状星团主要由老年恒星组成,它们大都呈现黄白色,并且星团中央十分拥挤明亮。

 

无论是球状星团还是疏散星团,都是相对容易拍摄到的目标,因为它们大都比较明亮。但是若要体现出星团成员星丰富的颜色差异与前景星、背景星之间的距离感与景深感,则相当考验技术。

 

有些星团(比如昴星团)恰好与星云相遇,星云就会反射星团的光芒。星云与星团交相辉映,十分美丽。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.11]昴星团与其周围的反射星云。

 

彗星

 

彗星虽然属于太阳系内的天体,但是由于其亮度较暗,弥散程度较大,适合使用深空摄影的手段拍摄。彗星由于含有一些星际间比较少见的物质,并且发光机制复杂,光谱非常特殊。彗星表观上可以分为彗尾、慧发与氢原子云包层三个部分。彗尾又分为尘埃尾与离子尾,尘埃尾反射太阳光呈白色,光谱为连续谱,而离子尾由各种电离的离子与气体分子组成,往往呈蓝色。慧发的颜色与彗星成分相关,但通常不是蓝色就是绿色。要拍摄出优秀的彗星作品,需要对蓝色充分敏感的相机,同时要做好计算,避免彗星拖线。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-1.12]21P/Giacobini-Zinner彗星的光谱与8P/Tuttle彗星的光谱。©McDonald Observatory


银河

 

银河本质上就是星系,只不过我们是在其内部观察罢了。银河系是一个棒旋星系(旋涡星系的一种),所以光谱和旋涡星系并没有什么区别。但我们在银河系内部,能拍摄到银河系大量的细节;同时,银河的亮度较亮,不长的曝光时间也能得到不错的效果。

 

2-2天空

 

天空和恒星一样,也是深空摄影中一定会出现在照片里的东西。由于大气辉光、光污染等原因,天空看起来并不是完全漆黑一片的,而有一定的亮度与颜色。天空背景光会导致照片反差降低、背景偏色或不均匀等一系列令人头疼的问题。

 

天空背景光的来源很复杂。首先大气本身会发光——高层大气中的气体分子与离子因太阳风等因素产生受激辐射或者发生光化学反应,发出某些特定波长的光。这样的大气发光现象称为大气辉光或者天光。天光中最极端也最壮观的例子就是极光,星野摄影爱好者常说的气辉也是天光的一种。一般情况下天光不会对我们的拍摄造成太大的困扰,虽然有时候突然爆发的明亮气辉会严重污染图像,但那是可遇而不可求的极为罕见的现象。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-2.1]霍普金斯山与基特峰的天顶区域天空背景光光谱。标示Atm的谱线为天光谱线,其它的谱线就是光害。图片来源:P.Massey&C.B.Flotoz,2000,PASP,112,566。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-2.2]霍普金斯山与基特峰天空背景光光谱在10年间的变化。实线为1998年,虚线为1988年。图片来源:P.Massey&C.B.Flotoz,2000,PASP,112,566。

深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-2.3]中国国家天文台兴隆观测站的天顶天空背景光光谱。兴隆站受北京城区的光污染影响较大。图片来源:JI-CHENG ZHANG, The Night Sky Spectrum of Xinglong Observatory:Changes from 2004 to 2015。

 

除去天光,在无月的深夜对天空背景光影响最大的就是光污染,或称光害。光污染来源于人造光源,城市的路灯、车灯、各种建筑上的灯光等等都会对天空的亮度产生毁灭性的影响。由于大气的散射,灯光不仅仅会照亮它们所需要照亮的区域,还会扩张到很远的地方。对于北上广这种大城市而言,光污染甚至能扩散至百公里以外。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-2.4] 华东华北地区严重的光污染。


目前,城市里大部分的高亮度人造光源还是汞灯和钠灯,因此光污染的谱线还是以汞和钠的线状谱为主,可以用光害滤镜过滤掉(但是光害滤镜也有诸多弊端),或者用窄带滤镜避开。不过,近年来LED灯发展迅猛,城市光源里LED灯占比越来越大。LED灯是连续谱的光源,光害滤镜无法与之抗衡。


月光对天空背景光的亮度影响也非常大,可以被认为是自然产生的光污染,它被大气散射之后会弥散到整个天空。在月亮快要升起或者刚落下的时候,甚至还会产生类似曙暮光的效应。因此,常规的深空摄影要在月亮处于地平线以下的时候进行,农历二十五到初五这段时间内,夜间无月的时间最长,也是一个月中最适合进行深空摄影的时段。另一个值得注意的问题是,月光是连续谱,光害滤镜对月光是无效的。


和月光一样,星光经过大气散射以后也会对天空背景光造成一定的影响,尤其是明亮的行星,只是其影响范围与强度都不如月光这么大。但是,在拍摄极暗弱的目标时依然要尽量避开亮星[注1-2.2],画面中一颗非常亮的星星会对我们拍摄和处理造成巨大的困扰——比如产生光晕、影响背景颜色等。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-2.5]M109星系。右上角的光晕来自北斗七星中的天玑。

 

除前所述的各种光源,对天空造成影响的还有黄道光(Zodiacal light)。黄道光主要出现在日出前的东方与日落后的西方,位于黄道附近,一般无法被肉眼察觉。如果拍摄过程中感觉黄道光影响有点大,或者强到可以被肉眼察觉,就避开那一块区域拍摄别的目标即可。

 

另外一个需要注意的问题是曙暮光,也就是日出前与日落后天空发亮的现象。深空摄影需要在天文暮光(也称天文昏影)终到天文曙光(也称天文晨光)始的一段时间内进行,天文暮光终于日落后太阳位于地平线下18°的时刻,天文曙光始于日出前太阳位于地平线下18°的时刻。具体的天文曙暮光出现时间可以在各种天文软件与APP上查到。

 

还有一个需要注意的问题是大气消光——大气不仅会发光,还会削弱光线,让天体看起来比实际更暗,这在天文学上被称为大气消光。离地平线越近的天体,发出的光要到达我们的观测设备就需要穿过越厚的大气,大气消光现象就越严重,因此我们要尽量避免拍摄低地平高度的天体 [注1-2.3],或者等天体升得比较高的时候再开始拍摄。一般来说天体地平高度小于30°时,大气消光效应会非常严重,而地平高度大于60°时,大气消光则比较微弱,是为比较理想的拍摄条件。


2-3天体的位置与视运动

 

天球

 

由于天体距离地球非常非常远,所有天体都可以看做位于一个以地球为中心的球壳上,这个球壳就被称为天球。如[图1-2-3.1],从地球两极延伸出去的直线为地轴(或称极轴),地轴与天球的两个交点就是天球的两个极点——北天极与南天极(北天极离北极星非常近)。地球的赤道面与天球相交形成的球大圆即为天赤道,地球绕太阳公转的轨道为黄道,黄道所在的平面为黄道面。

深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-3.1]天球示意图

 

由于地球不是透明的,观测者只能看到一半的天球。对于观测者来说,他头顶正上方的点为天顶,而他正下方的点为天底。


地平坐标系

 

描述天球上任意一个位置需要两个坐标。地平坐标系就是一个很好用的系统。如 [图1-2-3.2],以观测者为原点,地平面为基本面,连接天顶和天底的轴为基准轴,设立两个坐标——方位角(A)与地平高度(h)(或称仰角,因为地球不是透明的所以没有俯角)。方位角是经过天顶和天体的球大圆与地平线的交点,沿地平线从北向东度量的角度,以正北为0。地平高度即为天体位于地平线之上的仰角,在地平线处为0,在天顶处为90°。用地平坐标系能方便而直观地表达任意天体在某一时刻的位置。另外需要注意子午线的概念,它是同时过天顶与正南正北方向的一条弧线,即为[图1-2-3.2]中的黄线。当天体因周日视运动越过子午线时,称作“过中天”。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-3.2]地平坐标系示意图


赤道坐标系

 

由于地球自转,天体围绕地轴旋转,东升西落。天体处于不断运动中,其地平坐标也不断变化。为了能描述一个天体在任意时刻的位置,人们创造了(第二)赤道坐标系[注1-2.4]。如[图1-2-3.3]与 [图1-2-3.4]所示,赤道坐标系以地心为原点,赤道面为基本面,地轴为基准轴,设立两个坐标——赤经(RA或α)和赤纬(Dec或δ)。赤纬描述了天体与天极的“距离”,天极处为±90°,天赤道处为0°,北半天球为正,南半天球为负。赤经的定义有点复杂:通过春分点(太阳在春分时所处的位置,也是黄道与赤道的交点之一,位于白羊座)的赤经圈与通过天体的赤经圈之间在天赤道上的弧段对应的角度为赤经,沿天体旋转反方向度量,单位为h、m、s(时、分、秒),春分点处为0,秋分点处为12h。

 

当地球自转时,赤道坐标系可以视为与地球一同自转,因此天体的赤道坐标是几乎不变的(忽略自行等影响),但是对于一般观测而言不如地平坐标系直观。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-3.3]赤纬示意图(北半球)。箭头表示天体在天球上的运动方向。黑色实线半圆即为子午线。


深空摄影(3) · 第一章·第二节 · 基本天文学知识

[图1-2-3.4]赤经示意图(北半球)。箭头表示赤经的度量方向,黄色虚线圈为黄道。


天体的视运动

 

由于地球自转,忽略地球公转、天体自身运动、大气遮蒙效应等,天体的视运动规律即为:每天绕北/南天极旋转一周,东升西落。因此可以算出天赤道上的天体沿天赤道每秒运动15’’,每分钟运动15’,每小时运动15°。考虑地球公转,每晚同一时刻天赤道上的天体沿天赤道比前一晚西移1°。越接近北/南天极(赤纬越大)的天体运动速度越慢。

 

月亮每天比前一天晚大约50min升起。

 

记住这些规律有助于我们快速规划拍摄,而不需要依赖各种天文软件、APP[注1-2.5]给出的数据——有时候在偏僻的地方没有信号,这些数据是查不到的。




[注1-2.1]马头星云为人所知的编号是IC434,但这实际上是其背景的发射星云的编号,真正的前景,也就是那颗马头的编号,是B33,B是Barnard的缩写,是第一个发现暗星云并不是星空中的空区,而是实实在在的星云的人。

 

[注1-2.2]不只是要让画面中没有亮星,更严谨且有效的做法是让亮星处于望远镜的成像圈外。如果亮星处于成像圈内而在CCD/CMOS的幅面范围外,其光晕依然会严重影响画面。

 

[注1-2.3]也是因为这个原因,低地平高度处的视宁度往往非常差。

 

[注1-2.4]第一赤道坐标系为时角坐标系,深空摄影中用得比较少。

 

[注1-2.5]Stellarium、Astrotools、Heavens Above、Observatory Mobile、Sky Safari等。


02 12月

2020-12-02 11:12:00

浏览70 评论0
返回
目录
返回
首页
深空摄影(2) · 第一章·第一节 · 基本光学知识 深空摄影(4) · 第一章·第三节 · 数字图像的基本知识