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什么是暗物质？
暗物质并不可见 ， 却占据了已知宇宙的四分之一（另四分之三是4%的可见星系和71%的暗能量） 。 我们观察不到暗物质是因为暗物质并不与电磁波谱发生作用 。 不过科学家相信暗物质是存在的 ， 因为可见的物质之间的引力不足以形成星系和复杂的结构 ， 而只有暗物质的引力才能让星系汇聚 。
探索暗物质
虽然暗物质不可见 ， 但是对它的探索自1933年以来未曾停止过 。 那一年 ， 瑞士天文学家弗里茨?兹威基（Fritz Zwicky）研究后发星系团时发现了暗物质存在的证据 。
另一个重要工作由“暗物质之母”维拉·鲁宾（Vera Rubin）所给出 ， 1960年代她在卡内基研究所工作 ， 观测旋转星系时也发现了这种神秘力量 。
2017年 ， 苏黎世大学的天文学家在一台超级计算机上“创造”了一个宇宙 ， 它包含了两万亿个颗粒 ， 它们组成了250亿个虚拟的星系 。
▼虚拟宇宙
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图片来源：Joachim Stadel
这张图是这个虚拟宇宙的一部分 ， 跨越了10亿光年 。 通过这张图 ， 天文学家很好地展示了宇宙中的物质密集度 。 颜色越深 ， 物质的密度越大 。 此外 ， 黄色的斑点是天文学家特别标记出来的暗物质晕（dark matter halo） 。 这是物质的聚集区域 。 人们相信：
天文图片也要美图秀秀
很多天文学的图片都是黑白的 ， 它们通过红外、紫外、X射线照相生成 。 这些不可见的光中也蕴含着许多信息 ， 落在人眼中却只有亮暗的区别 。 另外 ， 专业的电子感光元件也大多是单色的 。 但是 ， 黑白的照片并不代表我们失去了信息 。
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天体的辐射本就是全波段的 ， 人们依旧可以根据记录的信息 ， 为图片赋予颜色 。 通常 ， 天文学界默认红色示意波长较长的波段 ， 蓝色示意波长短的波段 。 这就是为什么我们看到的天文学图片大多是这样的：
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“创世之柱”的诞生
事实上 ， 黑白的图片也给予了天文学家、艺术家更大的表达空间 。
以下这张图片你可能很眼熟 ， 它就是著名的“创生之柱” ， 这是老鹰星云的一部分 ， 在这里 ， 新的恒星正在形成 。 它可以说是20世纪最著名的天文学图片之一了 。
但如果你用自己的望远镜观察创生之柱 ， 所见之景将大不相同 。 我们看到的外太空图片一般都经过了上色和加工 ， 方能呈现出更多的重要细节 。 由于“创生之柱”的广泛流传 ， 天文学家向公众呈现宇宙图片的方式或许也因此改变 。
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“创生之柱”由一支天文学家团队于1995年利用哈勃太空望远镜制作而成 。 拍照仪器四台相机组成 ， 每台照相机负责拍摄最终照片的四分之一 ， 最后由天文学家进行数据校准合成 。
但是我们无法同时分析哈勃望远镜所接受光线的所有颜色或波长 。 研究人员只能用滤波片将大部分光线过滤掉 ， 每次只分析某种具有科学研究意义的波长 。 就这张“创生之柱”照片而言 ， 研究人员感兴趣的是由特定处于激发态的氧、氢、硫原子释放的光线 。
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通常来说 ， 这种方法会生成一张黑白照片 ， 此外只能分别呈现出氧原子释放的波长502纳米的光线、氢原子释放的657纳米光线、或者硫原子释放的673纳米的光线 ， 分别表现为绿光和两种难以辨别的红光 。 如果一张照片仅由黑白红或黑白绿三色构成 ， 显然难以吸引公众的兴趣 。 因此 ， 研究人员将三张图片结合在一起 ， 将氧原子释放的光线呈现为蓝色、氢原子呈现为绿色、硫原子为红色 。
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亚利桑那大学天文学家、该图片的创作者之一保罗·斯科文（Paul Scowen）指出：
“由于公众希望看到这样的照片 ， 很多人都开始按这种方式处理在媒体发布会上发表的图片 。 这大大影响了公众获知和消化哈勃望远镜收集的数据的方式 。 ”
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经过色彩修饰的Westerlund 2星团 ， credit：NASA／ESA／STScI
作者的“宇宙上色”分享
2017年秋天 ， 我在苏黎世大学上一门叫做科学可视化的艺术的课 ， 指导老师是来自加拿大的天文学教授Jayanne English 。 项目开始之初 ， 我们收到了天文学家Joachim Stadel模拟的5张暗物质图片 。 每一张图片距离地球的距离各不相同 ， 要先使用一个天文学常用的软件KARMA对原始图片进行处理 。
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作为一个科学的可视化过程 ， English教授要求大家在开始给图片加滤镜之前 ， 一定要有所计划 。 她说 ， 计划不是最重要的 ， 但是计划的过程却无比重要 。 她还给了我们一份详细的规划列表 ， 需要列出目标、项目的性质、观众是谁、会用到什么样的理论和方法、有哪些挑战 ， 等等 。
我的目标是制作一个充满活力的暗物质空间 ， 在信息和视觉传达上对大众有足够吸引力 ， 并且能够生动地展示宇宙的深度 。 从最后的结果看来 ， 我基本达成了原始的目标 。 经过在绘图软件GIMP中的一系列调整（色值曲线、明暗 ， 等等） ， 我达成了下图中的效果 。
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我很喜欢这个暗物质小项目 ， 这是艺术和科学在知识层面上的结合 ， 也让我看到了更多的可能性 。 这个项目中 ， 来自视觉艺术的色彩、构图理论 ， 帮助科学图像表达内涵 ， 也很有可能揭示科学忽略的信息 。 这样的结合是比较紧实的 ， 在未来 ， 随着科学可视化在实践方面的不断拓展 ， 这种尝试将会越来越多 。
文／小点郭
苏黎世联邦理工学院（爱因斯坦的母校） ， 生态与遗传硕士 ， 专注跨学科发展
编辑／as
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【暗物质|宇宙级“照骗”：科学家为什么要给黑白的天文照片上色加工？】info@as-org.com
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