2023年，像之前的每一年一樣，毫無疑問，未來的每一年也都會有好事和壞事。但一個持續可靠的敬畏和美麗的源泉是我們頭頂的天空。來自宇宙天文物體的光，經過短短幾秒到數十億年的旅程，傾瀉在我們所有人身上，科學家們耐心地拍攝了其中的一些照片，以更好地瞭解我們所居住的宇宙。
每年我們都會看到新的事物，或者以新的方式看待舊的事物，我被賦予了一項美妙的任務，即選擇我最喜歡的照片，並將它們及其重要性傳達給您。年終榜單，尤其是那些展示天文影像的榜單，往往是引人注目且色彩鮮豔的。這可以理解，但它們有時會錯過更微妙的照片，那些在細微的視覺細節中隱藏著重大發現的照片，或者提供關於熟悉物體的新鮮視角的照片。它們可能不會躍然紙上，但仍然具有影響力。
這就是我在整理今年天體寶藏時牢記在心的。這個相簿絕非完整，但它展示了我認為2023年出現的一些最有趣的天文肖像。
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銀河骨骼的陰森光芒
如果沒有詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的一些東西，這樣的畫廊就不完整，JWST 是我們最新的紅外太空之眼。這個巨型天文臺已經給天文學帶來了如此多的微小革命，以至於從過去一年中挑選一個並非易事。應該是一顆嬰兒恆星發脾氣，還是一顆巨大的老恆星在不可避免地作為超新星爆炸之前以驚人的速度拋灑物質？還是應該是一張令人震驚的10萬個星系的地圖？
那麼，非常非常不同的東西怎麼樣——例如附近星系複雜塵埃網的骨骼結構（如上圖開篇影像所示）？
梅西耶51（M51）是一個距離地球約3000萬光年的螺旋星系，從地球上看是正面朝向我們的。它是業餘和專業天文學家的最愛，它具有美麗的螺旋結構，並顯示了一個較小的星系與之碰撞的影響。在上圖中顯示的JWST中紅外儀器的異常清晰且令人毛骨悚然的假彩色檢視中，我們看到了無數的宇宙塵埃雲，呈現出類似骨骼的圖案。這些雲中的每一個都由垂死恆星噴射出的小顆粒岩石和菸灰碳基分子組成。M51的旋轉運動與其複雜的引力場相結合，將這些聚集的塵埃雲塑造成相互連線的漩渦；紅色區域顯示塵埃被星光加熱的區域，黃色色調錶示活躍的恆星形成地點。天文學家拍攝這張影像是為了更好地瞭解恆星如何在恆星育兒室中誕生，以及它們如何隨著時間推移而演化。
小行星衛星加倍下注
美國國家航空航天局的露西號探測器目前位於主小行星帶，正在前往木星的途中——或者更準確地說，是木星的軌道。露西的任務是研究幾顆與這顆巨大的氣態巨行星共享繞太陽軌道的的小行星。每顆小行星都被木星的引力和我們恆星的引力之間的平衡推到了現在的位置。露西任務的目標被稱為特洛伊小行星，它們是太陽系早期遺留下來的，就像早期時代的化石一樣——因此得名露西。它以1970年代在非洲發現的同名南方古猿阿法種化石骨骼命名。
為了在前往行星的途中測試其導航和成像系統，該探測器被瞄準飛掠一顆主帶小行星。這顆被稱為丁基內什（Lucy 化石的衣索比亞名字）的太空岩石直徑僅約 800 米。天文學家一直對從地球上看到的這顆小行星的亮度波動感到困惑，當露西號看到丁基內什有一顆衛星時，謎團才解開！這樣的伴星對於小行星來說並不罕見，所以雖然這是一個驚喜，但並不令人震驚。
但隨後天文學家實際上震驚地發現他們看到了雙重驚喜：這顆衛星本身是由兩塊剛接觸的岩石組成的，稱為接觸雙星！這是有史以來第一次有人看到像這樣的環繞小行星衛星執行的接觸雙星衛星，理論家們已經忙於弄清楚它是如何形成的。這艘名字美妙的探測器在飛掠更多來自我們行星史前史最深處的遺蹟時，還會看到哪些其他秘密？
太陽系過去的鎖定時間膠囊
貝努是一顆潛在的危險小行星，一塊半公里寬的太空岩石，在兩個世紀後撞擊地球的累積機率為 0.06%。我會接受這個機率，但我也很高興美國國家航空航天局也派遣了 OSIRIS-REx 任務去那裡進行調查。
在其眾多工目標中，OSIRIS-REx 的任務是收集貝努表面和表面下方的物質樣本，這些物質被認為自小行星在太陽系黎明附近形成以來幾乎沒有變化。因此，貝努是那些逝去時代的岩石時間膠囊，科學家們懷疑其他像它這樣的小行星可能在我們的星球冷卻後不久幫助地球播下了生命的基本成分。經過漫長的旅程，飛碟形的樣本返回容器，裝載著大量的貝努碎片，於2023 年 9 月降落在猶他州沙漠中。
科學家們希望收集約 60 克物質，但實際上可能捕獲了幾百克。他們到底有多少物質仍然不確定；固定容器蓋子的 35 個緊韌體中的兩個卡住了，因此任務人員無法完全開啟該裝置。工程師們正在努力製造可以完全開啟它的工具。
即便如此，研究人員還是能夠用鑷子取出少量內部物質，再加上散落在容器外部的零星小行星物質，他們已經獲得了 70 多克物質進行研究。這對於科學家來說已經足夠初步瞭解 OSIRIS-REx 的宇宙饋贈了，他們已經發現從貝努帶回的樣本富含水和碳。具有諷刺意味的是，這顆小行星正在向我們展示它的種類可能如何幫助將生命帶到我們的星球，即使它們威脅著地球。
近、遠和非常非常遠
彗星 C/2020 V2 (ZTF) 距離地球從未近於約 2.8 億公里，因此它從未亮到可以用肉眼看到。然而，在望遠鏡中，尤其是在天文攝影專家 達米安·皮奇 的鏡頭下，它仍然是一個引人注目的景象。他等到 2023 年 12 月 12 日，拍攝了這張照片，當時彗星正在穿過天鶴座（天鶴）星座，並經過三個可愛的螺旋星系，稱為 NGC 7582、7590 和 7599。這種巧合的定位完美地構成了所有這些物體。
圖片來源： 達米安·皮奇
它也給了我們一種不可思議的深度感。在皮奇拍攝這張照片時，這顆彗星距離地球 5 億公里。這在我們自己的太陽系內是一個相當遠的距離，但這比背景恆星的距離要短得多，背景恆星的距離要遠萬億公里。
而這種令人費解的距離與我們和這三個星系之間的差距相比，簡直是小巫見大巫，這三個星系距離我們約 7000 萬光年：約 700 千萬億（700,000,000,000,000,000,000）公里！宇宙是深邃的。
順便說一句，這顆彗星的軌道被稱為雙曲線軌道，這意味著它有太多的能量無法被太陽的引力束縛。V2 很可能完全逃逸出太陽系，並緩慢地進入星際空間。在幾百萬年後，它很可能會在星際星雲中巡航。
宇宙蜂巢的塵土飛揚的景象
球狀星團是數千顆恆星的大致球形集合，它們都透過相互引力聚集在一起。它們讓我想起了凍結在快照中的蜂群，無數的恆星在星團中心周圍嗡嗡作響。超過 150 個這樣的星團圍繞著我們的銀河系執行，大多數都距離我們數萬光年。但有些離地球足夠近，肉眼可見。
天鵝座 Terzan 12 距離我們約 15,000 光年，太暗而無法成為肉眼可見的球狀星團。而且它的昏暗不僅僅是由距離造成的：它在天空中非常靠近銀河系的中心，所以我們只能通過幾乎不透明的宇宙塵埃雲看到它。
幫助穿透那層面紗的一種方法是尋找紅外光，紅外光比可見光更能穿透塵埃。哈勃太空望遠鏡有可以探測紅外光的相機（雖然不如 JWST 好），並且它的敏銳視覺將 Terzan 12 的恆星從黑暗中挑選出來。
即便如此，雲層也不是平滑的，而是斑駁的，一些較厚的雲層仍然設法阻擋了哈勃望遠鏡對星團左側的視野。那裡的恆星看起來更紅，因為光的波長越長，它就越能穿過瀰漫物到達我們。這樣的觀測不僅教會我們關於星團的知識，也教會我們關於位於銀河系中心附近的塵霧的密度和位置的知識。
明亮的黎明，大型望遠鏡
在智利阿塔卡瑪沙漠，在海拔 3,046 米的塞羅阿馬佐內斯山頂，歐洲南方天文臺正在建造世界上最大的光學望遠鏡，恰如其分地（如果有點平淡無奇地）命名為極大望遠鏡，或 ELT。在 2028 年完工後，它的主鏡將是由 798 個六邊形鏡片組成的陣列，每個鏡片直徑 1.5 米，在幾十奈米的精度範圍內協同工作，以建立一個跨度驚人的 39 米的單個反射表面。
然而，就目前而言，在望遠鏡製造的同時，其巨大的穹頂也在建造中。這個高達 80 米——相當於 24 層樓高——直徑 88 米的保護性外殼仍在建設中。
但這並不意味著現在拍攝 ELT 的精彩照片為時過早。一位攝影師位於 33 公里外的帕拉納爾山頂，捕捉到了太陽在即將成為 6,100 噸巨獸的建築背後升起的景象。
圖片來源： E. 加爾塞斯/歐南臺。致謝：N. 杜博斯特 (CC BY 4.0)
這是一個棘手的拍攝，因為日出的方位角（基本方向）每天都在變化，並且要使兩座山脈和我們遠得多在地平線上的恆星之間獲得正確的對齊需要精確的計時。這張照片拍攝於 2023 年 8 月 29 日。起重機構成了穹頂的輪廓，一些太陽黑子點綴在冉冉升起的太陽表面上。儘管這個黎明充滿希望，但其他建造類似規模天文臺的專案的未來不一定光明：ELT 的工程難度和高昂成本可能使其成為人類建造的最後一批超大型地面望遠鏡之一。
從月球觀看日食
在 2023 年 4 月 20 日，月球直接從地球和太陽之間穿過，擋住了南半球部分觀測者的視線——一次日全食。從地球上看，當月球的陰影掃過南印度洋和太平洋時，月球呈現為一個黑色圓盤。
但是從月球上看是什麼樣的呢？日本公司 ispace 建造了一個名為 HAKUTO-R 的任務，該任務於 2023 年 3 月 21 日進入月球軌道。該公司部署了一個著陸器，但不幸的是，該著陸器在最終降落到地面前的片刻丟失了。然而，就在幾天前，它看到了人類尚未親眼目睹的東西：月球的食影從 380,000 公里外掃過地球表面。
圖片來源： ispace, inc.
月球灰色、佈滿隕石坑且令人生畏的表面佔據了影像的視野，但我們的目光不可避免地被月球邊緣（月球表面邊緣）附近的斑駁藍色圓盤所吸引。可以看到一些白雲，以及實際上是澳大利亞和亞洲部分地區的棕色斑點。
但再看一遍：澳大利亞附近地球表面上那片黑色的變色是月球的陰影，它跨越如此遠的距離投射回來，與我們星球的表面相交，以日全食的形式給許多人帶來了終生難忘的刺激。
我們還沒有為這種獨特的視角找到一個合適的名稱。當從地球上看月球擋住太陽時，它是日食。當從月球上看地球擋住太陽時，我們稱之為月食。但是，當我們從月球上觀看月球的陰影掃過地球時，我們應該稱之為“地球食”嗎？
隨著人類對月球的探索不斷推進，我們需要確定這一點。或者也許我們可以稍微等待一段時間；總有一天，也許在不久的將來，人們會親身體驗到這種現象。也許我們應該把命名權留給他們。
像世界一樣大的風暴
木星太大了，以至於它挑戰了我們渺小的人類頭腦。它的直徑是地球的 11 倍寬，需要 1,000 多個地球才能填滿它的體積。它的大氣層非常深，以至於沒有真正的固體表面；我們只能看到它的雲頂。從地球上看，木星寬闊的水平條紋標誌著這顆氣態巨行星的大氣風暴，對於任何即使透過小型望遠鏡窺視過的人來說，都是一個熟悉的景象。
地球和木星幾乎在同一平面上繞太陽執行，木星的軸線與垂直方向僅傾斜了三度。這種方向使我們無法看到木星兩極的細節——也就是說，直到美國國家航空航天局派遣強大的朱諾號探測器繞這顆氣態巨行星執行。
朱諾號像坦克一樣裝甲，以保護其免受木星強大磁場的侵害，木星強大的磁場將帶電粒子加速到電子破壞能量，朱諾號正在進行一個漫長而環繞的軌道執行，使其從雲頂上方 800 萬公里處降至海拔僅 4,200 公里處，在那裡它以每小時 20 萬公里的速度全速掠過木星。
這些驚險的俯衝使探測器猛撲掠過木星北極附近更高的緯度，揭示了地球上看不到的景象。在四月份，在第 50 次飛掠行星時，它拍攝了兩個巨大的旋風一起旋轉的照片。（朱諾號的原始影像來自軟體工程師 凱文·M·吉爾 處理。）
這些旋風是圍繞木星極地的八個規則間隔的渦旋的一部分，每個渦旋都超過 1,000 公里寬，一個單獨的中心、更大的旋風位於極地上，寬度約為 4,000 公里。目前尚不清楚這些旋風是如何形成的，也不清楚它們為什麼穩定；木星大氣模型的預測它們應該消散。但它們就在那裡，告訴我們天堂中有比我們的哲學所夢想的更多的東西。
顯然，這取決於我們去夢想更大。
每年地球都在繼續轉動，人類事務的動盪起伏，無論好壞，也都在繼續。幫助我保持決心度過這一切的一件事是我們共同擁有的、持久的能力，那就是驚歎地仰望天堂的美麗。科學和藝術是我們理解世界——我們的宇宙——的兩種方式，而天文學是兩者的最佳結合。
本文題為“月球鏡頭”的節選已改編收錄在 2024 年 3 月號的《大眾科學》雜誌中。