星星為什么會眨眼？

□ 國家天文臺 黃亞芳

星星為什么會眨眼？

□ 國家天文臺 黃亞芳

“一閃一閃亮晶晶，滿天都是小星星”是我們再熟悉不過的童謠了，夜晚仰望星空看繁星閃爍，有沒有在腦海中飄過這個問題：小星星們?yōu)槭裁磿婚W一閃“眨眼睛”呢？

要解決這個問題先要回顧一下在前幾期的迷你問答系列文章中介紹過的光的折射——光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時，傳播方向發(fā)生改變。地球的大氣層由于分布不均勻，猶如層層透鏡，射入其中的光線便會發(fā)生多次折射層層彎折。

遙遠的星光要到達我們的視野同樣需要穿過大氣層的多次折射和彎折。而且由于大氣層（尤其是其中的對流層）非常不穩(wěn)定、一直在無規(guī)則地湍動，所以經(jīng)過彎折的星光會隨之改變方向：星光有時偏離我們，星星便好像消失了一樣；有時則剛好射進我們的眼睛，星星便重新出現(xiàn)，因此星星變得忽明忽暗、“一閃一閃”的。這個原理如同艷陽下看到游泳池底晃動的明亮條紋。水面猶如大大小小的透鏡，某些地方陽光比較集中，看起來比較明亮，有些地方則比較暗。大氣也像游泳池的水一樣，一直在晃動，造成影像上下左右晃動甚至是顏色、明暗變化。

由此可見星星閃爍的現(xiàn)象是由于大氣層的擾動，星星閃爍越頻繁，就意味著高空氣流越不穩(wěn)定，天氣也會發(fā)生變化，一般遇到這種情況，來日非風即雨，故而有“星星眨眼，來日變天”之說。

Q1為什么太陽和月亮不會閃呢？

A

我們的太陽直徑約為140萬千米，與地球距離約為一億四千九百萬千米，如此算來從地球看太陽的視角約為0.5度，差不多是我們伸直手臂所見食指寬度的一半。這樣的角度足以讓我們透過望遠鏡觀察太陽的表面，研究太陽黑子等現(xiàn)象。月亮雖然小，但是由于距離地球較近（平均約為40多萬千米），所以視角跟太陽差不多，約為0.5度。

除了太陽以外的其他恒星，都距離我們非常遙遠，例如離太陽最近的恒星——比鄰星，雖然實際直徑也為十萬千米，但是由于距離我們約為4.2光年，所以對于地球上的觀察者來說視角只有百萬分之一度。正常人眼能分辨的視角為1分（1/60 度），所以我們看到的只是一個亮點，我們稱之為光的“點源”。從這一點源發(fā)出的光線穿越層層大氣時便極易受到大氣擾動的影響，發(fā)生閃爍。

由此可見，相對于其他恒星來說，太陽和月亮并不是亮點，而是亮圓盤，又稱“面源”，由無數(shù)光點組成。面源的光線即使有部分被折射偏移開，我們?nèi)匀豢梢越邮盏绞Ｏ虏糠值墓饩€，因此在我們看來，太陽和月亮的影像顯得很穩(wěn)定。

Q2行星那么小，為什么不會閃？

A

行星內(nèi)部沒有核反應，沒有足夠的能量支撐形成太大的體積，行星的質(zhì)量也往往比恒星的小。例如，太陽系中最大的行星——木星，其直徑約為14萬千米（約為太陽的十分之一）。但在地球上我們觀察木星卻發(fā)現(xiàn)視角約為0.01度，和遙遠的恒星比起來要大得多。普通的雙筒望遠鏡便足以看到它們。由此可見，較近的系內(nèi)行星對于我們來說也是“面源”，所以相比較遙遠的恒星來說，系內(nèi)行星這種面源比較不容易“閃爍”。通常情況下，我們可以根據(jù)這個特點來分辨夜空中“眨眼”的恒星與不會“眨眼”的行星。

Q3在太空中看到的星星不會閃嗎？

A

如果說在地球上看到星星“眨眼”，是由于大氣層氣流的干擾，那在太空中看到的星星是不是不會閃爍了呢？

當然，沒有了大氣層“調(diào)皮”的擾動，在太空中去觀賞普通的恒星的確是又亮又穩(wěn)定。但凡事都有例外，就在茫茫宇宙中，存在這樣一些天體，它們不需要外界的擾動自身就會閃爍，比如“變星”和部分雙星系統(tǒng)等：變星本身星內(nèi)系統(tǒng)不穩(wěn)定，會有周期性的爆發(fā)，所以看起來會閃爍；而在一些雙星系統(tǒng)中，亮星和暗星彼此繞轉，時掩時露，也會出現(xiàn)閃爍的效應。這樣看來，也不能絕對地說“太空中的星星就不會眨眼”了呢！

對不同觀測目標曝光2~2.5秒，并同時移動相機拍攝而成。標注角度表示目標位置與地平線夾角。

光影記錄閃爍的恒星

匈牙利攝影師利用在拍攝過程中移動相機并延長曝光時間的方法來觀察閃爍的恒星，通過這個方法拍攝出來的星光像是在視野中行走，形成一條光亮的軌跡。通過結果的對比可以發(fā)現(xiàn)行星在相機移動過程中形成的光線軌跡顏色和寬度較為穩(wěn)定，而恒星的軌跡則變得多姿多彩，由此可以說明在拍攝曝光期間，恒星這類點源受到大氣擾動而造成的亮度和顏色上的變化，要比面源類的行星顯著。而且通過對位于不同位置恒星的拍攝發(fā)現(xiàn)，越是接近地平線的恒星（與地平夾角越小）閃爍效果越明顯，這是由于靠近地平線的星光需要穿越更長距離湍動的大氣層才能到達觀察者，因此受到的影響更大。

通過星軌拍攝觀察星星的顏色

作者于2013年10月3日攝于呼倫貝爾室韋

Q4星星的顏色都是一樣的嗎？

A

上圖中恒星星光的軌跡呈現(xiàn)出五彩斑斕的顏色是由于大氣擾動、光的折射等多種原因綜合造成的。真實的星星又是什么顏色的呢？它們的顏色都是一樣的嗎？

如果觀察得夠仔細，便會發(fā)現(xiàn)滿天星斗不僅閃閃爍爍向我們眨著眼睛，而且它們的顏色也各不相同，有紅色的、橙色的、黃色的、白色的甚至是藍白色的。這又是為什么呢？

原來恒星的一生也和人的一生一樣，從誕生到衰亡經(jīng)過青年期、中年期和老年期。星星從誕生到中年期，溫度不斷上升，直到中年期達到頂峰，中年期過后，可供熱核反應的原料逐漸耗盡，溫度開始下降，直到死亡。在這個變化過程中，恒星的顏色隨著溫度的變化而改變著。表面溫度較低的恒星呈現(xiàn)紅色，其次為黃色，表面溫度高的恒星呈現(xiàn)白色和藍白色。我國著名史書《史記》中記載，二千多年前的漢代，參宿四是黃色的，可是今天我們觀測到的參宿四卻是淺橙色的，說明參宿四的溫度在逐漸降低，它正從壯年走向老年。太陽的表面溫度是6000℃，現(xiàn)在正是它的“中年”時期，看起來是黃色的。天空中最亮的恒星是天狼星，它表面溫度約為10000℃，所以看起來是清白色的。織女星也發(fā)出白色光，差不多有10000℃；天蝎座那顆亮亮的“心宿二”，從它的火紅色就可知道它的表面溫度不會超過3600℃。