微信號(hào)｜NAOC-BJ 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)
從流星現(xiàn)象出發(fā)
“初涼宜夜透衣羅，時(shí)見流星度絳河” 。流星是大眾喜聞樂見的天文事件。寧?kù)o的夜晚，于庭院中手捧一杯香茗，賞流星瞥過，不可謂不愜意。
需要說明的是，流星是流星體帶來的一種現(xiàn)象。當(dāng)流星體進(jìn)入地球大氣燃燒時(shí)就是我們見到的流星了。在2017年4月，IAU（國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)）對(duì)流星體的定義進(jìn)行了正式的修訂：在行星際空間中移動(dòng)的固體物體，其尺寸在30微米至1米之間。
實(shí)際上闖入地球的流星體絕大部分是沙子或者谷粒大小，一入大氣則蕩然無存，燃燒的亮度不少在-1等左右。較為罕見的是火流星，宿主塊頭要大一些，在大氣中燒的雖所剩無幾，卻往往留有遺骸，有些亮度可達(dá)-14等以上，比滿月還要亮一百倍。
按照周期性的不同，流星可以分為偶發(fā)流星和流星雨。對(duì)于一個(gè)特定的流星雨，它們?cè)谔炜罩袆澾^的軌跡延長(zhǎng)線幾乎交于一點(diǎn)，我們稱這虛擬的點(diǎn)為輻射點(diǎn)，輻射點(diǎn)出現(xiàn)在哪個(gè)星座就管它叫什么流星雨。不同的流星雨有著各自的檔期，且峰值時(shí)期每小時(shí)天頂流量（ZHR）往往不同。
圖1. 七大流星雨檔期示例圖，目前最值得期待的是英仙座和雙子座流星雨（圖源：自繪）
那么這些流星雨從何而來呢？這恐怕還與太空“臟雪球”——彗星有關(guān)。
彗星一般在一個(gè)橢率很高的軌道上運(yùn)行，且并非鐵板一塊的剛體，當(dāng)它經(jīng)受行星或太陽(yáng)較大的潮汐力時(shí)，會(huì)瓦解出一些碎片出來；亦或者臨近太陽(yáng)溫度升高，容易形成十分廣闊彌散的塵埃慧尾，這些彗尾小顆粒會(huì)逐漸散落至軌道各處。當(dāng)彗星的軌道和地球軌道有重疊，且地球行進(jìn)到此處時(shí)，這些小顆粒平行墜入大氣就帶來了流星雨。以英仙座流星雨為例，早在公元36年就被中國(guó)史料記載，后被證實(shí)其母體來自軌道周期為133年的109 P 彗星（又稱Swift–Tuttle彗星）。
圖2. 以Swift–Tuttle彗星為例的流星雨形成原理示意圖（圖源 ：duluthnewstribune.com）
背后蘊(yùn)藏的研究?jī)r(jià)值
流星除了可以寄托我們對(duì)美好生活的向往，同樣有著不菲的研究?jī)r(jià)值。
從現(xiàn)象學(xué)的角度來看，我們還不能對(duì)各大流星雨的流量做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)煙花般壯觀的流星暴(ZHR > 1,000)的流量預(yù)測(cè)更是難上加難，這些都有待長(zhǎng)期觀測(cè)才能給出更好的模型。在偶發(fā)流星問題上，隨著觀測(cè)的積累，我們也發(fā)現(xiàn)很多偶發(fā)流星并不偶然，很多也屬于特定流星雨的一部分。截止到2021年6月，已經(jīng)有112個(gè)流星雨得到認(rèn)證。
圖3. 兩幅對(duì)1833年獅子座流星暴的形象描繪作品（圖源：wikipedia/Leonids）
而天文學(xué)研究上，觀測(cè)流星體具有重要意義。首先，從彗星角度，我們尚且不知流星體的碎片具體來自彗星何處，面對(duì)分裂的動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)還存疑惑，需要等待更多觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累才能得知。其次，從太陽(yáng)系角度，觀測(cè)流星體可以得到新的研究啟發(fā)。與飽經(jīng)風(fēng)霜的行星相比，流星體和隕石只是碎片，它們自形成之初沒經(jīng)歷什么演化，顯得非常的“原始”，通過觀測(cè)它們可以更好地探究行星形成、太陽(yáng)系起源等有關(guān)課題。
圖4. 觀測(cè)流星可以揣測(cè)太陽(yáng)系大小天體質(zhì)量分布情況。圖為利用雙站觀測(cè)得到的不同流星體的質(zhì)量（對(duì)數(shù)）與流量的關(guān)系圖，實(shí)線和虛線是兩個(gè)模型的導(dǎo)出結(jié)果，圓點(diǎn)是觀測(cè)結(jié)果（圖源：參考文獻(xiàn)[6]fig 13）
最后，從預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)角度，監(jiān)測(cè)流星可以幫助我們了解近地空間環(huán)境。雖然流星對(duì)生活在地面上的人不會(huì)造成直接危害，但因流星體速度極高，對(duì)太空中的航天器容易構(gòu)成威脅。故對(duì)流星規(guī)律性的研究，可幫助人造物避開碎片密集的區(qū)域。
以上種種，皆在鼓勵(lì)我們積累更龐大且細(xì)致的流星觀測(cè)數(shù)據(jù)。
探秘需要的觀測(cè)手段
流星或流星雨的觀測(cè)上，我們可以進(jìn)行可見光或射電觀測(cè)。射電波段上可以用各種天線或?qū)I(yè)的射電望遠(yuǎn)鏡去觀測(cè)，具體按下不表。至于可見光波段則有肉眼、望遠(yuǎn)鏡、全天相機(jī)三種手段觀測(cè)流星。
我們的肉眼本身就是非常精密的光學(xué)儀器，6等星以上的亮度不在話下。當(dāng)我們野外目視流星時(shí)，我們可以手動(dòng)記錄下它出現(xiàn)的時(shí)間、方位等信息，提交給國(guó)際流星組織(IMO)以供有關(guān)人士參考。但是肉眼的缺陷也十分明顯，人眼容易疲勞，且得到的信息是模糊的，專業(yè)價(jià)值甚微。望遠(yuǎn)鏡雖然有很高的集光能力，但用來觀測(cè)流星性能是過剩的，且視場(chǎng)太小，流星出現(xiàn)在視野里只能碰運(yùn)氣。若想覆蓋整個(gè)天空則需要成百上千個(gè)鏡子，經(jīng)費(fèi)上就劃不來。
用攝像設(shè)備取代人眼來記錄流星是非常自然的事。自90年代后，得益于高靈敏度感光元件的出現(xiàn)，用相機(jī)監(jiān)測(cè)流星已經(jīng)沒什么門檻了，只需要在前置一個(gè)廣角鏡頭，整個(gè)星空從此一覽無余。同時(shí)由于攝像設(shè)備的小型化、易操作性，也使得不少天文愛好者可以搭建自己的設(shè)備來監(jiān)測(cè)流星。
我們的需求是搭建一個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)天空的全天相機(jī)，從而得知每顆流星出現(xiàn)的時(shí)間、方位、亮度等信息。其實(shí)搭建這樣的單個(gè)系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，成本也非常低廉。主體是一個(gè)樹莓派，(微型電腦)搭配相機(jī)、鏡頭，加上保護(hù)外殼和防雨罩，軟件控制上是開源的，很容易找到提供的組織，初級(jí)的數(shù)據(jù)處理可以用商業(yè)化的UFOCapture等軟件找到流星。選址時(shí)注意光害和后期可維護(hù)性即可。
圖5. 我們?cè)谡旧侠眯行窍鄼C(jī)簡(jiǎn)易搭建的全天相機(jī)（左）以及捕捉到的一張流星照片（右）
當(dāng)然并不是所有的全天相機(jī)都一樣。有的團(tuán)隊(duì)考慮到數(shù)據(jù)處理過程中，使用單相機(jī)加180度廣角的方案帶來圖像畸變難以修正，故選用多個(gè)相機(jī)多個(gè)視場(chǎng)疊加的方式，好處是很大程度上避免了畸變，缺點(diǎn)是提高了成本，且前期安裝調(diào)試會(huì)麻煩點(diǎn)。
圖6. 不列顛群島其中一個(gè)站點(diǎn)上的流星監(jiān)測(cè)相機(jī)（圖源：nemetode.org）
? 星羅棋布的流星網(wǎng)絡(luò)
個(gè)體的力量是單薄的，流星的發(fā)生地并不局限于一地，一個(gè)站點(diǎn)無法對(duì)整個(gè)流星或流星雨的輻射點(diǎn)、流量得到完備的了解，至于實(shí)現(xiàn)前面闡述的科學(xué)目標(biāo)更是不可能?，F(xiàn)在我們有無數(shù)衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)控地球表面，但是對(duì)頭頂?shù)男强諈s未能掌握其實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。所以我們會(huì)有一個(gè)自然的想法，能不能把所有的相機(jī)聯(lián)合起來呢？
如果地球上每個(gè)位置都有監(jiān)控相機(jī)，它們的視野就能覆蓋天球的各個(gè)角落，在這張大網(wǎng)24 h的監(jiān)測(cè)下一顆流星都無法悄然溜走，我們對(duì)流星數(shù)據(jù)的獲取就是完備的了。這就牽引出流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的概念。
介紹這一概念之前，我們不妨先關(guān)注一下2012年的十月天龍座流星雨。那一次的流星雨流量極大， ZHR預(yù)計(jì)達(dá)到9,000 左右，這一罕見的爆發(fā)事件出乎了所有人的意料，事后翻閱卻發(fā)現(xiàn)沒有任何的觀測(cè)報(bào)告仔細(xì)說明這件事。因?yàn)楸l(fā)的最佳觀測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)的是亞洲的夜晚，而彼時(shí)的亞洲卻沒有相機(jī)在監(jiān)測(cè)，使得本該記錄在案的寶貴資料與我們失之交臂。
圖7. 克羅地亞一個(gè)相機(jī)在2018年10月9日一整晚監(jiān)測(cè)到的流星情況，視場(chǎng)為88° × 48° （圖源：參考文獻(xiàn)[5] fig1 ）
所謂“流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”是指在不同地點(diǎn)放置全天相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)夜空全天候高靈敏度的觀測(cè)。項(xiàng)目初衷是在成百上千個(gè)站點(diǎn)上放置全天相機(jī)，站點(diǎn)間距短則幾公里，長(zhǎng)則百公里，以得到良好的天空覆蓋率，并不遺漏任何重要事件。各子站點(diǎn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式實(shí)時(shí)上傳到中心服務(wù)器，再經(jīng)過嚴(yán)格的自動(dòng)化校準(zhǔn)流程，讓我們對(duì)近地流星體有實(shí)時(shí)的感知。隨著大量高精度的數(shù)據(jù)積累，方便我們一窺流星背后的諸多科學(xué)奧秘。
圖8. 流星網(wǎng)絡(luò)原理圖，上部深色區(qū)域是兩個(gè)相機(jī)重疊的天區(qū)（圖源：參考文獻(xiàn)[6] fig1）
除了前面提到的太陽(yáng)系認(rèn)知、近地環(huán)境等方面，流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)還有個(gè)妙用?；鹆餍窃诖髿庵胁粫?huì)燃燒完，可以為我們帶來珍貴的外星禮物。據(jù)估計(jì)，每50萬平方公里的土地上，每年會(huì)落下十個(gè)火流星，帶來至少300 g樣本。以往找這些小石頭會(huì)是個(gè)很費(fèi)勁的活，在流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幫助下，多個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)可以更好確定它的軌跡，方便我們縮小搜尋范圍。
圖9. ANSMET團(tuán)隊(duì)的研究人員在南極尋找隕石（圖源：Cindy Evans/pri.org）
最早的流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可追溯到70年代，由于技術(shù)水平的局限性，只能用于探測(cè)特別亮的火流星。隨著現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展，流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)搭建的技術(shù)難度和資金成本都大大降低：在一個(gè)站點(diǎn)配置一套科研級(jí)別的設(shè)備可以控制在人名幣6,000元以內(nèi)，地點(diǎn)的選擇也比較隨意，只要有電有網(wǎng)，光學(xué)環(huán)境不差即可。相比其他時(shí)域天文學(xué)遙遠(yuǎn)的“宏圖大業(yè)”，流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難度較小、成本低廉，是最容易試手的。除了科研人員自行鋪設(shè)每個(gè)站點(diǎn)，愛好者們可以向當(dāng)?shù)亟M織購(gòu)買設(shè)備，置于家中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一方面上傳至服務(wù)端用于科研分析，一方面可以自行娛樂。
圖10. 歐洲和北美的流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，紅點(diǎn)為站點(diǎn)情況，青色區(qū)域是它們覆蓋的天空情況（ 圖源：參考文獻(xiàn)[5] fig6）
目前全世界大約有30個(gè)國(guó)家，450 臺(tái)流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的相機(jī)在工作，這些設(shè)備并不是一個(gè)整體，而是國(guó)家或區(qū)域性的小網(wǎng)絡(luò)。
我國(guó)在流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)上也有所行動(dòng)。在2017年，由私營(yíng)的青島艾山天文臺(tái)牽頭，與國(guó)家天文臺(tái)合作，建立了首個(gè)計(jì)劃覆蓋全國(guó)的專業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。截止2021年8月份，已經(jīng)在全國(guó)鋪設(shè)了42個(gè)站點(diǎn)，并且已經(jīng)建立了完善的單站觀測(cè)、多站聯(lián)測(cè)以及層級(jí)上報(bào)的觀測(cè)體系。同時(shí)，我們臺(tái)的李廣偉老師在此基礎(chǔ)上提出了“羅扇項(xiàng)目”，于去年11月的學(xué)術(shù)年會(huì)上正式公布，該項(xiàng)目旨在開展大面積流星光譜監(jiān)測(cè)，目前還在如火如荼地進(jìn)行當(dāng)中。
圖11. 截止到2021年8月，全國(guó)流星監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所在位置（圖源：qd-sky.cn）
期待不久的以后，我們監(jiān)測(cè)流星的“天網(wǎng)”編制地愈加密實(shí)，給我們帶來流星雨背后的新認(rèn)知。
參考文獻(xiàn)
[1]彭煥文, et al. "麗江天文觀測(cè)站全天相機(jī)介紹." 天文研究與技術(shù) (2015).
[2]梅林, 吳翔, and 周作超. "深圳市天文臺(tái)全天云圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)." (2018).
[3]田健峰, et al. "中國(guó) SONG 項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)全天云量監(jiān)測(cè)方案." 天文學(xué)報(bào) 57.3 (2016): 366-375.
[4]葉泉志. (2018). 業(yè)余天文學(xué)在中國(guó): 現(xiàn)狀與未來.
[5]Vida, Denis, et al. "The Global Meteor Network–Methodology and first results." Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 506.4 (2021): 5046-5074.
[6]Ott, Theresa, et al. "Meteoroid flux determination using image intensified video camera data from the CILBO double station." Proceedings of the International Meteor Conference, edited by: Rault, J.-L. and Roggemans, P., IMO. Vol. 2329. 2014.
[7]Fernini, I., et al. "The UAE Meteor Monitoring Network." Journal of Instrumentation 15.06 (2020): T06007.
· 作者 / 簡(jiǎn)介
徐成亮，國(guó)家天文臺(tái)研究生。
聯(lián)系客服
