粉红月亮并不稀奇 漆黑的夜空隐藏着斑斓色彩

来源:科技日报        发布时间:2020-04-13 11:54   

  红色旭日与粉红月亮一样,都是大气发生瑞利散射的结果。

  在太阳光紫外线的照射下,木星大气中的硫与大气中的分子发生各种光化学反应,形成了各种颜色。

  NASA

  人马座的三叶星云为发射星云,被周围O、B型恒星猛烈的紫外辐射激发,发出亮光。红色来自于氢(Hα)辐射,绿光则来自于氧,黄、褐等颜色来自于硫和其他离子。

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  我们用肉眼几乎看不出日月之外其他星球的颜色。其实,那些并不起眼的行星也都色彩斐然,宇宙天体更是色彩斑斓。

  超级月亮又来了!今年似乎还有了新的花样。“超级粉红月亮”“金色月亮”等词这几天霸占了我们的屏幕。

  相信大家对“超级月亮”已经不陌生了。但“粉红月亮”“金色月亮”是什么?事实上月亮颜色的变化并不稀奇,在漆黑深邃的星空中,潜藏着的是无数瑰丽无比的彩色世界。

  瑞利散射让日月“变色”

  人们印象中的月亮,通常都是银光皎皎、一片洁白,诸如“皓月当空”“冷月清辉”等词句描写的都是这样的场景。从原理上讲,也理当如此,因为月光来自太阳光的反射,当然也同阳光一样都是白色。不过若留心观察的话,当月亮刚升起不久(或快要落山)时,经常能看到它呈现出偏暗红的颜色,随着高度的上升,逐渐变亮至暗橙黄色,当升到较高时,则已基本上是一片银白了。

  这就是所谓“粉红月亮”“金色月亮”的由来。其实红和黄并不是月亮本身的颜色,而是地球大气给它“上的色”。类似的颜色变化在明亮的太阳上表现得更加明显。旭日初升时,常常可见一轮红日喷薄而出,雾霾较重时,也能见到发红的太阳悬在空中。这都是大气发生瑞利散射的结果:阳光穿过地球大气时,会被大气分子以及尘埃颗粒散射,波长越短散射得越厉害。地平面附近的太阳,和它位于高处时相比,阳光穿过的大气要厚上几倍,波长较短的蓝光几乎被散射殆尽,波长较长的红光部分虽然也因散射而强度大减,但仍足够抵达人眼。这时的太阳就呈红色或橙黄色,而且直视也不觉刺眼。随着太阳逐渐升高,穿过的大气路径越来越短,阳光越来越强,蓝光等短波长光线的强度也在增加,我们就看到太阳从橙色、金黄色直到变为刺目的亮白。

  月亮的颜色变化也如出一辙,只是因为光线暗弱,而人眼在暗视觉时对颜色不敏感,看起来没有太阳变化得这么明显。尤其是所谓的“金色月亮”远非想象中那么金光耀目。满月的亮度只有太阳的40万分之一,而且当它因尘埃散射而呈现出红和黄的颜色时亮度更弱,人眼的色觉已很不敏感,我们能感觉到暗黄的色彩,但并不如照片中那么明显。

  现在由于大气污染,“玉兔”变红也已屡见不鲜了,这通常都发生在大气中粉尘较多的时候。天文爱好者们眼中“正宗”的红月亮,指的是月全食时的红月。此时地球挡住了太阳射向月亮的光芒,阳光中的蓝光被地球大气散射,一部分红光穿过大气抵达月面,再被月亮反射回来。于是我们可以看到一轮暗如紫铜的红色满月。

  行星颜色多由大气“作主”

  除了太阳和月亮以外,因为距离太远,我们用肉眼几乎看不出其他星球的颜色。其实,那些并不起眼的行星也都色彩斐然。

  太阳系中,有些行星的颜色来源于他们的地表。大气稀薄的火星和没有大气的水星,展现的是它们的地表“本色”。火星的红色十分醒目,肉眼就能分辨,因为它表面大部分区域都覆盖着富含氧化铁的红褐色尘埃,还有南、北极冠(主要是干冰)的白色也是火星的特色。水星的表面和月球有些相像,岩石反射阳光,也是一片银白。

  金星、木星、土星、天王星和海王星,颜色则全凭大气“做主”。金星大气十分浓密,其质量是地球大气的90倍,导致无法看到行星表面。另外四颗气态行星则根本没有确定的地表,物质由外到内从气态逐渐过渡到液态和固态。不同的大气成分以及反射、吸收等效应,给它们带来了斑斓的色彩,其中木星尤为多彩多姿。

  木星大气的最主要成分是氢气和氦气,还有少量甲烷、氨气和水蒸气等。它们本都没有颜色,但却因活跃的“着色剂”——硫,而鲜艳起来。在太阳光紫外线的照射下,硫和上层大气中的分子发生各种光化学反应,形成的硫化物(例如硫氢化铵)产生了红、褐、黄等颜色。

  土星的颜色也是如此。它的引力小于木星,云层比木星更“蓬松”也更厚。再加上离太阳更远,大气光化学反应更弱,颜色不如木星丰富。但却更加均匀齐整,在硫化物的“着色”下,呈现为柔和的奶黄色。

  更远处的天王星和海王星,光化学反应很弱,整个表面基本都是一片蓝色。这得归功于甲烷。甲烷没有颜色,却是强力的红光“捕手”,能大量吸收波长较长的红、黄光,把短光反射出去。甲烷浓度越高,反射光的颜色越蓝。天王星大气中甲烷含量约为2%,它呈现为蓝绿色;海王星甲烷含量约为3%,就成了一片湛蓝。

  表面温度决定恒星“色调”

  太阳系以外,宇宙天体更是色彩斑斓,气象万千。

  在晴朗的夜晚仔细观察的话,用肉眼也能发现恒星有着不同的颜色,这些都取决于它们的表面温度。比如离我们最近的恒星——太阳的颜色是黄色,这是因为它是一颗G型星,表面温度为5800开尔文(K)。其他恒星例如蓝色的参宿一是O型星,表面温度将近40000K,白色的织女星为A型,温度约为10000K,红色的心宿二属于M型,温度只有3000K左右。

  上述G型、O型、A型其实都是恒星的光谱类别。恒星可以按照光谱分为7大类,以O、B、A、F、G、K、M表示(即光谱型),不同类型具有不同的表面温度,从O到M递减。同时,恒星的颜色也由蓝、蓝白而逐渐变成黄、红色。

  除了恒星,宇宙深空中还有不计其数的星云、星系等天体,色彩更加瑰丽。红色的星云大多是发射星云,它们被周围O型、B型恒星猛烈的紫外辐射激发,然后发出光芒。其中的红色来自于氢(Hα)辐射,绿光则来自于氧,黄、褐等颜色来自于硫和其他离子。蓝色的星云为反射星云。它们周围的恒星没有足够的辐射使之电离发光,但足以让它们因反射而发亮。这背后的物理机制也是瑞利散射,与“天空之所以是蓝色”的道理一样:附近恒星射来的星光里,蓝光被星云中的物质颗粒大量散射,而红光大部分可以透射出去。我们从旁边观测星云时,就只见蓝光而不见红光了。

  星系的尺度比星云大得多,动辄包含数以千亿计的恒星、星云以及大量星际尘埃、气体等,它们有的生、有的灭、有的发射、有的吸收……在各种难以想象的纷繁扰攘中共同塑造出星系的颜色,已非笔墨所能形容。

  我们之所以能欣赏到众多天体的壮美图像,要得益于摄影师的辛勤劳动,以及各种尖端设备的助力,它们大大延伸了人类的视觉。这些照片大都需要几小时甚至几十小时的长曝光,再加上复杂的后期处理,尽管色彩细节或许并不等同于肉眼所见,也足以让我们一睹宇宙的无尽之美了!

  (作者系北京天文馆研究员)

责任编辑:龙虹洁(实习)