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深空天體觀測的秘密

（2006年02月27日 15:30:37）

□作者: 著︰Alan M. MacRobert 譯︰Steed Joy

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好了，你已經將望遠鏡瞄準了你想看的天體，你相當肯定這一點。根據你使用的星圖，尋星鏡的十字叉絲已經指向了確切的位置。現在，你希望能看到些什麼呢？

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

如果你的目標是顆明亮的恆星，那它會更明顯，更美麗，但卻毫無細節可言。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。

例如你已經對準了梅西耶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。盡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！”

你剛剛驗證了一個事實，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；我們的眼楮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、不完美的眼楮也能看到。

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。而對于深空天體，望遠鏡的主要作用是為你不敏感的眼楮收集更多的光線。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楮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。

堅持不懈。使用一架7英寸反射望遠鏡，Tony Flanders在馬薩諸塞州，劍橋市的這個公園中征服了全部梅西耶天體。盡管身後就是大型商場的泛光燈，Flanders利用嫻熟的深空觀測技巧能夠看到超過一百個星團，星雲和星系。S&T / Craig Michael Utter

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了望遠鏡口徑的影響；一架小望遠鏡在農村可以看到的暗星雲和星系數目，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；馬薩諸塞州，劍橋的天文愛好者Tony Flanders也在城市公園里實現了這一目標。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。

你能夠通過嚴重光污染（左圖）觀測到獵戶座大星雲M42，但在黑暗、無月的天空中（右圖）可以看到更多細節。M42是兩張照片中靠近底部的光斑。這些照片中包括了獵戶的腰帶（靠近頂部）和寶劍。S&T / Dennis di Cicoo

黑暗適應度

人類的眼楮需要一段時間來適應黑暗。只要你走到黑暗的環境中，眼楮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楮已經完全適應夜視了。但事實上，你的眼楮在接下來的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，甚至更長時間里，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——但只有一種桿狀細胞，對紅光不敏感。）你可以使用紅色錐狀細胞來閱讀星圖和操作設備，從而保護你的桿狀細胞能夠靈敏地看清目鏡中的東西。

你可以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、彌漫的光線。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，用一只眼楮觀測，另一只眼楮閱讀星圖。當不進行觀測時，閉上那只觀測用的眼楮，或者找個眼罩把它遮起來。

獵犬座的旋渦星系（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。這是第一個用眼楮觀測到旋渦結構的“旋渦星雲”。分別由Roger Clark和NOAO提供。

轉移視線

當你直視某樣物體時，它的影像會投射到視網膜的中央凹上。這個地方遍布了適應亮光的錐狀細胞，在強光下可以提供最銳利的分辯率。但是這個小凹對弱光幾乎是無能力為。因此為了看見暗淡的物體，你不得不把視線稍微移開一點。這麼做是為了讓目標物體的影像離開中央凹，投影到視網膜中包含更多桿狀細胞的區域，這種細胞只能看到黑白世界，但對光線的敏感程度卻比錐狀細胞強得多。

為了實驗這種效果，請直視一顆亮度適當的暗恆星。它會消失不見。把你的視線移開一點；它又會再次出現。

練習將你的注意力集中在稍微偏離視線中心的物體上。這種技巧被稱為轉移視線。在深空觀測時，幾乎在所有場合下都需要使用這一技巧。

實踐表明，當目標朝著鼻子方向，偏離視線中心8°到16°時，眼楮對暗淡物體最敏感。向上偏離視線中心6°到12°時，也同樣敏感。要避免將目標朝著耳朵方向偏離太遠；這樣影像會移到視網膜的盲點上，這樣就完全看不見了。

實際上，目標應該偏離中心多遠，這是個非常矛盾的問題。偏得不夠遠，就起不到最大的暗視效果；偏得太遠，又會喪失分辯細節的能力。

你的間接視力對運動物體高度敏感。在特定的情況下，晃動一下望遠鏡就會使一個大型、暗淡的星系或者星雲幽靈般地浮現在視野中。當晃動停止時，一切又會消失在迷離不清的天空背景之中。

但在其他情況下，只有完全相反的技巧才能適用，尤其是對那些即小又暗的天體。科羅拉多州天文學家Roger N. Clark在1990年出版的《深空天體的目視天文學》一書中記載，有些研究表明肉眼事實上可以像照相底片一樣，長時間累計光線——只要這一影像能夠保持完全靜止。在明亮的光線中，眼楮的積分時間，或者說“曝光時間”，只有大約1/10秒。但在黑暗中，Clark聲稱，事情就完全不同了。只要你能夠將圖像保持在視網膜上足夠長的時候，肉眼就可以在長達六秒的時間內累計曝光，合成一張可以看見的暗淡影像。這麼做與我們的本能有點背道而馳，因為在明亮光線中凝視某件物體，時間久了反而會看不清楚。

長時間曝光也許可以解釋，為什麼有些資深的觀測者能夠看見的深空天體，初學者卻看不見。也許是因為老手已經在無意中學會了什麼時候應該保持眼楮靜止。這也有助于解釋為什麼保持身體的舒適對于觀測暗天體是如此的重要。疲勞和肌肉收縮都會增加眼楮的移動。

金牛座的蟹狀星雲（M1），左側是基特峰4米反射望遠鏡拍攝的照片，右側是Roger N. Clark在極好的黑暗天空中用8英寸卡塞格林望遠鏡畫的素描。分別由NOAO和Roger N. Clark提供。
使用高倍率

傳統的想法認為，低放大率（低倍率）對深空天體觀測更為有效。畢竟，低倍率將面狀天體的光線聚集在更小的面積內，增加了視表面亮度（照到視網膜上每平方毫米的光線總量）。但是，就像Roger Clark已經證明的那樣，這個假設通常是不正確的。許多暗淡的深空天體更適合用高倍率觀測。其中的原因非常微妙，也很重要，下面我們會說得更詳細一點。

與相機和其他純機械的光學系統不同，肉眼在暗弱的光線下分辨率會降低。這就是你不能在晚上閱讀報紙的原因，即使你能夠看見報紙，即使夜晚你的瞳孔擴張得更大，理論上應該可以比白天更清楚銳利地看清上面的文字。研究表明，肉眼在明亮的光線下，可以分辨小到1角分（1/60度）的結構，而在夜晚的暗淡光線下，連20到30角分（1/3到1/2度）大小的結構都無法看清。這差不多相當于肉眼看月球的大小。因此，只有在將它們放大到幾十個角分時，極暗天體的細節才能被分辨出來，這通常需要使用非常高的倍率！

肉眼為什麼會是這樣的呢？這與我們的眼楮處理夜晚光線的方式有關。照相底片是被動地記錄光線，而視網膜神經系統則擁有強大的計算能力。在暗弱的光線中，視網膜會與鄰近的區域比較信號。一個只能投影在一小塊面積上的暗淡光源——比如目鏡中的一個小星系——可能完全看不到。但是它的確被視網膜記錄到了，證據就是擁有同樣低表面亮度的較大的星系就可以很容易看到。實際上，當桿狀細胞看到一個可疑的光信號時，它們會向周圍其他的桿狀細胞詢問有沒有看到這個信號。如果答案是肯定的，這個信號就會通過視覺神經傳遞到大腦中。否則，這個信號就會被丟棄。

當一個像被放大到高倍率時，它的表面亮度的確變暗了。但是進入眼楮的光子總數仍然是相同的。（光子是光線的基本粒子。實驗表明大部分人能夠感覺出低到每秒50到150個光子的亮度。）實際上光子分散在更大的面積內並沒有太大關系；視網膜的圖像處理系統會處理它們。當然必須在一定的亮度以上。合適的放大倍率必需滿足以下的平衡︰即影像要有足夠大的角直徑，表面亮度又不能降得太低。

所有上面這些對深空觀測意味著什麼呢？簡單來說，對任何天體都嘗試使用不同的放大倍率是個明智之舉。（更明智的選擇，高質量變焦目鏡會讓這一切變成小事一椿。）你會驚奇地發現，在不同的倍率下，看到的東西會相差得如此之大。

還有一點︰有些人相信長焦距（大焦比）的望遠鏡中的暗天體圖像比短焦鏡中的更清晰，對比度更高。但焦比並不是關鍵。這可能只是因為長焦望遠鏡的放大倍率更高！（也可能長焦鏡的光學性能更好，因為“慢”反射鏡或是折射鏡片總是比“快”鏡更容易制造。）

一個現代的、高質量的變焦目鏡，比如這個由Orion Telescopes & Binoculars 公司出產的8mm到24mm型目鏡，可以幫助你旋進旋出，以尋找最適合觀測某一星團，星系，或星雲的放大倍率。S&T / Craig Michael Utter

捕捉色彩

深空天體經常使初學者失望，並不僅僅因為缺乏細節，還因為缺少那種照片上記錄到的絢麗色彩。

為了能夠向我們顯示出色彩，深空天體的表面亮度必須亮到足夠刺激視網膜的錐狀細胞——如此明亮的深空天體屈指可數。獵戶座星雲（M42）的最明亮部分滿足標準，還有一些細小，但表面亮度夠高的行星狀星雲。對暗淡物體的顏色辨別能力因人而異，差別很大，這很令人吃驚。

轉移視線法並不適用于捕捉色彩。錐狀細胞最密集的地方是中央凹，因此請直視你的目標。在這種情況下，最低的有效放大率效果最好。大口徑望遠鏡對那些尋找深空天體顏色的人們尤其有利。

左圖︰我們習慣于美麗的彩色獵戶座大星雲（M42）。但大部分深空天體在目鏡中只顯示出灰白色的輪廓（右圖）。由NOAO提供圖片

其他提示

對每個深空觀測者，即使是那些使用電腦尋星望遠鏡的人，非常詳細的星圖仍然非常重要，比如《Uranometria 2000.0》和《Millennium Star Atlas》中的那些星圖。如果你知道暗深空天體在你望遠鏡視野中的確切位置，就能更確定地看到比平時暗一個星等的天體。這相當于把你的望遠鏡口徑增大了 60%。

當你全神貫注于一個非常接近視力極限的深空天體時，經過10到15秒之後，有沒有感覺越來越看不清楚呢？是天空的背景亮度增加了嗎？問題在于︰你不知不覺地摒住了呼吸。低氧狀態可以迅速破壞夜視能力。一位老變星觀測者的秘訣是，在試圖觀測非常暗弱的目標之前，先進行15秒左右的深呼吸。觀測時則應該保持呼吸均勻。

酒精、尼古丁，和低血糖也會減弱夜視能力，因此進行深空觀測時不應該飲酒、吸煙，或者餓肚子。帶上一份快餐。缺乏維生素A也會削弱夜視能力，但如果你已經有足夠的維生素A，再多吃也不會有任何好處。發達國家中，幾乎沒有人會缺乏維生素A。因此別指望胡蘿卜汁能夠提高你的夜視眼。

在強烈的陽光下呆得太久，會降低此後幾天內你適應黑暗的能力，因此如果長時間在戶外活動最好戴上太陽鏡。必須使用標簽上注明防紫外線的太陽鏡（不管是UVA還是UVB）；有些便宜貨是不防紫外線的。經年累月的太陽紫外光（也許還有更明亮的可見光）會使我們的晶狀體和視網膜逐漸老化，降低敏感性，增加視力疾病發病的可能性，比如白內障和晶狀體渾濁。因此，如果你在戶外佩戴普通眼鏡的話，請你的驗光師在鏡片上加鍍一層紫外濾膜。這是個既便宜又簡單的方法，可以大大地減少你一生中暴露在紫外線下的時間，因此不管醫學上有沒有即刻的需要，任何一個戴眼楮的人都應該加鍍紫外濾膜。

最重要的是，要有耐心。如果最初你在星團、星雲、或者星系應該出現位置上什麼也沒看見，那就繼續觀察。然後你就會看到更多的東西。你會很驚奇地發現隨著觀察時間的增加，越來越多的東西會閃進你的視線——更暗一點的恆星出現在這里和那里，可能剛好就是你想觀測的天體。瞥見一次，就會瞥見第二次，之後你會越來越經常地瞥見它。幾分鐘後，也許你就可以在原先什麼也看不見的位置上持續地看到你的觀測目標了。

你的觀測技巧會隨著練習而提高，這是毫無疑問的。將視力推至極限的才能是可以後天學習的。“別指望你能夠一眼就看到，”18世紀的觀測者威廉?赫歇耳寫道，他常被認為是現代天文學的開創者。“目視能力在某種程度上是一項需要學習的藝術。我花了許多夜晚來練習觀測，如果經過這樣持續的練習仍然達不到這種靈敏度的話，反而是件很奇怪的事情。”

深空天體經常使初學者失望，並不僅僅因為缺乏細節，還因為缺少那種照片上記錄到的絢麗色彩。

為了能夠向我們顯示出色彩，深空天體的表面亮度必須亮到足夠刺激視網膜的錐狀細胞——如此明亮的深空天體屈指可數。獵戶座星雲（M42）的最明亮部分滿足標準，還有一些細小，但表面亮度夠高的行星狀星雲。對暗淡物體的顏色辨別能力因人而異，差別很大，這很令人吃驚。

轉移視線法並不適用于捕捉色彩。錐狀細胞最密集的地方是中央凹，因此請直視你的目標。在這種情況下，最低的有效放大率效果最好。大口徑望遠鏡對那些尋找深空天體顏色的人們尤其有利。

堅持不懈。使用一架101mm（4英寸）望遠鏡（雖然是一架高檔TeleVue Gnesis），Stephen James O’Meara已經在夏威夷大島上看到了幾百個深空天體（左圖）。他描繪的北美洲星雲，NGC 7000，（右圖）反映了他的嫻熟技巧和純淨的觀測環境。照片︰2001 Donna Donovan O’Meara。

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文章作者:著︰Alan M. MacRobert 譯︰Steed Joy
責任編輯:skylook

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