系外行星的艺术–艺术家如何利用科学数据想象系外行星

艺术家如何使用科学数据来可视化遥远的系外行星和其他看不见的天体物理学现象。

挂在夜空中的月亮将罗伯特·赫特的思想带入了深空-到了约40光年远的区域，实际上，七颗地球大小的行星拥挤在昏暗的红色太阳附近。

卡尔特（Caltech）IPAC中心的可视化科学家赫特（Hurt）在得知围绕着名为TRAPPIST-1的恒星发现了这些岩石世界后不久，就走到了加利福尼亚州马维斯塔（Mar Vista）的家中，并获得了使它们可视化的任务。这些行星是由NASA的Spitzer太空望远镜和地面天文台发现的。

赫特在一次采访中说：“我只是死定了自己，只是盯着它看。”“我在想，那可能不是我们的月亮，而是下一个行星–在一个可以仰望并看到下一个行星的大陆特征的系统中会是什么样子。”

于是开始了一种鼓舞人心的雪崩。赫特和他的同事多媒体制作人蒂姆·皮尔（Tim Pyle）开发了一系列引人入胜的逼真的图像，它们显示了新系统密密麻麻的行星可能看起来像什么—密密麻麻的行星使它们在彼此的天空中隐约可见。他们对TRAPPIST-1系统的看法将出现在世界各地的主要新闻媒体中。

像Hurt和Pyle这样的艺术家根据Spitzer和其他任务的数据提供了生动的可视化效果，他们融合了科学和艺术方面的专业知识，是各种各样的混合体。从图表和数字列上的弯弯曲曲，它们勾勒出红色，蓝色和绿色的世界，以及半冻的海洋或冒泡的熔岩。或者，它们将我们运送到固定有橘红色太阳和充满行星伴侣的天空的世界表面。

“对公众而言，这不仅是给他们一张由别人组成的照片的价值，”华盛顿国家航空航天局总部系外行星探索计划的计划科学家道格拉斯·哈金斯说。“这些是真实的，有根据的猜测，可以让人联想到某些东西。一幅图像值一千个字。”

赫特说，他和派尔（Pyle）是建立在艺术先驱者的基础上。

他说：“实际上，空间艺术和基于科学的插图已有悠久的历史和传统，”“如果您将其起源追溯到Chesley Bonestell（在1950年代和60年代著名）的艺术家，他的确是获得此主意的艺术家：让我们去想象一下，如果您在木星的卫星艾奥上，太阳系中的行星实际上看起来会是什么样子。木星会出现在天空中多大，我们将从哪个角度观看？

为了开始他们的可视化工作，赫特与派尔（Pyle）整理了七个TRAPPIST-1行星，派尔与他在加利福尼亚州帕萨迪纳市Caltech的IPAC中心共用一个办公室。

Hurt拥有博士学位自1996年担任博士后研究员以来，他一直在该中心工作，那时他只是业余爱好。

他说：“他们为我创造了工作。”

派尔（Pyle）的背景是好莱坞特技，他于2004年加入赫特（Hurt）。

赫特向派尔寻求艺术灵感，而派尔则依靠赫特来检查他的科学。

皮尔说：“罗伯特和我的办公桌彼此相邻，因此我们一直在互相提供反馈。”“我认为我们每个人都在互相促进比赛。”

TRAPPIST-1世界为他们两个提供了独特的挑战。这两个人已经以说明许多系外行星而闻名，这些行星系指我们周围的恒星周围的行星，但在一个系统中从来没有七个地球大小的世界。行星离星体如此近，以至于每个行星的“年”（即完成一个轨道所花费的时间）都可以用地球日来编号。

就像到目前为止发现的数千颗系外行星中的绝大多数一样，它们是通过间接手段被发现的。如今，还没有足够强大的望远镜来拍摄它们的望远镜。

真正的科学激发了他们的艺术视野。艺术家使用望远镜的数据揭示每个行星的直径及其“重量”或质量，并利用已知的恒星物理学来确定每个行星将接收的光量，他们开始工作。

双方计划与美国国家航空航天局（NASA）宣布计划与《自然》杂志上的报告相吻合时，与行星的发现团队进行了密切磋商。

派尔说：“当我们在创作这些艺术家的作品时，我们永远不会说，‘这就是这些行星的实际外观。’“我们根据到目前为止所掌握的情况，对它们的外观进行了合理的说明。实际上，拥有如此广泛的七个行星，让我们说明了几乎所有可能的范围。这将是一个令人难以置信的星际实验室，用于处理地球大小的星球上可能发生的事情。”

对于TRAPPIST-1b，派尔根据科学小组的建议，以木星的火山月球Io为灵感。对于最外层世界，TRAPPIST-1h，他选择了另外两个木星卫星，冰封的木卫三和欧罗巴。

与科学家交谈后，赫特将TRAPPIST-1c描绘成干燥而坚硬的岩石。但是由于所有七个行星都可能被潮汐锁定，永远向其恒星呈现一张面孔，向宇宙呈现另一张面孔，因此他在黑暗的一面戴上了冰帽。

TRAPPIST-1d是落在恒星“可居住区域”内的三分之一，或者离恒星适当的距离以允许在地表上有液态水。

赫特说：“研究人员告诉我们，他们希望将其描绘成一个被称为'眼球世界'的东西。”“您有一个干燥，高温的一面，面向星星，背面有一个冰帽。但是介于两者之间的某个地方，您可以（一个区域）将冰融化并以液态水的形式维持下去。”

赫特说，在这一点上，艺术介入了。科学家拒绝了他的第一个行星版本，该版本显示液态水侵入到TRAPPIST-1d的“日间”。他们争辩说，很可能在地球的暗半部分中找到水。

赫特说：“然后，我有点退缩了，说，‘如果在黑暗的一面，没人会看它，明白我们说那里有水。”他们达成了一个折衷方案：日间的用水量超出了科学团队的预期，但更好地体现了科学的视觉效果。

科学与艺术之间的相同推拉作用还延伸到了其他形式的天文可视化，无论是情人节的卡通明星像一颗一颗紧紧地围绕着它的行星脉动的心，还是用于大片宣布首次探测引力波的材料2016年2月激光干涉仪引力波天文台。他们还说明了小行星，中子星，脉冲星和褐矮星。

基于数据的可视化还可以为科学提供信息，从而获得真正的科学见解。科学家最初对TRAPPIST-1的结论似乎表明，这些行星将被沐浴在红光下，从而可能掩盖蓝色水体之类的特征。

赫特说：“很难真正区分正在发生的事情。”

受伤决定调查。一位同事为他提供了类似于TRAPPIST-1的红矮星光谱。他用人眼的“响应曲线”覆盖了这一点，并发现大多数科学家的“红色”来自人眼看不见的红外光。减去这一点，剩下的就是橘红色的色调，我们可能会看到它们站在TRAPPIST-1世界的表面上-“与您期望从低功率灯泡得到的颜色相同的颜色”，赫特说过。“科学家们看着那一眼说，‘哦，好极了，它是橙色的。’当数学告诉您答案时，实际上没有什么可争论的。”

对于Hurt而言，科学图示的真正目的是激发公众，让他们参与科学并提供科学知识的快照。

他说：“如果您回顾整个太空艺术的历史，可以追溯到很多很多年，那么您会发现自己拥有视觉记录。”“艺术是我们对宇宙不断变化的了解的历史记录。我认为，它成为故事的一部分，也是研究的一部分。”