宇宙本身是什么颜色的?

宇宙本身是什么颜色的?

苏澄宇,动物科学 / 分享动物们的小秘密/Animalonearth

早在 2002 年,约翰·霍普金斯大学的天文学家卡尔·格莱兹布鲁克和伊万·鲍德里决定做一件听起来很浪漫的事[1]

他们分析了澳大利亚“2dF 星系红移巡天”项目中 20 万个星系的光谱,宇宙光谱代表了宇宙中所有恒星和星系辐射出的光能量在不同波长上的分布总和。通过这一光谱,天文学家能够反推宇宙的恒星形成历史(Star Formation History, SFH) 。

光谱中的特征吸收线和发射线如同化石记录,揭示了不同年龄恒星的比例:年轻、大质量的恒星主要发射高能的蓝光和紫外光,而年老、低质量的恒星则主要贡献红光和红外光。因此,宇宙的整体光谱实际上是宇宙年龄与活力的直接函数 。

为了将这 20 万个星系的光谱数据转化为人类视觉可感知的单一颜色,研究团队必须克服多重物理学与生物学的转换障碍。这一过程涉及复杂的去红移处理与光度加权计算。

首先,由于宇宙膨胀导致的红移效应(Redshift),远离地球的星系发出的光波长会被拉长。为了获得宇宙的“固有”颜色,研究人员必须将观测到的光谱“去红移”(de-redshift),将其还原为静止参考系下的发射光谱 。

宇宙光谱看起来是这样的:

其次,必须根据不同星系的亮度进行加权平均,以确保结果代表的是宇宙光子的总体分布,而非单个星系的算术平均。

最后,也是最关键的一步,是将物理光谱映射到人类的视觉感知空间。研究人员使用了 CIE(国际照明委员会)标准色度系统,计算该光谱投射到人眼视网膜上时,三种视锥细胞(L、M、S 锥体)的刺激值。

这一步骤不仅取决于光谱本身,还极度依赖于观察环境的设定,即“白点”(White Point)的选择 。

最初的计算结果显示,宇宙呈现出一种清新的淡绿松石色,大概就是你买不起的那个珠宝品牌的标志性颜色 [2]。就下面这种颜色:

媒体沸腾了,大家觉得生活在一个蒂芙尼蓝的宇宙里充满了希望。

但好景不长,色彩科学家马克·费尔柴尔德给天文学家们泼了一盆冷水。他指出天文学家在使用软件合成颜色时犯了一个低级错误,他们搞错了“白点”的设置 [3]

简单来说,这就像是你戴着一副玫瑰色的眼镜在看世界,然后宣称世界是粉红色的。当天文学家们修正了白点,去除了红移效应带来的干扰后,绿松石色消失了,取而代之的是一种极其接近白色的、带有淡淡暖调的米色,十六进制代码 #FFF8E7 。

这种颜色在视觉上非常微妙,如果背景是白色,它看起来像淡奶油色;如果背景是黑色,它看起来几乎就是白色。

看到这里,你可能想反驳:“你在忽悠我吗?这太空一眼望去明明是黑的,哪来的米色?”

别急,这其实是你的眼睛被宇宙的“空”给骗了。

我们觉得宇宙是黑色的,是因为太空几乎是真空的,没有大气层来散射光线(不像地球上有蓝天)。加上恒星之间隔得太远,光线太过稀疏,除非光子直接撞上你的视网膜,否则你的眼睛只能看到一片虚无的背景。

科学家说的“米色”,并不是宇宙背景板的颜色,而是宇宙“内容物”的颜色。你可以想象把宇宙中那几千亿个星系全部扔进一个巨大的搅拌机里,按下“混合”键。当你把所有年轻恒星的蓝光、老年恒星的红光搅拌均匀后,才是宇宙真正的平均色 。

为了给这个稍显平庸的颜色起个名字,研究团队在《华盛顿邮报》上搞了一次征名活动[4]。有人建议叫“大爆炸米色”,有人恶搞说叫“原始蛤蜊浓汤” 。最终,虽然“宇宙卡布奇诺”的票数最高,但天文学家们行使了“最终解释权”,选定了“宇宙拿铁”(Cosmic Latte) 。

理由很充分:Latte 在意大利语里是牛奶的意思,既致敬了伽利略,也呼应了我们的银河系(Milky Way) 。

当然,更真实的原因可能是这帮科学家每天要在实验室里灌下无数杯咖啡。

不过,宇宙并非生来就是拿铁色的,它的“脸色”一直在变。

在它还是个精神小伙的时候(大约 100 亿年前),宇宙的平均颜色是迷人的淡蓝色。那是宇宙的青春期,恒星形成爆发,到处都是燃烧剧烈、寿命短暂的大质量蓝星,充满了高能、躁动和无限的可能性 。

但随着时间推移,那些暴躁的蓝星最先燃尽消亡,宇宙的造星能力也开始断崖式下跌。如今,宇宙中只剩下大量寿命漫长的红矮星和正在老去的红巨星,原本的蓝色逐渐褪去,沉淀成了这种温吞的拿铁色[5]

也可以理解为宇宙随着年纪的增长发黄了……

而这还不是终点。根据科学家的预测,随着宇宙继续“氧化”衰老,它的平均颜色会变得越来越红,直到最后所有的恒星熄灭,归于永恒的黑色 。

在这里推荐一本书[6],里面就提到了宇宙拿铁色: