由《发现》撰稿人菲利斯·弗兰克尔(FeliceFrankel)的一个话题,引发了第一幅宇宙“暗物质”天图的制作者理查德·J.马赛(RichardJ.Massey)和拉斯·L·克里斯滕森(LarsL.Christensen)之间的一段生动对话。为了让天图以一种更直观的方式展示在大家面前,在对话中他们披露了天图的整个制作过程,包括引入了虚拟标记语言符号,即数字可视化技术等,使科学延续着“新大陆探险家”们的工作??
马赛:最近我和同事们利用“哈勃”太空望远镜绘制了一幅“暗物质”大尺度天图。首先,暗物质是完全不可见的!跟我们所熟悉的一切可以看得见、摸得着、闻得到的物质完全不同。因此,除了很难发现它之外,我们的天图还提出了一个相当棘手的数据可视化的问题:怎样才能把一种不可见的物质表现得最好?
一张北美地区的夜光照片(上图)。图中大部细节都是暗的。宇宙也是这样:发光的恒星和星系只占整个画面的六分之一。一小块宇宙脚手架或者“暗物质”的二维天图(下图)。这幅图是根据哈勃太空望远镜COSMOS测量到的数据绘制的,它显示了暗物质密度沿着由引力透镜所决定的视线的分布。
克里斯藤森:你们可以拿以前绘制的宇宙天图(这些天图绘制的是发光的星系)跟一个城市的晚间快照作比较。路灯照亮了一些公路和岔路口,而大多数地区都是朦朦胧胧的。左图所示的北美洲卫星图片中,大多数地方你都看不清。
马赛:宇宙天图也是这样:炙热发光的恒星、星系和行星只占整个图像的六分之一。其余都是宏大而又不可见的暗物质骨架。这就是宇宙的基础构架,正是这些构架把整个宇宙粘合在了一起。
虽然我们无法直接观察到暗物质,但是我们可以通过它们对可见物质所施加的影响来推断它们的存在。因此,我们看到的那些普通而又非常遥远的星系会在宇宙的另一边呈现出墙纸般的图案,从这些星系发出的光在长途跋涉飞向我们的旅途中不得不穿越介于其间的暗物质。逆着背景光,暗物质会显露出几分轮廓。但这种“引力透镜”效应不会使遥远的星系看似更昏暗,只是其形状发生了改变而已。就像光线透过一块摆动不定的玻璃一样,临近的暗物质由于扭曲了其背后物体的视形状而暴露了自己的行踪。
我们使用“哈勃”研究了50万个星系的形状,并绘制了一块相当于8个满月大的天空中暗物质的二维天图。为给人以一种寒淡、冰冷的感觉,图中的颜色以暗蓝色作为主色调(在数据可视化技术中,一般很少使用蓝色),这是因为人的眼睛对蓝色不太敏感,从而让人很难察觉到细微之处。但这种效果却正是我们所需要的!在一个单独的版本中,画家佐特·列维(Zolt Levay)省略了轮廓线,使得图案更加平滑、流畅。
暗物质的三维天图,就像最初由科学家所准备的那样,它显示的是一个包含许多高密度块的同密度面。这幅图已被旋转,以使太空与水平面平行。
把数据修平滑并且在制作暗物质的同密度面时使用了内部光源。这样可以让暗物质看起来更像气体。
我们在绘制三维暗物质天图的过程中还测量了暗物质团跟我们的距离。这是可视化过程中一个更难啃的硬骨头。我们制作了一个32'32'20的数据体(daracube),数据体中的每一个立体像点(voxel)上包含了测量到的密度(立体像点是三维体积中的一个立方单位,与二维图像中的像素类似)。我首先描绘了一组同密度面,得到了某种纤维状结构。然而,这种不透明的面太致密了,而且让人感到沮丧的是它会抹去一些关于最密集团块的信息,这些信息是隐藏在视野中的。去年11月,我们发表在《自然》上的文章中插了一组图片,这些图片被人嘲笑是一堆在食品店永远卖不出去的变了形的土豆。显然,在1月份结果正式公布前,我们需要在可视化方面得到帮助。为此,我们请教了美国航空航天局(NASA)和欧洲宇航局(ESA)的有关专家。
克里斯藤森:虽然时间紧迫,并且在美国天文学会开会之前还有一段时间要放假,我们还是认为要把这一令人惊异的结果用一种更加直观的方式展示出来,这需要花时间在数据上。
欧洲宇航局的设计师马丁·科尔迈萨(Martin Kornmesser)和高级工程师凯斯皮尔·尼尔森(Kasper Nielsen)绘制了另一组同密度面,他们把关于最密集团块的信息作为一个虚拟现实的标记语言文件,输入到了一个用作高端可视化和电影动画的程序之中。
马赛:关于它们的几何形状,我们争论了好一会儿。测量是对天空中一个固定的视角进行的,因此,它实际上覆盖的是一块锥体。但是这样来展示数据集,使得宇宙看起来会随时间变得越来越小一样,而实际情况恰好与此相反。为了避免引起混乱,我们把数据压缩在了一个方盒中。
克里斯藤森:沿着这条道路,我们作了好几次的努力,尝试了各种软件技术,希望把暗物质的弥散本性表现出来。利用工具对曲面的表示进行再细分和提炼后,得到的曲面更加平滑了;而光源放置在同密度面的内部。
我们是根据发光效应来工作的,最后还使用了菲涅耳罩作为基本结构使得外表透明(这样做对纵览壮观的三维结构很有帮助),然后再给它着上蓝颜色。菲涅耳罩的工作原理是菲涅耳效应,该效应是反射系数依赖于观测者的视角;而眼睛对菲涅耳罩的感觉跟我们透过水面看物体时很相似。
我们还对背景进行了实验。三维“水滴”看起来不错,但是显然它们跟我们真实的宇宙没有什么联系。我们的样图中有一幅标记了背景星系,这些背景星系的光子作为“测试粒子”,可以用来探测暗物质所施加的牵引力。
我们在暗物质密度最高点上洒下发光的星系是为了阐明另一个重要的结果:暗物质和发光物质的分布是非常一致的。这也独立地确认了现有的宇宙学理论的正确性。为了显示观测是怎样进行的,我们还在图中不合比例地添加了一架“哈勃”望远镜的小模型。最后,我们觉得引入不合比例的“哈勃”望远镜和捏造的星系使得画面中的新异元素过多而抛弃了这幅草图。
马赛:我真的非常喜欢那幅图。实际上必须得承认,我将那幅草图偷偷地塞给了几位新闻记者。你们可能会因为它看起来像蛙卵而感到闷闷不乐,但我却认为那是对光滑而又难以捉摸的暗物质的一个非常有趣的类比!它显示了菲涅尔效应所起的作用是多么的大。
克里斯藤森:是的。我们一直在这样一种高强度的时间压力下工作,所以完全没有意识到你这么喜欢那幅图。
设计者根据发光效应来工作(图a),并使用菲涅尔罩来增加透明度(图b),然后再加上背景星系和一架小的哈勃太空望远镜(图c)。这些背景星系都位于暗物质密度最高的地方。
最终,一大包静物照片和录像片在网络上发布了。其中在最主要的图片中所显示的就是我们冰蓝色的同密度面,以及从科学家们的数据中抽取出来的并标注了各自空间距离的三个平面;一架小“哈勃”望远镜正对着它们进行观测。
夏威夷大学的R·布伦特·塔利(R.Brent Tully),后来还有哈佛-史密松天体物理中心的玛格丽特·吉勒(Margaret Geller)和约翰·赫切尔(John Huchra)是所有这一切的先驱。塔利是1980年代末、1990年代初最早绘制发光物质(星系和恒星)天图的天文学家之一。那时候人们所知道的星系的位置相对较少,他早期绘制天图的方法之一就是用同密度面来显示它们的分布。
当然,从那以后天图的清晰度已经得到了很大的提高。在接下来的几年里,暗物质天图的清晰度也会得到相当大的提高。
马赛:在探索一个未知的地方时,想画一幅图来表示那个地方是人的一种天性。我们现在知道外面有许多暗物质,科学在延续着“新大陆探险家”的工作———在天图的骨架上添加新鲜血肉以了解到底是什么在包围着我们。