都市看星空——城市中的深空观测与摄影
本帖最后由 weiguo1688 于 2011-3-10 19:20 编辑序：这篇文章原本发表在《天文爱好者》2009年第12期。都市观星这个念头始于2009年初，当时在广州市区成功观测了鹿林彗星后，觉得在市区观测还有一些作为。另外，台湾资深天文爱好者林启生先生曾经光临过寒舍，对我在广州市区的观测点很有信心，认为只要辅以适当的器材和后期处理，应该可以观测到相当多的深空天体。经过近一年的尝试，的确观测到了不少目标。获得了一些经验也得到了不少教训。写这些东西无非是想把自己在都市观测的经验介绍给大家，其中有些东西可能会显得比较初级。
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图一、这幅动画即是2009年初在广州市区拍摄的鹿林彗星
本文旨在向大家介绍一些城市中观测深空天体的经验与笔者城市观星的体会。文中使用的深空天体照片都是笔者在广州市区拍摄，而且未使用任何滤镜。
城市的夜晚总是灯火灿烂，色彩斑斓的霓虹灯和各种装饰灯光把城市的夜空照亮得犹如白昼。可是这一切对于身居都市中的天文爱好者来说却是极为不利的。再加上汽车尾气等产生的污染，大多数时候，城市都会被灰蒙蒙的烟雾所笼罩。很无奈的是，现今众多的天文爱好者就生活在这样的环境中（笔者也是其一，居住在广州市荔湾区）。只有等到晴朗的周末，或许有机会去到远离都市的郊外观星，还得选择没有月光的夜晚。这样的机会一年也未必有几次。
图二、我在广州市区楼顶的观测环境，天空被城市的灯光映成了橘红色
如果能够在城市中就近观测，时间就好把握多了，能够有更多天文观测的机会。那么在光害如此严重的都市中，如何进行深空观测呢？
首先，要选择合适的观测时机。
晴朗的夜晚是必须的，但仅仅是晴朗还不够，还需要有良好的低空大气透明度。长期居住在都市中的爱好者都会有这样的经验——即便是晴天，天空依然是灰蒙蒙的一片，完全看不到蓝天的颜色。这些就是灰霾，它们是低空大气中大量的悬浮颗粒物，经常是由于大量聚集的汽车尾气造成的。灰霾对于城市中的天文观测是致命的，它一方面降低了大气的透明度，产生严重的消光作用；另一方面这些大气中的悬浮颗粒会对地面灯光形成漫反射，使得夜晚的天空变得更加明亮。一般来说，在空气流动性比较差的季节里，城市中的灰霾都会比较严重。因此我们需要选择空气流动比较好的季节来进行天文观测。例如在冬季，强冷空气过境会把城市中的灰霾与雾气一扫而光；夏季的南方沿海，台风过境后同样会出现通透的天空。这些都是非常好的观测时机。就笔者所在广州市区，没有月光、晴朗通透的夜晚，天顶目视极限星等最高可以达到4等左右。
有了合适的天气条件，还要选择适合观星的时间。在城市中并非整个夜晚都适合天文观测，一般来说前半夜各种各样的城市景观灯都会打开，这个时候天空背景最亮，因为大多景观灯是射向天空的。这些灯光到深夜的时候就会关闭，只有市区路灯会继续点亮到晨光初现。路灯是向下照射的，对天文观测的影响远远小于景观灯，只要观测点不设在路灯底下。
综上所述，都市中适宜天文观测的时机应该是在晴朗的、大气通透的后半夜。因此在选择观测目标的时候要注意提前半季（春末观测夏季星空、秋末观测冬季星空）。
其次，要选择合适的观测点。
很多爱好者都有过路边天文的经验——在城市的路灯下，能够看到的天体寥寥无几，月球与明亮大行星是路边天文永远的主题。所以，我们要在城市中观测到那些暗淡的深空天体，一定不能把观测点设在路灯下。如果能离开数百米，路灯对观测的影响就会大大减小。不过在建筑物与道路密集的城市中，这一点也很难做到。还有一个很好的选择，那就是高层建筑的楼顶天面。这些高层建筑的楼顶一般都远远高过路灯，由于路灯都是向下照射，只要在上面，路灯的影响就会非常有限了。笔者的观测点就设在一栋十二层楼的楼顶上，虽然最近的路灯只有二十多米，但由于远在路灯之上，这些近处的路灯对观测的影响就非常小。
再次，选择合适的观测目标。
深空天体有很多类型，并非所有类型的深空天体都适合在城市中观测。比较适合在城市中观测的深空天体有这么几类：
1、疏散星团，应该说这一类型的深空天体是最适合在城市中观测的，即便是一些亮度不太高的疏散星团（例如M36、M37、M38等等），使用双筒望远镜也可以在城市中轻易的观测到。利用照相观测，则会得到更好的效果。
图三、著名的英仙座双星团，在城市中使用双筒望远镜非常容易观测这个天体。
图四、Cr316一个位于天蝎座的疏散星团，即便在有月光的夜晚，也非常容易观测到。
2、球状星团，这类天体中除了个别几个明亮的目标外（例如M13、M22、NGC5139等等），观测难度要大于疏散星团，因为大多数的球状星团视面积都比较小。即便如此，使用双筒望远镜或者小型的天文望远镜，还是能够在城市中观测到众多的球状星团。它们在望远镜中看起来就是一个暗淡的亮斑。
图五、武仙座球状星团M13，北天最明亮的球状星团之一，在城市中非常容易观测到。
图六、球状星团M3视面积相对较小的一个球状星团，在望远镜中看起来只是一个模糊的小亮斑。
3、行星状星云，这一类型的星云相对来说是比较适合在城市中观测的，因为它们大多具有比较高的表面亮度。但是由于行星状星云的视面积都比较小，因此观测它们需要口径较大、焦距较长的望远镜。例如M1、M27、M57等等，笔者在市区都成功的观测到过（其中M1和M27是利用照相观测、M57目视和照相都可以观测到）。
图七、位于狐狸座的行星状星云M27，在市区目视观测有一定难度，照相观测是个非常好方法。这幅照片使用10英寸施密特－牛顿反射望远镜在笔者位于广州市区的楼顶拍摄的。
图八、行星状星云M57，位于天琴座。笔者在市区使用10英寸施密特—牛顿反射望远镜目视可以观测到，不过不会有照片上那么丰富的色彩，看起来只是一个灰暗的烟圈。
4、比较明亮的弥散星云，这其中包括反射星云和发射星云。但是这样的天体的确不多，最著名的要数猎户座大星云了。在城市中一般的双筒望远镜就可以轻易的观测到猎户座大星云中心部分的云雾状的影像，使用小型的天文望远镜会更加明显。另外一个目标是礁湖星云M8，其核心部分的雾状影像也是很容易在城市中被观测到的。这类天体通过照相观测可以大大提升观测效果，在城市中也是如此（例如昴星团M45周围的反射星云）。还有一类暗星云，在城市中观测如果不使用一些特殊的手段（例如窄带滤镜照相观测），很难观测到。毕竟它们既不发光，也不反射星光。只有当其背后有较明亮的天体时我们才能观测到。而往往在它们后方的是一些非常暗淡的发射星云。曾经尝试过不用任何滤镜在市区照相观测著名的猎户座马头星云（IC434），非常遗憾，即便是经过后期的处理仍然无法显现马头星云的身影。仅仅是隐约看到其傍边的火焰星云（NGC2024）。
图九、著名的猎户座大星云，这幅拍摄于广州市区楼顶的照片隐约可见M42的环状结构。左侧的NGC1977已经清晰可见了，仅仅依靠目视是很难观测到的。
图十、著名的昴星团M45。即便在郊外，使用小型望远镜目视观测也无法看到其周围的反射星云，而这幅拍摄于广州市区的影像中，已经可以看到其周围反射星云较明亮的部分。图片中的绿线是一架夜航飞机左侧的航行灯。
图十一、在这幅广州市区拍摄的深空影像中包含M8、M20、M21和NGC6530。由于天气原因，用了3个夜晚来完成这幅照片。目视观测，我们只能看到一些云雾些雾状的景象，照相观测可以使我们看到其中更多的细节。
5、河外星系，应该说这一类型的天体是最不适宜在城市中观测的天体之一。它们大都十分暗淡，基本上被城市的灯光所淹没。而且即便使用光害滤镜也不能得到良好的效果。当然也有特例，那就是著名仙女座大星系M31。这是一个非常明亮的河外星系，在没有光害的郊外，可以无须借助任何器材，用肉眼直接观测到。在城市中使用一般的双筒望远镜或小型的天文望远镜，可以轻易地观测到M31的星系核心。那是一个看上去挺大的、椭圆形的亮斑。
图十二、著名的仙女座大星系M31，在这幅广州市区拍摄的影像中，已经可以看到M31的旋臂结构和它的两个伴星系M32/M110。在城市中，目视观测只能看到其中心部分——椭圆形的亮斑。
就笔者的观测经验，在广州市区对于表面亮度高于12等，且上中天时地平高度大于30°的深空天体都是可以被观测到的（目视或照相观测），个别中心部分亮度较高、表面亮度在13等左右的天体也能被观测到（例如M8、M20、M31和一些疏散星团等），而且不需要借助特殊的光害滤镜或窄带滤镜。注意这里所说的是表面亮度，星图中大多只给出整体亮度，一般来说深空天体的表面亮度会比整体亮度低数个星等（当然也有例外，例如某些行星状星云），尤其对于那些非常弥散的深空天体，表面亮度会远远低于整体亮度。
当然，如果我们能够借助一些更加专业的器材，例如光害滤镜、窄带滤镜、冷冻CCD等等，采用照相观测的手段，在城市中将可以观测到一些更加暗淡的深空天体，尤其是那些暗淡的发射星云。
下面再来说说城市中深空天体观测的技巧。
对于深空天体这类比较暗淡的目标，一个有经验的观测者可以轻而易举的把它同周围的其他天体区分开，而对于那些没有任何观测经验的人来说，可能会“视而不见”。目视观测选用双筒望远镜会非常方便，笔者曾经尝试在夏季晴朗无月光的夜晚，在市区楼顶用一具10x50的双筒望远镜指向南方天空，轻易就观测到了M6、M7、M8、M20、M21、M22、M24、NGC6530、Cr316等多个深空天体。这些位于银河中心方向的深空天体视面积和亮度都比较大，非常容易观测。对于像M3、M5、M10这样的球状星团，由于视面小、亮度低，在用双筒望远镜观测的时候可能需要轻微地移动视场，这样你就能够分辨出一个很小的暗弱的光斑。如果能够使用口径较大、焦距较长的天文望远镜来观测，效果会更好。不过有一点要清楚，对于这些球状星团，目视观测极难区分星团中的恒星，这一点同观测疏散星团完全不同。对于观测弥散星云这类天体，基本是只能看到明亮的核心部分，一种云雾状的天体，至于颜色和云雾的结构在城市中就很难观测到了。改善目视观测效果有一个很好的方法，就是使用光害滤镜。不过它也有一些局限性，首先光害滤镜都会有一定的减光，所以它只适合于口径较大的、集光力较强的望远镜使用；其次，光害滤镜对发射（或反射）光为线光谱的天体比较有效（主要是发射星云和一些超新星爆发遗迹），而对那些发射（或反射）光为连续光谱的天体效果就很弱，比如大多数河外星系。
在城市中，由于天空背景相对比较明亮，对于一些亮度较低的深空天体目视观测会有一定困难。我们可以借助照相的方法来观测。现今，数字影像技术已经深入到天文观测的每一个角落，业余天文爱好者很多都具备了这样的条件和能力。我们可以通过数字相机获得天体的数字影像，再通过一些技术手段，消除背景光害的影响，使得我们要观测的目标变得更加清晰，能够显现出更多肉眼无法观测到的细节。使用光害滤镜和窄带滤镜是一个不错的方法。光害滤镜主要是针对钠灯、汞灯这样的气体光源产生的光害，窄带滤镜主要是针对发射星云这类天体的照相观测。另外即便没有滤镜也没关系，可以通过数字影像的后期处理来消除光害的影响。笔者尝试过一种简单的方法来消除背景天光，也收到不错的效果。
首先，在拍摄目标天体的时候尽量选择在中天附近，这样可以减少地面灯光和低空灰霾的影响。其次在拍摄的时候要适当选择曝光时间。在背景天光部分不溢出的前提下，尽量延长曝光时间，增加曝光量。这个可以通过试拍后回放的时候查看直方图来确认。只要背景天光不溢出，哪怕拍到的画面很亮，我们都可以在后期处理的时候修正它。最后还需要拍摄一帧能够反应目标天体附近背景天光的影像，可以用一个半透明的胶袋覆盖在望远镜前端，采用与正常拍摄相同的曝光量来曝光。后期处理的时候在完成减暗场的操作后，再把拍摄的那帧反应背景天光的影像减去，然后再除平场和影像叠加。这样获得的影像中，背景光害的影响就非常小了。当然，这个方法也有局限性，尤其对于那些非常暗淡的弥散星云。因为不能像使用光害滤镜或窄带滤镜那样，可以使用更长的曝光时间来获得目标天体需要的曝光量（会出现背景天光溢出的现象）。所以对于那些极其暗淡的弥散星云效果非常有限。
上述那些在城市中拍摄的深空天体影像都是经过精心的后期处理得到的。要知道在城市中，长时间曝光的照片中天空不可能是如此黑暗的，而是像下图所表现的。
图十二、这幅影像是前面那幅猎户座大星云的原始图片（参与叠加的其中一帧）。在市区，焦比F5.5、ISO800、曝光180s的照片中，天空完全是一片红光。左上角是这幅影像的直方图，可见除了亮星与星云中心明亮部分有溢出外，背景天光并没有溢出（高出的两个峰）。这是我们后期处理的前提条件。
本帖最后由 weiguo1688 于 2010-2-20 22:51 编辑
前面看到的那些笔者在广州市区楼顶拍摄的深空天体影像，还远不及在郊外黑暗环境中拍摄的影像来得壮观与震撼。而且，这些影像的质素相对较低（信噪比差）。但我们还是看到了许多目视无法观测到的细节，有些甚至是在郊外也无法目视观测到的。
对于很多爱好者来说，最困难的莫过于如何找到所要观测的天体。尤其是在城市中，天空背景较亮，很多星座只能看到其中极少的亮星，甚至有些星座完全看不到。这对寻找那些暗弱的深空天体极为不利。最简单的方法就是使用一部带有自动寻星功能的赤道仪（或经纬仪）。先用可以看到的亮星进行赤道仪（或经纬仪）的校准，然后就可以在手柄上输入你需要观测的深空天体的编号，赤道仪（或经纬仪）就会自动把望远镜指向目标天体。如果没有这样赤道仪（或经纬仪）又该怎么办呢？还有一个方法（这个是笔者经常使用的方法）可以方便的解决这个问题。一具10x50的双筒望远镜大约有5°左右的视场范围，我们可以利用它来搜寻目标，再利用一支可以安装在双筒望远镜上的指星笔指向目标，这样我们就可以寻着指星笔的光束轻易的找到要观测的天体了。当然，有时即便使用双筒望远镜都无法观测到目标。没关系，我们可以利用目标天体附近的恒星来标定它的位置，这在双筒望远镜的5°视场中还是很容易做到的。笔者在市区观测中经常会使用这个方法来寻找目标，虽然也有一架可以自动寻星的赤道仪，但是校准赤道仪会比较繁琐，远没有这样来得方便快捷。而且这样来寻找目标还可以加深对星空的熟悉程度。
图十四、这是笔者在市区楼顶观测天琴座行星状星云M57时用指星笔标定目标位置。
上面说了很多，但并没有详细的说明需要使用什么样的器材。事实上，城市中的天文观测对器材并没有什么非常特殊的要求，一些简单的器材一样可以拿来观测，例如一具双筒望远镜或者一支小型的折射望远镜。不过对于使用大型器材的爱好者在市区观测，尤其是那些在自家阳台或楼顶观测的爱好者来说非常有优势。大型器材具有良好的观测效果，但是外出携带非常不便。如果能就近架设、观测，使用率将会大大提高。 不错！::070821_09.jpg:: 强大啊，学习了！
本人在东莞，和你那一样光害严重！ 先收藏，再猛顶！::070821_09.jpg:: 好贴！！！！！！！！！
原先在杂志上看到了你的文章，冒想到现在还见着了真人~~~~~~ 又是一个精华帖啊~~顶啊~~身在城市真是困难重重啊~~lz的经验很宝贵~也是每一个在城市观星摄星之人的必经之路啊...想必LZ是很有经验之人,所以如果不能在楼顶观测，可能有灯光影响的话，不知LZ可否推荐几款光害滤镜啊...在下不甚感谢... 都市星空就是这样，一晚上都是灯火通明，光害太大，我生活在一个小镇冬天的晚上也深受其害，烟大，光害大，但好在我能找到理想的观测地点，离镇里几里的地方就可以了，腊月28到离镇20多里的山上看亲人，晚上的星空让我一直难以忘怀，四周空旷，一片漆黑，天空几乎所有的星星都能看到，比在镇里的晚上多好向倍，肉眼竟看到了好几个M天体，星星格外的亮，格外的多，以后有机会我要经常去那里观星，再去拿着我的设备去。 第一图中的鹿林彗星太棒了 技术真好
看来kson也不错 大宝又给大家带来了宝贵经验~ 很棒的經驗分享!!!!
讚~~~~~~~~~~ 又是一个精华帖啊~~顶啊~~身在城市真是困难重重啊~~lz的经验很宝贵~也是每一个在城市观星摄星之人的必经之路啊...想必LZ是很有经验之人,所以如果不能在楼顶观测，可能有灯光影响的话，不知LZ可否推荐几款光害滤镜啊. ...
starfriend 发表于 2010-2-21 05:02 http://www.astronomy.com.cn/bbs/images/common/back.gif
关于滤镜，可以看看这个贴子：http://www.astronomy.com.cn/bbs/viewthread.php?tid=124473&highlight=%E6%BB%A4%E9%95%9C 超级好的文章，先顶！ 好，慢慢的看完了，获益颇多，收藏先。 Excellent! I love it! 都是在广州拍的吗? 广州不是有很多污染和光害吗? 效果实在好! 都是在广州拍的吗? 广州不是有很多污染和光害吗? 效果实在好!
Canon20da 发表于 2010-2-21 14:55 http://www.astronomy.com.cn/bbs/images/common/back.gif
嗯，都是在广州市区拍摄的。广州是个光污染非常严重的城市，但一样可以进行天文观测。就像有人在纽约曼哈顿的高楼顶上也能观测梅西耶天体一样。