地外天

天文学中,地外天是指从地球以外的星球(或相关空间物体)表面观察外层空间的景象。

唯一被宇航员直接观测和拍摄的地外天空是月球的天空。金星火星土卫六的天空已被设计在地表着陆并将图像传回地球的空间探测器所观测。

由于一些原因,地外天空似乎有所不同。如果存在地外大气层,对可见特征有很大影响。大气层的密度和化学成分会造成颜色、不透明度(包括雾度)和的存在等方面的差异。天文物体也可能是可见的,可以包括天然卫星、星环、恒星系统和星云以及其他行星系物体。

对于没有直接或间接观测到的天空,可以根据已知的因素,如天文物体相对于地表的位置和大气成分,模拟出它们的外观。

历史性的外星天空--从月球上看地球。1968年12月24日,阿波罗8号宇航员威廉-安德斯在月球轨道上拍摄。Zoom
历史性的外星天空--从月球上看地球。1968年12月24日,阿波罗8号宇航员威廉-安德斯在月球轨道上拍摄。

因为水星几乎没有大气层,所以从轨道上看这颗行星的天空与看太空没有区别。水星有一颗南极星,Alpha Pictoris。在小熊座中,它比地球的北极星更暗

从水星看太阳

平均而言,水星上太阳的可见直径是地球上的2.5倍,其总亮度是地球上的6倍多。由于行星的轨道,太阳在天空中的视直径将从地球的2.2倍到3.2倍不等。太阳的亮度将超过10倍。

由于水星自转缓慢,水星上的一天大约持续176个地球日。

从水星看到的其他行星

在太阳之后,水星天空中第二亮的天体是金星,那里比地球上的观测者要亮得多。

在水星的天空中,地球和月球也非常显眼。 分别为-1.2和-1.2。其他所有行星都和地球上一样可见,但在对立面时亮度稍低。

金星--从表面看天空Zoom
金星--从表面看天空

水星--从表面看天空Zoom
水星--从表面看天空

金星

金星的大气层非常浓厚,白天的天空不容易看到太阳,晚上也看不到星星。太空探测器拍摄的彩色图像显示,金星的天空是橙色的。如果能从金星表面看到太阳,那么从一次日出到下一次日出的时间约为117个地球日。由于金星的自转,太阳似乎在西边升起,在东边落下。

在金星云层之上的观测者将在大约四个地球日的时间里绕着这颗行星转一圈,看到的天空中地球和月亮都很明亮。水星也很容易被发现,因为它更近、更亮,而且它与太阳的最大伸长距离比从地球上观察时大得多。

月亮

月球的大气层很薄,所以它的天空总是黑色的,就像水星一样。然而,太阳非常明亮,除非观察者能很好地遮挡阳光,否则在白天是不可能看到星星的。

从月球看太阳

太阳从月球上看和从地球轨道上看是一样的,比从地球表面看要亮一些,颜色是纯白色的,这是因为它的大气层很薄,没有散射和吸收。

由于月球的位置和轨道,太阳在一年中几乎总是以相同的路径穿过月球的天空。因此,在月球两极附近有一些从未受到阳光直射的环形山和山谷,也可能存在从未出现过阴影的山脉和山顶。

从月球看地球

在月球的天空中,最突出的特征是地球。地球会呈现出相位,就像月球对地球上的观测者一样。但相位是相反的,当地球上的观测者看到满月时,月球观测者看到的是一个"新地球",反之亦然。对地球上的观测者来说,满月最亮时,地球的光芒是满月的50多倍。反射在月球暗半部的地球光,其亮度足以让地球上的人看到,这就是所谓的地球光。

由于月球的自转,月球的一侧("近侧")永远朝向地球,而另一侧,即"远侧",从地球上大多看不到。这就意味着,反过来说,只有从月球的近处才能看到地球,而从远处则永远看不到地球。

月蚀

地球和太阳有时会在月球上相遇,造成日食。在地球上,人们会看到月食,即月球穿过地球的影子;同时在月球上,人们会看到日食,即太阳走到地球后面。由于地球的视直径是太阳的四倍,所以太阳会在地球后面隐藏几个小时。地球的大气层会以红环的形式显现出来。

日食阴影,当月球挡住了照射到地球的阳光,另一方面,对于在月球上观看地球的观测者来说,日食阴影将不会那么壮观:月球的伞部几乎在地球表面渐渐消失。一个模糊的黑斑将几乎不可见。这种效果将与阳光投射在5米(16英尺)外的物体上的高尔夫球的阴影相当。月球上的观测者用望远镜也许能够辨别出,在一个不太黑暗的区域(半影带)的中心,有一个黑点穿过整个地球的圆盘。在深空气候观测站看来,它的样子基本上是一样的,深空气候观测站在太阳-地球系统的L1拉格朗日点绕地球运行,距离地球150万公里(93万英里)。

总之,每当地球上发生某种食时,月球上也会发生另一种食。每当地球和月球上的两个天体和太阳对准一条直线时,地球和月球上的观测者都会发生日食。

阿波罗17号宇航员哈里森-施密特在月球上,天空中可见地球。Zoom
阿波罗17号宇航员哈里森-施密特在月球上,天空中可见地球。

从月球看地球(合成图像;2015年10月)Zoom
从月球看地球(合成图像;2015年10月)

从太空中看,2016年3月9日日食期间,月球的影子就像一个黑点在地球上移动。Zoom
从太空中看,2016年3月9日日食期间,月球的影子就像一个黑点在地球上移动。

火星

火星只有稀薄的大气层,然而,火星上的灰尘极多,有很多光线是散射的。因此,白天的天空相当明亮,看不到星星。

火星天空的颜色

从火星表面捕捉准确的彩色图像是很困难的。多年来,火星上的天空被认为比现在认为的更加粉红。

现在知道,在火星的一天里,天空是奶油色的。在日落和日出前后,天空是玫瑰色的,但在落日附近,天空是蓝色的。这与地球上的情况正好相反。由于火星大气层中的高空尘埃,黄昏会在太阳落山后和太阳升起前持续很长时间。

在火星上,天空的红色是由空气中的尘埃颗粒中存在的氧化铁(III)造成的。这些颗粒的尺寸比气体分子大,所以大部分的光都被散射了。尘埃吸收蓝光,并散射较长波长的光(红、橙、黄)。

火星上的太阳

火星上看到的太阳大约有从地球上看到的太阳58,照耀的光线有40%,大约是地球上一个略带阴霾的下午的亮度。

火星卫星

火星有两颗小卫星。Phobos和Deimos从火星表面看,Phobos的大小是太阳的三分之一到二分之一,而Deimos只是一个点。

由于其轨道的原因,Phobos在西边升起,在东边落下。Deimos在东边升起,在西边落下,就像一个"正常"的月亮一样,尽管它的外观在肉眼看来是星星一样。从火星上看,火卫一和Deimos都能食到太阳,不过两者都不能完全覆盖太阳盘,因此该事件实际上是一次过境,而不是食。

火星上的地球

从火星上可以看到地球是一颗双星;月球则会作为一颗较暗的伴星与之并存。

好奇号火星表面对地球月球的首次观测(2014年1月)。

火星上的金星

从火星上看到的金星有一个明显的星等,约为-3.2。

外行星

与它们从地球上的视角相比,外行星(木星、土星、天王星和海王星)在对冲期间会显得略微明亮,但在合相期间会略微暗淡。

火星卫星的天空

从Phobos看,从地球上看,火星比满月大6,400倍,亮2,500倍。从Deimos看,从地球上看,火星比满月大1,000倍,明亮400倍。

从火星上看地球和月球,距离2.05亿公里/1.27亿英里 (模拟比较;MRO;HiRISE];2016年11月)Zoom
从火星上看地球和月球,距离2.05亿公里/1.27亿英里 (模拟比较;MRO;HiRISE];2016年11月)

好奇号探测器拍摄的 日落时分的火星天空(2013年2月;艺术家模拟的太阳)。Zoom
好奇号探测器拍摄的 日落时分的火星天空(2013年2月;艺术家模拟的太阳)。

日落时分的火星天空,由探路者号探测器拍摄(1999年6月)。Zoom
日落时分的火星天空,由探路者号探测器拍摄(1999年6月)。

精神号探测器 拍摄的日落时分的火星天空(2005年5月)Zoom
精神号探测器 拍摄的日落时分的火星天空(2005年5月)

正午时分的火星天空,由探路者号探测器拍摄(1999年6月)。Zoom
正午时分的火星天空,由探路者号探测器拍摄(1999年6月)。

火星日落(动画;2015年4月)。Zoom
火星日落(动画;2015年4月)。

小行星带

小行星带人口稀少,大多数小行星都非常小,因此,如果不借助望远镜,位于一颗小行星上的观测者不太可能看到另一颗小行星。一些与行星轨道交叉的小行星偶尔会离一颗行星或小行星足够近,因此,从该小行星上观测的人无需借助双筒望远镜或望远镜就能看清附近物体的圆盘。

木星

尽管从未从木星大气层内拍摄过图像,但艺术表现通常认为该行星的天空是蓝色的,尽管比地球的天空暗淡,因为那里的太阳光平均比地球暗淡27倍,至少在大气层的上层。从赤道以上的纬度可以隐约看到行星的狭长环。再往下到大气层,太阳会被各种颜色的云和雾气遮挡,最常见的是蓝色、棕色和红色。虽然关于这些颜色的成因有很多理论,但目前还没有明确的答案。

从木星上看,太阳的大小还不到从地球上看的四分之一。

木星卫星

除太阳外,木星天空中最突出的物体是四颗伽利略卫星。离地球最近的木卫一,虽然亮度较低,但比地球天空中的满月略大,从木星上看,它将是太阳系中最大的卫星。欧罗巴较高的亮度并不能克服它与木星较远的距离,所以它的亮度不会超过木卫一。甘尼美德是最大的卫星,也是木星的第三颗卫星,它的亮度几乎与木卫一和欧罗巴一样,但看起来只有木卫一的一半大小。更远处的卡利斯托,看起来只有木卫一的四分之一大小。

从地球上看木星卫星时,木星卫星的表面特征都不会像月球上的玛利亚那样突出。由于覆盖木卫一的硫磺的颜色,木卫一的表面会出现深色和浅色的斑块,最大的火山会被暗点指定,但由于缺乏大的、对比强烈的特征,导致对它的观察效果不佳。然而,欧罗巴会出现一个完全没有特征的白色圆盘。即使从附近观看,大多数航天器的图像也会使用对比度增强来清晰地显示欧罗巴冰的裂缝。在伽尼美德上可以看到模糊的深色和浅色的斑块,而卡利斯托太远了,无法看出任何特征。

四颗伽利略卫星都很突出,因为它们的运动速度很快,与月球相比。它们的体积也都大到足以让太阳全食

木星的小内卫星只出现星状点,除了Amalthea,偶尔会出现像Callisto一样大的卫星。然而,它们都会比任何恒星更亮。除了Himalia之外,外侧的卫星是看不见的,只有在有利的情况下,它才会以暗淡的星状点出现在肉眼中。

木星卫星的天空

木星的所有卫星都只有大气层的痕迹,所以它们的天空是黑色的或几乎是黑色的。对于在其中一颗卫星上的观测者来说,迄今为止,天空中最突出的特征就是木星。

由于木星的内部卫星围绕木星同步旋转,所以木星总是出现在它们天空中几乎相同的位置。例如,在伽利略卫星侧面面向木星的观测者永远不会看到木星。

从木星的卫星上看,伽利略卫星引起的日食将十分壮观,因为观测者会看到食月的圆影穿过木星的脸。

欧罗巴岛上的水蒸气羽流(艺术家概念)。Zoom
欧罗巴岛上的水蒸气羽流(艺术家概念)。

木卫一、欧罗巴和从木星看木星环(模拟图)Zoom
木卫一、欧罗巴和从木星看木星环(模拟图)

土星

土星大气层上层的天空是蓝色的,但其云层的主要颜色表明,再往下可能是淡黄色的。从土星大气层的上层几乎肯定能看到土星环。土星环非常薄,从土星赤道上的位置,几乎看不到它们。然而,从地球上的任何地方,它们可以被看作是一条壮观的弧线,横跨半个天球。

土星的卫星在它的天空中不会显得特别引人注目,因为大多数卫星都相当小,最大的卫星离地球很远。即使是土星最大的卫星土卫六,看起来也只有地球卫星的一半大小。事实上,土卫六是土星大卫星中最暗的一颗,因为它距离很远,也很暗,米玛斯、恩克拉多斯、特提斯、迪奥尼和瑞亚都比较亮。大多数内侧卫星会出现明亮的、像星星一样的点(除了Janus,虽然大多数会比任何星星都要亮。除了Phoebe之外,外侧的卫星都不可见,因为Phoebe会非常暗淡。

土星卫星的天空

由于土星的内部卫星都是同步旋转的,所以这颗行星总是出现在它们天空中的同一个位置。观察者在那些卫星的侧面面向远离行星的地方,永远不会看到土星。在土星内侧卫星的天空中,土星是一个巨大的物体。

土星卫星的环

从大多数卫星上看土星环并不显眼。这是因为土星环虽然很宽,但并不厚实。从内侧卫星上看,环是边缘的,几乎看不见。从外侧的卫星,从伊阿佩托斯开始,可以看到更斜的星环,虽然距离较远会使土星在天空中显得更小;从土星不规则卫星中最大的菲比,土星从地球上看,只有满月那么大。土星环的最佳视角可能来自于内侧卫星Mimas,它相当接近土星环。共轨卫星埃皮米修斯和贾努斯也会有很好的视野。特提斯星的视野次之;伊阿佩托斯星能很好地看到月环,比任何一颗外卫星都要好。

泰坦的天空

土卫六是太阳系中唯一拥有厚重大气层的卫星。泰坦星的天空是淡淡的橘色。然而,宇航员站在土卫六的表面会看到朦胧的棕/深橙色。由于土星距离太阳较远,大气层较厚,所以土卫六表面接受的阳光只有地球的13000左右--因此土卫六的白天只有地球的黄昏那么亮。看来,土星很可能在橙色烟雾后面永远看不见,即使是太阳,也只是雾霾中的一个浅色斑点,勉强照亮冰湖和甲烷湖的表面。然而,在高层大气中,天空将呈现蓝色,土星将被看清。土卫六拥有厚厚的大气层和甲烷雨,是除地球之外唯一一个表面可以形成彩虹的天体。然而,鉴于大气层在可见光下的极度浓厚,绝大多数彩虹都是在红外线下。

恩克拉多斯的天空

从土星上看,土星的可见直径将比从地球上看到的月球大60倍。此外,由于土卫二与它的轨道周期同步旋转,因此,它的一个面朝向土星,因此,这颗行星在土卫二的天空中从未移动过,从卫星的远方无法看到。

土星环几乎看不见 但它们在土星盘上的影子可以清楚地分辨出来就像从地球上看的月球一样 土星本身也会呈现出规律的相位从土星上看,太阳的直径只有从地球上看的月球的九分之一。

位于土卫二上的观测者还可以观察到Mimas(位于土卫二轨道内的最大卫星)平均每72小时在土星前过境。它的明显大小将与从地球上看到的月球大小差不多。Pallene和Methone将出现近乎恒星的样子。从土卫二的反饱和面可以看到的特提斯将达到最大的表面大小,约为从地球上看到的月球的两倍。

土星上的地球和月球(右下)(卡西尼号;2013年7月)。Zoom
土星上的地球和月球(右下)(卡西尼号;2013年7月)。

惠更斯号 探测器观察土卫六表面Zoom
惠更斯号 探测器观察土卫六表面

天空的恩克拉多斯(艺术家的概念)。Zoom
天空的恩克拉多斯(艺术家的概念)。

土星环Zoom
土星环

天王星

从其大气层的颜色来看,天王星的天空可能是淡蓝色的。从行星表面不太可能看到行星环,因为它们很薄很暗。

从天王星表面看,天王星的卫星都不会像地球上的满月那样大,但对于在云层顶上盘旋的观测者来说,大量的卫星会呈现出有趣的景象。与木星和土星上不同的是,许多内侧卫星可以被看作是盘状而非星状点,卫星波西亚和朱丽叶有时会出现米兰达左右的大小,而其他一些内侧卫星则显得比奥伯伦大。外侧不规则的卫星肉眼是看不到的。

在距离太阳如此之远的情况下,光照度很低,这确保了卫星显得非常暗淡;最亮的阿里尔卫星,从地球上看会比月亮暗100多倍。同时,外侧的大卫星奥伯伦尽管离金星很近,但它的亮度也只有金星那么高。

天王星的天空中的阿里尔(模拟视图)。Zoom
天王星的天空中的阿里尔(模拟视图)。

海王星

从其大气层的颜色来看,海王星的天空可能是天蓝色或天蓝色,与天王星相似。与天王星的情况一样,从其表面不太可能看到该行星的星环,因为它们非常薄,而且颜色很暗。

除了太阳,海王星天空中最引人注目的天体是它的大卫星海卫一,它看起来比地球上的满月略小。它的移动速度比我们的月球还要迅速。较小的卫星普洛特斯会出现一个圆盘,大小约为满月的一半。内侧卫星的排列很可能会产生壮观的景象。海王星的大型外卫星"海王星"(Nereid)体积不够大,不足以出现海王星的圆盘,在天空中也不明显。其他不规则的外卫星肉眼也不会看到。

和天王星一样,低光照度导致各大卫星显得非常昏暗。

特莱顿的天空

海卫一(Triton)是海王星最大的卫星,它有大气层,但它太稀薄了,以至于它的天空仍然是黑色的,可能在地平线上还有一些淡淡的雾气。因为海卫一的运行是同步自转的,所以海王星总是出现在它天空中的同一个位置。当海王星绕着太阳运行时,海卫一的两极区域轮流面对太阳,一连82年,导致一个极点,然后是另一个极点,移动到太阳光下,产生了剧烈的季节变化。

海王星本身的最大亮度将与地球上的满月差不多。由于偏心轨道,海王星的亮度变化很大;它的圆盘太小,肉眼无法看到。海神星也很难辨认,但在其最接近的地方,将与犬神星相媲美

海卫一星Zoom
海卫一星

跨海王星天体

跨海王星天体是指太阳系中任何一颗平均距离大于海王星的绕太阳运行的小行星。

冥王星和夏龙星

冥王星在其最大的卫星查龙的陪伴下,绕太阳运行的距离通常在海王星的轨道之外,除了每条轨道上有二十年的时间。从冥王星上看,太阳对人类的眼睛来说是点状的,但仍然非常明亮,从地球上看,太阳的亮度大约是满月的150到450倍。尽管如此,人类在冥王星上的观察者会注意到可用的光线大大减少。

冥王星的大气层由一层薄薄的氮气、甲烷和一氧化碳气体组成,这些气体都来自于其表面的这些物质的冰层。当冥王星靠近太阳时,冥王星固体表面的温度会升高,导致这些冰块升华为气体。这种大气层还产生了明显的蓝色雾气,在日落时和冥王星一天的其他时间都可以看到。

冥王星和夏龙是相互锁定的。这意味着查龙总是向冥王星呈现相同的面孔,而冥王星也总是向查龙呈现相同的面孔。从冥王星看查龙的远方的观测者永远不会看到这颗矮行星;从查龙看冥王星的远方的观测者永远不会看到月亮。从冥王星表面看到的夏朗将是夜空中一个非常大的物体。

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"九头蛇"看。冥王星和查龙(右);尼克斯(左)(艺术家概念)。

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从冥王星看。太阳(右上);查龙(左)(艺术家概念)。

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从冥王星看查伦和太阳(艺术家概念)。

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月光下的冥王星
(艺术家概念)。

冥王星--诺盖-蒙特斯(左-前景);希拉里-蒙特斯(左-天际线);斯普特尼克-普朗尼蒂亚(右) 近日落的景色包括几层大气雾霾。Zoom
冥王星--诺盖-蒙特斯(左-前景);希拉里-蒙特斯(左-天际线);斯普特尼克-普朗尼蒂亚(右) 近日落的景色包括几层大气雾霾。

彗星

彗星的天空在接近太阳时发生了巨大的变化。在最接近太阳的距离,彗星的冰层开始从其表面升华,形成气体和尘埃的尾巴,以及昏迷。彗星上的观测者在接近太阳时可能会看到星星被乳白色的雾气稍微遮挡,这可能会在太阳和其他明亮物体周围产生光环效应。

太阳系外行星

对于太阳系外行星上的观测者来说,星座会因距离不同而不同。从其他恒星观测宇宙的一个结果是,在我们自己的天空中可能显得明亮的恒星在其他天空中可能显得较暗,反之亦然。

围绕α半人马座A或B的行星会把另一颗恒星看成是非常明亮的副星。

从65光年外绕着阿尔德巴兰运行的行星上看,我们的太阳会被看成是奥菲乌斯和天蝎座之间一颗微不足道的恒星。由明亮、遥远的恒星组成的星座会显得有些相似(比如猎户座和天蝎座),但对于来自地球的人来说,夜空中的许多地方会显得很陌生。即使是猎户座也会显得有些不同;从这个位置看,阿尔尼拉姆和明塔卡会显得相互顶着,从而将星带减少为两颗星。另外,贝拉特里克斯会更接近腰带,使得猎户座的"胸部"更小一些。

明星

如果从离我们最近的恒星系统半人马座阿尔法星系观察太阳,它似乎是仙后座的一颗恒星。由于半人马座阿尔法星系的邻近性,这些星座在大多数情况下都会显得相似。

从更远的地方看,太阳会是一颗看起来很普通的恒星,在Serpens Caput星座。在这个距离上,离我们最近的大多数恒星都会与我们天空中的恒星位置不同,包括半人马座阿尔法星天狼星和普罗西昂星

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问题和答案

问:什么是地外天空?
答:地外天空是指从地球以外的行星(或空间中的相关天体)表面看到的外太空。

问:哪种地外天空曾被宇航员直接观察和拍摄?
答:唯一被宇航员直接观察和拍摄过的地外天空是月球的天空。

问:地外天空是如何变化的?
答:地外天空似乎因为一些原因而有所不同,例如大气层的密度和化学成分会导致颜色、不透明度(包括雾霾)和云的存在的差异。天文物体也可能是可见的,可以包括自然卫星、星环、恒星系统和星云以及其他行星系统体。

问:我们能否为没有直接或间接观测到的天空模拟出外观?
答:是的,它们的外观可以根据已知的因素来模拟,比如天文物体相对于地表的位置和大气成分。

问:在地外天空中可能看到的天文物体有哪些例子?
答:在地外天空中可能看到的天文物体包括自然卫星、星环、星系和星云以及其他行星系统的天体。

问:除了地球之外,是否还有其他行星我们看到过从其表面拍摄的照片?
答:是的,有设计在金星、火星和土卫六表面着陆的太空探测器从这些表面拍摄了照片。

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