水仙，可谈不上“长寿”，然而，我们的须臾时光，又比它长久多少呢？在无量寿如来的目光凝视下，我们且把握当下的刹那欢欣好了。

很多人对天文感兴趣，是被一幅幅壮观绚丽的美图带入坑的。可你是否知道，这些美图都是后期做出来的？

【震惊脸，什么什么，退坑】

别走啊，这样做是有道理的，且容我慢慢道来。这里我们不谈艺术家创作的概念图——比如第三视角看到的探测器接近行星，一边转一边拍的银河系全貌，或者群星纷飞的超光速旅行视频——而只说天文望远镜或探测器拍到的照片。

先说最简单直观的：拼图。

以“旅行者1号”探测器拍的“太阳系全家福”为例，当时是1990年2月，“旅行者1号”已飞到64亿公里以外，它回望太阳系，拍摄制作了这张著名的图片。

图片的主体部分，实际上是由39张单独的照片拼接连缀而成。其中，每个标记字母的地方就是一颗（基本看不见的）行星，如J表示木星（Jupiter）、E表示地球（Earth）、V表示金星（Venus）等等。

为什么不直接来个广角镜头，大家一道喊“茄子”呢？因为每张小照片已经是“广角”镜头拍的了。天文观测的视野通常非常非常小，多亏探测器要拍摄行星全身照，出发时带了个视野稍宽的相机。周边的6张小彩图，才是探测器在同样的位置，用窄视野相机“拉近”拍摄的。

“旅行者1号”拍摄这一系列照片时，需要多次调整镜头指向、设置曝光参数。地面合成时，要忠实地复现这些变化，才能把图片拼接到正确的位置。

有的拍摄任务并不需要改变太空望远镜的朝向，但因为设计或当时的技术限制，还是要拼图完成。例如“哈勃”望远镜，在1993年到2009年间，它使用第二代广域和行星相机（WFPC2），有4块800×800的CCD感光片。我们看到的最终照片，都是由四幅图片拼接而成的。

这4个CCD中，有1个与众不同，它的视野比其他几块小，但像素一样多。这样，它可以用来拍摄天体的某个局部，供天文学家研究细节。比如，鹰状星云“创世之柱”的照片，本来应该是下图这样：

不过，向大众展现时，就得把这个用来放大局部的角缩小，才能和其他三个角拼接成一幅衔接流畅的照片，像下图这样，右侧星云柱上下接合完美：

有得必有失，图片衔接是流畅了，却造成了一个没有内容的缺口。天文学家是有底线的，不会造个虚假背景放在这里。所以，“哈勃”望远镜的许多照片，都有这个标志性的阶梯状暗角，直到2009年，它更新换代，使用了第三代广域相机（WFC3），这个暗角才消失不见。

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有时，图片拼接是因为被摄对象条件太极端，无法一下子看全。

比如下面这幅日冕物质抛射，羽状抛出的物质是由SOHO太阳探测器的LASCO光谱仪拍摄的，但LASCO从来只敢遮着太阳观察日冕——假如它看一眼太阳，那就是最后一眼。中间的太阳，则由探测器上的EIT望远镜在极紫外波段拍到，比正常尺寸放大了些，填到中间，以增强图片效果。这两台仪器，一个不敢看太阳，一个看不到外层日冕，各自拍一部分，拼到一起，就还挺美的。

拼接图片是X-Y方向的操作。有时，我们还需要Z方向的图片加工，也就是叠图。

叠图有三个主要用途：一是增强信号，二是抑制噪点，三则和色彩相关了，我们留到后面的章节细说，先聊聊头两个用途。

下图是我在2015年冬天拍摄的猎户座大星云，谈不上是个好片子，因为是户外随兴拍摄，手边只有一个白天拍鸟的长焦相机，也没有赤道仪用来消除地球自转造成的星光拉丝，只好把相机的感光度调得很高很高，以缩短曝光时间。但相机感光度一高，噪点就噌噌噌地上去了，让人无法分辨一些亮点究竟是真恒星呢，还是卫星或太空垃圾呢，还是相机自己的噪点呢。

请留意图中圈出的4个光点。

我拍了十几幅照片，选了几张质量不错的，仔细地在PS里把它们的亮星对齐，然后，我把上面几个图层设为“变暗”——也就是说，对于每个像素，只显示所有图层中最暗的那个。如果那里有一颗真恒星，它应该在所有图层的同一位置都是亮的，最终会显示出来。如果那只是一颗卫星、一架飞机、一个高感光度造成的噪点，那么它就会被其他图层投票判死。

叠加合成的照片如下，画面干净许多，真星星都留下来了，上图圈出的亮点不见了。我检查了一下，每幅照片里都有它们，在恒星的背景下缓缓移动，可能是卫星吧。

严肃的天文观测中，图像叠加技术要比我的“五分钟PS教程”复杂得多，这里只是简单意会一下。

再以前面提过的哈勃深空为例，这张照片是1995年底拍摄的大熊座内一个极暗的天区。除了前景的几颗银河系恒星之外，可看到的3000多个天体几乎全是遥远的星系，直抵百亿光年以外。如此遥远暗淡的星光，迫使“哈勃”望远镜用了10天时间，环绕地球150周，对着同一天区累计曝光141小时。最终，选取342张照片叠加，去除宇宙射线和地球散射光干扰，增强真正的信号，合成了我们今天看到的哈勃深空图像。

再说说上色。

各种探测器和太空望远镜拍到的照片，其实原图是黑白的，如果要看彩照，就要后期上色。

不不不，不是这种“上色”。在天文照片里，每个像素的颜色都要有根据，可不是影楼里处理老照片那样，抹个红脸蛋，涂个红嘴唇就完事了。

上色的时候，要推敲三个问题：真实吗？科学吗？漂亮吗？三个问题的答案，分别对应一种上色方法，并且有（jīng）时（cháng）会冲突。

先回到起始问题，为什么照片原图是黑白的呢？并非因为技术落后，能采到的信息贫乏，事实正好相反，是因为信息量太大了。电磁波谱十分宽广，而人眼和大脑能认知的色彩十分有限。超出可见光波段的，一概“伸手不见五指呀”。仪器在可见光以外的波段拍到的图像，该称之为什么颜色呢？

所以，探测器干脆只用明暗来表达它看到的东西，附上波长信息，打个包丢给人类：“喏，这张是微波波段的，这张是红外波段的，这是红光区的，绿光区的，蓝光区的，紫外，X射线，都是黑白片儿，你自己慢慢看吧，只要能分清楚就行。”

当然啦，如果照片本来就是在可见光波段拍摄的，上色就十分简单。太阳系各大行星和周边卫星的彩照大多如此，只要把蓝绿红三原色各自对应的黑白片挑出来，各自渲染成蓝绿红三色，再一叠加，一张“跟真的一样”的彩照就出来了，和冲洗彩色胶片以及人眼辨色原理一模一样。这种可见光波段的上色，叫做“自然色”。

可见光以外，就得用物理+哲学的思路。比如，下面这个太阳极紫外图像四联张，是在17.1nm、19.5nm、28.4nm、30.4nm等波段分别拍摄的太阳。紫外线原本谈不上颜色，但为了快速辨认这些波段，我们不妨按照可见光的波长顺序，从蓝到红为它们赋色。这个色彩顺序符合电磁物理，所以易懂易记，而且，相当美丽！

真实吗？科学吗？漂亮吗？当后两个答案完胜时，就可以拿来挑战第一个问题：我们觉得不真实，纯粹是因为我们眼界太窄，带宽不够……

换句话说，人类不惜代价把那么多仪器送上天，是为了科学研究，而不是观光游览。可见光的狭隘色彩，在整个电磁波谱里，是没有意义的。只要能表达科学信息，就可以抛开天体的可见光色，赋予它完全不同的色彩。这时，我们给照片上的是“代表色”。

还拿“创世之柱”为例，它的原图，本来是3个波段的黑白照片。

其中，左图是氧的502nm蓝绿色辉光，中图是氢和氮的657nm红色辉光，右图是硫的673nm深红色辉光，分别用相应波长的滤镜获得。之所以检测这些波长，是因为这些元素是构成天体的重要成分。

那么问题来了，一个蓝绿色和两个红色叠加配色，结果会是怎样？

结果就是这个样子，它也许更接近天体的真实模样，但这样真实的一片血红，在科学层面上，却没有信息量。

天文学家们追求的，是一目了然。前面说过，为了传递科学信息，我们可以抛弃天体的“本色”。这样，我们把波长最短的氧定义为蓝，把氢+氮定义为绿，把波长最长的硫定义为红（硫：我本来就红……），再做一次图片，忽然就感动得想哭有没有？！

不但图片的色彩更加缤纷绚烂，它也方便传递科学信息。我们知道蓝绿红三原色和各元素的对应关系之后，就能直接解读“创世之柱”各部位的元素分布状况，比“真实”的“血海肉山”要轻松多了。

还有一些上色法，既不真实，也不是为了科学。比如下图的NGC1850，它背后的星云本来发射着氢α线的红光。如果按红色来染，并不妨碍科学表达，但修图师很任性，就是乐意用蓝色来染。这种调进个人审美品味的，叫做“增强色”。

回顾一下，上色三拷问：

真实吗？如果真实，我们把它叫做“自然色”。
科学吗？如果科学，我们把它叫做“代表色”。
漂亮吗？如果漂亮，我们把它叫做“增强色”。

看到这里，想必你对天文美图的制作心中有数了吧！是不是一点都没有退失对宇宙的兴趣，反而更愿意在浩瀚星海中徜徉了呢？

大足北山第136窟的日月观音。这个石窟的佛像保存得极其完整，是大足石刻的明珠，可（suo）惜（yi）门口上了铁栏杆，不让进去看。阳光从我身后照到洞口地面，又反射上去，形成了自下而上的恐怖光，相当不好看。刚才想到了展示方法：反个相就好啦！

不但消除了恐怖光，还给观音笼上了一层神圣的光辉（其实是阴影反相的结果），变得漂亮极了！

如果单是反相的话，赤色的岩石会变成淡蓝色，纯底片效果也不太好。所以还要在PS的“色相/饱和度”设置里，把色相一直拖到180°，就可以看到色彩回归了。

天文界最近的大热点，莫过于“鸽王”——詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）——终于迎来了飞向太空的准确日子，2021年12月22日（这次是真的吗）。这架太空望远镜于1996年立项时，目标是2007年上天。然而它命运多舛，经历了不断的拖延、追加经费、乃至几乎流产等一系列折腾，活活拖了14年。现在它（好像）真要出发了，怎不令人心潮澎湃？

为什么詹姆斯·韦伯望远镜如此能鸽呢？它去太空做什么？我们来聊聊。

先说说“詹姆斯·韦伯”这个名字。詹姆斯·韦伯（James Webb）是NASA的第二任局长。他主持过的最著名的项目，就是“阿波罗”登月计划。他在任期间，NASA完成了不下75次发射，其中有美国最初的太空环境研究、载人航天和行星际探索任务。

为了表述方便，下文提到“韦伯望远镜”、“韦伯”、“望远镜”或其他足以识别身份的名称时，指的都是本文的主角，詹姆斯·韦伯太空望远镜。

为什么韦伯望远镜成了“鸽王”？暂且按下不表，我们先说说它上天去做什么。了解它的任务和工作方法之后，这个问题也就有了答案。

韦伯望远镜最初的名字是“下一代太空望远镜”（Next Generation Space Telescope），“下一代”是相对哈勃太空望远镜而言的。它的官方定位是哈勃继任者，主要任务是要比哈勃看到更深更远的宇宙深空，追溯宇宙在132亿年以前、刚刚形成初代恒星和星系时的婴儿期相貌。它的观测结果，将为宇宙的早期演化史提供重要数据。

光的传播需要时间。我们看到的总是1纳秒前的屏幕、1秒前的月亮、500秒前的太阳、102个月前的天狼星、1340年前的猎户座大星云、250万年前的仙女座大星系。视线越远，看到的景象就越古老。所以，韦伯望远镜的原理很“简单”：使劲往远处看就是了。

可是，宇宙空间在不断地膨胀。初代恒星的星光，出发时还是紫外线和可见光，百亿年后到达地球时，已经被宇宙膨胀抻成了橙红色光和红外线。当研究近处孕育的新恒星时，能从星云尘埃中跑出来报信的，也是波长较长、衍射能力较强的红外线。所以，韦伯在0.6~28微米的波段工作，对应的色彩是橙至红外。

我们眉头一皱，发现事情不那么简单了。

地球大气层对于红外线只能做到半透明，还不是信号变弱的问题，而是几个波段根本不予放行。从时空尽头远道而来的红外线，本已奄奄一息，经过大气过滤后，更是缺斤少两。另外，凡有热处就有红外辐射，温暖的地球大气，本身就是巨大的红外干扰源。因而，在地面上无法研究宇宙最深处传来的红外线。那些强大的地面望远镜，如中国“天眼”FAST、甚大天线阵VLA，在建的欧洲极大望远镜E-ELT，都不适合做这方面的研究。

怎么办？浮出大气层，到太空中去！哈勃望远镜的轨道够不够？不但不够而且很不合适。哈勃在540公里的高度绕地飞行，这里依然有稀薄的大气，并且无法逃避红外烘烤——当飞到白昼区时，如果扭头不看太阳，就躲不开地球那张明晃晃的大脸——被照亮的望远镜本身也会制造红外辐射干扰。哈勃不太在意这个，是因为它主要工作在紫外和可见光波段。

所以，韦伯望远镜的最终选址，是日地拉格朗日点L2。如果读者不熟悉这个词，只需要知道它是个有趣的位置：在这里的小天体，比地球离太阳远，却能和地球以相同周期绕日公转。L2处于地球轨道外围，距地150万公里（地月距离的4倍）。这里没有大气，并且太阳、地球、月球这些干扰源都在同一方向，只要把这个方向挡住，就能够心无旁骛地静听宇宙深处传来的第一声婴啼。

确切地说，韦伯望远镜并非固定在L2上，而是围着L2画圈飘荡（原理不重要，在此不赘）。为了把各个可能角度的阳光遮挡严实，韦伯望远镜配备了一个巨型遮光罩。它大致是个菱形大风筝形状，长径21米，短径14米，面积堪比一个网球场。这个遮光罩共有五层镀铝（前两层掺杂硅）的聚酰亚胺膜，每层膜薄如办公用的透明胶带，并且互相分离。

多层分离是有道理的：假如只有一层，不论它有多厚，即使镀上反光材料，阳面的残留热量还是会传导到阴面，变成红外干扰。而在多层膜之间，热量只能通过辐射传递，最终呈指数衰减。测试数据表明，遮光罩的阳面接受300千瓦的辐射功率时，阴面只有23毫瓦的输出。这样的性能，足以让望远镜稳在-220℃以下安心工作。

观测点选好了，太阳光挡上了。解决了信号干扰问题，还有其他问题等着。

作为“下一代”望远镜，韦伯看到的图像要和哈勃一样锐利，但它看的是波长更长的红外线，所以它需要一个更大的镜面才能胜任。想想那些射电望远镜或镜阵，个个都是巨锅，正因为它们侦测的波长更长。

韦伯望远镜有一个直径6.5米的主镜，相比之下，哈勃的主镜直径只有2.4米。韦伯的主镜面积25.4平方米，是哈勃的6.25倍。这面巨镜的性能相当卓越：在2微米的红外波段，韦伯的分辨力可达0.1角秒，相当于站在80公里外看一个乒乓球。它能看到比哈勃观测极限还要暗几十倍的天体，是人类肉眼观测极限的100亿倍。

有趣的是，韦伯的大镜子竟然比哈勃的还要轻（625公斤：1000公斤）。这里又有高科技了：韦伯的镜板是金属铍，而哈勃用的是玻璃。铍是第四号元素，密度只有水的1.85倍。它够轻，够硬，在望远镜所在的极冷环境下，形状比玻璃的还稳定。美中不足是它颜色灰暗，反射率不佳，所以人们在铍镜面上镀了一层0.1微米厚的金，世界重归完美。

最后，我们该如何把直径6.5米的主镜面、外加一个网球场大小的遮光罩送上太空呢？只有层层折叠后塞进火箭，到了太空再展开。韦伯的主镜不是铍板一块，而是由18面正六边形小镜拼接成的。为了使展开后的主镜精准对焦，每块小镜的微调系统要求5纳米的步进精度。展开遮光罩是个更加复杂的任务，需要大约7000个零件协同工作，才能把5层薄膜展开、铺平、绷紧、隔离。

回顾一下，到此为止，目标→问题→解决方案依次是：

回溯时间、观测深空天体→宇宙膨胀使信号变成红外线→那就观测红外线→①地面上无法观测→去拉格朗日点，加遮光罩→②波长太长→加大镜面→镜面太重→用金属铍→铍颜色太灰→镀金→③个头太大→分块折叠、上天展开。

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1671年，牛顿研究光的折射时发现，棱镜可以把一束阳光发散为一道彩带。他第一次使用“光谱”（Spectrum）来描述这种色彩排列，还把它划分为赤橙黄绿蓝靛紫七种颜色，来和音乐、日月五星、一周的天数搭建神秘的关系——嗯，牛顿是个狂热的神学家，他研究物理学这门副业，是想找到全知全能的上帝设计宇宙时留下的密码。

牛顿的颜色划分其实并没有什么实用意义，对色彩的感觉和定义，随每个人的生理能力和语言文化的差异，各有不同。光谱，这个当代天文物理学的重要利器，被闲置了一个多世纪。

1802年，沃拉斯顿在太阳光谱里留意到5条暗线，但他只是记了下来，并表示“嗯，有点意思，像是分隔颜色的界线，恐怕三言两语说不清。”

1814年，光谱终于迎来了它的时代。这一年，27岁的夫琅禾费制造了世界上第一台分光仪，独立地再次发现了太阳光谱里的这些暗线。夫琅禾费的分光仪在当时清晰无比，他标记的暗线，达574条之多！

夫琅禾费不仅标记了这些暗线（从现在起，我们称之为“谱线”），还做了进一步研究。他把分光仪指向天狼星和其他一些亮星，从中观察到了相似却有差异的谱线。他由此排除了“这些暗线是地球大气造成”的可能性，因为，假如谱线源自地球大气，那么，各个恒星（包括太阳）的星光穿过相同的地球大气，谱线就应该特征相同。他进一步推断说，这些谱线来自恒星，携带了恒星本身的信息。在那个时代——没有任何前人理论可供参考，而他的发现只能靠后人解释——得到这样的正确结论，是很惊人的。无怪乎这些暗线被称为“夫琅禾费线”了。

夫琅禾费线的重大意义之一，是它锚定了色彩的位置，给色彩赋予了精确的刻度。从这时起，对包括可见光在内的电磁波谱，就可以定量研究了。这一点，我们后面会提到。

夫琅禾费标记这些恒星谱线时，能做出进一步解释的两位主角还没上场。本生才3岁，基尔霍夫还未出生。到了1859年，这两位科学家基于其他一些科学家的零星实验结果，并对照焰色反应的特征谱线，总结出“发射光谱”和“吸收光谱”的概念，对夫琅禾费线的产生机制做出首次系统性的解释。1913年，玻尔更是通过解释氢原子谱线，打开了量子理论的大门。

我们毕竟是来介绍恒星光谱及应用的，不是写科学发展史的，所以，我们就跳过逐层揭示真相的过程，直接用现代的语言来说说事情的本质吧。

原子核周围的电子，有若干个“限定高度的轨道”——这是个打比方的说法，严格称“能级”，但大家不妨先按人造卫星轨道去理解——比如，离地200公里算第一轨道，再高些就是离地300公里的第二轨道，350公里的第三轨道……电子不限于在第一轨道活动，只要它能量够高，就可以到第二、第三这些高轨道去看看。但奇异之处在于，它去更高轨道时，并不会200、201、202、203……这样逐次爬升，而是腾地一声，瞬移到300或者350。甚至，它从200到350时，也并不需要途经300。所以我们刚才说“限定高度的轨道”，限定规则就是，除了这些轨道高度之外，不允许电子存在于任何中间高度。

另外，电子从200公里向300公里转移时，必须精确充值100公里的能量。如果它获得99公里，那么我们前面说过，299公里的轨道不许存在，所以它过不去。先充99备着，等凑够100如何？不行，能量必须一次花完，不许存着。如果来的能量是101公里呢？能不能充100公里，找零1公里？抱歉，也不行。这就是量子世界的奇妙规矩。

比方打完，接下来用认真的术语，应该不难理解了。太阳核心是个炽热而拥挤纷乱的核电站，光子从这里出发，挣扎十几万年爬到表面，各种波长的都有，本来是个连续的光谱。但它们飞向太空时，就必须穿越太阳大气。如果有一个波长656.28纳米的光子撞到了氢原子，它携带的能量，刚好可以让一个第二能级的电子跃迁到第三能级，那这个光子就被氢原子吸收了，而其他波长的，由于电子跃迁时不储蓄、不找零，就可以自如通过。如果我们在这个氢原子身后架起分光仪，就会看到656.28纳米处的红光区出现一条暗线。

太阳大气中不只有氢，还有种种其他元素。在各种原子核的身边，电子所处的能级、它们各自想去的能级、各自需要充值的光子能量，也有多种可能。于是，当一份连续光谱冲出太阳大气之后，就会被截留下许许多多特定波长的光子，夫琅禾费线也就出现了。

反过来想，如果检查太阳谱线，和各种元素的特征谱线一一对照，就可以知道太阳大气的化学成分。事实上，氦元素就是在1868年观测太阳光谱时发现的，而它在地球上被发现，则是27年后的事了。起初人们甚至以为，它只在太阳上存在，所以起了个Helium的名字（太阳神Helios），旧译氜。这个汉字造得很忠实啊，可惜弃用了。

我们再来重温夫琅禾费的发现，去分析各个恒星的光谱，就会得到和他当年一致的结论：光谱携带着恒星的信息。恒星的质量、年龄都不同，温度、亮度、色彩和大气成分也就有了差异，并体现在它的光谱上。例如，温度极高的青壮年热星发出高能的蓝光，它在蓝端的光度分配比较多，并且作为燃料的氢线浓重；而濒临死亡的恒星，高光度就集中在红端，氢线极其微弱，作为炉渣的碳线则较发达。

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假如在东北地区看的话，就是月掩金星了。

可惜我在成都。

并且上午中午阴天，错过了月合金星的最佳时机。

不管怎样，云开后补一张吧，毕竟白天拍金星并不那么容易。

“羲和号”，中国首颗太阳探测卫星，于2021年10月14日成功发射升空，并顺利进入平均高度517公里的太阳同步轨道，标志着中国进入空间探日时代。我们来聊一聊，这颗划时代的科学技术试验卫星做什么，怎么做，以及一些相关的科技巧思。

“羲和号”的正式全称，是“太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”。它通过分析光谱的方法，研究和太阳爆发相关的科学问题。

——跑个题，“太阳爆发”不是太阳变成红巨星的世界末日，更不是超新星式的“太阳爆炸”（我们的太阳没有那个贵命），而是体现在太阳大气层的黑子、耀斑、日珥、日冕物质抛射等表层活动。这些太阳活动，读者们在一生中都经历过几十回乃至几百回，不要恐慌。

比如刚刚过去的10月28日，太阳朝向地球一侧爆发了一次X1级耀斑，在太阳大气层中产生了一次等离子体“井喷”。此次耀斑爆发还造成了一次日冕物质抛射，直冲地球而来，并于11月1日抵达地球，为世界各个高磁纬地区带来极光。

回到正题上来，“羲和号”通过分析太阳的Hα波段附近的光谱，来研究太阳爆发时的大气动力学过程和物理机制。

Hα指的氢（H）的最引人注目的（α）那条谱线，它的波长是656.281nm，是颜色深红的可见光。Hα标志着氢原子电子从第三能级到第二能级的跃迁。还不太了解能级跃迁的读者不需要对此感到头痛，只要知道Hα指示氢等离子体的大量存在就可以了。

如果只是一条干净利落的656.281nm谱线，那就是生活单调乏味的氢，也没什么可研究的。而在活跃的太阳表面，由于太阳大气的高速运动，这条谱线就会发生变化。

如何变化呢？老朋友“多普勒效应”登场。我们走在路上，有时会遇到救护车拉着警笛飞驰而过。当它擦身而过时，我们会留意到，它的警笛声忽然降调了，原本唱的“so-mi-so-mi”，忽然变成了“mi-do-mi-do”。这就是多普勒效应：当波源运动时，在其运动方向接收到的波长会变短（频率会升高），在背向其运动方向上，接收到的波长会变长（频率会降低）。

为了形象速记，我们也可以说，“多普勒效应”就是“运动的物体把它前方的波形挤压得更致密，后方拉伸得更稀疏”。

光也是一种波，所以光也会有多普勒效应。那么，为何救护车的音调变化很容易感知，而我们对着红灯冲过去时，却不能把低频的红灯看成高频的绿灯呢？因为声音是一种低速波，和车速量级相差不多，救护车随便跑跑，就能造成人耳可察的频率变化。而光的速度极高，它的波形就不能轻易“挤压”到人眼可辨了。

但是，放到太阳活动这么剧烈的事件中，再加上专业设备，有些事就不那么难了。太阳活动造成的大气起伏能够被“羲和号”携带的光谱分析仪器侦测到。当氢等离子体从太阳表面升起时，它朝向地球扑来，多普勒效应会使光谱升频。如果“羲和号”瞄着这个位置看的话，就会看到Hα谱线右移，比如，跑到了656.30nm。用这个频率差，就可以推算出这一坨物质喷发的速率。反之依然，可以通过谱线的左移量推知物质的沉降速率。

“羲和号”的科学仪器由南京大学负责建设。南京大学说，“羲和号”可以察觉0.0025nm的波长变化。在Hα波段折算一下就是：如果氢等离子体在太阳表面升降的速率大于1.14km/s，它造成的谱线移动就可以被察觉。

当然，太阳是个球体（各位置朝向地球的速度分量有差异），在不停地自转（太阳球面左侧在不停奔向地球，右侧在不断远离地球），并且不同纬度的自转速度还不一样。这些因素都会在最终的运算过程中考虑进去，以免得到荒谬的结果。

为了得到黑子或耀斑的细节数据，“羲和号”可以盯着日面上一个极小的区域看。视野越小，对防震防抖的要求越高。为了让科学仪器可以静下心来工作，“羲和号”使用了磁浮技术，让驱动平台和科学仪器在工作时暂时分离。这样，驱动平台里的机械设备工作时，就不会抖到正在专心看太阳的科学仪器模块了。这也是“羲和号”全名中“双超”的由来：超高指向精度、超高稳定度。

“羲和号”运行在距地517km的太阳同步轨道上。这个轨道穿越南北极，位于晨昏线附近的上空，始终能够看到太阳。为了确保它不会因地球公转而被地球遮蔽，这个轨道以每年逆时针360°（北半球视角）的速度缓缓进动。

“羲和号”选在2021年升空，也是个很好的时机。抛开项目进度的客观事实不谈，这个时间很配合太阳活动周期。假如它在2018年上天，工作3年，这期间正是两个太阳周期之间的低谷，太阳波平如镜，安静如鸡，就不好看了。现在它上去，正赶上太阳活动的爬坡期（预计2025年能到高峰），会收获许多成果。

“羲和号”是中国空间探日计划的先锋官，它填补太阳爆发源区高质量观测数据的空白，提高恒星物理研究能力，对空间科学探测及卫星技术发展有重要意义。

随着中国航天事业的发展，我们开发出越来越多的太空新玩法。一个“新”词汇频频被提到，它就是“拉格朗日点”。比如，“鹊桥号”中继卫星在地月系的拉格朗日点附近运行，提供月球背面和地球的通信服务。那么，拉格朗日点是什么呢？让我们一起来了解。

以地球和太阳为例：在地球轨道面的哪个位置放个小天体，可以使它围绕太阳公转时，与太阳、地球的相对位置保持不变呢？

这实际上是一个三体问题。三体问题是个不可精确求解的问题，但是如果限定条件比较严格，例如：在同一个平面上，第三个天体的质量小到可忽略不计，就还是可以求得几个特解的。1767年，欧拉求出这个问题的三个特解。1772年，拉格朗日又算出另外两个。这五个特解在公转轨道附近所对应的位置，叫做“拉格朗日点”，分别编号为L1、L2、L3、L4、L5。

这五个数不是随意编的，每个数字对应一个唯一的位置。以太阳和地球为例：

L1在日地之间的连线上，并且距离地球更近些。

L2在日地的连线延长线上，在地球一侧，或者说，在地球阴影方向。

L3在地日的连线延长线上，在太阳一侧，地球的对面，和太阳的距离基本等于日地距离。

L4和日地成等边三角形，引领着地球运行。

L5和日地成等边三角形，跟随着地球运行。

可以看出，L1、L2一个在地球轨道内侧，一个在外侧，如果不考虑地球的话，内圈的应该跑得比地球快，外圈的应该跑得比地球快才对。不过，这里有个“如果”。地球引力会对L1的小天体说“等等我！”对L2的小天体，则是喊“跟紧些，别掉队！”

结果，虽然距太阳有远有近，L1、地球、L2却以同样的角速度奔跑在黄道面上。L1的小天体永远悬停于地球的白昼一方，L2的小天体则始终逗留在黑夜的那一面。这真是太好玩了。

人们根据拉格朗日点的特性，为特殊性质的太空探测设计了一些量身定制的方案。

L1在日地之间，所以研究太阳的探测器就放置在这里，它们距离地球150万公里左右，在月球轨道以外，永远不会掉进地球或月球的阴影，可以持续观测太阳。太阳及日光层探测仪（SOHO）就被部署在这里。中国的嫦娥五号轨道器完成登月任务后，由于项目进展顺利，推进剂充足，所以加个班，飞到日地L1这里开展了一些太阳探测任务。

L2在地球阴影方向，距离地球也是150万公里左右。虽然这里的地球不能完全遮挡太阳，但还是消光不少。而且，这里位于地球的磁层尾部，太阳风的干扰也较低。这个位置应该做一些静静欣赏夜空的事情。向宇宙超深空凝望、探测宇宙大爆炸余辉的一些任务，就适合在此进行。威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）就被安排在这里。顺便说一句，前者任务早已完成，光荣退役。后者是航天界著名的鸽王，说是2007年就升空的，结果一直拖到今天，还在地面上。据说2021年10月底即将上天了，但因为火箭整流罩出了点问题，可能还会继续鸽下去。

地月系的L2，也是个有趣的所在。开头说过，“鹊桥号”就在这里工作。根据L2的定义，它始终在月球的背面一方，同步跟随月球绕地运行。这样，它就可以把月球背面“嫦娥四号”的信息传到地面上来。你可能会说：不对呀！如果地球上看不到“嫦娥四号”，那么也应该看不到“鹊桥号”才对，它又如何中继呢？问得好。其实，拉格朗日点只是数学里的特解，而在现实世界里，并不是稳定平衡点，“鹊桥号”并不是一动不动地停在地月L2那里——那样就真的看不到地球了——而是围着L2画圈圈，地球始终能接收到它的信号。

目前还没有哪些航天器在L3工作。这里和地球之间隔着太阳，即使获得信息也发不过来，而且，这个位置十分难以保持稳定。身边没有地球罩着，面前还时不时窜过一个金星，对轨道干扰相当严重。但这里是科幻小说作者钟情的地方，常常在这里描绘一个“反地球”。

L4和L5也有永昼的特点，而且这两个点的稳定性容易维持，也很适合研究太阳，但它们和地球距离太远（等于日地距离），并且研究太阳的工作有个L1基本够用了，目前还没有开发它们的急迫需要。如果真要用到它们，L5比L4更有价值，因为这里位于太阳自转的上游，当太阳风暴爆发时，L5可以比地球提前四天知道，为地球发来预警。

科幻小说或漫画也比较钟情L4和L5，因为它们离地球比较远，位置稳定，能攻能守，是星际殖民题材的常用故事背景。《机动战士高达》更是把L1-L5全都用上，分成七个SIDE，各种博弈，对拉格朗日点算是非常痴迷了。

一到秋天，家燕就从欧洲纷纷启程。它们飞越地中海，穿过撒哈拉，一路飞往中非南非的温暖地带。

南北1800公里的撒哈拉沙漠，对于任何候鸟都是个严峻考验。这里干燥炎热，没吃没喝。即使燕子以时速40公里不停地飞，也要两天两夜才能见到南方的草原。每年春秋两季，一来一回，都会有许多燕子被撒哈拉沙漠永远留下。

撒哈拉并非从来如此面目狰狞，从各地散布的岩画内容来看，一万年前，这里还是水草丰美之地，野水牛、长颈鹿、河马、鳄鱼徜徉其间。对于铭刻在候鸟基因和世代传授的行为而言，一万年太短。即使面前横亘着一望无际的大沙漠，燕子还是视若绿洲，勇猛向前。

撒哈拉沙漠的演化，其实是个天文现象。一万年前，地球的近日点还在北半球的夏季，那时的地轴倾角也比较大，北半球面朝太阳时，可以对得很“正”。这样，北半球的夏季比现在要热得多。北非大陆上，热空气迅猛上升，把附近大西洋的水汽抽调过来，形成强大的季风，带来丰沛的降水。而现在，近日点挪到了北半球的冬季，地轴倾角也在逐年减小，撒哈拉地区的夏天有点凉快（原来变成沙漠是因为冷啊），大西洋的水汽再也爬不上来了。

读者可能要忧心忡忡了：原来地轴倾角在减小啊！我还以为它一直稳在23.5°呢！地球越转越正，将来四季消失了，如何是好？

不用怕，地轴倾角不会一直减下去。到了公元11300年左右，它又会开始持续增大。大约每41040年，地轴倾角会在22°到24.5°之间完成一个振荡周期。

也就是说，地球的自转倾角只轻微地减了不到1°，撒哈拉湿地就变成了撒哈拉沙漠。

如果有一颗行星，自转倾角的变化量是两位数，又当如何？这样的行星，在太阳系里确实存在，并且只有一颗，它就是我们最近的话题大热门：火星。

火星的自转倾角非常混沌，它目前的数值是25.19°，给人造成一种“和地球差不多嘛！是个宜居的候选”的错觉。其实，火星倾角可以在13°到40°之间来回变化（一说，是0°到60°），周期在几百万到2千万年之间。

火星的倾角变化之大，在太阳系里独一无二。听起来匪夷所思，仔细分析就觉得很对。

行星自转倾角的稳定性，一是看自身天赋，二是靠亲友帮扶。木、土、天王、海王四颗大行星，本身就硕大无朋，滴溜溜圆转如意，在角动量守恒定律的加持下，它们的自转轴十分稳定。地球有月球陪着，相比地球来说，月球是一颗巨大的卫星，可以有效地扶定地球的自转倾角。水星和金星虽然没有卫星，却离太阳很近，来自太阳的潮汐力，可以把它们的姿态牢牢稳住。

唯有火星，个头又小，转得又慢，离太阳又远，仅有的两颗卫星小如花生米，根本扶不住它。更悲催的是，它身边就是肥胖的木星，时不时路过扯一把。在各色天体的摄动下，它的自转东倒西歪，成了太阳系行星中唯一的醉汉。

过大或过小的自转倾角，会带来截然不同的行星气候。当自转倾角极小时，火星姿态很正，赤道和两极温差很大，热量持续从赤道向两极扩散，类似地球上的台风会相当频繁，两极的冰圈分布比较稳定。当自转倾角很大时，火星的南极北极交替朝向太阳，极昼极夜的范围大而且漫长。每个火星年，南北半球各被冰区覆盖一次。假如火星上有生命，在高倾角模式下，它们一定会集中生长在赤道附近，不然就要有极强的迁徙能力，冬季到来时，能从冰区迅速撤离。

火星倾角的变化使它在两种极端气候之间摇摆不定。火星轨道相机（MOC）的这张照片里，几十层清晰的风成沉积岩，表明在火星的历史上，经历过循环往复的气候变化。

如前所说，火星的倾角变化周期十分漫长，以几百万到千万年计。假如在火星上有生命的话，它们就不能像横穿撒哈拉的燕子这样——忍个几万年就熬过去了——而是必须进化，才能跟上气候变化的步伐。并且，这里的生命进化会非常折腾：好不容易从低倾角模式进化到高倾角模式，又要再“进化”回去了——可是，究竟是进化还是退化呢？这会是一个有趣的问题。