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從流星現象出發(fā)
“初涼宜夜透衣羅，時(shí)見(jiàn)流星度絳河” 。流星是大眾喜聞樂(lè )見(jiàn)的天文事件。寧靜的夜晚，于庭院中手捧一杯香茗，賞流星瞥過(guò)，不可謂不愜意。
需要說(shuō)明的是，流星是流星體帶來(lái)的一種現象。當流星體進(jìn)入地球大氣燃燒時(shí)就是我們見(jiàn)到的流星了。在2017年4月，IAU（國際天文聯(lián)合會(huì )）對流星體的定義進(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(wú)存，燃燒的亮度不少在-1等左右。較為罕見(jiàn)的是火流星，宿主塊頭要大一些，在大氣中燒的雖所剩無(wú)幾，卻往往留有遺骸，有些亮度可達-14等以上，比滿(mǎn)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。對于一個(gè)特定的流星雨，它們在天空中劃過(guò)的軌跡延長(cháng)線(xiàn)幾乎交于一點(diǎn)，我們稱(chēng)這虛擬的點(diǎn)為輻射點(diǎn)，輻射點(diǎn)出現在哪個(gè)星座就管它叫什么流星雨。不同的流星雨有著(zhù)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(lái)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行，且并非鐵板一塊的剛體，當它經(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(lái)；亦或者臨近太陽(yáng)溫度升高，容易形成十分廣闊彌散的塵?；畚?，這些彗尾小顆粒會(huì )逐漸散落至軌道各處。當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(lái)了流星雨。以英仙座流星雨為例，早在公元36年就被中國史料記載，后被證實(shí)其母體來(lái)自軌道周期為133年的109 P 彗星（又稱(chēng)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）
背后蘊藏的研究?jì)r(jià)值
流星除了可以寄托我們對美好生活的向往，同樣有著(zhù)不菲的研究?jì)r(jià)值。
從現象學(xué)的角度來(lái)看，我們還不能對各大流星雨的流量做出準確預測，對煙花般壯觀(guān)的流星暴(ZHR > 1,000)的流量預測更是難上加難，這些都有待長(cháng)期觀(guān)測才能給出更好的模型。在偶發(fā)流星問(wèn)題上，隨著(zhù)觀(guān)測的積累，我們也發(fā)現很多偶發(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)流星雨得到認證。
圖3. 兩幅對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(guān)測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(lái)自彗星何處，面對分裂的動(dòng)力學(xué)細節還存疑惑，需要等待更多觀(guān)測數據的積累才能得知。其次，從太陽(yáng)系角度，觀(guān)測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(méi)經(jīng)歷什么演化，顯得非常的“原始”，通過(guò)觀(guān)測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(guān)測流星可以揣測太陽(yáng)系大小天體質(zhì)量分布情況。圖為利用雙站觀(guān)測得到的不同流星體的質(zhì)量（對數）與流量的關(guān)系圖，實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)是兩個(gè)模型的導出結果，圓點(diǎn)是觀(guān)測結果（圖源：參考文獻[6]fig 13）
最后，從預防風(fēng)險角度，監測流星可以幫助我們了解近地空間環(huán)境。雖然流星對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，對太空中的航天器容易構成威脅。故對流星規律性的研究，可幫助人造物避開(kāi)碎片密集的區域。
以上種種，皆在鼓勵我們積累更龐大且細致的流星觀(guān)測數據。
探秘需要的觀(guān)測手段
流星或流星雨的觀(guān)測上，我們可以進(jìn)行可見(jiàn)光或射電觀(guān)測。射電波段上可以用各種天線(xiàn)或專(zhuān)業(yè)的射電望遠鏡去觀(guān)測，具體按下不表。至于可見(jiàn)光波段則有肉眼、望遠鏡、全天相機三種手段觀(guān)測流星。
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(huà)下。當我們野外目視流星時(shí)，我們可以手動(dòng)記錄下它出現的時(shí)間、方位等信息，提交給國際流星組織(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(zhuān)業(yè)價(jià)值甚微。望遠鏡雖然有很高的集光能力，但用來(lái)觀(guān)測流星性能是過(guò)剩的，且視場(chǎng)太小，流星出現在視野里只能碰運氣。若想覆蓋整個(gè)天空則需要成百上千個(gè)鏡子，經(jīng)費上就劃不來(lái)。
用攝像設備取代人眼來(lái)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，用相機監測流星已經(jīng)沒(méi)什么門(mén)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(wú)余。同時(shí)由于攝像設備的小型化、易操作性，也使得不少天文愛(ài)好者可以搭建自己的設備來(lái)監測流星。
我們的需求是搭建一個(gè)自動(dòng)監測天空的全天相機，從而得知每顆流星出現的時(shí)間、方位、亮度等信息。其實(shí)搭建這樣的單個(gè)系統非常簡(jiǎn)單，成本也非常低廉。主體是一個(gè)樹(shù)莓派，(微型電腦)搭配相機、鏡頭，加上保護外殼和防雨罩，軟件控制上是開(kāi)源的，很容易找到提供的組織，初級的數據處理可以用商業(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性即可。
圖5. 我們在站上利用行星相機簡(jiǎn)易搭建的全天相機（左）以及捕捉到的一張流星照片（右）
當然并不是所有的全天相機都一樣。有的團隊考慮到數據處理過(guò)程中，使用單相機加180度廣角的方案帶來(lái)圖像畸變難以修正，故選用多個(gè)相機多個(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)上的流星監測相機（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(wú)法對整個(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)現前面闡述的科學(xué)目標更是不可能?，F在我們有無(wú)數衛星實(shí)時(shí)監控地球表面，但是對頭頂的星空卻未能掌握其實(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聯(lián)合起來(lái)呢？
如果地球上每個(gè)位置都有監控相機，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的監測下一顆流星都無(wú)法悄然溜走，我們對流星數據的獲取就是完備的了。這就牽引出流星監測網(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預計達到9,000 左右，這一罕見(jiàn)的爆發(fā)事件出乎了所有人的意料，事后翻閱卻發(fā)現沒(méi)有任何的觀(guān)測報告仔細說(shuō)明這件事。因為爆發(fā)的最佳觀(guān)測時(shí)間對應的是亞洲的夜晚，而彼時(shí)的亞洲卻沒(méi)有相機在監測，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)相機在2018年10月9日一整晚監測到的流星情況，視場(chǎng)為88° × 48° （圖源：參考文獻[5] fig1 ）
所謂“流星監測網(wǎng)絡(luò )”是指在不同地點(diǎn)放置全天相機，實(shí)現對夜空全天候高靈敏度的觀(guān)測。項目初衷是在成百上千個(gè)站點(diǎn)上放置全天相機，站點(diǎn)間距短則幾公里，長(cháng)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)統一的數據格式實(shí)時(shí)上傳到中心服務(wù)器，再經(jīng)過(guò)嚴格的自動(dòng)化校準流程，讓我們對近地流星體有實(shí)時(shí)的感知。隨著(zhù)大量高精度的數據積累，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，上部深色區域是兩個(gè)相機重疊的天區（圖源：參考文獻[6] fig1）
除了前面提到的太陽(yáng)系認知、近地環(huán)境等方面，流星監測網(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(lái)珍貴的外星禮物。據估計，每50萬(wàn)平方公里的土地上，每年會(huì )落下十個(gè)火流星，帶來(lái)至少300 g樣本。以往找這些小石頭會(huì )是個(gè)很費勁的活，在流星監測網(wǎng)絡(luò )的幫助下，多個(gè)站點(diǎn)數據可以更好確定它的軌跡，方便我們縮小搜尋范圍。
圖9. ANSMET團隊的研究人員在南極尋找隕石（圖源：Cindy Evans/pri.org）
最早的流星監測網(wǎng)絡(luò )可追溯到70年代，由于技術(shù)水平的局限性，只能用于探測特別亮的火流星。隨著(zhù)現代工業(yè)化的發(fā)展，流星監測網(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)配置一套科研級別的設備可以控制在人名幣6,000元以?xún)?，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)遙遠的“宏圖大業(yè)”，流星監測網(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每個(gè)站點(diǎn)，愛(ài)好者們可以向當地組織購買(mǎi)設備，置于家中，產(chǎn)生的數據一方面上傳至服務(wù)端用于科研分析，一方面可以自行娛樂(lè )。
圖10. 歐洲和北美的流星監測網(wǎng)絡(luò )，紅點(diǎn)為站點(diǎn)情況，青色區域是它們覆蓋的天空情況（ 圖源：參考文獻[5] fig6）
目前全世界大約有30個(gè)國家，450 臺流星監測網(wǎng)絡(luò )的相機在工作，這些設備并不是一個(gè)整體，而是國家或區域性的小網(wǎng)絡(luò )。
我國在流星監測網(wǎng)絡(luò )上也有所行動(dòng)。在2017年，由私營(yíng)的青島艾山天文臺牽頭，與國家天文臺合作，建立了首個(gè)計劃覆蓋全國的專(zhuān)業(yè)監測網(wǎng)絡(luò )。截止2021年8月份，已經(jīng)在全國鋪設了42個(gè)站點(diǎn)，并且已經(jīng)建立了完善的單站觀(guān)測、多站聯(lián)測以及層級上報的觀(guān)測體系。同時(shí)，我們臺的李廣偉老師在此基礎上提出了“羅扇項目”，于去年11月的學(xué)術(shù)年會(huì )上正式公布，該項目旨在開(kāi)展大面積流星光譜監測，目前還在如火如荼地進(jìn)行當中。
圖11. 截止到2021年8月，全國流星監測站點(diǎn)所在位置（圖源：qd-sky.cn）
期待不久的以后，我們監測流星的“天網(wǎng)”編制地愈加密實(shí)，給我們帶來(lái)流星雨背后的新認知。
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· 作者 / 簡(jiǎn)介
徐成亮，國家天文臺研究生。
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