2023年，像之前的每一年一样，毫无疑问，未来的每一年也都会有好事和坏事。但一个持续可靠的敬畏和美丽的源泉是我们头顶的天空。来自宇宙天文物体的光，经过短短几秒到数十亿年的旅程，倾泻在我们所有人身上，科学家们耐心地拍摄了其中的一些照片，以更好地了解我们所居住的宇宙。
每年我们都会看到新的事物，或者以新的方式看待旧的事物，我被赋予了一项美妙的任务，即选择我最喜欢的照片，并将它们及其重要性传达给您。年终榜单，尤其是那些展示天文图像的榜单，往往是引人注目且色彩鲜艳的。这可以理解，但它们有时会错过更微妙的照片，那些在细微的视觉细节中隐藏着重大发现的照片，或者提供关于熟悉物体的新鲜视角的照片。它们可能不会跃然纸上，但仍然具有影响力。
这就是我在整理今年天体宝藏时牢记在心的。这个图库绝非完整，但它展示了我认为2023年出现的一些最有趣的天文肖像。
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银河骨骼的阴森光芒
如果没有詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的一些东西，这样的画廊就不完整，JWST 是我们最新的红外太空之眼。这个巨型天文台已经给天文学带来了如此多的微小革命，以至于从过去一年中挑选一个并非易事。应该是一颗婴儿恒星发脾气，还是一颗巨大的老恒星在不可避免地作为超新星爆炸之前以惊人的速度抛洒物质？还是应该是一张令人震惊的10万个星系的地图？
那么，非常非常不同的东西怎么样——例如附近星系复杂尘埃网的骨骼结构（如上图开篇图像所示）？
梅西耶51（M51）是一个距离地球约3000万光年的螺旋星系，从地球上看是正面朝向我们的。它是业余和专业天文学家的最爱，它具有美丽的螺旋结构，并显示了一个较小的星系与之碰撞的影响。在上图中显示的JWST中红外仪器的异常清晰且令人毛骨悚然的假彩色视图中，我们看到了无数的宇宙尘埃云，呈现出类似骨骼的图案。这些云中的每一个都由垂死恒星喷射出的小颗粒岩石和烟灰碳基分子组成。M51的旋转运动与其复杂的引力场相结合，将这些聚集的尘埃云塑造成相互连接的漩涡；红色区域显示尘埃被星光加热的区域，黄色色调表示活跃的恒星形成地点。天文学家拍摄这张图像是为了更好地了解恒星如何在恒星育儿室中诞生，以及它们如何随着时间推移而演化。
小行星卫星加倍下注
美国国家航空航天局的露西号探测器目前位于主小行星带，正在前往木星的途中——或者更准确地说，是木星的轨道。露西的任务是研究几颗与这颗巨大的气态巨行星共享绕太阳轨道的的小行星。每颗小行星都被木星的引力和我们恒星的引力之间的平衡推到了现在的位置。露西任务的目标被称为特洛伊小行星，它们是太阳系早期遗留下来的，就像早期时代的化石一样——因此得名露西。它以1970年代在非洲发现的同名南方古猿阿法种化石骨骼命名。
为了在前往行星的途中测试其导航和成像系统，该探测器被瞄准飞掠一颗主带小行星。这颗被称为丁基内什（Lucy 化石的埃塞俄比亚名字）的太空岩石直径仅约 800 米。天文学家一直对从地球上看到的这颗小行星的亮度波动感到困惑，当露西号看到丁基内什有一颗卫星时，谜团才解开！这样的伴星对于小行星来说并不罕见，所以虽然这是一个惊喜，但并不令人震惊。
但随后天文学家实际上震惊地发现他们看到了双重惊喜：这颗卫星本身是由两块刚接触的岩石组成的，称为接触双星！这是有史以来第一次有人看到像这样的环绕小行星卫星运行的接触双星卫星，理论家们已经忙于弄清楚它是如何形成的。这艘名字美妙的探测器在飞掠更多来自我们行星史前史最深处的遗迹时，还会看到哪些其他秘密？
太阳系过去的锁定时间胶囊
贝努是一颗潜在的危险小行星，一块半公里宽的太空岩石，在两个世纪后撞击地球的累积几率为 0.06%。我会接受这个几率，但我也很高兴美国国家航空航天局也派遣了 OSIRIS-REx 任务去那里进行调查。
在其众多任务目标中，OSIRIS-REx 的任务是收集贝努表面和表面下方的物质样本，这些物质被认为自小行星在太阳系黎明附近形成以来几乎没有变化。因此，贝努是那些逝去时代的岩石时间胶囊，科学家们怀疑其他像它这样的小行星可能在我们的星球冷却后不久帮助地球播下了生命的基本成分。经过漫长的旅程，飞碟形的样本返回容器，装载着大量的贝努碎片，于2023 年 9 月降落在犹他州沙漠中。
科学家们希望收集约 60 克物质，但实际上可能捕获了几百克。他们到底有多少物质仍然不确定；固定容器盖子的 35 个紧固件中的两个卡住了，因此任务人员无法完全打开该装置。工程师们正在努力制造可以完全打开它的工具。
即便如此，研究人员还是能够用镊子取出少量内部物质，再加上散落在容器外部的零星小行星物质，他们已经获得了 70 多克物质进行研究。这对于科学家来说已经足够初步了解 OSIRIS-REx 的宇宙馈赠了，他们已经发现从贝努带回的样本富含水和碳。具有讽刺意味的是，这颗小行星正在向我们展示它的种类可能如何帮助将生命带到我们的星球，即使它们威胁着地球。
近、远和非常非常远
彗星 C/2020 V2 (ZTF) 距离地球从未近于约 2.8 亿公里，因此它从未亮到可以用肉眼看到。然而，在望远镜中，尤其是在天文摄影专家 达米安·皮奇 的镜头下，它仍然是一个引人注目的景象。他等到 2023 年 12 月 12 日，拍摄了这张照片，当时彗星正在穿过天鹤座（天鹤）星座，并经过三个可爱的螺旋星系，称为 NGC 7582、7590 和 7599。这种巧合的定位完美地构成了所有这些物体。
图片来源： 达米安·皮奇
它也给了我们一种不可思议的深度感。在皮奇拍摄这张照片时，这颗彗星距离地球 5 亿公里。这在我们自己的太阳系内是一个相当远的距离，但这比背景恒星的距离要短得多，背景恒星的距离要远万亿公里。
而这种令人费解的距离与我们和这三个星系之间的差距相比，简直是小巫见大巫，这三个星系距离我们约 7000 万光年：约 700 千万亿（700,000,000,000,000,000,000）公里！宇宙是深邃的。
顺便说一句，这颗彗星的轨道被称为双曲线轨道，这意味着它有太多的能量无法被太阳的引力束缚。V2 很可能完全逃逸出太阳系，并缓慢地进入星际空间。在几百万年后，它很可能会在星际星云中巡航。
宇宙蜂巢的尘土飞扬的景象
球状星团是数千颗恒星的大致球形集合，它们都通过相互引力聚集在一起。它们让我想起了冻结在快照中的蜂群，无数的恒星在星团中心周围嗡嗡作响。超过 150 个这样的星团围绕着我们的银河系运行，大多数都距离我们数万光年。但有些离地球足够近，肉眼可见。
天鹅座 Terzan 12 距离我们约 15,000 光年，太暗而无法成为肉眼可见的球状星团。而且它的昏暗不仅仅是由距离造成的：它在天空中非常靠近银河系的中心，所以我们只能通过几乎不透明的宇宙尘埃云看到它。
帮助穿透那层面纱的一种方法是寻找红外光，红外光比可见光更能穿透尘埃。哈勃太空望远镜有可以探测红外光的相机（虽然不如 JWST 好），并且它的敏锐视觉将 Terzan 12 的恒星从黑暗中挑选出来。
即便如此，云层也不是平滑的，而是斑驳的，一些较厚的云层仍然设法阻挡了哈勃望远镜对星团左侧的视野。那里的恒星看起来更红，因为光的波长越长，它就越能穿过弥漫物到达我们。这样的观测不仅教会我们关于星团的知识，也教会我们关于位于银河系中心附近的尘雾的密度和位置的知识。
明亮的黎明，大型望远镜
在智利阿塔卡玛沙漠，在海拔 3,046 米的塞罗阿马佐内斯山顶，欧洲南方天文台正在建造世界上最大的光学望远镜，恰如其分地（如果有点平淡无奇地）命名为极大望远镜，或 ELT。在 2028 年完工后，它的主镜将是由 798 个六边形镜片组成的阵列，每个镜片直径 1.5 米，在几十纳米的精度范围内协同工作，以创建一个跨度惊人的 39 米的单个反射表面。
然而，就目前而言，在望远镜制造的同时，其巨大的穹顶也在建造中。这个高达 80 米——相当于 24 层楼高——直径 88 米的保护性外壳仍在建设中。
但这并不意味着现在拍摄 ELT 的精彩照片为时过早。一位摄影师位于 33 公里外的帕拉纳尔山顶，捕捉到了太阳在即将成为 6,100 吨巨兽的建筑背后升起的景象。
图片来源： E. 加尔塞斯/欧南台。致谢：N. 杜博斯特 (CC BY 4.0)
这是一个棘手的拍摄，因为日出的方位角（基本方向）每天都在变化，并且要使两座山脉和我们远得多在地平线上的恒星之间获得正确的对齐需要精确的计时。这张照片拍摄于 2023 年 8 月 29 日。起重机构成了穹顶的轮廓，一些太阳黑子点缀在冉冉升起的太阳表面上。尽管这个黎明充满希望，但其他建造类似规模天文台的项目的未来不一定光明：ELT 的工程难度和高昂成本可能使其成为人类建造的最后一批超大型地面望远镜之一。
从月球观看日食
在 2023 年 4 月 20 日，月球直接从地球和太阳之间穿过，挡住了南半球部分观测者的视线——一次日全食。从地球上看，当月球的阴影扫过南印度洋和太平洋时，月球呈现为一个黑色圆盘。
但是从月球上看是什么样的呢？日本公司 ispace 建造了一个名为 HAKUTO-R 的任务，该任务于 2023 年 3 月 21 日进入月球轨道。该公司部署了一个着陆器，但不幸的是，该着陆器在最终降落到地面前的片刻丢失了。然而，就在几天前，它看到了人类尚未亲眼目睹的东西：月球的食影从 380,000 公里外扫过地球表面。
图片来源： ispace, inc.
月球灰色、布满陨石坑且令人生畏的表面占据了图像的视野，但我们的目光不可避免地被月球边缘（月球表面边缘）附近的斑驳蓝色圆盘所吸引。可以看到一些白云，以及实际上是澳大利亚和亚洲部分地区的棕色斑点。
但再看一遍：澳大利亚附近地球表面上那片黑色的变色是月球的阴影，它跨越如此远的距离投射回来，与我们星球的表面相交，以日全食的形式给许多人带来了终生难忘的刺激。
我们还没有为这种独特的视角找到一个合适的名称。当从地球上看月球挡住太阳时，它是日食。当从月球上看地球挡住太阳时，我们称之为月食。但是，当我们从月球上观看月球的阴影扫过地球时，我们应该称之为“地球食”吗？
随着人类对月球的探索不断推进，我们需要确定这一点。或者也许我们可以稍微等待一段时间；总有一天，也许在不久的将来，人们会亲身体验到这种现象。也许我们应该把命名权留给他们。
像世界一样大的风暴
木星太大了，以至于它挑战了我们渺小的人类头脑。它的直径是地球的 11 倍宽，需要 1,000 多个地球才能填满它的体积。它的大气层非常深，以至于没有真正的固体表面；我们只能看到它的云顶。从地球上看，木星宽阔的水平条纹标志着这颗气态巨行星的大气风暴，对于任何即使通过小型望远镜窥视过的人来说，都是一个熟悉的景象。
地球和木星几乎在同一平面上绕太阳运行，木星的轴线与垂直方向仅倾斜了三度。这种方向使我们无法看到木星两极的细节——也就是说，直到美国国家航空航天局派遣强大的朱诺号探测器绕这颗气态巨行星运行。
朱诺号像坦克一样装甲，以保护其免受木星强大磁场的侵害，木星强大的磁场将带电粒子加速到电子破坏能量，朱诺号正在进行一个漫长而环绕的轨道运行，使其从云顶上方 800 万公里处降至海拔仅 4,200 公里处，在那里它以每小时 20 万公里的速度全速掠过木星。
这些惊险的俯冲使探测器猛扑掠过木星北极附近更高的纬度，揭示了地球上看不到的景象。在四月份，在第 50 次飞掠行星时，它拍摄了两个巨大的旋风一起旋转的照片。（朱诺号的原始图像来自软件工程师 凯文·M·吉尔 处理。）
这些旋风是围绕木星极地的八个规则间隔的涡旋的一部分，每个涡旋都超过 1,000 公里宽，一个单独的中心、更大的旋风位于极地上，宽度约为 4,000 公里。目前尚不清楚这些旋风是如何形成的，也不清楚它们为什么稳定；木星大气模型的预测它们应该消散。但它们就在那里，告诉我们天堂中有比我们的哲学所梦想的更多的东西。
显然，这取决于我们去梦想更大。
每年地球都在继续转动，人类事务的动荡起伏，无论好坏，也都在继续。帮助我保持决心度过这一切的一件事是我们共同拥有的、持久的能力，那就是惊叹地仰望天堂的美丽。科学和艺术是我们理解世界——我们的宇宙——的两种方式，而天文学是两者的最佳结合。
本文题为“月球镜头”的节选已改编收录在 2024 年 3 月号的《大众科学》杂志中。