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2018年第1期 总第015期 1月
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星星为什么会眨眼?

“一闪一闪亮晶晶,满天都是小星星”是我们再熟悉不过的童谣,夜晚仰望星空看繁星闪烁,有没有在脑海中飘过这个问题:小星星们为什么会一闪一闪“眨眼睛”呢?

要解决这个问题首先要了解光的折射——光从一种介质斜射入另一种介质时,传播方向发生改变。地球的大气层由于分布不均匀,犹如层层透镜,射入其中的光线便会发生多次折射层层弯折。

遥远的星光要到达我们的视野同样需要穿过大气层的多次折射和弯折。而且由于大气层(尤其是其中的对流层)非常不稳定、一直在无规则的湍动,经过弯折的星光会随之改变方向:星光有时偏离我们,星星便好像消失了一样;有时则刚好射进我们的眼睛,星星便也重新出现,因此星星变得忽明忽暗、“一闪一闪”的。这个原理如同艳阳下看到游泳池底晃动的明亮条纹。水面犹如大大小小的透镜,某些地方阳光比较集中,看起来比较明亮,有些地方则比较暗。大气也像游泳池的水一样,一直在晃动,造成影像上下左右晃动甚至是颜色、明暗变化。

由此可见星星闪烁的现象是由于大气层的扰动,星星闪烁越频繁,就意味着高空气流越不稳定,天气也会发生变化,一般遇到这种情况,来日非风即雨,故而有 “星星眨眼,来日变天”之说。 

为什么太阳和月亮不会闪呢?

太阳直径约为140万千米,与地球距离约为一亿四千九百万千米,如此算来从地球看太阳的视角约为0.5度,差不多是我们伸直手臂,食指宽度的一半。这样的角度足以让我们透过望远镜观察太阳的表面,研究太阳黑子等现象。月亮虽然小,但是由于距离地球较近(平均约为40多万千米),所以视角跟太阳差不多,约为0.5度。

除了太阳以外的其他恒星,都距离我们非常遥远,例如离太阳最近的恒星——比邻星,虽然实际直径也为十万千米,但是由于距离我们约为4.2光年,所以对于地球上的观察者来说视角只有百万分之一度。正常人眼能分辨的视角为1分(1/60度),所以我们看到的只是一个亮点,称之为光的“点源”。从这一点源发出的光线穿越层层大气时便极易受到大气扰动的影响,发生闪烁。

由此可见,相对于其他恒星来说,太阳和月亮并不是亮点,而是亮圆盘,又称“面源”,由无数光点组成。面源的光线即使有部分被折射偏移开,我们仍然可以接收到剩下部分的光线,因此太阳和月亮的影像看起来很稳定。

行星那么小,为什么不会闪?

行星内部没有核反应,没有足够的能量支撑形成太大的体积,行星的 质量也往往比恒星的小。例如,太阳系中最大的行星——木星,其直径约为14万千米(约为太阳的十分之一)。在地球上我们观察木星却发现视角约为0.01度,和遥远的恒星比起来要大得多。普通的双筒望远镜便足以看到它们。由此可见,较近的系内行星对于我们来说也是“面源”,所以相比较遥远的恒星来说,系内行星这种面源比较不容易“闪烁”。通常情况下,我们可以根据这个特点来分辨夜空中“眨眼”的恒星与不会“眨眼”的行星。

在太空中看到的星星不会闪吗?

如果说在地球上看到星星“眨眼”,是由于大气层气流的干扰,那在太空中看到的星星是不是不会闪烁了呢?

当然,没有了大气层“调皮”的扰动,在太空中去观赏普通的恒星的确是又亮又稳定。但凡事都有例外,就在茫茫宇宙中,存在这样一些天体,它们不需要外界的扰动自身就会闪烁,比如“变星”和部分双星系统等:变星本身星内系统不稳定,会有周期性的爆发,所以看起来会闪烁;而在一些双星系统中,亮星和暗星彼此绕转,时掩时露,也会出现闪烁的 效应。这样看来,也不能绝对的说“太空中的星星就不会眨眼”了呢! 


光影记录闪烁的恒星
匈牙利摄影师利用在拍摄过程中移动相机并延长曝光时间的方法来观察闪烁的恒星,通过这个方法拍摄出来的星光像是在视野中行走,形成一条光亮的轨迹。通过结果的对比可以发现行星在相机移动过程中形成的光线轨迹颜色和宽度较为稳定;而恒星的轨迹则变得多姿多彩,由此可以说明在拍摄曝光期间,恒星这类点源受到大气扰动而造成的亮度和颜色上的变化,要比面源类的行星显著。 而且通过对位于不同位置恒星的拍摄发现,越是接近地平线的恒星(与地平夹角越小)闪烁效果越明显,这是由于靠近地平线的星光需要穿越更长距离湍动的大气层才能到达观察者,因此受到的影响更大。 

星星的颜色都是一样的吗?

上图中恒星星光的轨迹呈现出五彩斑斓的颜色是由于大气扰动、光的折射等多种原因综合造成的。真实的星星又是什么颜色的呢?它们的颜色都是一样的吗?


星轨拍摄体现出星星的颜色(作者于2013年10月3日拍摄于呼伦贝尔室韦)

如果观察得够仔细,便会发现满天星斗不仅闪闪烁烁向我们眨着眼睛,而且它们的颜色也各不相同,有红色的、橙色的、黄色的、白色的甚至是蓝白色的。这又是为什么呢?

原来恒星的一生也和人的一生一样,从诞生到衰亡经过青年期、中年期和老年期。星星从诞生到中年期,温度不断上升,直到中年期达到顶峰,中年期过后,可供热核反应的原料逐渐耗尽,温度开始下降,直到死亡。在这个变化过程中,恒星的颜色随着温度的变化而改变着。表面 温度较低的恒星呈现红色,其次为黄色,表面温度高的恒星呈现白色和蓝白色。我国著名史书《史记》中记载,二千多年前的汉代,参宿四是 黄色的,可是今天我们观测到的参宿四却是浅橙色的,说明参宿四的温度在逐渐降低,它正从壮年走向老年。

太阳的表面温度是6000°C,现在正是它的 “中年”时期,看起来是黄色的。天空中最亮的恒星是天狼星,它表面温度约为10000°C,所以看起来是清白色的。织女星也发出白色光,差不多有10000°C;天蝎座那颗亮亮的“心宿二”,从它的火红色就可知道它的表面温度不会超过 3600°C。 

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