天文学家如何绘制遥远行星？

本文最初发表于我们的 2023 年 11 月/12 月刊。点击此处订阅即可阅读更多此类文章。

天文学网站和新闻稿中充斥着关于旋转的巨行星、水世界陆地行星以及拥有奇特恒星的奇异行星系统的图片。但这些艺术概念到底有多逼真？它们真的展示了新发现的世界，还是仅仅是虚构的图画，旨在吸引您阅读最新的系外行星家族成员？

“并非每次发现一颗新系外行星，人们就随意套用一个新的系外行星模板。这是真实写照，如果我们能有的话，”著名的系外行星艺术家 Lynette Cook 说，她自 1995 年以来一直在绘制其他世界的插画。“它基于科学事实，就我们拥有的事实而言。然后在此基础上，是基于事实的理论。” 即使涉及到艺术创作——这也很常见——“它至少是在看似可能性的界限之内，”她说。

但我们又如何知道什么是可能的呢？Cook 说，为出版物或新闻稿绘制系外行星世界的插画，始于也终于对话。艺术家与研究人员密切合作，尽可能多地了解他们负责描绘的行星或系统。研究人员可能会提供有关恒星的信息——例如年龄、质量和类型（温度的代理）——以及行星的质量和距离。

这似乎只是一个基本框架，但隐藏在这几个数字中却蕴含着丰富的信息。不同温度的恒星在不同颜色下发出最大光芒——凉爽的恒星是红色的，中等温度的恒星是橙黄色的，热的恒星是蓝色的——所以恒星的类型告诉艺术家它的颜色。它的年龄决定了它可能拥有很少或很多星斑（在我们太阳上的称为太阳黑子），以及它可能有多活跃。行星的质量决定了它是陆地行星还是气态行星，而它的距离则表明了它的太阳在天空中出现的大小，以及该世界是否位于宜居带内，从而决定了地表水是液态还是冰态（或者可能完全不存在）。潮汐锁定的行星——那些一侧永久朝向其恒星的行星——可能与未锁定的行星具有截然不同的特征。

威廉·哈特曼（William Hartmann）是一位著名的行星科学家和艺术家，他在第一颗系外行星被发现之前就已经开始设想其他恒星周围的行星了，他说，天文学艺术家将这些看似不相关的科学数据“综合起来，向我们展示了身处那些地方会是什么样子”。

Cook 说，艺术家通常会制作几张草图，与研究人员来回沟通，以确定哪张最好以及可能需要调整的细节。毕竟，许多行星看起来很相似，所以通常是细微的差别区分了它们。

这些细节越来越不需要猜测。观察光线透过系外行星大气层的景象，当行星从其恒星前方经过时，可以揭示地外大气层的结构和化学成分。某些分子的存在可以决定行星可能呈现的颜色——像木星一样呈红色和棕褐色，像海王星一样呈蓝色，或者可能是一种我们太阳系中完全没有的色调，例如紫色或粉红色。

一些研究人员模拟了系外世界的地表和气候，根据不同的情景展示了遥远的行星可能是什么样子。例如，通过调整水世界中海洋盐度和大气成分等因素，这些模型可以生成模拟的、通用的海洋、陆地和冰的全球地图，然后艺术家可以将其转化为令人惊叹的逼真——且科学上合理的——图像。

有了这些细节，艺术家就可以着手创作引人入胜的系外行星地表景观。对哈特曼来说，最重要的是两件事：“天空中可能看到什么有趣的东西，以及我们想描绘什么样的地表？”他喜欢设想我们太阳系之外的恒星系统和情况下的行星景观——例如，他说，一颗行星的中心恒星在星系合并期间被抛出了母星系。

无论是什么景观，在地外景观中，最难传达的概念之一是尺度感，长期科学作家和插画家迈克尔·卡罗尔（Michael Carroll）说道，他的艺术（上图）通常包含我们太阳系及更远世界的景象。有时行星、卫星或小行星没有大气层，“所以你没有像我们在地球大自然中那样熟悉的视觉线索。”但即便如此，“你可以稍微‘假装’一下”，以提供观众可以与之联系的熟悉视角，他说。

毕竟，这些令人惊叹的插画旨在教育。“天文学艺术家在那些抽象的信息堆和非专业人士可以理解的事物之间搭建了一座桥梁，”卡罗尔说。

Cook 同意，有时需要一点艺术创作自由——而且至关重要。例如，当从遥远的冰巨星视角展示整个行星系统时，靠近母星的内行星只会看起来像微小的点，而不是可见的球体。但是，她认为，如此逼真的描绘会让公众感到困惑。普通人可能会在背景星辰中难以找到那些内行星。“所以，我会把[内行星]画成一个小小的圆圈，”她说。“这是艺术创作，但也是教育过程的一部分。”

Cook 补充说，在某些情况下，她获得了更大的自由度，例如将已知巨行星的景象设置在一个假设的卫星表面上，以“将这个非常美丽的地貌放在前景……所以一切都很美，让你感觉自己就站在那里。”

在其他情况下，研究人员可能只想展示已知的内容，而别无其他，这可能带来它自身的挑战。“如果你只有一个巨行星，那么问题就是，我如何让它看起来与其他我已画过的巨行星不同？”她说。“它必须看起来像它本身，但你又不想完全重复同样的东西，所以这更多的是一个艺术挑战，而不是科学挑战。”

卡罗尔说，归根结底，这不仅关乎教育，还关乎创造新事物：“你可以画一张图表，你可以画一幅画，它能把一切都表现得很好，而且完全没有灵感。或者你可以尝试为世界带来一点美丽。”

自 1992 年首次发现系外行星以来的几十年里，这个领域呈爆炸式增长，如今已知有超过 5,000 颗已确认的行星。

尽管如此，新闻报道或新闻稿中的许多图像看起来都很相似。这并非与海量科学数据无关；恰恰相反。虽然天文学家仍在梳理细节，但我们确实知道，整个行星形成过程在整个星系中都非常相似：所有行星似乎都形成于其母星点燃后留下的碎片盘中，尽管即使是微小的差异也可能随着时间的推移产生截然不同的行星和系统。

这意味着我们自己的太阳系通常是出发点。例如，即使在低压或无压力的条件下，冰晶仍然会形成，并且像沙丘这样的地貌可以在整个太阳系中找到，无论是在行星、矮行星，甚至是彗星上。“你必须小心类比，”卡罗尔说，“但它们确实是我们了解这些奇异世界外观的基石。”

有些可能非常奇异。卡罗尔指出，在较低的重力下，“冰塔可以高五倍。”或者，哈特曼说，“在一个双星系统中，一对红蓝恒星会产生不同颜色的阴影。红星投下的阴影只会接收到蓝星的光，因此会呈蓝色，反之亦然。”

已知行星如此之多，而且未来还会更多，因此既有奇异的选择，也有熟悉的选择。所以，尽管每幅插画都来自艺术家的想象，但它却是对可能现实情况的一种有依据的、谨慎的描绘，旨在同时进行教育和启发。