探索宇宙天體的色彩斑斕：從紅色旭日到超級粉紅月亮
更新時間：2024-08-23 17:48:12作者：佚名
紅色的太陽和粉紅色的月亮一樣，都是大氣中瑞利散射的結果。
在太陽紫外線的照射下，木星大氣中的硫與大氣中的分子發生各種光化學反應，形成各種顏色。NASA
射手座三葉蟲星云是一個發射星云，受周圍O型和B型恒星強烈紫外線輻射激發，發出明亮的光芒。紅色來自氫（Hα）輻射，綠光來自氧，黃色和棕色則來自硫和其他離子。NASA
我們肉眼幾乎看不到除了太陽、月亮之外其他星球的顏色，其實那些不起眼的星球同樣是色彩斑斕的，宇宙中的天體更是色彩斑斕。
超級月亮又來了！今年，它似乎有了新變化。這些天，“超級粉紅月亮”和“金色月亮”等詞占據了我們的屏幕。
相信大家對“超級月亮”并不陌生，但“粉月亮”和“金月亮”又是什么呢？其實，月亮顏色的變化并不罕見，在漆黑深邃的星空中，隱藏著無數絢爛奪目的色彩，讓人仿佛置身于一個世界。
瑞利散射導致太陽和月亮改變顏色
在人們的印象中，月亮通常是明亮潔白的。“明月當空”、“冷月照耀”等詞句，都是形容這樣的景象。從原理上講，也是這樣，因為月光來自太陽。反射出來的光當然是白色的，就像陽光一樣。不過，如果仔細觀察，月亮剛升起（或即將落下）時，常常可以看到它呈現暗紅色。隨著海拔的上升，逐漸變亮為深橙黃色，升到更高處時，基本呈銀白色。
這就是所謂“粉紅月亮”和“金黃色月亮”的由來。其實，紅色和黃色并不是月亮本身的顏色，而是地球大氣層賦予它的顏色。類似的色彩變化在明亮的太陽上更為明顯。太陽升起時，常常可以看到一輪紅日破曉而出。霧霾重重時，還能看到紅日高懸在天空。這就是大氣中瑞利散射的結果：陽光穿過地球大氣層，太陽在地平線附近時，穿過的大氣層比在高空時要厚。波長較長的紅光幾乎被完全散射，雖然其強度因散射而大大減弱，但仍然足夠明亮，能夠到達人眼。此時的太陽呈現紅色或橙黃色，直視時并不刺眼。隨著太陽升得越來越高，它穿過的大氣路徑越來越短貝語網校，陽光變得越來越強，藍光等短波長光的強度也隨之增加。我們看到太陽從橙色變成金黃色，再變成耀眼的明亮白色。
月亮的顏色變化也是如此，但由于光線暗淡，人眼在暗視覺下對顏色不敏感，所以看上去并沒有太陽那樣明顯變化。尤其是所謂的“金月亮”，遠沒有想象中那么耀眼。滿月的亮度只有太陽的四十萬分之一，而當因塵埃散射而呈現紅色和黃色時，亮度就更加微弱了。人眼的色覺已經很不敏感了，我們能感覺到暗黃色，但沒有照片中那么明顯。
由于空氣污染，玉兔號變紅并不罕見。這通常發生在大氣中有大量塵埃的時候。天文愛好者眼中“正宗”的紅月亮是指月全食時的紅月亮。此時地球阻擋太陽光線到達月球，太陽光中的藍光被地球大氣層散射，而一部分紅光穿過大氣層到達月球表面，再被月球反射回來。于是，我們就能看到一輪像銅一樣暗的紅色滿月。
行星的顏色主要由其大氣層決定
除了太陽和月亮以外，其他行星由于距離我們太遠，我們肉眼幾乎看不到它們的顏色，其實那些不起眼的行星同樣也是色彩斑斕的。
太陽系中有些行星的顏色源自其表面。大氣層稀薄的火星和沒有大氣層的水星，它們的“本色”就體現在表面。火星的紅色非常醒目，肉眼可見，因為其表面大部分都是紅色。水星的表面與月球有些相似，巖石反射陽光，也呈現銀白色。
金星、木星、土星、天王星和海王星，顏色都是由大氣層決定的。金星的大氣層非常稠密，質量是地球大氣層的90倍，根本無法看到行星表面。其他四顆氣態行星則完全沒有確定的顏色，表面物質從外到內逐漸由氣態過渡到液態、固態，不同的大氣成分和反射、吸收等作用賦予它們五彩繽紛的顏色，其中木星尤為絢麗多彩。
木星大氣的主要成分是氫和氦，還有少量的甲烷、氨和水蒸氣。它們本身無色，卻因為其中有活性的“著色劑”——硫而變得明亮。在紫外線的照射下，硫與高層大氣中的分子發生各種光化學反應，形成的硫化物（如氫硫化銨）產生紅色、棕色和黃色等顏色。
土星的顏色也是如此，它的引力比木星小，云層也比木星更“蓬松”、更厚實，再加上它距離太陽較遠，大氣光化學反應較弱，所以顏色不如木星那么濃郁，但更加均勻、整齊，并且在硫磺天體的“著色”下，呈現出柔和的奶油黃色。
距離更遠的天王星和海王星光化學反應較弱，其整個表面基本呈藍色。這是甲烷的功勞。甲烷沒有顏色，但它是一種強大的紅光“捕手”，可以吸收大量波長較長的紅光。甲烷濃度越高，反射光越藍。天王星大氣中甲烷含量約為2%，使其呈現藍綠色；海王星中甲烷含量約為3%，使其呈現深藍色。
表面溫度決定恒星的“色調”
太陽系之外，宇宙中的天體更是絢爛多姿，蔚為壯觀。
如果在晴朗的夜晚仔細觀察，還可以用肉眼看到恒星有不同的顏色，這都取決于它們的表面溫度。例如，距離我們最近的恒星太陽的顏色是黃色，因為它是一顆 G 型恒星，表面溫度為 5800 開爾文 (K)。其他恒星如藍色的參宿四是 O 型恒星，表面溫度接近 40,000 K紅太陽是怎樣升起來的，白色的織女星是 A 型，溫度約為 10,000 K，紅色的心宿二是 M 型紅太陽是怎樣升起來的，溫度只有約 3000K。
上述的G型、O型、A型其實就是恒星的光譜類別，恒星可依其光譜分為7類，分別以O、B、A、F、G、K、M（即光譜類型）表示，表面溫度各有不同，由O型到M型依次遞減，同時恒星顏色由藍色、藍白色到黃色、紅色等變化。
除了恒星，宇宙深空還有無數的星云、星系等天體，更是色彩絢麗。紅色星云大多為發射星云，受到周圍O型、B型恒星激烈的紫外輻射激發后發光，其中紅色來自氫（Hα）輻射，綠光來自氧，黃色、褐色等顏色則來自硫等離子。藍色星云則為反射星云，周圍的恒星雖然沒有足夠的輻射電離發光，但足以讓它們因反射而發光。這背后的物理機制也是瑞利散射，和天空呈藍色的原因是一樣的：來自附近恒星的藍光被星云中大量的物質粒子散射，而紅光則大部分可以透射出去。我們從側面觀察星云時，只能看到藍光而看不到紅光。
星系的規模比星云要大得多，往往包含數千億顆恒星、星云以及大量的星際塵埃和氣體，它們有的誕生，有的消亡，有的發射，有的吸收……在各種難以想象的復雜與動蕩中營造出的星系色彩，無法用語言來描述。
我們之所以能欣賞到眾多天體的壯麗影像，得益于攝影師的辛勤付出以及各種尖端設備的幫助，大大延伸了人類的視野，這些照片大多需要幾個小時甚至幾十個小時的拍攝，再加上復雜的曝光，加上復雜的后期處理，雖然色彩細節可能和我們肉眼所見的不一樣，但足以讓我們看到宇宙無盡的美麗！
（作者李健為北京天文館研究員）
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